ทำนายแนวโน้มของธาตุตัวต่อไปในตารางธาตุ

ท่านผู้อ่านที่เคยได้เรียนวิชาวิทยาศาสตร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งวิทยาศาสตร์เคมีในชั้นมัธยมศึกษานั้น หนึ่งอย่างที่เคยผ่านกันมานั่นก็คือ การท่องจำตารางธาตุ บางแห่งก็ให้ท่อง 20 ธาตุแรก  บางแห่งก็ให้ท่องธาตุทั้ง 8 หมู่ แต่หากคนใดที่ความจำดีอย่างยิ่งยวดแล้วนั้น ก็คงท่องจำธาตุทั้งหมดทุกตัวในตารางธาตุกันเลยทีเดียว ซึ่งในปัจจุบันธาตุในตารางธาตุมีกี่ตัว  และจะสิ้นสุดที่ธาตุตัวที่เท่าไหร่นั้น เรามาศึกษาข้อมูลของตารางธาตุกันคร่าว ๆ กันดีกว่า

ตารางธาตุเกิดขึ้นได้อย่างไร?

ในศตวรรษที่ 18 ธาตุถูกค้นพบเพียงไม่กี่ธาตุ โดยนักวิทยาศาสตร์คนแรกคือ โยฮันน์ โวลฟ์กัง เดอเบอไรเนอร์ ซึ่งได้เสนอการจัดแบ่งธาตุออกเป็นกลุ่ม ๆ กลุ่มละ 3 ธาตุ ที่มีคุณสมบัติเหมือน ๆ กัน โดยเรียกการจัดแบบนี้ว่า    ไตรแอดส์ (ชุดสาม) โดยพบว่าธาตุตรงกลางจะมีมวลอะตอมเป็นค่าเฉลี่ยของมวลอะตอมอีกสองธาตุที่เหลือ เช่น กลุ่มที่ 1 ได้แก่ธาตุลิเทียม (Li) โซเดียม (Na) โพแทสเซียม (K) ตามหลักการนี้ธาตุโซเดียมซึ่งเป็นธาตุตรงกลางระหว่างธาตุลิเทียมและโพแทสเซียมจะมีมวลอะตอมเป็น 23 ซึ่งเป็นค่าเฉลี่ยของมวลอะตอมของลิเทียมคือ 7 และ โพแทสเซียมคือ 39 แต่ในเวลาต่อมาเมื่อนำหลักการดังกล่าวไปใช้กับธาตุกลุ่มอื่นที่มีสมบัติคล้ายกัน มวลอะตอมของธาตุตรงกลางกลับไม่ได้ตรงกับมวลอะตอมเฉลี่ยของธาตุทั้งสองที่เหลือ หลักการจัดตารางธาตุแบบไตรแอดส์ของเดอเบอไรเนอร์จึงไม่เป็นที่ยอมรับอีกต่อไป

ต่อมาในปี ค.ศ. 1865 จอห์น นิวแลนด์ นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้เสนอการจัดเรียงธาตุเป็นหมวดหมู่ขึ้นใหม่ โดยเรียงตามลำดับมวลอะตอม นิวแลนด์กล่าวว่าถ้านำธาตุมาเรียงตามลำดับมวลอะตอมแล้ว พบว่า “ธาตุที่ 8 จะมีสมบัติคล้ายคลึงกับธาตุตัวที่ 1 โดยยกเว้นธาตุไฮโดรเจนและแก๊สเฉื่อย” กฎของนิวแลนด์นี้เรียกว่า “Law of octaves” ตัวอย่างเช่น ถ้าเริ่มต้นจากลิเทียม (มวลอะตอม = 7) เป็นธาตุตัวที่ 1 ธาตุโซเดียม (น้ำหนักอะตอม = 23) จะเป็นธาตุตัวที่ 8 โดยธาตุทั้งสองมีสมบัติทางเคมีและทางฟิสิกส์คล้ายคลึงกัน อย่างไรก็ตามการจัดตารางธาตุแบบนิวแลนด์ยังมีข้อจำกัดคือสามารถใช้ได้เพียงแค่น้ำหนักอะตอมไม่เกินธาตุแคลเซียม (Ca) ต่อมาเมื่อมีการค้นพบแก๊สเฉื่อยก็ไม่สามารถจัดตามตารางธาตุของนิวแลนด์ได้และไม่สามารถอธิบายได้ว่าเพราะเหตุใดมวลอะตอมจึงมีความสัมพันธ์กับความคล้ายคลึงกันของสมบัติของธาตุ ตามหลักการดังกล่าว

