ธาตุกลุ่มเอฟ แลนทาไนด์และแอกทิไนด์

1. โครงสรางอะตอมและสมบัติทั่วไป 1
บทที่
โครงสร้างอะตอมและสมบัติทั่วไป
ในตารางธาตุ ที่ ใช กั น อยู ในป จ จุ บั น จะมี ธ าตุ อ ยู 2
กลุมที่เรียงเปน 2 แถวอยูทางดานลางของตารางธาตุ แตละ
แถวจะมีสมาชิกอยู 14 ธาตุ กลุมแรก (หรือแถวแรก) เรียกวา
กลุ ม แลนทาไนด หรื อ อนุ ก รมแลนทาไนด (lanthanides
หรื อ lanthanide series) กลุ ม ที่ 2 เรี ย กว า กลุ ม แอกทิ ไ นด
หรือ อนุกรมแอกทิไนด (actinides หรือ actinide series) ทั้ง 2
กลุมนี้รวมกันเรียกวาเปน กลุมเอฟ (f-block) เนื่องจากเปน
ชวงที่ มี ก ารเติ ม อิ เล็ก ตรอนเขาไปในออรบิ ทั ล f (4f สําหรับ
กลุมแลนทาไนดและ 5f สําหรับกลุมแอกทิ ไนด) ความจริง
ธาตุทั้ง 2 กลุมนี้ก็ถูกจัดใหเปนธาตุแทรนซิชันเชนกัน แตที่
ผ า นมาเนื่ อ งจากเราจะคุ น เคยกั บ ธาตุ แ ทรนซิ ชั น กลุ ม ดี
(d-block) มากกวา ดังนั้น เพื่อปองกันความสับสน เวลากลาว
ถึงธาตุแทรนซิชัน จึงมักระบุใหชัดลงไปวาเปนพวกกลุมดีหรือ
กลุมเอฟ
ในการอางถึงธาตุเหลานี้ในหนังสือนี้ ถาเปนการ
อางถึงแบบเจาะจงไปที่ธาตุตัวใดตัวหนึ่งก็จะใชสัญลักษณ
ของธาตุนั้น เชน Ce, Sm, Th, U เปนตน แตถาอางถึงแบบ
รวมทั้งกลุมจะใชสัญลักษณ Ln สําหรับธาตุทั้งกลุมแลนทา-
ไนดและ An สําหรับธาตุทั้งกลุมแอกทิไนด

2. 2 ธาตุกลุมเอฟ : แลนทาไนดและแอกทิไนด
H H He
Li Be B C N O F Ne
Na Mg Al Si P S Cl Ar
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
Fr Ra Ac Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Uub Uut Uuq Uup Unh
กลุมแลนทาไนด Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
กลุมแอกทิไนด Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
ถายึดวาธาตุแลนทาไนดคือธาตุที่มีการเติมอิเล็กตรอนเขาไปในออรบิทัล f ธาตุ La
(ธาตุแลนทานัม, lanthanum) ซึ่งมีเลขอะตอม 57 ก็จะไมถูกนับเขาในกลุมนี้ แตเนื่องจากธาตุ
La เปนธาตุเริ่มตนที่ทําใหเกิดกลุมแลนทาไนดตามมาและมีสมบัติคลายกันจึงมักรวมธาตุ La
ไวกับกลุมนี้ดวย และเชนเดียวกันสําหรับธาตุ Ac (ธาตุแอกทิเนียม, actinium) ซึ่งมีเลขอะตอม
89 ธาตุ La และ Ac นั้ น ต า งก็ เป น สมาชิ ก ของกลุ ม III B ร วมกั บ ธาตุ Sc (ธาตุ ส แกนเดี ย ม,
scandium) และ Y (ธาตุอิตเทรียม, yttrium) ดังนั้น จึงอาจกลาวเปนแนวทางกวางๆ ไดวาธาตุ
Sc, Y, La, Ac และธาตุในกลุมแลนทาไนดกับกลุมแอกทิไนดจะมีสมบัติทางเคมีคลายคลึงกัน
ดวยเหตุน้ีเมื่อศึกษาเกี่ยวกับธาตุในกลุมแลนทาไนดและแอกทิไนดจึงมักมิไดจํากัดอยูเพียง
ธาตุ 28 ธาตุใน 2 แถวดังกลาวเทานั้น แตจะรวมไปถึงธาตุ Sc, Y, La, Ac ดวยเสมอ ตอเมื่อ
ศึ ก ษาละเอี ย ดลงไปจึงจะจําแนกตอ ไปได วาธาตุ Sc, Y, La และกลุม แลนทาไนด จะมี ค วาม
คลายคลึงกันและจะมีความแตกตางพอสมควรจากกลุมแอกทิไนด ในตนคริสตศตวรรษที่ 19
มีการใชคําวา แรรเอิรท (Rare Earth) เรียกรวมธาตุหลายธาตุที่มีสมบัติคลายกันและมักพบ
เกิดขึ้นรวมกันในธรรมชาติ ไดแก Y, La และกลุมแลนทาไนด และภายหลังไดรวม Sc ดวย ชื่อ
แรรเอิรทนี้ยังคงมีใชอยูในปจจุบัน

