สมบัติของธาตุตามหมู่และตามคาบ

ขนาดอะตอม

ขนาดของ  1  อะตอม   =   มวลอะตอม / ความหนาแน่น

          จากแบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก อะตอมมีขอบเขตที่ไม่แน่นอน ระยะระหว่างนิวเคลียสถึงผิวอะตอมมีค่าไม่คงที่ ทำให้หาขนาดของอะตอมที่แท้จริงไม่ได้ จากแบบจำลองของอะตอมตามทฤษฎีของโบร์ อิเล็กตรอนในไฮโดรเจนอะตอมอาจมีพลังงานได้หลายค่า ขนาดอะตอมของไฮโดรเจนจึงขึ้นอยู่กับว่าอิเล็กตรอนอยู่ในระดับพลังงานใด ถ้าอยู่ในระดับพลังงานสูง จะอยู่ห่างจากนิวเคลียสมาก ขนาดอะตอมจะใหญ่ และถ้าอยู่ในระดับพลังงานต่ำ จะอยู่ใกล้นิวเคลียส ขนาดอะตอมจะเล็ก ดังนั้นจึงทำให้หาขนาดของอะตอมที่แท้จริงไม่ได้

“แนวโน้มขนาดอะตอมตามหมู่และตามคาบ”

เมื่อพิจารณาแนวโน้มของขนาดอะตอม มีแนวโน้มดังนี้

1.  เมื่อพิจารณาตามคาบ ธาตุในคาบเดียวกันมีขนาดอะตอมลดลงเมื่อเลขอะตอมเพิ่มขึ้น เช่น ในคาบที่ 3 ขนาดอะตอม Na > Mg > Al > Si > P > S > Cl เป็นต้น ทั้งนี้เพราะธาตุในคาบเดียวกันมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนอยู่ในระดับพลังงานเดียวกันแต่มีจำนวนโปตอนในนิวเคลียสต่างกัน ธาตุที่มีโปรตอนมากกว่าจะดึงดูดเวเลนซ์อิเล็กตรอนได้แรงกว่าจึงทำให้ขนาดอะตอมเล็กกว่า นั่นคือขนาดอะตอมจะลดลงจากซ้ายไปขวา

2.  เมื่อพิจารณาตามหมู่ ธาตุในหมู่เดียวกันมีขนาดอะตอมเพิ่มขึ้นตามเลขอะตอม เช่น ในหมู่ IA ขนาดอะตอม Li < Na < K < Rb < Cs <Rbทั้งนี้เพราะธาตุในหมู่เดียวกันแม้จำนวนโปรตอนในนิวเคลียสจะเพิ่มขึ้น แต่แรงดึงดูดเวเลนซ์อิเล็กตรอนมีน้อยเนื่องจากจำนวนระดับพลังงานที่มีอิเล็กตรอนอยู่เพิ่มขึ้น จึงเป็นเสมือนฉากกั้นแรงดึงดูดระหว่างโปรตอนในนิวเคลียสกับ เวเลนซ์อิเล็กตรอน มีผลทำให้ขนาดอะตอมใหญ่ขึ้นตามเลขอะตอม แสดงว่าในกรณีนี้การเพิ่มระดับพลังงานมีผลมากกว่าการเพิ่มจำนวนโปรตอนในนิวเคลียส

สำหรับธาตุในคาบที่ 4 คาบที่ 5 และคาบที่ 6 พบว่าขนาดอะตอมไม่เป็นไปตามแนวโน้มที่ต่อเนื่องกัน

รัศมีไอออน

อะตอมซึ่งมีจำนวนโปรตอนเท่ากับอิเล็กตรอน เมื่อรับอิเล็กตรอนเพิ่มเข้ามาหรือเสียอิเล็กตรอนออกไปอะตอมจะกลายเป็นไอออน นักเรียนคิดว่าขนาดของไอออนกับขนาดอะตอมของธาตุเดียวกันจะแตกต่างกันหรือไม่
การบอกขนาดของไอออนทำได้เช่นเดียวกับการบอกขนาดอะตอม กล่าวคือจะบอกเป็นค่ารัศมีไอออน ซึ่งพิจารณาจากระยะระหว่างนิวเคลียสของไอออนคู่หนึ่งๆ ที่มีแรงยึดเหนี่ยวซึ่งกันและกันในโครงผนึก ตัวอย่างรัศมีไอออนของ  และ  ในสารประกอบ  MgO  แสดงดังรูป

