ปฏิกิริยานิวเคลียร์

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ คือ  ปฏิกิริยาที่เกิดความเปลี่ยนแปลงกับนิวเคลียสของอะตอม ไม่ว่าจะเป็นการเพิ่ม หรือลดโปรตอน หรือนิวตรอนในนิวเคลียสของอะตอม 

ปฏิกิริยาฟิชชัน

            จาการทดลองพบว่า เมื่อยิง  ²³⁵₉₂U    ด้วยนิวตรอน จะได้ไอโซโทป 2 ตัว คือ 

 ¹³⁹ ₅₆Ba และ   ⁹⁴ ₃₆Kr พร้อมกับนิวตรอนอีก 3 ตัว และพลังงานมหาศาล

                              ²³⁵₉₂U    +   ¹₀n         --------->      ¹³⁹ ₅₆Ba   +   ⁹⁴ ₃₆Kr    +   3( ¹₀n)

          กระบวนการที่นิวเคลียสแตกออกเป็น 2 ส่วน โดยที่นิวเคลียสหนึ่งจะหนักประมาณ 3/2 เท่า ของอีกนิวเคลียสหนึ่ง พร้อมทั้งปลดปล่อยนิวตรอนและพลังงานออกมาจำนวนมาก เรียกว่า นิวเคลียร์ฟิชชัน  ในปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันแต่ละครั้ง จะมีการใช้ 1 นิวตรอน แต่ได้ออกมา 2-3 นิวตรอน ซึ่งสามารถทำให้  ²³⁵₉₂U    ตัวอื่นๆ เกิดปฏิกิริยาฟิชชันได้อีก เมื่ออยู่ภายใต้สภาวะที่เหมาะสม ปฏิกิริยาจึงดำเนินลูกโซ่อย่างไม่มีที่สิ้นสุด ทำให้ได้พลังงานจำนวนมหาศาลออกมา หลักการของการเปลี่ยนแปลงเช่นนี้ได้นำมาใช้ทำระเบิดปรมาณู

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิสชันแบบลูกโซ่

ปฏิกิริยาฟิวชัน

            ปฏิกิริยาฟิวชันตรงข้ามกับปฏิกิริยาฟิชชัน ในปฏิกิริยาฟิวชัน เกิดจากไอโซโทป 2 ไอโซโทป ซึ่งปกติเป็นธาตุที่เบาๆรวมตัวกันเป็นธาตุใหม่ ปฏิกิริยาแบบนี้จะมีการคายความร้อนออกมาจำนวนมหาศาลมากกว่าปฏิกิริยาฟิชชันสียอีก ปฏิกิริยาฟิวชันที่รู้จักกันดี คือ ปฏิกิริยาการระเบิดไฮโดรเจน

                                       ²₁H   +   ³₁H    -------->              ⁴₂He   +    ¹₀n

เชื่อกันว่า พลังงานความร้อนจากดวงอาทิตย์ส่วนหนึ่งได้มาจากปฏิกิริยาฟิวชันของไฮโดรเจน

            ปัจจุบันพลังงานที่ได้จากปฏิกิริยาฟิวชันบนโลกยังไม่สามารถควบคุมได้เพราะปฏิกิริยาเหล่านี้เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วที่อุณหภูมิสูงมากๆ มากว่าล้านองศาเซลเซียส ทั้งนี้ เพื่อเอาชนะแรงผลักระหว่างนิวเคลียสที่จะเข้ารวมกัน ถ้าเราสามารถทำให้พลังงานปล่อยออกมาอย่างช้าๆ ภายใต้ภาวะควบคุมปฏิกิริยาฟิวชันจะเป็นพลังงานของโลก

ปฏิกิริยาฟิวชันมีข้อดีกว่าปฏิกิริยาฟิชชัน

1. พลังงานที่คายออกมาสูงกว่า

2. ผลที่ได้มักจะไม่เป็นสารกัมมันตรังสี จึงไม่มีปัญหาในการกำจัดกาก

ข้อแตกต่างของปฏิกิริยาฟิชชันและฟิวชัน

ข้อแตกต่าง	ฟิชชัน	ฟิวชัน
ปฏิกิริยา	โมเลกุลใหญ่แตกเป็นโมเลกุลเล็ก	โมเลกุลเล็กรวมเป็นโมเลกุลใหญ่
การควบคุม	สามารถควบคุมได้	ไม่สารถควบคุมได้
รังสีตกค้าง	มัรังสีตกค้าง(กากรังสี)	ไม่มีรังสีตกค้าง

