ธาตุที่ไม่ทราบสมบัติทางเคมี

ถึงแม้ว่าธาตุทุกตัวจนถึงออกาเนสซอนจะถูกค้นพบแล้ว แต่ธาตุที่มีเลขอะตอมมากกว่าฮัสเซียม (ธาตุที่ 108) มีเพียงแค่โคเปอร์นิเซียม (ธาตุที่ 112) และฟลีโรเวียม (ธาตุที่ 114) เท่านั้นที่ทราบสมบัติทางเคมีแล้ว ส่วนธาตุอื่น ๆ ที่มีเลขอะตอมมากกว่าฮัสเซียมนั้น สมบัติทางเคมีของมันเป็นเพียงแค่การทำนายโดยการประมาณค่าหรือพิจารณาความสัมพันธ์ทางเคมี เช่น ทำนายว่าฟลีโรเวียมจะมีสมบัติที่คล้ายคลึงกับธาตุในหมู่แก๊สมีตระกูล แม้ว่าปัจจุบันมันจะจัดให้อยู่ในหมู่คาร์บอนก็ตาม[106] การทดลองส่วนใหญ่ได้บ่งชี้เช่นนั้น ถึงอย่างนั้น ฟลีโรเวียมแสดงความประพฤติทางเคมีเหมือนกับตะกั่ว ตามตำแหน่งของธาตุที่คาดไว้[107]

การขยายตารางธาตุ

ไม่มีความแน่ชัดว่าธาตุใหม่ที่จะถูกค้นพบต่อไปนี้จะต้องไปอยู่ในคาบที่ 8 หรือต้องการการปรับเปลี่ยนรูปแบบตารางธาตุ ซีบอร์กคาดว่าคาบที่ 8 นี้จะเป็นไปตามหลักการที่กำหนดไว้ มันจะประกอบไปด้วยธาตุในบล็อก-s 2 ตัว คือธาตุที่ 119 และ 120 หลังจากนั้นจะเป็นบล็อก-g สำหรับธาตุตัวถัดไปอีก 18 ตัว และที่เหลืออีก 30 ตัวจะถูกจัดให้อยู่ในบล็อก-f -d และ -p ตามลำดับ[108] ล่าสุด นักฟิสิกส์หลายคนเช่น เป็กกา ปืกเกอ เชื่อว่าธาตุใหม่ที่จะถูกค้นพบนั้นจะไม่เป็นไปตามกฎของแมนเดลัง ซึ่งเป็นการทำนายว่าจะมีวงอิเล็กตรอนเท่าใด และจะทำให้ตารางธาตุปัจจุบันมีหน้าตาเปลี่ยนไปด้วย ปัจจุบันมีแบบจำลองสมมติฐานหลายแบบออกมาสำหรับตำแหน่งธาตุที่มีเลขอะตอมน้อยกว่าหรือเท่ากับ 172 โดยธาตุที่ 172 นี้ เชื่อกันว่าจะเป็นธาตุอโลหะมีตระกูลตัวต่อไปจากออกาเนสซอน ซึ่งแบบจำลองเหล่านี้จะต้องพิจารณาว่าเป็นเพียงทฤษฎี เนื่องจากยังไม่มีการคำนวณใด ๆ สำหรับธาตุที่พ้นจากธาตุ 122[109]