เปรียบเทียบขนาดอะตอมกับไอออน

เมื่อโลหะทำปฏิกิริยากับอโลหะ อะตอมของโลหะจะเสียเวเลนซ์อิเล็กตรอนกลายเป็นไอออนบวก จำนวนอิเล็กตรอนในอะตอมจึงลดลง ทำให้แรงผลักระหว่างอิเล็กตรอนลดลงด้วย หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งได้ว่าแรงดึงดูดระหว่างประจุในนิวเคลียสกับอิเล็กตรอน จะเพิ่มมากขึ้นไอออนบวกจึงมีขนาดเล็กกว่าอะตอมเดิม ส่วนอะตอมของอโลหะนั้นส่วนใหญ่จะรับอิเล็กตรอนเพิ่มเข้ามาและเกิดเป็นไอออน ลบ เนื่องจากมีการเพิ่มขึ้นของจำนวนอิเล็กตรอนจึงทำให้แรงผลักระหว่าง อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่อยู่รอบนิวเคลียสมีค่าสูงขึ้น ขอบเขตของกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนจะขยายออกไปจากเดิม ไอออนลบจึงมีมีขนาดใหญ่กว่าอะตอมเดิม ตัวอย่างขนาดอะตอมกับขนาดไอออนของธาตุแสดงดังรูป

รัศมีอะตอมและรัศมีไอออน (พิโกเมตร) ของธาตุบางชนิด

เมื่อพิจารณาแนวโน้มของรัศมีอะตอมและรัศมีไอออนตามหมู่ จะพบว่าหมู่ IA   IIA    IIIA และ VIIA   มีแนวโน้มเช่นเดียวกันคืออะตอมและไอออนมีขนาดเพิ่มขึ้นจากบนลงล่าง รัศมีไอออนบวกจะมีค่าน้อยกว่ารัศมีอะตอมแต่รัศมีไอออนลบจะมีค่ามากกว่ารัศมี อะตอมการเปรียบเทียบขนาดไอออนที่มีความหมาย จะเปรียบเทียบระหว่างไอออนที่มีการจัดอิเล็กตรอนเหมือนกันหรือมีจำนวน อิเล็กตรอนเท่ากัน เช่น    กับ    ซึ่งมี 10 อิเล็กตรอนเท่ากันและจัดอิเล็กตรอนเป็น  พบว่า      มีขนาดไอออนเล็กกว่า    ทั้งนี้เพราะ     มีประจุในนิวเคลียสมากกว่า    ส่วนไอออนบวกที่จัดอิเล็กตรอนเหมือนกัน ไอออนบวกที่มีประจุมากจะมีขนาดเล็กกว่าไอออนบวกที่มีประจุน้อย นั่นคือไอออน 3+ จะมีขนาดเล็กกว่า 2+ และ 1+ ตามลำดับ

 พลังงานไอออไนเซชัน (IE)

เมื่อให้พลังงานแก่อะตอมของธาตุในสถานะของ เหลวหรือของแข็งในปริมาณที่มากพอ จะทำให้อะตอมเปลี่ยนสถานะเป็นแก๊สได้และถ้าให้พลังงานต่อไปอีกจนสูงเพียงพอ ก็จะทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากอะตอมกลายเป็นไอออน พลังงานปริมาณน้อยที่สุดที่ทำให้อิเล็กตรอนหลุดจากอะตอมในสถานะแก๊สเรียกว่า พลังงานไอออไนเซชัน เขียนย่อเป็น IE 

พลังงานไอออไนเซชันของธาตุ 20 ธาตุแรกเรียงตามเลขอะตอมแสดงไว้ในตาราง

การเปรียบเทียบพลังงานไอออไนเซชันของธาตุจะใช้เฉพาะค่า IE1 ซึ่งเมื่อนำค่าพลังงานไอออไนเซชันลำดับที่ 1 ของธาตุบางธาตุในตารางธาตุมาแสดงจะได้ดังนี้

“สามารถสรุปแนวโน้มค่า IE1 ได้ดังนี้ เมื่อพิจารณาพลังงานไอออไนเซชันลำดับที่ 1 ของธาตุตามคาบ พบว่ามีแนวโน้มเพิ่มขึ้นตามเลขอะตอมเนื่องจากธาตุในคาบเดียวกันมีจำนวน โปรตอนในนิวเคลียสเพิ่มขึ้นและมีขนาดอะตอมเล็กลง แรงดึงดูดระหว่างนิวเคลียสกับเวเลนซ์อิเล็กตรอนจึงเพิ่มมากขึ้น อิเล็กตรอนจึงหลุดออกจากอะตอมได้ยาก
ส่วนพลังงานไอออไนเซชันลำดับที่ 1 ของธาตุตามหมู่มีแนวโน้มลดลงเมื่อเลขอะตอมเพิ่มขึ้น เนื่องจากระยะระหว่างนิวเคลียสกับเวเลนซ์อิเล็กตรอนเพิ่มขึ้น ทำให้แรงดึงดูดระหว่างนิวเคลียสกับเวเลนซ์อิเล็กตรอนลดลงอิเล็กตรอนจึงหลุด จากอะตอมได้ง่ายขึ้น”