ครึ่งชีวิตของธาตุ

ครึ่งชีวิตของธาตุ (half life) หมายถึง ระยะเวลาที่สารสลายตัวไปจนเหลือเพียงครึ่งหนึ่งของปริมาณเดิมใช้สัญลักษณ์เป็น t1/2 นิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสีที่ไม่เสถียร จะสลายตัวและแผ่รังสีได้เองตลอดเวลาโดยไม่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิหรือความดัน อัตราการสลายตัว เป็นสัดส่วนโดยตรงกับจำนวนอนุภาคในธาตุกัมมันตรังสีนั้น ปริมาณการสลายตัวจะบอกเป็นครึ่งชีวิตเป็นสมบัติเฉพาะตัวของแต่ละไอโซโทป

สูตรการหาครึ่งชีวิตของธาตุ  

 T = nt_1/2             หรือ     n =  T /t_1/2

                                           

N_{เหลือ}   =  กัมมันตรังสีที่เหลือ

T           =  จำนวนเวลาที่ธาตุสลายตัว(วัน)

N_{เริ่มต้น}  =  กัมมันตรังสีเริ่มต้น

n           =  จำนวนครั้งในการสลายตัวของครึ่งชีวิต

ตัวอย่าง  จากการทดลองพบว่า เมื่อตั้ง Cs – 137 ไว้ 120 วัน จะมี Cs – 137 เหลืออยู่ 300 กรัม 

ถ้าครึ่งชีวิตของ Cs – 137 เท่ากับ 30 วัน จงหาว่าเมื่อเริ่มต้นทดลองมี Cs -137 อยู่เท่าใด

วิธีทำ                        N_{เริ่มต้น}   =   N _{เหลือ} * 2ⁿ

                                         =   300*2^120/30

                                                  =   300*2⁴

                                                  =   300*16

                                                  =   4800 กรัม

ประโยชน์ของครึ่งชีวิต

          ครึ่งชีวิตสามารถใช้หาอายุของวัตถุโบราณที่มีธาตุคาร์บอนเป็นองค์ประกอบ เรียกว่าวิธี Radiocarbon Dating ซึ่งคำว่า dating  หมายถึง การหาอายุจึงมักใช้หาอายุของวัตถุโบราณที่มีคุณค่าทางประวิติศาสตร์

          หลักการสำคัญของการหาอายุวัตถุโบราณโดยวิธี Radiocarbon Dating เป็นหลักการที่อาศัยความรู้เกี่ยวกับกัมมันตภาพรังสีที่เกิดขึ้นเองในอากาศ ตัวการที่สำคัญคือ รังสีคอสมิก ซึงอยู่ในบรรยากาศเหนือพื้นโลก มีความเข้มสูงจนทำให้นิวเคลียสขององค์ประกอบของอากาศแตกตัวออก ให้อนุภาคนิวตรอน แล้วอนุภาคนิวตรอนชนกับไนโตรเจนในอากาศ

ธาตุกัมมันตรังสี

ธาตุกัมมันตรังสี คือ ธาตุที่มีสมบัติในการแผ่รังสี

กัมมันตภาพรังสี คือ ปรากฏการณ์ที่ธาตุแผ่รังสีได้อย่างต่อเนื่อง

การเกิดกัมมันตภาพรังสี

1. เกิดจากนิวเคลียสในสภาวะพื้นฐานได้รับพลังงาน ทำให้นิวเคลียสกระโดดไปสู่ระดับพลังงานสูงขึ้น ก่อนกลับสู่สภาวะพื้นฐาน นิวเคลียสจะคายพลังงานออกมาในรูปรังสีแกมมา
2. เกิดจากนิวเคลียสที่อยู่ในสภาพเสถียร แต่มีอนุภาคไม่สมดุล นิวเคลียสจะปรับตัวแล้วคายอนุภาคที่ไม่สมดุลออกมาเป็นอนุภาคแอลฟาหรือเบตา