ธาตุที่มีเลขอะตอมมากที่สุด

ตัวเลขของจำนวนธาตุที่เป็นไปได้ยังไม่มีใครทราบ มีข้อคิดเห็นที่เก่าที่สุดสำหรับเรื่องนี้ ซึ่งเสนอโดย เอเลียต อดัมส์ ในปี พ.ศ. 2454 และอยู่บนพื้นฐานของการจัดเรียงธาตุในแถวแนวนอนของตารางธาตุ เขาเชื่อว่าธาตุที่มีมวลอะตอมมากกว่า 256± (ซึ่งเทียบเท่ากับมวลอะตอมระหว่างธาตุที่ 99 และ 100 ในปัจจุบัน) จะไม่ปรากฏขึ้น[110] ธาตุที่มีมวลอะตอมสูงกว่านี้ คาดว่าจะไปสิ้นสุดไม่ไกลหลังจากหมู่เกาะแห่งความเสถียรภาพ[111] ซึ่งทำนายกันว่าจะมีศูนย์กลางประมาณธาตุที่ 126 และเป็นส่วนขยายของตารางธาตุและตารางนิวไคลด์จะถูกจำกัดโดยดริปไลน์ (Drip line) ของโปรตอนและนิวตรอน[112] มีการทำนายอื่น ๆ อีกมากมายที่นำเสนอเกี่ยวกับจุดสิ้นสุดของตารางธาตุ รวมทั้งตารางธาตุจะสิ้นสุดที่ธาตุ 128 ซึ่งเสนอโดยจอห์น เอมสลีย์[3] สิ้นสุดที่ธาตุ 137 โดยริชาร์ด ไฟน์แมน[113] และสิ้นสุดที่ธาตุ 155 โดยอัลเบิร์ต คาซาน[3][n 7]

แบบจำลองของบอร์จะมีความยากลำบากในการอธิบายถึงอะตอมของธาตุที่มีเลขอะตอมเท่ากับ 137 ขึ้นไป ธาตุใด ๆ ก็ตามที่มีเลขอะตอมมากกว่า 137 มันจะต้องการอิเล็กตรอนในวงย่อย 1s เพื่อที่จะให้เดินทางได้เร็วกว่าแสง[114] ดังนั้นแบบจำลองของบอร์จึงไม่ได้ถูกใช้เพื่ออธิบายความสัมพันธ์ที่ถูกต้องของธาตุเหล่านั้น

สมการแสดงความสัมพันธ์ของดิแรกจะมีปัญหาเมื่อธาตุนั้นมีโปรตอนมากกว่า 137 ตัว สำหรับธาตุเหล่านั้น ฟังก์ชันคลื่นของสถานะพื้นของดิแรกจะเกิดการแกว่งมากกว่าที่จะยึดกันไว้ และจะไม่มีช่องว่างระหว่างพลังงานบวกและลบของสเปกตรัม ซึ่งมีในปฏิทรรศน์ของไคลน์[115] การคำนวณที่แม่นยำขึ้นโดยคำนึงถึงผลกระทบของการจำกัดขนาดของนิวเคลียส แสดงให้เห็นว่าพลังงานที่ทำให้นิวเคลียสอยู่รวมกัน จะมีค่าเกินขีดจำกัดสำหรับธาตุที่มีโปรตอนมากกว่า 137 ตัว สำหรับธาตุที่หนักกว่านั้น ถ้าวงอิเล็กตรอนชั้นในสุด (1s) ไม่ถูกเติมเต็ม จะทำให้สนามไฟฟ้าของนิวเคลียสจะดึงอิเล็กตรอนออกจากสุญญากาศ ส่งผลให้อะตอมนั้นเกิดการปล่อยโพซิตรอนออกมาโดยธรรมชาติ[116] ถึงอย่างนั้น ผลกระทบนี้จะไม่เกิดขึ้นถ้าวงอิเล็กตรอนชั้นในสุดได้รับการเติมเต็มแล้ว ดังนั้นธาตุที่ 137 จึงไม่จำเป็นว่าจะเป็นที่สิ้นสุดของตารางธาตุ[117]

