วิวัฒนาการของตารางธาตุ ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 4 วิชาเคมี

อยากรู้เลขมวลอะตอมก็ต้องเปิดตารางธาตุ อยากรู้ว่าธาตุนี้อยู่หมู่ไหนก็ต้องเปิดตารางธาตุ ปฏิเสธไม่ได้เลยว่าในการเรียนวิชาเคมี ตารางธาตุคือไอเท็มที่ชาว StartDee ขาดไม่ได้จริง ๆ แต่เพื่อน ๆ รู้ไหมว่ากว่าจะมาเป็นตารางธาตุในปัจจุบันที่มีหน้าตาสวยงามแบบนี้ วิวัฒนาการของการสร้างตารางธาตุนั้นยาวนานกว่า 200 ปี เพราะกว่าจะจัดกลุ่มกันลงตัวก็ผ่านมาแล้วหลากหลายทฤษฎี แต่จะมีทฤษฎีไหนบ้างต้องตามไปดูในบทความนี้แล้วล่ะ !

นอกจากบทความนี้ เรายังมีบทเรียนในรูปแบบแอนิเมชันเข้าใจง่าย ๆ ด้วย เพียงดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน StartDee แล้วเสิร์ชบทเรียน ‘วิวัฒนาการของการสร้างตารางธาตุ’ ค้นปุ๊บ ! เจอปั๊บ !

จุดเริ่มต้นของตารางธาตุและกฎชุดสาม

ของเดอเบอไรเนอร์ (Dobereiner’s Law of Triads)

ประมาณปี 1789 อองตวน ลาวัวซิเยร์ (Antoine Lavoisier) นักเคมีชาวฝรั่งเศสเริ่มจัดกลุ่มธาตุโดยจำแนกระหว่างธาตุโลหะ กับธาตุอโลหะ ต่อมาโยฮันน์ วูลฟ์กัง เดอเบอไรเนอร์ (Johann Wolfang Döbereiner) นักเคมีชาวเยอรมันได้สังเกตคุณสมบัติทางกายภาพและคุณสมบัติทางเคมีของธาตุ และจัดกลุ่มธาตุเป็นชุดละ 3 ชนิด โดยเลขมวลเรียงจากน้อยไปมาก 

เดอเบอไรเนอร์จัดกลุ่มธาตุกลุ่มละ 3 ชนิด จากตัวอย่างจะประกอบด้วยลิเทียม (Li) โซเดียม (Na) และโพแทสเซียม (K) โดยมวลอะตอมของบนและล่างจะเท่ากับมวลอะตอมของธาตุที่อยู่ตรงกลาง นอกจากนี้เดอเบอไรเนอร์ยังสังเกตว่าคุณสมบัติของธาตุกับมวลอะตอมอาจมีความสัมพันธ์กันด้วย เนื่องจากลิเทียม โซเดียม และโพแทสเซียมเป็นธาตุที่ทำปฏิกิริยารุนแรงกับน้ำทั้งหมด

การจัดกลุ่มธาตุเป็นชุดละ 3 แบบนี้เรียกว่า ‘กฎชุดสาม (Law of Triads)’ แต่อย่างไรก็ตาม กฎชุดสามยังมีข้อจำกัดโดยจะใช้ได้กับธาตุเพียงบางกลุ่มเท่านั้น

ตารางธาตุของนิวแลนด์และกฎแปด (Newland’s Periodic* Table and Law of Octaves)

ต่อมาจอห์น นิวแลนด์ (John Newlands) นักเคมีชาวอังกฤษได้จัดตารางธาตุขึ้นใหม่โดยเพิ่ม ‘มวลอะตอม (Atomic Masses)’ เข้ามา โดยเรียงธาตุทีละ 8 ธาตุจากมวลอะตอมน้อยไปมากลงในตาราง ตารางธาตุของนิวแลนด์จะไม่รวมไฮโดรเจนกับแก๊สมีสกุลเข้าไปในตาราง และธาตุตัวที่ 8 จะมีสมบัติคล้ายกับธาตุตัวที่ 1 การเรียงธาตุแบบนี้เรียกว่า ‘กฎแปด (Law of Octaves)’ 

แต่ตารางธาตุของนิวแลนด์ยังมีข้อจำกัดคืออธิบายความสัมพันธ์ระหว่างมวลอะตอมของธาตุกับสมบัติที่คล้ายกันไม่ได้ และจะพิจารณาถึงธาตุที่มีมวลอะตอม 40 คือ Ca เท่านั้น

ตารางธาตุของนิวแลนด์ ขอบคุณรูปภาพจาก meta-synthesis.com

*Periodic แปลว่า ‘เป็นช่วง ๆ’ สะท้อนถึงคุณสมบัติของธาตุที่จะซ้ำกันเป็นช่วง ๆ นั่นเอง

ตารางธาตุของดิมิทรี เมนเดเลเยฟ และโลทาร์ ไมเออร์ (Dmitri Mendeleev and Lothar Meyer’s Periodic Table)

