3.6 ธาตุกัมมันตรังสี

3.6.1 การเกิดกัมมันตรังสี
                ในปี พ.ศ. 2439 อองตวน อองรี แบ็กเกอแรล (Antcine Henri Bacquerel) นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส ได้พบว่าแผ่นฟิล์มถ่ายรูปที่มีกระดาษดำห่อหุ้มอยู่ และเก็บรวมกันไว้กับสารประกอบของยูเรเนียม มีลักษณะเหมือนถูกแสง จึงทำการทดสอบกับสารประกอบของยูเรเนียมชนิดอื่นๆ พบว่าให้ผลการทดลองเช่นเดียวกัน แบ็คเกอเรลจึงสรุปเป็นเบื้องต้นว่า มีการแผ่รังสีออกมาจากธาตุยูเรีเนียม ต่อมาปีแอร์ กูรี (Pierre Curie) และมารี กูรี 
(marie Curie) นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส
ก็ได้พบว่าธาตุอื่น ๆ เช่น พอลโลเนียม (Po) เรเดียม (Ra) และทอเรียม (Th) ก็สามารถแผ่รังสีได้เช่นเดียวกัน ปรากฏการณ์ที่ธาตุแผ่รังสีได้เองอย่างต่อเนื่องเช่นนี้เรียกว่า กัมมันตภาพรังสี ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียสของไอโซโทปที่ไม่เสถียรและเรียกธาตุที่มีสมบัติเช่นนี้ว่า ธาตุกัมมันตรังสี ธาตุต่างๆ ที่พบในธรรมชาติส่วนใหญ่มีเลขอะตอมสูงกว่า 83 ล้วนแต่แผ่รังสีได้ทั้งสิ้น
นอกจาก ธาตุกัมมันตรังสีในธรรมชาติแล้ว นักวิทยาศาสตร์ยังสามารถสังเคราะห์ ธาตุกัมมันตรังสีขึ้นมาได้ ซึ่งสามารถนำไปใช้ประโยชน์ในด้านต่างๆ ได้มากมาย และเออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด (Ernest Rutherford) ได้ศึกษาเพิ่มเติม และได้แสดงให้เห็นว่ารังสีที่แผ่ออกมาจากสารกัมมันตรังสีอาจเป็น รังสีแอลฟา ( - ray ) รังสีเบตา (  - ray) หรือ รังสีแกรมมา ( - ray) ซึ่งมีสมบัติต่าง ๆ กัน

ตารางแสดงชนิดและสมบัติของรังสีบางชนิด

ชนิดของรังสี	สัญลักษณ์	สมบัติ
รังสีแอลฟา หรืออนุภาคแอลฟา	หรือ	เป็นนิวเคลียสของอะตอมฮีเลียม มีโปรตอนและนิวตรอน อย่างละ+2 อนุภาค มีประจุไฟฟ้า +2 มีเลขมวล 4 มีอำนาจทะลุทะลวงต่ำมาก ไม่สามารถผ่านแผ่นกระดาษหรือโลหะบาง ๆ ได้ เบี่ยงเบนในสนาม ไฟฟ้าโดยเบนเข้าหาขั้วลบ
รังสีบีตา หรืออนุภาคบีตา	หรือ	มีสมบัติเหมือนอิเล็กตรอน มีประจุไฟฟ้า +1 มีมวลเท่ากับมวลของ อิเล็กตรอน มีอำนาจทะลุทะลวงสูงกว่ารังสีแอลฟาถึง 100 เท่า สามารถผ่าน แผ่นโลหะบาง ๆ เช่น แผ่นตะกั่วหนา 1 mm หรือแผ่นอะลูมิเนียม หนา 5 mm มีความเร็วใกล้เคียงความเร็วแสง เบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้า โดยเบนเข้าหา ขั้วบวก
รังสีแกมมา		เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นสั้นมาก ไม่มีประจุและไม่มีมวล มีอำนาจทะลุทะลวงสูงมากสามารถทะลุผ่านแผ่นตะกั่วหนา 8 mmหรือผ่าน แผ่นคอนกรีตหนา ๆ ได้