แมวาธาตุแลนทาไนดรวมทั้งธาตุในชวงตนของแอกทิไนดจะเปนที่รูจักกันมานาน แต
ความเจริ ญ ก า วหน า ทางวิ ท ยาการของธาตุ ก ลุ ม เอฟเพิ่ ง เกิ ด ขึ้ น อย า งก า วกระโดดในช ว ง
สงครามโลกครั้ ง ที่ 2 ซึ่ งเป น ผลมาจากโครงการวิจั ย ขนาดใหญ ช่ื อ โครงการแมนฮั ต ตั น

3. โครงสรางอะตอมและสมบัติทั่วไป 3
(Manhatton Project) โครงการวิจัยนี้เปนโครงการลับขั้นสูงสุดของสหรัฐอเมริกา กอตั้งใน ค.ศ.
1942 (แตไดมี การเริ่ม งานมากอ นหนานี้ อยางนอย 2-3 ป) วัตถุประสงคของโครงการนี้เพื่ อ
สรางระเบิดปรมาณู ซึ่งตองมีการวิจัยในทุ กดานรวมทั้งทางดานเคมีเพื่อแยกธาตุยูเรเนียม
ในการศึกษาวิจัยเหลานี้เกี่ยวโยงมาถึงธาตุแลนทาไนดดวย อาจกลาวไดวาความรูเกี่ยวกับธาตุ
กลุมเอฟ ในปจจุบันสวนใหญเปนผลมาจากโครงการนี้ ที่กลาววาเปนโครงการขนาดใหญนั้น
เนื่ องจากมีบุ คลากรไม น อยกวา 1 แสนคนที่ เกี่ยวของและในจํานวนนี้ เปน นั กวิท ยาศาสตร
ชั้นนําที่ไดรับรางวัลโนเบลหลายคน มีมหาวิทยาลัยเกี่ยวของ 13 แหงและหนวยงานตางๆ อีก
มากมาย รวมทั้งไดมีการกอตั้งสถานวิจัยแหงชาติลอส อลามอส (Los Alamos National Laboratory)
ที่รัฐนิวเม็กซิโกดวย
1.1 ชื่อและที่มาของชื่อ
ขอมูลทั่วไปของธาตุ 2 กลุมนี้แสดงในตาราง 1.1 ชื่อที่เขียนเปนภาษาไทยเปนชื่อที่
บัญญัติโดยราชบัณฑิตยสถาน และใชกันอยางเปนทางการในวงราชการและวิชาการ
ตารางที่ 1.1 ขอมูลทั่วไปของธาตุกลุมแลนทาไนดกับแอกทิไนดและธาตุอ่ืนที่มีสมบัติทางเคมี
คลายกัน
ค.ศ.
เลขอะตอม สัญลักษณ ชื่อธาตุ ผูคนพบ
ที่พบ
21 Sc Scandium สแกนเดียม L.F. Nilson 1879
39 Y Yttrium อิตเทรียม C.G. Mosander 1843
57 La Lanthanum แลนทานัม C.G. Mosander 1839
58 Ce Cerium ซีเรียม C.G. Mosander 1839
59 Pr Praseodymium เพรซีโอดิเมียม C.A. von 1885
Welsbach
60 Nd Neodymium นีโอดิเมียม C.A. von 1885
Welsbach
61 Pm Promethium โพรมีเทียม J.A. Marinsky, 1947
I.E. Glendenin,
C.D. Coryell