ตำแหน่งของไฮโดรเจนและฮีเลียม

บ่อยครั้งที่ไฮโดรเจนและฮีเลียมถูกวางในตำแหน่งที่แตกต่างกัน แทนที่จะวางใกล้กัน เนื่องด้วยการจัดเรียงอิเล็กตรอน ไฮโดรเจนส่วนใหญ่จะถูกจัดให้อยู่บนลิเทียม โดยพิจารณาจากการจัดเรียงอิเล็กตรอน แต่บางครั้งมันก็จะถูกจัดให้อยู่เหนือฟลูออรีน[118]หรือคาร์บอน[118] เนื่องจากไฮโดรเจนแสดงพฤติกรรมที่มีความคล้ายคลึงกับธาตุเหล่านั้น บางครั้งไฮโดรเจนอาจจะถูกจัดให้อยู่เดี่ยว ๆ ซึ่งหมายความว่าไฮโดรเจนไม่มีสมบัติเหมือนกับธาตุในหมู่ใด ๆ เลย[119] ฮีเลียม ส่วนใหญ่แล้วจะถูกจัดให้อยู่เหนือนีออน เพราะมีสมบัติทางเคมีคล้ายคลึงกันมาก ถึงแม้ว่าบางครั้งมันจะถูกจัดให้อยู่เหนือเบริลเลียมเนื่องด้วยการจัดเรียงอิเล็กตรอน (ฮีเลียม: 1s2 เบริลเลียม: [He] 2s2)[21]

หมู่ของโลหะแทรนซิชัน

นิยามของโลหะแทรนซิชันโดยไอยูแพกนั้น คือธาตุที่อิเล็กตรอนนั้นจะเข้าไปอยู่ในวงย่อย d หรือจะเป็นประจุบวกเพื่อเติมเต็มวงย่อย d[120] จากคำนิยามนี้ ทำให้ธาตุในหมู่ 3–11 เป็นโลหะแทรนซิชัน คำนิยามของไอยูแพกทำให้ธาตุในหมู่ 12 ซึ่งประกอบด้วยสังกะสี แคดเมียม และปรอท ออกจากการเป็นโลหะแทรนซิชันไป

นักเคมีบางคนอธิบายว่า "ธาตุบล็อก-d" และ "โลหะแทรนซิชัน" สามารถสลับกันได้ ซึ่งทำให้หมู่ที่ 3–12 กลายเป็นโลหะแทรนซิชัน ในกรณีนี้ธาตุหมู่ 12 จะถือว่าเป็นกรณีพิเศษของโลหะแทรนซิชัน เพราะธาตุหมู่ 12 ไม่ได้ใช้อิเล็กตรอนในวงย่อย d ในการทำพันธะกับธาตุอื่น แต่การค้นพบล่าสุด พบว่าปรอทสามารถใช้อิเล็กรอนในวงย่อย d ในการสร้างพันธะกับฟลูออรีน เป็นเมอร์คิวรี(IV) ฟลูออไรด์ (HgF4) ทำให้มีนักเคมีบางคนเสนอว่าปรอทควรจะถูกจัดให้เป็นโลหะแทรนซิชัน[121] ส่วนนักเคมีคนอื่น ๆ เช่น เจนเซน[95] แย้งว่าการเกิดของ HgF4 สามารถเกิดได้ในภาวะที่ผิดปกติอย่างมากเท่านั้น ดังนั้นปรอทจึงไม่ถูกจัดให้เป็นโลหะแทรนซิชัน โดยการพิจารณาความหมายโดยสามัญ[95]

แต่ก็ยังมีนักเคมีบางคนที่ไม่รวมธาตุหมู่ 3 ในกลุ่มโลหะแทรนซิชัน โดยคำนิยามของโลหะแทรนซิชัน พวกเขาทำบนพื้นฐานที่ว่าธาตุในหมู่ 3 ไม่มีไอออนใด ๆ ที่สามารถไปเติมเต็มวงย่อย d ได้ และไม่แสดงสมบัติทางเคมีที่คล้ายคลึงกับโลหะแทรนซิชันเลย[122] ในกรณีนี้ธาตุหมู่ 4–11 จะถูกจัดให้เป็นโลหะแทรนซิชัน[123] แม้ว่าธาตุหมู่ 3 มีสมบัติทางเคมีเหมือนโลหะแทรนซิชันบางประการ แต่ก็ยังมีสมบัติทางกายภาพที่เหมือนกันด้วย (การมีอยู่ของ d อิเล็กตรอน)[46]