3.5 ธาตุกึ่งโลหะ

 ธาตุกึ่งโลหะ  (semimetals) หรือ ธาตุเมทัลลอยด์ ( matalliods) จะอยู่ค่อนไปทางขวาของตารางธาตุจะเป็นเส้นทึบเป็นขั้นบันไดปรากฏอยู่ ซึ่งจัดเป็นธาตุกึ่งโลหะ ซึ่งอยู่กึ่งกลางระหว่างโลหะและอโลหะ ซึ่งคุณสมบัติสำคัญที่ใช้จำแนกประเภทของธาตุเหล่านี้คือคุณสมบัติการนำไฟฟ้า ธาตุกึ่งโลหะส่วนใหญ่จะเป็นสารกึ่งตัวนำ ( semiconductors ) และส่วนใหญ่มีโครงสร้างแบบโครงผลึกร่างตาข่าย 
       
       ธาตุกึ่งโลหะ ได้แก่ โบรอน ( B )  ซิลิคอน(Si) เจอร์เมเนียม(Ge)   อาร์เซนิก(As)   พลวง(Sb)  เทลลูเรียม(Te)  พอโลเนียม(Po) และแอสทาทีน(At)

 พบว่าธาตุกึ่งโลหะส่วนใหญ่มีค่าพลังงานไอออไนเซชันลำดับที่ 1 และค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีข้อนข้างสูง มีจุดเดือด จุดหลอมเหลว และความหนาแน่นมีค่าสูง และสามารถนำไฟฟ้าได้เช่นเดียวกับธาตุโลหะ สามารถเกิดสารประกอบไอออนิก และ สารประกอบโคเวเลนต์
จากสมบัติข้างต้นทำให้ได้ข้อมูลว่าตั้งแต่ธาตุโบรอนถึงธาตุแอสทาทีน โดยที่ตำแหน่งธาตุเหล่านี้อยู่ชิดเส้นทึบลักษณะขั้นบันไดในตารางธาตุตั้งแต่หมู่ 3A  ลงมามีสมบัติเป็นทั้งโลหะ และอโลหะจึงจัดเป็นธาตุกึ่งโลหะ 
( ยกเว้นธาตุ Al มีสมบัติเป็นโลหะ และ Po และAt เป็นธาตุกัมมันตรังสี )            

                                                            

3.4 ธาตุทรานซิชัน

3.4.3 สารประกอบเชิงซ้อนของธาตุแทรนซิชัน

สารประกอบของธาตุแทรนซิชันชนิดต่างๆ เช่น KMnO₄ ประกอบด้วย K⁺ และ MnO₄^- ส่วน K₃Fe(CN)₆ ประกอบด้วย K⁺ และ Fe(CN)₆^3- ทั้ง MnO₄^- และ Fe(CN)₆^3- จัดเป็นไอออนเชิงซ้อนที่มาตุแทรนซิชันเป็นอะตอมกลางและยึดเหนี่ยวกับอะตอมหรือไอออนอื่นๆ ที่มาล้อมรอบด้วยพันธะโคออร์ดิเนตโคเวเลนต์         สารประกอบที่ประกอบด้วยไอออนเชิงซ้อนจัดเป็นสารประอบเชิงซ้อน ธาตุแทรนซิชันส่วนใหญ่จะเกิดเป็นสารประกอบเชิงซ้อนที่มีสีต่างๆ จากการทดลองเมื่อเติมสารละลายแอมโมเนียเข้มข้นลงในสารละลายคอปเปอร์(II)   ซัลเฟต จะเกิดตะกอนสีครามของเตตระแอมมีนคอปเปอร์ (II)ซัลเฟตมอนอไฮเดรต โดยมีสูตรเป็น Cu(NH₃)₄SO₄*H₂O ซึ่งแตกต่างจากสารตั้งต้นที่มีสีฟ้า         เมื่อเก็บผลึกของ Cu(NH₃)₄SO₄*H₂O ไว้ 1 คืน สีของผลึกจะเปลี่ยนเป็นสีเขียวแกมฟ้า เนื่องจากผลึกนี้สลายตัวให้น้ำและแอมโมเนียออกมาอย่างละ 1 โมเลกุลเกิดเป็น Cu(NH₃)₃SO₄
           ถ้าพิจารณาเลขออกซิเดชันของทองแดงในสารประกอบทั้งสามชนิดจะพบว่ามีค่า +2 เท่ากัน แต่ชนิดและจำนวนโมเลกุลของสารที่มาล้อมรอบคอปเปอร์ (II) ไอออนแตกต่างกัน จากข้อมูลให้มีความรู้ว่าธาตุแทรนซิชันชนิดหนึ่งๆ อาจเกิดเป็นสารประกอบที่มาตุองค์ประกอบเหมือนกันได้มากกว่าหนึ่งชนิด สารประกอบแต่ละชนิดมีสีแตกต่างกันซึ่งขึ้นอยู่กับเลขออกซิเดชันของธาตุแทรนซิชัน ชนิดและจำนวนโมเลกุลหรือไอออนที่ล้อมรอบธาตุแทรนซิชันนั้น