4. 4 ธาตุกลุมเอฟ : แลนทาไนดและแอกทิไนด
ตารางที่ 1.1 (ตอ)
ค.ศ.
เลขอะตอม สัญลักษณ ชื่อธาตุ ผูคนพบ
ที่พบ
62 Sm Samarium ซาแมเรียม L. de Boisbaudran 1879
63 Eu Europium ยูโรเพียม E.A. Demarcay 1901
64 Gd Gadolinium แกโดลิเนียม J.C.G. de 1880
Marignac
65 Tb Terbium เทอรเบียม C.G. Mosander 1843
66 Dy Dysprosium ดีสโพรเซียม L. de Boisbaudran 1886
67 Ho Holmium โฮลเมียม P.T. Cleve 1879
68 Er Erbium เออรเบียม C.G. Mosander 1843
69 Tm Thulium ทูเลียม P.T. Cleve 1879
70 Yb Ytterbium อิตเทอรเบียม C.G. Mosander 1843
71 Lu Lutetium ลูทเชียม
ี G. Urbain, 1907
C.A. von
Welsbach,
C. James
89 Ac Actinium แอกทิเนียม A. Debierne 1899
90 Th Thorium ทอเรียม J.J. Berzelius 1828
91 Pa Protoactinium โพรโทแอกทิเนียม (ไอโซโทป 234) 1913
(Protactinium ) (โพรแทกทิเนียม) K. Fajans,
O. Gohring
(ไอโซโทป 231) 1916
O. Hahn,
L. Meitner,
F. Soddy,
J.A. Cranston
92 U Uranium ยูเรเนียม M.H. Klaproth 1789

5. โครงสรางอะตอมและสมบัติทั่วไป 5
ตารางที่ 1.1 (ตอ)
ค.ศ.
เลขอะตอม สัญลักษณ ชื่อธาตุ ผูคนพบ
ที่พบ
93 Np Neptunium เนปทูเนียม (ไอโซโทป 239) 1940
E.M. McMillan,
P.H. Abelson
94 Pu Plutonium พลูโทเนียม G.T. Seaborg, 1940
E.M. McMillan,
J.W. Kennedy
A. Wahl
95 Am Americium อะเมริเซียม G.T. Seaborg, 1944
R.A. James,
I.O. Morgan,
A. Ghiorso
96 Cm Curium คูเรียม G.T. Seaborg, 1944
R.A. James,
A. Ghiorso
97 Bk Berkelium เบอรคีเลียม S.G. Thompson, 1949
A. Ghiorso,
G.T. Seaborg
98 Cf Californium แคลิฟอรเนียม S.G. Thompson, 1950
K. Street
A. Ghiorso,
G.T. Seaborg
99 Es Einsteinium ไอนสไตเนียม ผลงานรวมของ 1952
นักวิจัยที่ Berkeley,
Los Alamos และ
Argonne
100 Fm Fermium เฟอรเมียม ผลงานรวมของ นัก 1952
วิจัยที่ Berkeley,
Los Alamos และ
Argonne