ธาตุคาบ 6 และ 7 ในหมู่ที่ 3

ถึงแม้ว่าสแกนเดียมและอิตเทรียมจะเป็นธาตุหมู่ 3 สองตัวแรกตลอด ตัวตนของธาตุอีกสองตัวยังไม่ได้ถูกยืนยัน พวกมันอาจจะเป็นแลนทานัมกับแอกทิเนียมหรือลูทีเชียมกับลอว์เรนเชียม ถึงแม้มันยังมีข้อโต้แย้งทางเคมีและกายภาพที่สนับสนุนการจัดโดยนำลูทีเชียมและลอว์เรนเชียมเป็นธาตุหมู่ 3 แต่ก็ไม่ควรที่จะเชื่อถือนัก[124] คำนิยามปัจจุบันของคำว่า "แลนทาไนด์" ของไอยูแพก รวมธาตุ 15 ตัว ซึ่งมีทั้งแลนทานัมและลูทีเชียม และ "โลหะแทรนซิชัน"[120] อาจจะเป็นแลนทานัมหรือแอกทิเนียมก็ได้ หรือแม้กระทั่งลูทีเชียม แต่ไม่ใช่ลอว์เรนเชียม เนื่องจากหลักการออฟบาวไม่มีความถูกต้องแล้ว โดยทั่วไป อิเล็กตรอนของลอว์เรนเชียมตัวที่ 103 จะต้องเข้าไปอยู่ในวงย่อย d แต่การวิจัยทางกลศาสตร์ควอนตัมชี้ให้เห็นว่าลอว์เรนเชียมมีการจัดเรียงอิเล็กตรอนเป็น [Rn] 5f14 7s2 7p1[n 8] เนื่องด้วยผลกระทบจากความสัมพันธ์ระหว่างธาตุเคมี[125][126] ไอยูแพกจึงยังไม่ได้แนะนำรูปแบบที่เจาะจง สำหรับธาตุในบล็อก-f และยังคงเป็นข้อโต้แย้งต่อไป

แลนทานัมและแอกทิเนียม

แลนทานัมและแอกทิเนียมมักจะถูกจัดให้เป็นธาตุหมู่ 3[127][n 9] โดยมีการเสนอตำแหน่งของธาตุทั้งสองนี้ครั้งแรกในช่วงคริสต์ทศวรรษ 1940 ด้วยการปรากฏตัวของตารางธาตุที่จัดเรียงตามการจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุเคมีและความคิดในการแยกแยะอิเล็กตรอน การจัดเรียงอิเล็กตรอนของซีเซียม แบเรียม และแลนทานัม คือ [Xe]6s1 [Xe]6s2 และ [Xe]5d16s2 ดังนั้นแลนทานัมจึงมีอิเล็กตรอนในชั้น 5d แยกออกมาและทำให้แลนทานัมกลายเป็น "ธาตุหมู่ 3 และธาตุตัวแรกในบล็อก d ของคาบ 6"[128] กลุ่มของธาตุที่จัดเรียงอิเล็กตรอนคล้าย ๆ กันพบได้ในหมู่ 3: สแกนเดียม [Ar]3d14s2 อิตเทรียม [Kr]4d15s2 และแลนทานัม [Xe]5d16s2 อิตเทอร์เบียมและลูทีเชียม ซึ่งอยู่ในคาบ 6 เหมือนกัน มีการจัดเรียงอิเล็กตรอนเป็น [Xe]4f135d16s2 และ [Xe]4f145d16s2 ตามลำดับ "ส่งผลให้เกิดอิเล็กตรอนชั้น 4f แยกออกมาในลูทีเชียม และทำให้มันเป็นธาตุสุดท้ายของบล็อก f ของคาบ 6"[128] ภายหลัง มีงานวิจัยจากการวิเคราะห์สเปกตรัม พบว่าการจัดเรียงอิเล็กตรอนที่แท้จริงของอิตเทอร์เบียมเป็น [Xe]4f146s2 หมายความว่าทั้งอิตเทอร์เบียมและลูทีเชียม ต่างมี 14 อิเล็กตรอนในบล็อก f "ส่งผลให้เกิดอิเล็กตรอน d แยกออกมาแทนที่จะเป็น f สำหรับลูทีเชียม" และทำให้ลูทีเชียมกลายเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมสำหรับตำแหน่งใต้อิตเทรียมเช่นเดียวกันกับ [Xe]5d16s2 แลนทานัม แต่แลนทานัมได้เปรียบจากตำแหน่ง เนื่องจากอิเล็กตรอน 5d1 ปรากฏตัวครั้งแรกในการจัดเรียงนี้ ขณะที่มันปรากฏเป็นครั้งที่สามสำหรับลูทีเชียม นอกจากนี้อิเล็กตรอน 5d1 ยังปรากฏบ้างเป็นครั้งที่สองในธาตุแกโดลิเนียมด้วยเช่นกัน[129]

