ธาตุ

องค์ประกอบของธาตุ

        อะตอม (Atom) เป็นโครงสร้างที่เล็กที่สุดของสสาร ซึ่งประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็ก 3 ชนิด ได้แก่ 
    • โปรตอน (Proton) มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าเป็นประจุบวก 
    • อิเล็กตรอน (Electron) มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าเป็นประจุลบ 
    • นิวตรอน (Neutron) ไม่มีคุณสมบัติเป็นประจุ 
        โปรตอนและนิวตอนอยู่ตรงนิวเคลียส โดยมีอิเล็กตรอนโคจรอยู่รอบนอก เมื่ออะตอมแผ่พลังงานออกภายนอกก็จะลดวงโคจรสู่ระดับต่ำ  เมื่ออะตอมได้รับพลังงานจากภายนอก อิเล็กตรอนจะกระโดดขึ้นสู่วงโคจรชั้นบนหรือหลุดออกไปเลย เราเรียกอะตอมที่มีจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนไม่เท่ากันว่า "ประจุ" (Ion)

        ธาตุ (Element) คือ โครงสร้างพื้นฐานของสสารที่ไม่สามารถแยกย่อยได้อีกด้วยกระบวนการทางเคมี ซึ่งเราอาจจะกล่าวอีกอย่างว่า ธาตุ คือ เซ็ตโครงสร้างของอะตอม  ธาตุแต่ละชนิดประกอบขึ้นด้วยอนุภาคจำนวนไม่เท่ากัน โดยที่จำนวนของโปรตอนเป็นตัวระบุลำดับของธาตุ (Atomic number)  ยกตัวอย่างเช่น 
    • ธาตุลำดับที่ 1 คือ ไฮโดรเจน อะตอมของธาตุไฮโดรเจน ประกอบด้วย โปรตอน 1 ตัว และอิเล็กตรอน 1 ตัว และไม่มีนิวตรอน  
    • ธาตุลำดับที่ 2 คือ ฮีเลียม อะตอมของธาตุฮีเลียม ประกอบด้วย โปรตอน 2 ตัว นิวตรอน 2 ตัว และอิเล็กตรอน 2 ตัว   
    • ธาตุลำดับที่ 8 คือ ออกซิเจน อะตอมของธาตุออกซิเจน ประกอบด้วย โปรตอน 8 ตัว  นิวตรอน 8 ตัว และอิเล็กตรอน 8 ตัว ดังภาพที่ 1  



ภาพที่ 1 อะตอมของออกซิเจน


        
ธาตุแต่ละชนิดมีโครงสร้างอะตอมไม่เหมือนกัน จึงมีคุณสมบัติแตกต่างกัน  เช่น ธาตุไฮโดรเจนมีน้ำหนักเบา สูญเสียอีเล็กตรอนได้ง่ายเมื่อได้ดูดกลืนรังสีคลื่นสั้นจากดวงอาทิตย์   ธาตุออกซิเจนมีความว่องไวในการทำปฏิกิริยากับธาตุอื่น จึงทำให้
เกิดสารประกอบจำนวนมากบนเปลือกโลก  ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์ค้นพบธาตุทั้งหมดในจักรวาลจำนวน 112 ธาตุ  เป็นธาตุที่เกิดขึ้นเองในธรรมชาติ 88 ธาตุ ส่วนที่เหลือเป็นธาตุที่มนุษย์สังเคราะห์ขึ้นในห้องปฏิบัติการ  


กำเนิดธาตุ 

        เมื่อจักรวาลกำเนิดขึ้น พลังงานจำนวนมากได้อัดตัวเป็นสสาร ตามทฤษฎีสัมพันธภาพของไอสไตน์ E = mc2 (พลังงาน = มวลสาร * ความเร็วแสงยกกำลังสอง)  ธาตุที่มีมากที่สุดในจักรวาลคือ ธาตุไฮโดรเจน  เนื่องจากเป็นธาตุที่มีโครงสร้างอะตอมที่เรียบง่ายที่สุด คือ มีเพียงโปรตอนและอีเล็กตอนอย่างละหนึ่งตัว  เมื่อไฮโดรเจนจำนวนมากรวมตัวกันจะกำเนิดเป็นดาวฤกษ์ แรงโน้มถ่วงทำให้เกิดแรงกดดันที่ใจกลางของดาวฤกษ์จนมีอุณหภูมิสูง 10 ล้านเคลวิน  เกิดปฏิกริยานิวเคลียร์ฟิวชัน หลอมอะตอมของไฮโดรเจนซึ่งเป็นธาตุลำดับที่ 1 ให้กลายเป็นฮีเลียมซึ่งเป็นธาตุลำดับที่ 2  เมื่อไฮโดรเจนบนดาวเปลี่ยนเป็นฮีเลียมจนหมด  ดาวฤกษ์มวลมากสามารถฟิวชันฮีเลียมให้เป็นคาร์บอน ออกซิเจน นีออน ซิลิกอน ตามลำดับ จนในที่สุดกระบวนการฟิวชันจะหยุดลงที่ธาตุเหล็ก  และเมื่อดาวฤกษ์มวลมากสิ้นอายุขัย จะระเบิดเป็นซูเปอร์โนวา ปลดปล่อยพลังงานมหาศาลซึ่งมีความร้อนสูงมากทำให้เกิดธาตุที่หนักกว่าเหล็ก ได้แก่ อิริเดียม เงิน ทองคำ ยูเรเนียม เป็นต้น  อย่างไรก็ตามแม้ว่าในธรรมชาติจะมี 88 ธาตุ แต่มีเพียง 8 ธาตุเท่านั้นที่เป็นองค์ประกอบหลักของเปลือกโลก ได้แก่ ออกซิเจน ซิลิกอน อะลูมิเนียม เหล็ก แคลเซียม โซเดียม โปแตสเซียม และแมกนีเซียม 