ตารางแสดงสารประกอบเชิงซ้อนบางชนิดและไอออนองค์ประกอบ

  

  

สารประกอบเชิงซ้อน	ไอออนบวก	ไอออนลบ	สีของสารประกอบ
KMnO4	K+	[MnO4]-	ม่วงแดง
K2MnO4	K+	[MnO4]2-	เขียว
PbCrO4	Pb2+	[CrO4]2+	เหลือง
K3[Fe(CN)6]	K+	[Fe(CN)6]3-	ส้มแดง
Cu[(NH3)4SO4}]	[Cu(NH3)4]2+	[SO4]2-	คราม
Cu[(H2O)5SO4]	[Cu(H2O)5]2+	[SO4]2-	น้ำเงิน

3.4 ธาตุทรานซิชัน

3.4.2  สารประกอบของธาตุทรานซิชัน
สารเคมี เช่น KMnO4 และ CuSO4 เป็นสารประกอบของธาตุแทรนซิชัน สารประกอบของธาตุในกลุ่มนี้แตกต่างจากสารประกอบของโลหะในกลุ่ม A อย่างไร จากการศึกษาสารประกอบของโครเมียมและแมงกานีสจะได้ดังนี้จากผลการทดลอง ทำให้ทราบว่าโครเมียมและแมงกานีสมีเลขออกซิเดชันได้หลายค่า นอกจากนี้สารประกอบของทั้งโครเมียมและแมงกานีสที่มีเลขออกซิเดชันแตกต่างกันจะมีสีแตกต่างกันด้วย เช่นโครเมียมที่มีเลขออกซิเดชัน +2 และ +3 จะมีสีฟ้าและเขียวตามลำดับ ส่วนแมงกานีสที่มีเลขออกซิเดชัน+3 +6 และ +7 จะมีสีน้ำตาล สีเขียว และสีม่วงแดงตามลำดับ และจะพบว่าโครเมียมเกิดเป็นไอออนที่มีประจุได้ตั้งแต่ +1 ถึง +6 โดยที่การเกิดเป็น Cr+ อะตอมจะเสีย 1 อิเล็กตรอนในระดับพลังงานนอกสุดก่อนคือ 4s เมื่อเกิดเป็นไอออนที่มีประจุสูงขึ้น อะตอมจะเสียอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นซึ่งเป็นอิเล็กตรอนที่อยู่ในระดับพลังงาน 3d การที่โครเมียมสามารถให้อิเล็กตรอนในระดับพลังงานที่ถัดเข้าไปจากระดับพลังงานนอกสุดและเกิดเป็นไอออนที่เสถียร ทำให้โครเมียมมีเลขออกซิเดชันได้หลายค่า ธาตุแทรนซิชันอื่น ๆ ก็สามารถให้อิเล็กตรอนในลักษณะเดียวกับโครเมียมและมีเลขออกซิเดชันได้หลายค่าจึงเกิดสารประกอบได้หลายชนิด                            

สูตร	ชื่อ	สี
Cr2+	โครเมียม (II) ไอออน	น้ำเงิน
Cr3+	โครเมียม (III) ไอออน	เขียว
	โครเมตไอออน	เหลือง
	ไดโครเมตไอออน	ส้ม
Mn2+	แมงกานีส (II) ไอออน	ชมพูอ่อน
Mn(OH)3	แมงกานีส (III) ไฮดรอกไซด์	น้ำตาล
MnO2	แมงกานีส (IV) ออกไซด์	ดำ
	แมงกาเนตไอออน	เขียว
	เปอร์แมงกาเนตไอออน	ม่วงแดง

3.4 ธาตุทรานซิชัน

3.4.1  สมบัติของธาตุทรานซิชัน 

ธาตุแทรนซิชันมีสมบัติคล้ายคลึงกันทั้งในแนวนอนและแนวดิ่ง  ซึ่งทุกธาตุต่างเป็นพวกโลหะแต่มีความแตกต่างจากโลหะหมู่  IA  และหมู่  IIA  หลายประการดังนี้

1. ธาตุแทรนซิชัน  เป็นโลหะซึ่งส่วนใหญ่มีจุดหลอมเหลว  จุดเดือด  และความหนาแน่นสูง

2. เวเลนต์อิเล็กตรอนของธาตุแทรนซิชันในคาบที่  4  เท่ากับ  2  ยกเว้นโครเมียม  กับทองแดง  ซึ่งมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ  1