ต่อมายูลิอุสโลทาร์ ไมเออร์ นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน และดิมิทรี อิวาโนวิช เมนเดเลเอฟ นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย ได้ศึกษารายละเอียดของธาตุต่าง ๆ มากขึ้น และมีข้อสังเกตเป็นอย่างเดียวกันในเวลาใกล้เคียงกันว่า ถ้าจัดเรียงธาตุตามมวลอะตอมจากน้อยไปหามาก ธาตุจะมีสมบัติคล้ายกันเป็นช่วง ๆ ซึ่งเมนเดเลเอฟตั้งเป็นกฎเรียกว่า “กฎพิริออดิก” และได้เสนอความคิดนี้ในปี ค.ศ. 1869 ก่อนที่ไมเออร์จะนำผลงานของเขาออกเผยแพร่ในปีต่อมา และเพื่อเป็นการให้เกียรติแก่เมนเดเลเอฟ จึงใช้ชื่อว่า ตารางพิริออดิกของเมนเดเลเอฟ โดยในตอนนั้นเมนเดเลเอฟได้จัดธาตุที่มีสมบัติคล้ายคลึงกันที่ปรากฏซ้ำกันเป็นช่วง ๆ ให้อยู่ในแนวตั้งหรือหมู่เดียวกันและพยายามเรียงลำดับมวลอะตอมของธาตุจากน้อยไปหามาก ถ้าเรียงตามมวลอะตอมแล้วมีสมบัติไม่สอดคล้องกัน ก็พยายามจัดให้เข้าหมู่โดยเว้นช่องว่างไว้ในตำแหน่งที่คิดว่าน่าจะเป็นธาตุที่ยังไม่มีการค้นพบ และยังได้ใช้สมบัติของธาตุและสารประกอบอื่น ๆ นอกเหนือจากคลอไรด์และออกไซด์มาประกอบการพิจารณาด้วย โดยตำแหน่งของธาตุในตารางจะมีความสัมพันธ์กับสมบัติของธาตุ ซึ่งช่วยให้เมนเดเลเอฟสามารถทำนายสมบัติของธาตุในช่องว่างที่ยังไม่มีการค้นพบได้อย่างใกล้เคียง

เมนเดเลเอฟได้จัดธาตุที่มีสมบัติคล้ายคลึงกันที่ปรากฏซ้ำกันเป็นช่วง ๆ ให้อยู่ในแนวตั้งหรือหมู่เดียวกันและพยายามเรียงลำดับมวลอะตอมของธาตุจากน้อยไปหามาก ถ้าเรียงตามมวลอะตอมแล้วมีสมบัติไม่สอดคล้องกัน ก็พยายามจัดให้เข้าหมู่โดยเว้นช่องว่างไว้ในตำแหน่งที่คิดว่าน่าจะเป็นธาตุที่ยังไม่มีการค้นพบ และยังได้ใช้สมบัติของธาตุและสารประกอบอื่น ๆ นอกเหนือจากคลอไรด์และออกไซด์มาประกอบการพิจารณาด้วย โดยตำแหน่งของธาตุในตารางจะมีความสัมพันธ์กับสมบัติของธาตุ ซึ่งช่วยให้เมนเดเลเอฟสามารถทำนายสมบัติของธาตุในช่องว่างได้อย่างใกล้เคียง