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

การแผ่รังสีของอนุภาคแอลฟา

·       สัญลักษณ์ α หรือ ⁴₂He ประกอบด้วยโปรตอน 2 อนุภาค นิวตรอน 2 อนุภาค

·       การแตกสลายตัวโดยการแผ่รังสีแอลฟา มักเกิดจากการแตกสลายตัวของนิวเคลียสที่มีเลขอะตอม 83 ขึ้นไป ทั้งนี้เพราะแรงผลักในนิวเคลียสที่มากกว่าแรงยึดเหนี่ยวจึงทำให้นิวเคลียสพยายามลดโปรตอนกับนิวตรอนลง เพื่อให้นิวเคลียสเสถียร

·       การแตกสลายให้อนุภาคแอลฟา อะตอมใหม่มี เลขอะตอมลดลง 2 เลขมวลลดลง 4

·       อำนาจทะลุทะลวงต่ำเพียงแค่กระดาษ อากาศหนา 2-3 เซนติเมตร หรือโลหะบางๆ ก็สามารถกั้นอนุภาคอยู่ได้

·       ตัวอย่างธาตุที่สลายให้อนุภาคแอลฟา เช่น    ²²⁶₈₈Ra  ------->  ²²²₈₆Rn  + ⁴₂He

การแผ่รังสีของอนุภาคบีตา และโพซิตรอน

อนุภาคบีตา

·       สัญลักษณ์ β^- หรือ  ⁰_-1e

·       การแตกสลายให้อนุภาคบีตาเกิดจากอัตราส่วน โปรตอนต่อนิวตรอนในนิวเคลียส เบนออกจากเส้นเสถียรภาพ จึงมีการให้อนุภาคดังกล่าวเพื่อให้เสถียร

·       มีสมบัติเหมือนอิเล็กตรอน คือมีประจุเป็น -1

·       อำนาจทะลุทะลวงมากกมว่าแอลฟาประมาณ 100 เท่า

·       มีความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วแสง

·       น้ำหนา 2 เซนติเมตร โลหะบางๆ เช่น Al จะหยุดบีตาได้

·       ในกรณีที่แผ่รังสีบีตาออกมา จะเกิดกับนิวเคลียสที่มีนิวตรอนมากกว่าโปรตอน เมื่อคิดจากไอโซโทปที่เสถียรของธาตุเดียวกัน ดังนั้นนิวตรอนในนิวเคลียสจึงเปลี่ยนเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอน (ปล่อยบีตาออกมา)

อนุภาคโพซิตรอน

·       สัญลักษณ์ β⁺ หรือ  ⁰₊₁e

·       มีสมบัติเช่นเดียวกับบีตา ต่างกันที่โพซิตรอนมีประจุเป็นบวก ไม่เสถียร

·       ในกรณีที่แผ่รังสีโพซิตรอนออกมา จะเกิดกับนิวเคลียสที่มีจำนวนโปรตอนมากกว่านิวตรอนเมื่อคิดจากไอโซโทปที่เสถียรของธาตุเดียวกัน ดังนั้นโปรตอนในนิวเคลียสจึงเปลี่ยนเป็นนิวตรอนและ โพซิตรอน พร้อมปล่อยพลังงานออกมา

การแผ่รังสีแกมมา

·       สัญลักษณ์ γ

·       มีพลังงานสูง ไม่มีประจุ ไม่มีมวล เป็นรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า

·       มีความเร็วเท่ากับความเร็วแสง

·       ไม่เบี่ยงเบนในสนามแม่เหล็ก

·       อำนาจทะลุทะลวงสูง  ต้องใช้ตะกั่วและคอนกรีตผสมเข้าด้วยกันจึงจะสามารถหยุดยั้งแกมมาได้

·       รังสีแกมมาถูกปล่อยออกมาเมื่อนิวเคลียสเปลี่ยนจากสถานะเร้าหรือสถานะพลังงานสูง ไปยังสถานะที่มีพลังงานต่ำกว่าเนื่องจากรังสีแกมมาไม่มีทั้งประจุและมวล การแผ่รังสีแกมมาจึงไม่ทำให้มีการเปลี่ยนแปลงเลขมวลหรือเลขเชิงอะตอมของนิวเคลียสอย่างใดอย่างหนึ่ง  เมื่อ Ra-226 เปลี่ยนไปเป็น Rn-222 โดยการแผ่รังสีแอลฟานั้น Rn-222 ไม่เสถียรภาพจึงแผ่รังสีแกมมาออกมา

วิธีการตรวจธาตุกัมมันตรังสี

1. ให้ฟิล์มถ่ายรูปหุ้มสารนั้นไว้ในที่มืด แล้วนำฟิล์มไปล้าง ถ้าเป็นสารแผ่รังสี ฟิล์มจะปรากฏเป็นสีดำ

