ธาตุในทางเคมีคืออะไร

ทุกสิ่งประกอบด้วยอะตอม

ทุกสิ่งรอบตัวคุณ ตั้งแต่โต๊ะไปจนถึงอากาศที่คุณหายใจ ประกอบด้วยอนุภาคเล็ก ๆ ที่เรียกว่าอะตอม ซึ่งเล็กเกินกว่าจะมองเห็นได้ แม้จะใช้กล้องจุลทรรศน์ธรรมดาก็ตาม

อะตอมมีหลายชนิด ธาตุคือสารที่อะตอมทุกตัวเป็นชนิดเดียวกัน แท่งทองคำบริสุทธิ์มีเฉพาะอะตอมทองคำ และลูกโป่งที่บรรจุฮีเลียมบริสุทธิ์ก็มีเฉพาะอะตอมฮีเลียม

แล้วอะไรทำให้อะตอมสองตัวเป็นชนิดเดียวกัน คำตอบคือจำนวนโปรตอน ซึ่งเป็นอนุภาคเล็ก ๆ ที่มีประจุบวกอยู่ตรงกลางของทุกอะตอม อะตอมคาร์บอนทุกตัวมีโปรตอน 6 ตัว และอะตอมออกซิเจนทุกตัวมี 8 ตัว จำนวนนี้เรียกว่าเลขอะตอม และไม่มีธาตุสองธาตุใดที่มีเลขอะตอมเท่ากัน

ธาตุคือสารที่ง่ายที่สุด

คุณสามารถหลอม แช่แข็ง ตัด หรือบดธาตุได้ และมันก็ยังเป็นธาตุเดิม ทองคำที่หลอมเหลวก็ยังคงเป็นทองคำ ไม่มีปฏิกิริยาเคมีใดที่แยกธาตุให้เป็นสารที่ง่ายกว่าได้

น้ำต่างออกไป นักเคมีสามารถใช้ไฟฟ้าแยกน้ำออกเป็นแก๊สสองชนิด คือไฮโดรเจนและออกซิเจน เพราะน้ำแยกสลายได้เช่นนี้ น้ำจึงไม่ใช่ธาตุ ส่วนไฮโดรเจนและออกซิเจนไม่สามารถแยกต่อไปได้อีก จึงเป็นธาตุ

สารประกอบ: ธาตุที่รวมเข้าด้วยกัน

สารประกอบเกิดขึ้นเมื่ออะตอมของธาตุที่ต่างกันตั้งแต่สองชนิดขึ้นไปรวมกันด้วยพันธะเคมี น้ำเป็นสารประกอบของไฮโดรเจนและออกซิเจน สูตร H₂O แสดงว่ามีไฮโดรเจน 2 อะตอมต่อออกซิเจน 1 อะตอมเสมอ

สูตรของสารประกอบไม่เคยเปลี่ยน น้ำบริสุทธิ์จากธารน้ำแข็งกับน้ำบริสุทธิ์จากกาต้มน้ำมีอัตราส่วนสองต่อหนึ่งเหมือนกันทุกประการ

สารประกอบอาจแตกต่างจากธาตุที่ประกอบขึ้นเป็นมันอย่างสิ้นเชิง โซเดียมเป็นโลหะอ่อนสีเงินมันวาวที่ฟู่และพุ่งไปมาบนน้ำ ส่วนคลอรีนเป็นแก๊สพิษสีเหลืองอมเขียว เมื่อรวมกันก็จะได้โซเดียมคลอไรด์ (NaCl) ซึ่งเป็นเกลือแกงที่คุณโรยลงบนอาหาร

สารผสม: ผสมกันแต่ไม่ได้ยึดติดกัน

ในสารผสม สารตั้งแต่สองชนิดขึ้นไปถูกผสมเข้าด้วยกันแต่ไม่ได้สร้างพันธะเคมีต่อกัน แต่ละชนิดยังคงสมบัติของตัวเอง และปริมาณก็เปลี่ยนแปลงได้ คุณจะใส่น้ำตาลลงในชาน้อยหรือมากก็ได้ และก็ยังคงเป็นชาหวานอยู่

เพราะไม่มีพันธะระหว่างกัน สารผสมจึงแยกออกได้ด้วยวิธีทางกายภาพง่าย ๆ แม่เหล็กดึงผงเหล็กออกจากทราย ตัวกรองดักทรายจากน้ำ และการต้มน้ำจากน้ำเกลือให้ระเหยไปจะเหลือเกลือไว้

อากาศก็เป็นสารผสมเช่นกัน ส่วนใหญ่เป็นไนโตรเจนและออกซิเจนซึ่งต่างก็เป็นธาตุ บวกกับอาร์กอน คาร์บอนไดออกไซด์ และไอน้ำในปริมาณเล็กน้อย

จะแยกความแตกต่างได้อย่างไร

ลองถามสามข้อ มีอะตอมเพียงชนิดเดียวหรือไม่ ถ้าใช่ก็เป็นธาตุ ธาตุต่างชนิดกันยึดกันด้วยพันธะในอัตราส่วนคงที่หรือไม่ ถ้าใช่ก็เป็นสารประกอบ สารต่างชนิดเพียงแค่ผสมกันและแยกได้ง่ายหรือไม่ ถ้าใช่ก็เป็นสารผสม

ระวังแก๊สออกซิเจน O₂ อะตอมของมันอยู่เป็นคู่ แต่ทั้งสองอะตอมในแต่ละคู่เป็นออกซิเจนทั้งคู่ แก๊สออกซิเจนจึงยังเป็นธาตุ ส่วนคาร์บอนไดออกไซด์ CO₂ มีธาตุที่ต่างกันสองชนิดยึดกันด้วยพันธะ จึงเป็นสารประกอบ

จากธาตุที่รู้จัก 118 ธาตุ มีประมาณ 94 ธาตุที่พบตามธรรมชาติบนโลก บางธาตุพบเพียงปริมาณน้อยนิด ส่วนที่เหลือนักวิทยาศาสตร์สร้างขึ้นในห้องปฏิบัติการ ธาตุใหม่ล่าสุด 4 ธาตุ รวมทั้งออกานีสซอน (118) ได้รับการตั้งชื่อในปี 2016