ภาพที่ 2  นักเคมีชาวรัสเซีย ดมีตรี เมนเดเลเยฟ (Dmitriy Ivanovich Mendeleyev)
ที่มา https://en.wikipedia.org/wiki/Dmitri_Mendeleev#/media/File:DIMendeleevCab.jpg

อย่างไรก็ตาม เมนเดเลเอฟไม่สามารถอธิบายได้ว่าเพราะเหตุใดจึงต้องยกเว้นไม่จัดเรียงธาตุตามมวลอะตอมในกรณีที่ธาตุมีสมบัติไม่สอดคล้องกัน เนื่องจากสมัยนั้นนักวิทยาศาสตร์ยังศึกษาโครงสร้างของอะตอมและไอโซโทปได้ไม่ชัดเจน ทำให้นักวิทยาศาสตร์รุ่นต่อมาเกิดแนวความคิดว่า ตำแหน่งของธาตุในตารางธาตุไม่น่าจะขึ้นอยู่กับมวลอะตอมของธาตุ แต่น่าจะขึ้นอยู่กับสมบัติอื่นที่มีความสัมพันธ์กับมวลอะตอม

ปัจจุบันธาตุในตารางธาตุมีกี่ตัวนะ?

สหภาพเคมีบริสุทธิ์และเคมีประยุกต์ระหว่างประเทศ (International Union of Pure and Applied Chemistry หรือ IUPAC) มีมติอย่างเป็นทางการ ประกาศชื่อธาตุใหม่ 4 ตัวในตารางธาตุ ดังต่อไปนี้

1. ธาตุลำดับที่ 113 ชื่อ Nihonium สัญลักษณ์ Nh ค้นพบโดยนักวิทยาศาสตร์จากห้องปฏิบัติการ RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science (Japan) ประเทศญี่ปุ่น โดย Nh มาจากคำว่า Nihon ซึ่งเป็นคำเรียกชื่อประเทศญี่ปุ่น นับเป็นธาตุแรกที่ถูกค้นพบในเอเชีย
2. ธาตุลำดับที่ 115 ชื่อ Moscovium สัญลักษณ์ Mc ค้นพบโดยนักวิทยาศาสตร์จากห้องปฏิบัติการ Joint Institute for Nuclear Research, Dubna (Russia) ในประเทศรัสเซีย โดยชื่อธาตุได้มาจากชื่อเมือง Moscow ซึ่งเป็นที่ตั้งของสถาบันวิจัยแห่งนี้
3. ธาตุลำดับที่ 117 ชื่อ Tennessine สัญลักษณ์ Ts ค้นพบโดยนักวิทยาศาสตร์จากห้องปฏิบัติการ Oak Ridge National Laboratory (USA), Vanderbilt University (USA), Lawrence Livermore National Laboratory (USA) ซึ่งเป็นผู้ร่วมค้นพบธาตุนี้ ชื่อธาตุตั้งชื่อตามรัฐ Tennessee ประเทศสหรัฐอเมริกา ซึ่งเป็นที่ตั้งของห้องปฏิบัติการแห่งนี้
4. ธาตุลำดับที่ 118 ชื่อ Oganesson สัญลักษณ์ Og ค้นพบโดยทีมวิจัยจากห้องปฏิบัติการ Joint Institute for Nuclear Research, Dubna (Russia) และ Lawrence Livermore National Laboratory (USA) ตั้งชื่อเพื่อเป็นเกียรติแก่ ศาสตราจารย์ Yuri Oganessian ซึ่งยังมีชีวิตและอุทิศตนให้แก่การศึกษาวิจัยธาตุในกลุ่ม superheavy element

