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 จึงทำให้เกิดสารประกอบจำนวนมากบนเปลือกโลก  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

        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