2. เอาสารที่เป็นกัมมันตรังสีเข้าใกล้ๆสารเรืองแสง ถ้าเป็นสารแผ่รังสีจะมีแสงเรืองเกิดขึ้น

3. ใช้เครื่องมือไกเกอร์มูลเลอร์เคาน์เตอร์ จะมีหน้าปัดบอกปริมาณรังสีที่แผ่ออกมาได้

            การทำงานของเครื่องไกเกอร์มูลเลอร์เคาน์เตอร์ เมื่อรังสีผ่านเข้าไปจะไปกระทบอะตอมของ Ar ซึ่งจะทำให้ Ar เกิดการแตกตัว e^- จะหลุดออกไป เกิดเป็น Ar⁺ ทั้ง e^- และ Ar⁺ จะวิ่งไปยังขั้วบวกและลบ ซึ่งทำให้เกิดการแตกตัวมากขึ้น และเกิดกระแสไฟฟ้าขึ้น ซึ่งขั้วทั้งสองจะต่อกับเครื่องนับรังสี เพื่อบอกปริมาณรังสีออกมาเป็นตัวเลข

ประโยชน์ของธาตุกัมมันตรังสี

1. ด้านการแพทย์

        I-131     ใช้ตรวจสอบความผิดปกติของต่อมไทรอยด์

            Na-24    ใช้ตรวจสอบการไหลเวียนของเลือด

Co-60, Ra-226    ใช้รักษาโรคมะเร็ง

2. ด้านวิทยาศาสตร์

            ใช้สร้างธาตุใหม่หลังยูเรเนียม สร้างขึ้นโดยยิงนิวเคลียสของธาตุหนักด้วยอนุภาคแอลฟา หรือด้วยนิวเคลียสอื่นๆที่ค่อนข้างหนักและมีพลังงานสูง

²³⁹₉₄Pu      +       ⁴₂He        --------->             ²⁴⁶₉₆Cm

²³⁸₉₂U       +     ¹⁴₇N          --------->             ²⁴⁸₉₉Es     + 4(¹₀n)

3. ด้านเกษตรกรรม

            - นำพืชมาอาบรังสี เพื่อให้มีพันธุกรรมที่ดีขึ้น

            - ใช้ Co-60 ในการถนอมอาหาร เพราะทำลายแบคทีเรียได้

4. ด้านอุตสาหกรรม

            - ใช้ตรวจหารอยรั่วของท่อส่งน้ำมัน

            - ใช้ปรับคุณภาพของอัญมณี

5. ด้านพลังงาน

        - U-238, Pu-239 ใช้เป็นวัตถุดิบในการผลิตกระแสไฟฟ้า

6. ด้านธรณีวิทยา

            - ใช้ C-14 หาอายุของวัตถุโบราณ

โทษของธาตุกัมมันตรังสี

            ถ้าร่างกายได้รับจำทำให้โมเลกุลภายในเซลล์เกิดการเปลี่ยนแปลง ไม่สามารถทำงานเป็นปกติได้ ถ้าเป็นเซลล์ที่เกี่ยวข้องกับการถ่ายทอดลักษณะ จะเกิดการผ่าเหล่า เมื่อเข้าไปในร่างกายจะไปสะสมในกระดูก แสงอนุภาคแอลฟาที่เปล่งออกมา จะไปทำลายเซลล์ที่ทำหน้าที่ผลิตเม็ดเลือดแดง ทำให้เกิดมะเร็งในเม็ดเลือดได้

ธาตุกึ่งโลหะ

          ธาตุกึ่งโลหะ (อ.: metalloids) เป็นธาตุในอนุกรมเคมี ที่มีสมบัติทั้งทางเคมีและฟิสิกส์อยู่กึ่งกลางระหว่างโลหะและอโลหะ  คุณสมบัติสำคัญที่ใช้จำแนกประเภทของธาตุเหล่านี้ คือ คุณสมบัติการนำไฟฟ้า

1.ซิลิกอน (Silicon (Si)) 