6. 6 ธาตุกลุมเอฟ : แลนทาไนดและแอกทิไนด
ตารางที่ 1.1 (ตอ)
ค.ศ.
เลขอะตอม สัญลักษณ ชื่อธาตุ ผูคนพบ
ที่พบ
101 Md Mendelevium เมนเดเลเวียม A. Ghiorso, 1955
B.H. Harvey,
G.R. Choppin,
S.G. Thompson,
G.T. Seaborg
102 No Nobelium โนเบเลียม A. Ghiorso, 1958
T. Sikkeland,
J.R. Walton,
G.T. Seaborg
103 Lr Lawrencium ลอวเรนเซียม A. Ghiorso, T. 1961
Sikkeland,
A.E. Larsch,
R.M. Latimer
ชื่อของธาตุเหลานี้บางก็มีรากศัพทมาจากภาษากรีก บางก็มาจากชื่อเมืองหรือสถานที่/
ประเทศที่เกี่ยวของ รวมทั้งชื่อนักวิทยาศาสตรที่โดดเดน ดังแสดงในตารางที่ 1.2
ตารางที่ 1.2 ที่มาของชื่อธาตุกลุมแลนทาไนดและแอกทิไนด
ชื่อธาตุ ที่มาของชื่อ
กลุมแลนทาไนด
lanthanum จากคําวา lanthanein ในภาษากรีก แปลวา แฝงอยู, ซอนอยู, พบไดยาก
(to lie hidden; to escape notice)
cerium จากชื่อดาวเคราะหนอย Ceres ซึ่งถูกคนพบในเวลานั้น
praseodymium จากคํา 2 คําในภาษากรีก คือ prasios ซึ่งแปลวา สีเขียว และ didymos ซึ่ง
แปลวา ฝาแฝด, คูแฝด รวมกันจึงแปลวา คูแฝดสีเขียว (green twin)
neodymium จากคํา 2 คําในภาษากรีก คือ neos ซึ่งแปลวา ใหม และ didymos ซึ่งแปล
วา ฝาแฝด, คูแฝด รวมกันจึงแปลวา คูแฝดใหม (new twin)
promethium จากชื่อ Prometheus ในเทพนิยาย เปนผูขโมยไฟจากสวรรคมาสูโลกมนุษย

7. โครงสรางอะตอมและสมบัติทั่วไป 7
ตารางที่ 1.2 (ตอ)
ชื่อธาตุ ที่มาของชื่อ
samarium จากชื่อแรซามารสไกต (samarskite) ซึ่งมาจากชื่อของ Colonel M. Samarski
ชาวรัสเซียผูเชี่ยวชาญทางดานเหมืองแร
europium จากชื่อทวีป Europe
gadolinium จากชื่อ Johan Gadolin
ytterbium, yttrium, จากชื่อเมือง Ytterby (เมืองที่พบแรที่ทําใหเกิดการคนพบธาตุแลนทาไนด
terbium, erbium ซึ่งมีกลาวถึงในบทที่ 2) ชื่อเมืองนี้นํามาตั้งชื่อธาตุไดถึง 4 ธาตุโดยการใช
ชื่อเต็มและการตัดคําในสวนตางๆ ของชื่อ
dysprosium จากคําวา dysprositos ในภาษากรีก แปลวา เขาถึงยาก (difficult to access)
holmium จากชื่อเมือง Stockholm
thulium จากชื่อ Thule ซึ่งเปนชื่อเกาของ Scandinavia, ดินแดนที่อยูเหนือสุด
lutetium จากชื่อ Lutetia ซึ่งเปนชื่อเกาของปารีส
scandium จากชื่อกลุมประเทศ Scandinavia
กลุมแอกทิไนด
actinium จากคําวา aktinos ในภาษากรีก แปลวา ลําแสง (beam, ray)
thorium จากชื่อ Thor ซึ่งเปนเทพแหงสงครามของชาวสแกนดิเนเวีย
protactinium จากคําวา protos ในภาษากรีก แปลวา แรก, กอน (first)
americium จากชื่อประเทศสหรัฐอเมริกา
curium จากชื่อ Marie Curie (ผูคนพบธาตุ Po และ Ra)
berkelium จากชื่ อเมื อง Berkeley ในรั ฐ California ที่ ตั้ งของวิ ท ยาเขตหนึ่ งของมหา-
วิทยาลัยแคลิฟอรเนีย ซึ่งมีการคนควาวิจัยทางนิวเคลียรฟสิกสและคนพบ
ธาตุใหมในกลุมนี้หลายธาตุ
californium จากชื่อรัฐ California
einsteinium จากชื่อ Albert Einstein ผูคิดทฤษฎีสัมพัทธภาพและสมการ E= mc2
fermium จากชื่อ Enrico Fermi นักวิทยาศาสตรทางดานนิวเคลียรฟสิกสชาวอิตาลี
ภายหลังยายมาอยูที่สหรัฐอเมริกา เปนผูสรางเตาปฏิกรณปรมาณูเครื่อง
แรกของโลกและนําไปสูการสรางระเบิดปรมาณูที่ใชในสงครามโลกครั้งที่ 2
mendelevium จากชื่อ Dmitri Mendeleev (ผูคิดตารางธาตุ)
lawrencium จากชื่อ Ernest O. Lawrence นักฟสิกสที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอรเนีย (Berkeley)
ผู ส ร างเครื่อ งไซโคลทรอน (cyclotron) ซึ่ งเป น เครื่อ งมื อ ที่ สํ า คั ญ ช วยให
คนพบธาตุใหมๆ หลายธาตุ