ตารางที่ 1 ธาตุที่มีอยู่มากบนเปลือกโลก

 ธาตุ สัญลักษณ์% โดนน้ำหนัก % โดนปริมาตร% โดยจำนวนอะตอม
 ออกซิเจน O 46.693.8 60.8 
 ซิลิกอน Si 27.70.9 20.5 
 อะลูมิเนียม Al8.1 0.8 6.2 
 เหล็ก Fe 5.00.5 1.9 
 แคลเซียม Ca 3.6 1.01.9
 โซเดียม Na 2.81.2 2.5 
 โปแตสเซียม K 2.61.5 1.8 
 แมกนีเซียม Mg 2.10.3 1.4 
 ธาตุอื่นๆ - 1.53.3 


        โมเลกุล (Molecule) คือเซ็ตการจับกลุ่มของอะตอม   เมื่ออะตอมของธาตุออกซิเจนจับคู่กัน เราเรียกว่า ออกซิเจน (O2) มีคุณสมบัติเป็นแก๊สที่ช่วยให้ไฟติด  แต่เมื่ออะตอมของธาตุออกซิเจนจับกลุ่มสามอะตอม เราเรียกว่า โอโซน (O3) มีคุณสมบัติเป็นแก๊สเรือนกระจก  โมเลกุลอาจจะเป็นการจับคู่ของอะตอมต่างชนิดก็ได้  เช่น โมเลกุลของน้ำ (H2O) ประกอบด้วย อะตอมของไฮโดรเจน 1 ตัว และอะตอมของออกซิเจน 1 ตัว  ทั้งนี้อะตอมของธาตุทั้งหลายสามารถเชื่อมต่อกันด้วยพันธะ 4 ชนิด ดังนี้ 

    • พันธะไอออน (Ion bond) เกิดขึ้นเมื่ออะตอมที่มีประจุบวกจับคู่กับอะตอมที่มีปะจุลบ เช่น เกลือโซเดียมคลอไลน์ (NaCl) ประกอบด้วย โซเดียมประจุบวก และคลอรีนประจุลบ ดังภาพที่ 2


      ภาพที่ 2 โมเลกุลของโซเดียมคลอไรด์


    • พันธะโควาเลนต์ (Covalent bond) เกิดขึ้นเมื่ออะตอมเชื่อมต่อโดยการใช้อิเล็คตรอนร่วมกัน เช่น เพชร มีโครงสร้างที่เป็นอะตอมของธาตุคาร์บอนที่เชื่อมต่อกันเป็นรูปผลึกโดยใช้อิเล็กตรอนชั้นนอกร่วมกัน จึงมีความแข็งแรงมาก 

    • พันธะโลหะ (Metallic bond) เกิดขึ้นกับอะตอมที่มีอิเล็กตรอนอยู่หลวมๆ นิวเคลียสของแต่ละอะตอมจะอยู่ชิดติดกัน แต่อิเล็กตรอนจะลื่นไหลส่งผ่านกันโดยอิสระ โลหะจึงมีความเหนียวและเหนี่ยวนำไฟฟ้าได้ดี 

    • พันธะแวนเดอวาลส์ (Van der Waal's bond) เป็นพันธะที่ยึดแต่ละโมเลกุลไว้ด้วยกัน โดยมีจุดต่อเชื่อมที่อะตอมเพียงบางตัวซี่งยึดเหนี่ยวกันด้วยประจุต่างขั้ว พันธะแบบนี้จึงมีความแข็งแรงน้อย ยกตัวอย่างเช่น กราไฟต์ หรือไมกา ซึ่งสามารถดึงให้หลุดเป็นแผ่นได้โดยง่าย  พันธะไฮโดรเจน เป็นรูปแบบหนึ่งของพันธะแวนเดอวาลส์ ซึ่งทำให้เกิดผลึกของน้ำแข็ง 



Comments