          ซิลิคอน (อังกฤษ: Silicon) เป็นธาตุเคมีในตารางธาตุ ที่มีสัญลักษณ์ Si และเลขอะตอม14 เป็นธาตุกึ่งโลหะแบบเตตระวาเลนต์ ซิลิคอนทำปฏิกิริยาน้อยกว่าธาตุที่คล้ายกันคือคาร์บอน เป็นธาตุที่มีมากที่สุดในเปลือกโลกเป็นอันดับ 2 มีปริมาตร 25.7% โดยน้ำหนัก ปรากฏในดินเหนียว เฟลด์สปาร์ (feldspar) หินแกรนิต ควอตซ์ และทราย ส่วนใหญ่จะอยู่ในรูปของซิลิคอน ไดออกไซด์ (หรือซิลิกา) และซิลิเกต (สารประกอบที่ประกอบจากซิลิคอน ออกซิเจน และ โลหะ) ซิลิคอน เป็นส่วนประกอบหลักของแก้ว ซีเมนต์ เซรามิก, อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ ส่วนใหญ่ และซิลิโคน (สารพลาสติกที่มักจะสับสนกับซิลิคอน) ซิลิคอนใช้เป็นสารกึ่งตัวนำอย่างแพร่หลาย เนื่องจาก สารกึ่งตัวนำเจอร์เมเนียมมีปัญหาเกี่ยวกับการไหลของกระแสไหลย้อนกลับ (reverse leakage current)

2.เจอร์เมเนียม (Germanium (Ge))

         เจอร์เมเนียม (อังกฤษ: Germanium) เป็นธาตุที่อยู่ระหว่างซิลิคอน (Si)และดีบุก(Sn)สัญลักษณ์คือ Ge ในกลุ่ม IVA ของตารางธาตุ เป็นพวกเมทัลลอยด์สีเทาเงิน มีคุณสมบัติก้ำกึ่งระหว่างโลหะ และอโลหะ  ธาตุเจอร์เมเนียมยังไม่มีความสำคัญในทางเศรษฐกิจจนกระทั่งหลัง ค.ศ. 1945 เมื่อมีการรับรู้ถึงคุณสมบัติที่เป็นสารกึ่งตัวนำของมัน ซึ่งมีคุณค่าสำคัญในงานอิเล็กทรอนิกส์ ปัจจุบันนี้มีการใช้สสารอื่นๆ มากมายเพื่อผลิตสารกึ่งตัวนำ แต่เจอร์เมเนียมก็ยังคงมีความสำคัญเป็นอันดับต้นๆ ในการผลิตทรานซิสเตอร์ และอุปกรณ์อื่นๆ เช่น  เรกติไฟเออร์ และเซลล์แสงอาทิตย์

3.สารหนู (Arsenic (As))

         สารหนู (อังกฤษ: arsenic) เป็นชื่อธาตุลำดับที่ 33 สัญลักษณ์ As ลักษณะเป็นของแข็ง มีสามอัญรูป คือ สารหนูสีเทา สารหนูสีดำ และสารหนูสีเหลือง เป็นธาตุที่มีพิษอย่างร้ายแรง  สารหนูเป็นธาตุเสรี ในธรรมชาติมีอยู่เป็นจำนวนน้อย อาจพบได้ในสายแร่เงิน ส่วนใหญ่อยู่ในสารประกอบเป็นแร่หลายชนิดกระจายอยู่ทั่วโลก แร่ที่มีสารหนูเป็นตัวประกอบ เช่นอาร์เซโนไพไรต์ (FeAsS) หรดาลกลีบทองหรือออร์พิเมนต์ (As2S3) หรดาลแดงหรือรีอัลการ์ (As4S4) อาร์เซโนไลต์ (As2O3) เลิลลิงไกต์ (FeAs2) นิกโคโลต์ (NiAs)

นอกจากนี้ สารหนูยังเป็นผลพลอยได้จากกระบวนการที่ปฏิบัติกับสินแร่เงิน ตะกั่วทองแดง นิกเกิล และโคบอลต์ ประเทศรายใหญ่ผู้ผลิตสารหนู ได้แก่ สหรัฐอเมริกา สวีเดน และเม็กซิโก

4.พลวง (Antimony (Sb))  

          พลวง (อังกฤษ: Antimony) คือธาตุที่มีหมายเลขอะตอม 51 และสัญลักษณ์คือ Sb (มาจากคำในภาษาลาตินว่า Stibinum) พลวงเป็นธาตุกึ่งโลหะ (metalloid) มี 4 อัญญรูป ที่มีความเสถียรจะเป็นโลหะสีฟ้า พลวงที่มีสีเหลืองและดำจะเป็นอโลหะที่ไม่เสถียร พลวงใช้ประโยชน์ในการทำ สี เซรามิก สารเคลือบผิว โลหะผสม อิเล็กโทรดและยาง