 อิเล็กโทรเนกาติวิตี (EN)

เมื่ออะตอมของธาตุต่างชนิดรวมตัวเป็นโมเลกุลโดยใช้อิเล็กตรอนคู่ร่วมกัน นิวเคลียสของอะตอมทั้งสองจะดึงดูดอิเล็กตรอนคู่ที่ใช้ร่วมกันด้วยแรงที่ต่าง กัน ทำให้อะตอมที่สามารถดึงดูดอิเล็กตรอนได้ดีกว่าเกิดสภาพอำนาจไฟฟ้าค่อนข้าง เป็นลบ ส่วนอะตอมที่ดึงดูดอิเล็กตรอนได้น้อยกว่าจะเกิดสภาพอำนาจไฟฟ้าค่อนข้างเป็น บวก ความสามารถของอะตอมในการดึงดูดอิเล็กตรอนในโมเลกุลของสารเรียกว่า อิเล็กโทรเนกาติวิตี เขียนย่อเป็น EN ตัวอย่างเช่น ในโมเลกุล HCI เนื่องจาก CI ดึงดูดอิเล็กตรอนได้ดีกว่า H ดังนั้น CI  จึงมีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงกว่า H ในโมเลกุล OF2 เนื่องจาก F  ดึงดูดอิเล็กตรอนได้ดีกว่า O ดังนั้น F จึงมีค่าอิเล็กโทรเนกาวิตีสูงกว่า O แนวโน้มค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีของธาตุในตารางธาตุเป็นดังนี้

ค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีของธาตุในตารางธาตุ
เมื่อพิจารณาค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีของธาตุในคาบเดียวกัน พบว่ามีแนวโน้มเพิ่มขึ้นตามเลขอะตอม เนื่องจากในคาบเดียวกันอะตอมของธาตุหมู่ IA ความสามารถในการดึงดูดอิเล็กตรอนตามคาบจึงเพิ่มขึ้นจากหมู่ IA ไปหมู่ VIIA ดังนั้นในคาบเดียวกันธาตุหมู่ IA จึงมีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีต่ำที่สุดส่วนธาตุหมู่ VIIA มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงที่สุด
ธาตุในหมู่เดียวกันมีแนวโน้มของค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีลดลงเมื่อเลขอะตอม เพิ่มขึ้น เนื่องจากขนาดของอะตอมที่เพิ่มขึ้นตามหมู่ เป็นผลให้ความสามารถในการดึงดูดอิเล็กตรอนลดลงตามหมู่ด้วย

สัมพรรคภาพอิเล็กตรอน (EA)

สมบัติของอะตอมอีกประการหนึ่งคือ อะตอมของธาตุส่วนใหญ่สามารถรับอิเล็กตรอนเพิ่มได้อย่างน้อย  1  อิเล็กตรอน  ความสามารถในการับอิเล็กตรอนแสดงได้ด้วย ค่าสัมพรรคภาพอิเล็กตรอน เขียนย่อเป็น EA ซึ่งเป็นพลังงานที่เปลี่ยนแปลงเมื่ออะตอมในสถานะแก๊สได้รับอิเล็กตรอน 1 อิเล็กตรอน เขียนสมการแสดงการเปลี่ยนแปลงได้ดังนี้

 + พลังงาน

เนื่องจากมีการคายพลังงานออกมา EA จึงมีค่าเป็นลบ และถ้า EA มีค่าเป็นลบมากแสดงว่าอะตอมของธาตุนั้นมีแนวโน้มที่จะรับอิเล็กตรอนเข้ามา ได้ดี ความสามารถในการรับอิเล็กตรอนของแต่ละธาตุมีความแตกต่างกัน 

" ธาตุโลหะมีแนวโน้มสูงมากที่จะเสียอิเล็กตรอน โดยทั่วไปค่า EA ของธาตุโลหะจึงมีค่าเป็นลบน้อยๆ ถึงค่าบวกน้อยๆ ตัวอย่างค่า EA ของธาตุบางธาตุ" แสดงดังรูป

เลขออกซิเดชัน