8. 8 ธาตุกลุมเอฟ : แลนทาไนดและแอกทิไนด
1.2 ออรบิทัล f
ออร บิ ทั ล f ปรากฏครั้ งแรกในชั้ น พลั ง งาน n = 4 โดยมี ค า l = 3 ทํ า ให เกิ ด ชั้ น ย อ ย
(subshell) 4f ซึ่ ง ประกอบด ว ย 7 ออร บิ ทั ล กํ า กั บ ด ว ยค า ml = +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3 และใน
ทํานองเดียวกันเมื่อ n = 5 ก็จะมีช้ันยอย 5f ซึ่งประกอบไปดวย 7 ออรบิทัลเชนกัน ธาตุในกลุม
แลนทาไนด แ ละแอกทิ ไ นด มี ก ารเติ ม อิ เล็ ก ตรอนลงในออร บิ ทั ล 4f และ 5f ตามลํ า ดั บ f
ออรบิทัลทั้ง 7 ออรบิทัลมีพลังงานเทากัน โดยทั่วไปจะใชสัญญลักษณ nlm แทนฟงกชันคลื่น
ของแตละออรบิทัล ฟงกชันคลื่นแสดงในรูปของนิพจนทางคณิตศาสตรโดยใชตัวแปรเปน r, ,
 (แทนการใช x, y, z) ปกติ ฟ งก ชัน คลื่น จะซั บ ซอ นมาก ดั งนั้ น จึงนิ ย มแยกเป น 2 สวน คื อ
ส วนที่ แ ปรด วยค า r (ระยะห า งจากนิ วเคลี ย ส) อย า งเดี ย ว เรีย กวา ฟ งก ชั น คลื่ น เชิ ง รัศ มี
(Radial wave function, R nl (r)) และอีกสวนซึ่งจะแปรตามคามุม ,  เรียกวา ฟงกชันคลื่น
เชิงมุม (Angular wave function, Ylm (, ) ) ซึ่งอาจเขียนไดดังนี้