5.เทลลูเรียม (Tellurium (Te))   

           เทลลูเรียม (อังกฤษ: Tellurium) คือธาตุที่มีหมายเลขอะตอม 52 และสัญลักษณ์คือ Te เทลลูเรียมเป็นธาตุกึ่งโลหะ (metalloid) มีสีขาวเงินเหมือนดีบุก เทลลูเรียมมีสมบัติทางเคมีใกล้เคียงกับซีลีเนียม และกำมะถัน  เทลลูเรียมใช้ประโยชน์ในการทำโลหะผสมและสารกึ่งตัวนำ

6.พอโลเนียม (Polonium (Po))

           พอโลเนียม (อังกฤษ: Polonium) คือธาตุที่มีหมายเลขอะตอม 84 และสัญลักษณ์คือ Poพอโลเนียมเป็นธาตุกึ่งอโลหะเรดิโอแอคตีฟ (radioactive metalloid) มีสมบัติทางเคมีคล้ายเทลลูเรียมและบิสมัท พบว่ามีอยู่ในแร่ยูเรเนียม กำลังศึกษาการใช้งานเกี่ยวกับความร้อนในยานอวกาศค้นพบโดย มารี กูรี

ธาตุแทรนซิชัน

         ธาตุแทรนซิชัน (transition  element)  หมายถึง  ธาตุหมู่ B  ที่อยู่ระหว่างหมู่ธาตุ  IIA และ  IIIA  โดยธาตุแทรนซิชันมีอิเล็กตรอนบรรจุใน  d หรือ  f-ออร์บิทัลไม่เต็ม  ได้แก่ ธาตุ d  และกลุ่ม  f  ในตารางธาตุ  ธาตุแทรนซิชันมีการแบ่งเป็นหมู่ได้  8  หมู่เช่นเดียวกันธาตุ A เริ่มจากหมู่  IIIB,  IVB,  VB, VIB, VIIB, VIIIB, IB และ  IIB ธาตุหมู่  IIB  (Zn, Cd, Hg) มีอิเล็กตรอนบรรจุเต็มใน  d-ออร์บิทัล

1.  ธาตุแทรนซิชันหลัก  (main  transition) คือ ธาตุแทรนซิชันที่มีการบรรจุอิเล็กตรอนใน d-ออร์บิทัล

2.  ธาตุแทรนซิชันชั้นใน (inner  transition)  คือ ธาตุแทรนซิชันที่มีการบรรจุอิเล็กตรอนที่ f-ออร์บิทัล

สมบัติของธาตุแทรนซิชัน

            สมบัติของธาตุแทรนซิชันสรุปได้ดังนี้

            1. มีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 2 ยกเว้นธาตุ Cr และ Cu มีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 1  โดยการบรรจุอิเล็กตรอนในสองระดับ  พลังงานสุดท้ายควรเป็น 4s²3d⁴ และ 4s²3d9 ตามลำดับ  แต่ปรากฏว่าเป็น 4s¹3d⁵ และ 4s¹3d¹⁰  เพราะการบรรจุอิเล็กตรอนแบบหลังจะทำให้อิเล็กตรอนใน  s-ออร์บิทัลเป็นแบบการบรรจุครึ่ง  ส่วนใน d-ออร์บิทัลของ  Cr  เป็นการบรรจุครึ่ง  และใน d-ออร์บิทัลของ Cu  เป็นแบบการบรรจุเต็ม  ซึ่งจะทำให้อะตอมมีความเสถียรมากกว่า

            2.  อิเล็กตรอนในระดับพลังงานหลัก (n) ถัดจากเวเลนซ์อิเล็กตรอนเข้าไป  จะมีจำนวนไม่เท่ากัน

            3. มีสมบัติเป็นโลหะ เป็นตัวนำไฟฟ้าและความร้อนที่ดี  โดย  Ag เป็นตัวนำความร้อนและไฟฟ้าที่ดีที่สุด  ส่วน  Fe, Co, Ni  แสดงสมบัติเป็นแม่เหล็กได้  เมื่อวางไว้ในสนามแม่เหล็กเป็นเวลานาน