ในทางพฤติกรรมเคมี[130] ธาตุหมู่สามจะมีแนวโน้มคุณสมบัติต่าง ๆ ลดลงไปในแต่ละคาบ ไม่ว่าจะเป็นจุดหลอมเหลว อิเล็กโทรเนกาติวิตี หรือรัศมีไอออน[131][132] สแกนเดียม อิตเทรียม แลนทานัม และแอกทิเนียมคล้ายคลึงกันกับธาตุหมู่ 1-2 ที่อยู่ข้างเคียง ในรูปแบบนี้ จำนวน f อิเล็กตรอนของไอออนที่พบได้บ่อยสุดของธาตุบล็อก f จะสอดคล้องกับตำแหน่งในบล็อก f[133] ตัวอย่างเช่น จำนวน f อิเล็กตรอนของธาตุบล็อก f สามตัวแรก คือ Ce 1 Pr 2 Nd 3[134]

ลูทีเชียมและลอว์เรนเชียม

ในรูปแบบนี้ ลูทีเชียมและลอว์เรนเชียมเป็นธาตุหมู่ 3[n 10] วิธีการแรก ๆ ที่แยกสแกนเดียม อิตเทรียม และลูทีเชียม คือ การพิจารณาว่าธาตุเหล่านี้ปรากฏตัวอยู่ด้วยกัน เรียกว่า "หมู่อิตเทรียม" ขณะที่แลนทานัมและแอกทิไนด์ ปรากฏตัวอยู่ด้วยกันใน "หมู่ซีเรียม"[128] ดังนั้น ลูทีเชียมจึงถูกจัดให้อยู่ในหมู่ 3 แทนที่แลนทานัมโดยนักเคมีบางคนในช่วงคริสต์ทศวรรษ 1920 และ 1930[n 11] นักฟิสิกส์หลายคนในช่วงคริสต์ทศวรรษ 1950 และ 1960 นิยมนำลูทีเชียมจัดเป็นธาตุหมู่ 3 เมื่อมีการเปรียบเทียบสมบัติทางกายภาพกับแลนทานัมแล้ว การจัดเรียงเช่นนี้ โดยนำแลนทานัมไปไว้เป็นธาตุตัวแรกของบล็อก f กลายเป็นข้อถกเถียงในหมู่นักเขียนบางส่วน เพราะแลนทานัมขาด f อิเล็กตรอน แต่ก็มีข้อโต้แย้งว่า เป็น "ข้อกังวลที่ไม่ถูกต้อง" ตัวอย่างเช่น ทอเรียม เป็นธาตุในบล็อก f แต่ไม่มี f อิเล็กตรอน[135] สำหรับลอว์เรนเชียม การจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอมสถานะแก๊สถูกยืนยันในปี พ.ศ. 2558 เป็น [Rn]5f147s27p1 การจัดเรียงอิเล็กตรอนนี้แสดงให้เห็นถึงความผิดปกติอีกประการ คือ ไม่ว่าลอว์เรนเชียมจะอยู่ตำแหน่งไหนในบล็อก f หรือ บล็อก d แต่ตัวธาตุมี p อิเล็กตรอนตัวแรก ซึ่งตำแหน่งธาตุที่จะมี p อิเล็กตรอนตัวแรกได้ถูกจัดไว้ให้กับนิโฮเนียม ซึ่งคาดว่าจะมีการจัดเรียงอิเล็กตรอนเป็น [Rn]5f146d107s27p1[136][n 12]