ภาพที่ 3 ธาตุตัวที่ 118
ที่มา https://pixabay.com/ ,LJNovaScotia

ธาตุทั้ง 4 เป็นธาตุหนัก (superheavy element) ที่ไม่สามารถพบในธรรมชาติ แต่เป็นธาตุที่สังเคราะห์ขึ้นจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ในห้องปฏิบัติการ และเป็นธาตุกัมมันตรังสี แต่ละชนิดมีสมบัติเฉพาะที่แตกต่างกันทั้งการจัดเรียงอิเล็กตรอน มวลอะตอม และจำนวนไอโซโทป การประกาศชื่อธาตุ 4 ธาตุใหม่นี้ ทำให้ตารางธาตุจะมีธาตุครบตั้งแต่เลขอะตอม 1 ไปจนถึงเลขอะตอม 118 ซึ่งทำให้ตารางธาตุคาบที่ 7 เต็มพอดี ถึงแม้ธาตุหนักยิ่งยวดที่สังเคราะห์ขึ้นนี้ไม่เสถียร และจะสลายตัวภายในเวลาเพียงเสี้ยววินาที แต่การสังเคราะห์ธาตุชนิดใหม่ๆนั้น อาจจะทำให้ตารางธาตุขยายไปถึงคาบที่ 8 ได้

ภาพที่ 4 วิวัฒนาการการค้นพบของธาตุในตารางธาตุตามช่วงระยะเวลา
ที่มา https://th.wikipedia.org

แต่เดิมนักวิทยาศาสตร์คาดว่าธาตุโลหะซูเปอร์เฮฟวี่ (Super-heavy Metal คือธาตุที่มีจำนวนโปรตอน 104 ขึ้นไป) นั้นน่าจะมีค่าครึ่งชีวิตที่ยาวนาน จึงเป็นที่น่าสนใจและพยายามค้นหาธาตุเหล่านั้น แต่ปรากฏว่ายิ่งมีการเพิ่มนิวตรอนและโปรตอนลงไปในนิวเคลียสลงไปมากเท่าใด อะตอมก็ยิ่งมีความเสถียรน้อยลง ธาตุโลหะซูเปอร์เฮฟวี่ส่วนใหญ่จึงอยู่ได้เพียงแค่เพียงไมโครหรือนาโนวินาทีเท่านั้น อย่างไรก็ตามหลังจากมีการสร้างธาตุโลหะซูเปอร์เฮฟวี่ได้มากขึ้นก็มีข้อสังเกตจนกระทั่งตั้งเป็นทฤษฎีที่เกี่ยวกับความเสถียรของธาตุซุปเปอร์เฮฟวี่เหล่านี้ว่า ถ้าเพิ่มจำนวนเลขอะตอมไปถึงค่าๆ หนึ่ง ธาตุซูเปอร์เฮฟวี่ที่ได้ จะมีเสถียรภาพมากและอยู่ได้นานขึ้น เรียกทฤษฎีนี้ว่า Island of stability โดยคาดการณ์กันว่าธาตุตัวที่จะมีเสถียรภาพมากพอที่จะตรวจสอบได้คือธาตุที่ 120 เพราะจะมีสมบัติแบบธาตุหมู่ 2 (แอลคาไลน์ เอิร์ท) ซึ่งปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์ก็ยังคงรอคอยการพิสูจน์ทฤษฎีนี้อย่างใจจดใจจ่อ และเราคงต้องรอลุ้นกันต่อไปว่าในอนาคตจะมีธาตุใหม่เกิดขึ้นอีกจำนวนมากน้อยเพียงใด  และจะสิ้นสุดที่ธาตุตัวใด

แหล่งที่มา

ปุณิกา พระพุทธคุณ (2561) 4 ธาตุใหม่เติมเต็มตารางธาตุในคาบ 7. รอบรู้วิทย์, 46(210) มกราคม – กุมภาพันธ์ 2561, 7 – 9.

อัจฉราพรรณ โพธิ์ทอง . ธาตุใหม่ เติมเต็มตารางธาตุ . สืบค้นเมื่อ 4 เมษายน 2562. จาก https://il.mahidol.ac.th/th/i-Learning-Clinic/chemistry-articles/ธาตุใหม่-เติมเต็มตารางธ/