สารประกอบของธาตุแทรนซิชัน

            ธาตุแทรนซิชันทำปฏิกิริยาโดยตรงกับอโลหะ  แต่ปฏิกิริยาไม่รุนแรงเหมือนธาตุหมู่  IA  และ  IIA  และสารประกอบที่เกิดขึ้นมีลักษณะของสารประกอบโคเวเลนต์แฝงอยู่มาก

            สารประกอบของธาตุแทรนซิชันมีสีต่างกัน  ขึ้นอยู่กับ

            1. เลขออกซิเดชันของธาตุแทรนซิชัน

            2. ชนิดของไอออนลบหรือโมเลกุลที่มาสร้างพันธะล้อมรอบอะตอมของธาตุแทรนซิชัน

            การที่สารประกอบของธาตุแทรนซิชันมีสีต่างๆกัน  เนื่องจากอิเล็กตรอนใน 3d-ออร์บิทัลซึ่งอยู่ในระดับพื้นฐาน (ground  state)  ได้รับพลังงาน  จึงทำให้เปลี่ยนจากระดับพลังงานต่ำไปสู่ระดับพลังงานที่สูงกว่า (excited  state)  และจะมีสีต่างๆ ตามความถี่ของแสงที่ดูดกลืนเข้าไป

1.  สารประกอบของธาตุโครเมียม (Cr)

            จากการทดลอง  เมื่อนำสารละลาย  K₂Cr₂O₇ ซึ่งมีสีส้มมาเติม  H₂SO₄ ลงไปแล้วเขย่า  จะได้สารละลายสีเขียวและมีฟองก๊าซเกิดขึ้น อธิบายได้ว่า  สารละลาย K₂Cr₂O₇ มีสีส้มซึ่งเกิดจากสีของ   Cr₂O^2-₇  โดย Cr  มีเลขออกซิเดชัน  +6  เมื่อเติม H₂SO₄ ลงไป  จะได้สารละลายสีเขียวของ  Cr³⁺ โดยเลขออกซิเดชันของ Cr เปลี่ยนจาก+6 เป็น +3  และก๊าซที่เกิดขึ้นคือ O₂  เขียนเป็นสมการแสดงปฏิกิริยาได้ดังนี้

Cr₂O^2-₇  (aq) + 3H₂O₂(aq) + 8H + (aq) ---------> Cr³⁺(aq) + 7H₂O(l) + 3O₂(g)

                 (สีส้ม)                                                       (สีเขียว) 

2. สารประกอบของธาตุแมงกานิส (Mn)

            จากการทดลอง  เมื่อนำเม็ด NaOH  มาเผารวมกับ  MnO₂ (ผงสีดำ)  จนหลอมเหลวรวมกัน  ทิ้งให้เย็นแล้วเติมน้ำ  จะได้สารละลายสีเขียว  รินเฉพาะสารละลายสีเขียวมาเติมสารละลาย H₂SO₄ ลงไป  สีของสารละลายจะเปลี่ยนไปเป็นสีม่วงแดง  เมื่อเติมสารละลาย  Na₂S ลงไปทีละหยด  จะได้ตะกอนสีขาวขุ่น  และสีสารละลายสีม่วงแดงจะจางลงเรื่อยๆ  จนไม่มีสี  นำสารละลายเติมสารละลาย  NaOH  จะเกิดตะกอนเบาสีน้ำตาลอ่อน  ซึ่งเมื่อตั้งทิ้งไว้สีจะเข้มขึ้น

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 โมเลกุลเกิดเป็นCu(NH₃)₃SO₄
           ถ้าพิจารณาเลขออกซิเดชันของทองแดงในสารประกอบทั้งสามชนิดจะพบว่ามีค่า +2 เท่ากัน แต่ชนิดและจำนวนโมเลกุลของสารที่มาล้อมรอบคอปเปอร์ (II) ไอออนแตกต่างกัน จากข้อมูลให้มีความรู้ว่าธาตุแทรนซิชันชนิดหนึ่งๆ อาจเกิดเป็นสารประกอบที่มาตุองค์ประกอบเหมือนกันได้มากกว่าหนึ่งชนิด สารประกอบแต่ละชนิดมีสีแตกต่างกันซึ่งขึ้นอยู่กับเลขออกซิเดชันของธาตุแทรนซิชัน ชนิดและจำนวนโมเลกุลหรือไอออนที่ล้อมรอบธาตุแทรนซิชันนั้น

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