ต่อมาดิมิทรี อิวาโนวิค เมนเดเลเยฟ (Dmitri Ivanovich Mendeleev) นักเคมีชาวรัสเซียจึงเริ่มบุกเบิกตารางธาตุสมัยใหม่ด้วยการเรียงธาตุตามมวลอะตอมจากน้อยไปมาก จะพบว่าธาตุมีสมบัติคล้ายกันเป็นช่วง ๆ การที่ธาตุต่าง ๆ มีสมบัติคล้ายกันเป็นช่วงแบบนี้ เมนเดเลเยฟตั้งเป็นกฏเรียกว่า ‘กฎพิริออดิก (periodic law)’ และเมนเดเลเยฟก็เชื่อว่ายังมีธาตุอีกจำนวนมากที่ยังไม่ถูกค้นพบ จึง ‘เว้นที่ว่างไว้ให้ธาตุที่ยังไม่ค้นพบ’ ด้วย ทำให้ตารางธาตุในแบบของเมนเดเลเยฟยังมีช่องว่างอยู่ นอกจากนี้เมนเดเลเยฟยังทำนายคุณสมบัติธาตุลำดับที่ 31 ไว้ว่าจะมีคุณสมบัติคล้ายอลูมิเนียม และตั้งชื่อให้ธาตุที่ยังไม่ค้นพบนี้ว่า ‘eka - aluminium’ ด้วย ซึ่งก็คือธาตุแกลเลียม (Ga) ในเวลาต่อมา

ตารางธาตุของเมนเดเลเยฟ ขอบคุณรูปภาพจาก Wikimedia

แต่อย่างไรก็ตาม เมื่อธาตุใหม่ ๆ อย่างไอโอดีน (I) และเทลลูเรียม (Te) ถูกค้นพบ ตารางธาตุของเมนเดเลเยฟก็ยังอธิบายความสัมพันธ์ของตำแหน่งธาตุใหม่ ๆ ในตารางไม่ได้ และในขณะเดียวกัน จูเลียส โลทาร์ ไมเออร์ (Julius Lothar Meyer) นักเคมีชาวเยอรมันก็ได้พัฒนาตารางธาตุที่มีลักษณะคล้ายกัน โดยไมเออร์พิจารณามวลอะตอม สมบัติของธาตุที่คล้ายกัน และเว้นที่ว่างไว้ให้ธาตุที่ยังไม่ได้ค้นพบเช่นกัน (แต่ไม่ได้ทำนายคุณสมบัติธาตุไว้ล่วงหน้า) 

ตารางธาตุของเมนเดเลเยฟประกอบด้วยธาตุที่ค้นพบแล้ว 63 ธาตุ ถึงจะยังไม่ใช่ตารางธาตุที่ถูกใช้มาจนถึงปัจจุบัน แต่ตารางธาตุของดิมิทรี เมนเดเลเยฟ และโลทาร์ ไมเออร์ก็สมบูรณ์ที่สุดในขณะนั้นและเป็นที่รู้จักอย่างแพร่หลายในช่วงศตวรรษที่ 19 ก่อนจะถูกพัฒนาให้สมบูรณ์ยิ่งขึ้นในเวลาต่อมา

ตารางธาตุของเฮนรี โมสลีย์และตารางธาตุในปัจจุบัน

ในปี 1913 เฮนรี โมสลีย์ (Henry Moseley) นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษได้ใช้รังสีเอ็กซ์มาวัดความยาวคลื่นของธาตุต่าง ๆ และหาความสัมพันธ์ระหว่างความยาวคลื่นและเลขอะตอม วิธีนี้ทำให้โมสลีย์พบว่า “สมบัติของธาตุสัมพันธ์กับเลขอะตอมมากกว่ามวลอะตอม” เขาจึงเริ่มจัดเรียงตารางธาตุใหม่ตามเลขอะตอมหรือประจุบวกในนิวเคลียส ตารางธาตุที่โมสลีย์พัฒนาขึ้นสามารถอธิบายความสัมพันธ์ของธาตุในตารางได้และสอดคล้องกับกฎพิริออดิก ตารางธาตุของเฮนรี โมสลีย์จึงเป็นตารางธาตุที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบัน

เป็นยังไงกันบ้างกับบทเรียนเรื่องวิวัฒนาการของตารางธาตุที่เรานำมาฝาก ใครจะคิดว่าตารางธาตุที่เราใช้อยู่ทุกวันจะมีประวัติความเป็นมายาวนานขนาดนี้ แต่จักรวาลของวิชาเคมีไม่ได้มีเพียงตารางธาตุเท่านั้น เพราะยังมีเรื่องราวอื่น ๆ ให้เพื่อน ๆ ได้เรียนรู้อีกมาก ไม่ว่าจะเป็นเรื่อง ออร์บิทัล แบบจำลองอะตอมของดอลตัน และ แบบจำลองอะตอมของทอมสัน ซึ่งเป็นบทเรียนพื้นฐานที่จำช่วยให้เพื่อน ๆ เข้าใจเรื่องตารางธาตุได้มากขึ้น แต่ถ้าอ่านบทความต่อไม่ไหว เพื่อน ๆ สามารถ ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน StartDee มาตะลุยโจทย์และทบทวนบทเรียนกับทีมคุณครู StartDee ได้เลย

ขอบคุณข้อมูลจาก:

ธวัลรัตน์ จันทร์ศิริ (ครูดาด้า)

Reference:

https://www.scientificamerican.com/article/the-evolution-of-the-periodic-system/

https://www.asbmb.org/asbmb-today/science/020721/a-brief-history-of-the-periodic-table

https://www.rsc.org/periodic-table/history/about