สแกนเดียม อิตเทรียม และ ลูทีเชียม (และลอว์เรนเชียมที่เป็นไปได้) มีพฤติกรรมคล้ายไตรวาเลนต์ของโลหะหมู่ 1 และ 2[138] ในทางตรงกันข้าม ธาตุจะมีแนวโน้มคุณสมบัติต่าง ๆ ลดลงไปในแต่ละคาบ ไม่ว่าจะเป็นจุดหลอมเหลว อิเล็กโทรเนกาติวิตี หรือรัศมีไอออน คล้ายคลึงกับธาตุในหมู่ 4–8[128] ในรูปแบบนี้ จำนวน f อิเล็กตรอนของอะตอมธาตุบล็อก f ในสถานะแก๊ส โดยปกติจะสอดคล้องกับตำแหน่งในบล็อก f ตัวอย่างเช่น จำนวน f อิเล็กตรอนของธาตุบล็อก f ห้าตัวแรก คือ La 0 Ce 1 Pr 3 Nd 4 และ Pm 5[128]

แลนทาไนด์และแอกทิไนด์

นักเขียนจำนวนหนึ่งวางตำแหน่งธาตุแลนทาไนด์และแอกทิไนด์ทั้ง 30 ธาตุไว้ในตำแหน่งทั้งสองใต้อิตเทรียม ในรูปแบบนี้ ซึ่งได้ถูกกล่าวถึงใน Red Book ปี พ.ศ. 2549 ว่าเป็นรูปแบบที่ยอมรับจากไอยูแพกในปี พ.ศ. 2549 (ในภายหลังก็ปรากฏรูปแบบอื่นอีกมากมาย และมีอัปเดตล่าสุดในวันที่ 1 ธ.ค. 2561)[139][n 13] โดยให้ความสำคัญถึงความเหมือนของธาตุทั้ง 15 ตัวในแลนทาไนด์ (La ถึง Lu) อาจจะเพื่อหลีกเลี่ยงความกำกวมว่าธาตุใดควรจะเป็นธาตุหมู่ 3 ใต้อิตเทรียม กับบล็อก f ที่กว้าง 15 ช่อง (ขณะที่ธาตุบล็อก f สามารถมีได้แค่ 14 ตัวไม่ว่าจะอยู่ในแถวใด)[n 14]

ตารางธาตุในรูปแบบที่เหมาะสม

มีตารางธาตุหลายรูปแบบที่ถูกเสนอว่าควรจะเป็นตารางธาตุที่มีรูปแบบเหมาะสม คำตอบของคำถามนี้ขึ้นอยู่กับว่าตารางธาตุนั้นบอกรายละเอียดเกี่ยวกับธาตุได้พอดีและอยู่บนพื้นฐานของความจริงหรือไม่ แต่ทั้งหมดก็ขึ้นอยู่กับการสังเกตการณ์ของมนุษย์ ตารางธาตุที่เหมาะสมนั้นจะต้องอธิบายได้ว่าไฮโดรเจนและฮีเลียมควรจะอยู่ที่ไหน และธาตุหมู่ 3 จะมีอะไรบ้าง คำตอบดังกล่าวจะต้องอยู่บนพื้นฐานของความจริงด้วยเช่นกัน ถ้ามีความจริงนั้นอยู่แล้ว มันอาจจะยังไม่ถูกค้นพบ ในกรณีที่ไม่มีคำตอบ การนำตารางธาตุหลายรูปแบบมารวมกัน ก็สามารถทำให้ตารางธาตุสมบูรณ์แบบขึ้นได้ และมีการเน้นแง่มุมที่แตกต่างกันของสมบัติทางเคมีและความสัมพันธ์ระหว่างธาตุ ความแพร่หลายของตารางธาตุในรูปแบบมาตรฐาน หรือรูปแบบยาว อาจจะเป็นตารางธาตุที่ดีแล้ว มีความสมดุลของเอกลักษณ์ในแง่ของโครงสร้างและขนาด การเรียงธาตุตามสมบัติของอะตอมและแนวโน้มพีรีออดิก[60][141]