3. อิเล็กตรอนในระดับพลังงานถัดเข้ามานับจากระดับพลังงานของเวเลนซ์อิเล็กตรอน  ส่วนใหญ่มีจำนวนไม่เท่ากัน  ส่วนของธาตุหมู่   IA  และหมู่  IIA  ในคาบเดียวกันมีจำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานถัดเข้ามาเท่ากับ  8

4. รัศมีอะตอมมีขนาดใกล้เคียงกันและมีแนวโน้มลดลงเมื่อเลขอะตอมเพิ่มขึ้นตามคาบ

5. ความหนาแน่นมีแนวโน้มเพิ่มขึ้นตามคาบ

6. ธาตุแทรนซิชันมีสมบัติคล้ายคลึงกันตามคาบมากกว่าธาตุอื่นๆ  ในตารางธาตุ

นอกจากสมบัติที่ธาตุแทรนซิชันแตกต่างจากโลหะหมู่  IA  และหมู่  IIA  แล้ว  

สมบัติพิเศษของธาตุแทรนซิชัน  ดังนี้

1. โลหะแทรนซิชันเป็นตัวนำไฟฟ้าและนำความร้อนที่ดี  โดยเฉพาะอย่างยิ่งธาตุในหมู่  IB  คือ  ทองแดง  เงิน  และทอง

2. รัศมีอะตอมของธาตุแทรนซิชันโดยทั่วไปมีขนาดลดลงเมื่อเลขอะตอมเพิ่มขึ้น  แต่รัศมีอะตอมของธาตุต่างๆ  จากโครเมียม  (Cr)  ถึงทองแดง   (Cu)  มีขนาดใกล้เคียงกันมาก  ทั้งนี้เนื่องจากแม้ว่าธาตุในแถวเดียวกันจะมีประจุในนิวเคลียสเพิ่มขึ้นซึ่งทำให้หมอกอิเล็กตรอนเล็กลงก็ตาม  แต่อิเล็กตรอนในระดับพลังงานย่อยมีจำนวนมากขึ้นและมีแรงต้านกับการหดขนาดของหมอกอิเล็กตรอน  จึงทำให้ขนาดอะตอมของธาตุแทรนซิชันไม่ค่อยเปลี่ยนแปลงมากนัก  และจะลดลงอย่างช้า ๆ เท่านั้น

3. พลังงานไอออไนเซชันลำดับที่  1  ที่เปลี่ยนแปลงอย่างไม่สม่ำเสมอเป็นผลจากการต้านกันระหว่างประจุของนิวเคลียสที่เพิ่มขึ้น  กับการเพิ่มอิเล็กตรอนในระดับพลังงานย่อย

4. มีเลขออกซิเดชันได้หลายค่า  ยกเว้น  IIIB  และหมู่  IIB  ซึ่งเกิดสารประกอบที่มีเลขออกซิเดชัน  +3  และ  +2  ตามลำดับ  ส่วนธาตุแทรนซิชันอื่น ๆ สามารถแสดงเลขออกซิเดชันร่วมกันเป็นอย่างน้อย

5. สารประกอบส่วนมากของธาตุแทรนซิชันมีสี  (ยกเว้นหมู่  IIIB)

6. มีแนวโน้มเกิดสารประกอบเชิงซ้อน (Complex  compounds)   ได้ง่ายกว่าธาตุหมู่  IA  และหมู่  II

สมบัติธาตุ	เลขอะตอม	รัศมีอะตอม (pm)	จุดหลอมเหลว (OC)	จุดเดือด (OC)	ความหนาแน่น (g/ cm3)	IE1 (kJ/mol)	อิเล็กโทรเนกาติวิตี
K	19	227	64	760	0.86	425	0.82
Ca	20	197	839	1490	1.54	596	1.00
Sc	21	160	1540	2730	3.0	632	1.36
Ti	22	150	1680	3260	4.5	661	1.54
V	23	140	1900	3400	6.1	648	1.63
Cr	24	130	1890	2480	7.2	653	1.66
Mn	25	140	1240	2100	7.4	716	1.55
Fe	26	130	1535	2750	7.9	762	1.83
Co	27	130	1500	2900	8.9	757	1.88
Ni	28	130	1450	2730	8.9	736	1.91
Cu	29	130	1080	2600	8.9	908	1.90
Zn	30	130	420	910	7.1	577	1.68