nlm = R nl (r) . Ylm (, )
สวนที่เปน R nl (r) เปนสวนที่กําหนดขนาดใหญเล็กของออรบิทัล สวนที่เปน Ylm (, )
จะเปนสวนที่กําหนดรูปรางของออรบิทัล สําหรับออรบิทัล 4f และ 5f นั้น มีรูปรางเหมือนกัน
ดังนั้น จะมีสวนที่เปน Ylm (, ) เหมือนกัน แต 4f จะมีขนาดเล็กกวา 5f ซึ่งความตางตรงนี้มา
จาก R nl (r) นั่นเอง การแสดง Ylm (, ) ของออรบิทัล f อาจแสดงได 2 แบบ เรียกวา ชุดทั่ว
ไป (General set) และ ชุดคิวบิก (Cubic set) ทั้ง 2 แบบมีพลังงานเทากัน ใชแทนกันได การจะ
ใชแบบใดขึ้นอยูกับลักษณะของปญหาแตละกรณี ฟงกชันคลื่นของ 2 ชุดมี 4 ฟงกชันที่ตางกัน
สวนอีก 3 ฟงกชันจะเหมือนกัน (ฟงกชันคลื่นที่ชื่อ fx3, fy3, fy (z2-x2) fx (z2-y2) ในชุดคิวบิกไดจากการ
นําฟงกชันคลื่นชื่อ fxz2, fyz2, fy (3x2-y2) fx (x2-3y2) ของชุดทั่วไปมารวมกันแบบผลรวมเชิงเสน (linear
combination) นิพจนของฟงกชันคลื่นเชิงมุมในชุดทั่วไปและชุดคิวบิกรวมทั้งรูปรางแสดงในตา
รางที่ 1.3 และ 1.4 และรูปที่ 1.1 ตามลําดับ

9. โครงสรางอะตอมและสมบัติทั่วไป 9
ตารางที่ 1.3 ฟงกชันคลื่นเชิงมุมของชุดทั่วไป
ออรบิทัล ฟงกชัน
.5 cos   3 cos 
fz 3 1 7 3

4 
. sin .5 cos   1. cos 
fxz2 1 42  2

8  
. sin .5 cos   1. sin 
fyz2 1 42  2

8  
fz (x2-y2) 1 105  2
 . sin . cos . cos 2
4  
fxyz 1 105  2
 . sin . cos . sin 2
4  
fx (x2-3y2) 1 70  3
 . sin . cos 3
8  
fy (3x2-y2) 1 70  3
 . sin . sin 3
8  
ตารางที่ 1.4 ฟงกชันคลื่นเชิงมุมของชุดคิวบิก
ออรบิทัล ฟงกชัน
.5 cos   3 cos 
fz 3 1 7 3

4 
. sin . sin .5 cos . cos   3 
f x3 1 7 2 2

4  
. sin . sin .5 cos . sin   3
f y3 1 7 2 2

4 
fxyz 1 105  2
 . sin . cos . sin 2
4  
fz (x2-y2) 1 105  2
 . sin . cos . cos 2
4  
. sin . cos .cos   sin . sin 
fx (z2-y2) 1 105  2 2 2

4  
. sin . sin .cos   sin . cos 
fy (z2-x2) 1 105  2 2 2

4  

10. 10 ธาตุกลุมเอฟ : แลนทาไนดและแอกทิไนด
รูปที่ 1.1 แสดงรูปรางของฟงกชันคลื่นเชิงมุมของออรบิทัล f ของชุดทั่วไปและชุดคิวบิก
[ดัดแปลงจาก Huheey, 1978]
จากลักษณะและเครื่องหมายของฟงกชันคลื่นของ 4f ออรบิทัล (และ 5f ดวย) ในรูปที่
1.2 จะเห็นวาในสวนของฟงกชันคลื่นเชิงมุมนี้มี 3 โหนด (node)1 (ในออรบิทัล d, p, s จะมี 2, 1, 0
โหนด ตามลํ า ดั บ ) และตํ าแหน งของเครื่ อ งหมาย +/- ที่ อ ยู ป ระจํ า แต ล ะโหลบ (lobe) นั้ น
1
ในฟงกชันคลื่นรวม (nlm) จะมีจํานวนโหนด = n-1 โดยแยกอยูในฟงกชันคลื่นเชิงรัศมีจํานวน =
n-l-1 โหนดและอยูในฟงกชันคลื่นเชิงมุมจํานวน = l โหนด