แนวโน้มตามคาบ: รัศมีอะตอม อิเล็กโทรเนกาติวิตี และพลังงานไอออไนเซชันเปลี่ยนไปอย่างไร

สองแนวคิดเบื้องหลังทุกแนวโน้ม

เกือบทุกแนวโน้มมาจากสองผล ผลแรกคือประจุนิวเคลียส ตามคาบ ธาตุแต่ละธาตุมีโปรตอนเพิ่มขึ้นหนึ่งตัว นิวเคลียสจึงดึงอิเล็กตรอนแรงขึ้น อิเล็กตรอนที่เพิ่มเข้าไปในชั้นเดียวกันช่วยกำบังกันเองได้น้อย อิเล็กตรอนชั้นนอกจึงรู้สึกถึงแรงดึงที่แรงขึ้น เรียกว่าประจุนิวเคลียสยังผล จากซ้ายไปขวา

ผลที่สองคือจำนวนชั้นอิเล็กตรอน ลงตามหมู่ ธาตุแต่ละธาตุมีชั้นที่มีอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นหนึ่งชั้น อิเล็กตรอนชั้นนอกจึงอยู่ไกลจากนิวเคลียสมากขึ้นและถูกกำบังด้วยอิเล็กตรอนชั้นในมากขึ้น พวกมันถูกยึดไว้หลวมกว่า แม้ว่านิวเคลียสจะมีโปรตอนมากกว่า

รัศมีอะตอม

รัศมีอะตอมวัดขนาดของอะตอม ตามคาบ โดยทั่วไปจะลดลง เพราะแรงดึงที่แรงขึ้นดึงกลุ่มเมฆอิเล็กตรอนเข้าด้านใน ลงตามหมู่ จะเพิ่มขึ้น เพราะแต่ละชั้นใหม่อยู่ไกลออกไป ไอออนบวกมีขนาดเล็กกว่าอะตอมของมัน และไอออนลบมีขนาดใหญ่กว่า

โลหะแอลคาไลแสดงแนวโน้มตามหมู่ได้ชัดเจนในข้อมูลของเว็บไซต์นี้ ลิเทียม 182 pm โซเดียม 227 pm โพแทสเซียม 275 pm รูบิเดียม 303 pm และซีเซียม 343 pm ค่ารัศมีขึ้นอยู่กับวิธีวัด (รัศมีโคเวเลนต์ รัศมีโลหะ หรือรัศมีแวนเดอร์วาลส์) ตารางแต่ละแบบจึงให้ตัวเลขต่างกัน และแนวโน้มตามคาบเป็นรูปแบบทั่วไป ไม่ได้ราบรื่นสมบูรณ์

อิเล็กโทรเนกาติวิตี

อิเล็กโทรเนกาติวิตีวัดว่าอะตอมดึงดูดอิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกันในพันธะเคมีได้แรงเพียงใด ในมาตราพอลลิง ค่านี้เพิ่มขึ้นตามคาบและลดลงตามหมู่

ในคาบที่ 2 ค่าเพิ่มจากลิเทียม (0.98) ผ่านคาร์บอน (2.55) และออกซิเจน (3.44) ไปถึงฟลูออรีน (3.98) ซึ่งเป็นธาตุที่มีอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงที่สุด ลงตามหมู่ 17 ค่าลดลงจากฟลูออรีนเป็นคลอรีน (3.16) โบรมีน (2.96) และไอโอดีน (2.66) ค่าต่ำสุดอยู่ที่มุมซ้ายล่าง เช่น ซีเซียมที่ 0.79 ฮีเลียม นีออน และอาร์กอนไม่มีค่า เพราะไม่สร้างสารประกอบที่เสถียร

ผลต่างของอิเล็กโทรเนกาติวิตีทำนายชนิดของพันธะได้ ผลต่างมาก เช่น ระหว่างโซเดียม (0.93) กับคลอรีน (3.16) ให้พันธะไอออนิก ส่วนผลต่างน้อยให้พันธะโคเวเลนต์

พลังงานไอออไนเซชัน

พลังงานไอออไนเซชันคือพลังงานที่ต้องใช้เพื่อดึงอิเล็กตรอนนอกสุดออกจากอะตอมในวัฏภาคแก๊ส ค่านี้เพิ่มขึ้นตามคาบเพราะอิเล็กตรอนถูกยึดแน่นขึ้น และลดลงตามหมู่เพราะอิเล็กตรอนชั้นนอกอยู่ไกลจากนิวเคลียสมากขึ้น

ตามคาบที่ 3 ค่าเพิ่มจาก 5.139 eV สำหรับโซเดียมเป็น 15.76 eV สำหรับอาร์กอน และลงตามหมู่ 1 ค่าลดจาก 5.392 eV สำหรับลิเทียมเป็น 3.894 eV สำหรับซีเซียม ฮีเลียมมีพลังงานไอออไนเซชันลำดับแรกสูงที่สุดของทุกธาตุ คือ 24.587 eV มีจุดที่ค่าลดลงเล็กน้อยระหว่างทาง โบรอนต่ำกว่าเบริลเลียมเพราะอิเล็กตรอนชั้นนอกอยู่ในระดับพลังงานย่อย 2p ที่มีพลังงานสูงกว่า และออกซิเจนต่ำกว่าไนโตรเจนเพราะอิเล็กตรอน 2p ตัวที่สี่ใช้ออร์บิทัลร่วมกัน ซึ่งแรงผลักทำให้ดึงออกได้ง่ายขึ้น

ความเป็นโลหะและความว่องไวต่อปฏิกิริยา

ความเป็นโลหะบอกว่าอะตอมให้อิเล็กตรอนได้ง่ายเพียงใด เป็นไปในทางตรงข้ามกับพลังงานไอออไนเซชัน คือลดลงตามคาบและเพิ่มขึ้นตามหมู่ นี่คือเหตุผลที่ธาตุที่เป็นโลหะมากที่สุด เช่น ซีเซียมและแฟรนเซียม อยู่ที่มุมซ้ายล่าง และธาตุที่เป็นอโลหะมากที่สุด เช่น ฟลูออรีนและออกซิเจน อยู่ที่มุมขวาบน

ความว่องไวต่อปฏิกิริยาเป็นผลจากแนวโน้มเหล่านี้ แต่ขึ้นอยู่กับหมู่ โลหะแอลคาไลว่องไวขึ้นเมื่อลงตามหมู่ เพราะเวเลนซ์อิเล็กตรอนตัวเดียวของมันให้ไปได้ง่ายขึ้น ลิเทียมทำปฏิกิริยากับน้ำอย่างสม่ำเสมอ ขณะที่โพแทสเซียมทำปฏิกิริยารุนแรง ฮาโลเจนว่องไวน้อยลงเมื่อลงตามหมู่ เพราะอะตอมที่ใหญ่กว่าดึงดูดอิเล็กตรอนเพิ่มได้อ่อนลง ฟลูออรีนจึงเป็นฮาโลเจนที่ว่องไวที่สุด