ตารางธาตุ

ตารางธาตุ (อังกฤษ: Periodic table) คือ ตารางที่ใช้แสดงรายชื่อธาตุเคมี ซึ่งจัดเรียงบนพื้นฐานของเลขอะตอม (จำนวนโปรตอนในนิวเคลียส) การจัดเรียงอิเล็กตรอน และสมบัติทางเคมี โดยจะเรียงตามเลขอะตอมที่เพิ่มขึ้น ซึ่งจะระบุไว้ในร่วมกับสัญลักษณ์ธาตุเคมี ในกล่องของธาตุนั้น ตารางธาตุมาตรฐานจะมี 18 หมู่และ 7 คาบ และมีคาบพิเศษเพิ่มเติมมาอยู่ด้านล่างของตารางธาตุ ตารางยังสามารถเปลี่ยนเป็นการจัดเรียงตามบล็อก โดย บล็อก-s จะอยู่ซ้ายมือ บล็อก-p จะอยู่ขวามือ บล็อก-d จะอยู่ตรงกลางและบล็อก-f อยู่ที่ด้านล่าง

แถวแนวนอนในตารางธาตุจะเรียกว่า คาบ และแถวในแนวตั้งเรียกว่า หมู่ โดยหมู่บางหมู่จะมีชื่อเฉพาะ เช่นแฮโลเจน หรือแก๊สมีตระกูล โดยคำนิยามของตารางธาตุ ตารางธาตุยังมีแนวโน้มของสมบัติของธาตุ เนื่องจากเราสามารถใช้ตารางธาตุบอกความสัมพันธ์ระหว่างสมบัติของธาตุแต่ละตัว และใช้ทำนายสมบัติของธาตุใหม่ ธาตุที่ยังไม่ถูกค้นพบ หรือธาตุที่สังเคราะห์ขึ้น และด้วยความพิเศษของตารางธาตุ ทำให้มันถูกใช้อย่างกว้างขวางในการศึกษาวิชาเคมีหรือวิทยาศาสตร์สาขาอื่น ๆ

ดมีตรี เมนเดเลเยฟ รู้จักกันในฐานะผู้ที่ตีพิมพ์ตารางธาตุในลักษณะแบบนี้เป็นคนแรก ใน พ.ศ. 2412 เขาจัดตารางธาตุโดยเรียงตามสมบัติทางเคมีของธาตุ และเมนเดเลเยฟยังสามารถทำนายธาตุที่ยังไม่ค้นพบ โดยเขาเชื่อว่ามันจะเติมเต็มช่องว่างในตารางธาตุของเขาได้ การทำนายของเขาส่วนใหญ่ค่อนข้างใกล้เคียงกับสมบัติจริงของธาตุ ตารางธาตุของเขาก็ขยายเพิ่มขึ้นด้วยการค้นพบธาตุใหม่เรื่อย ๆ และก็มีการพัฒนาแบบจำลองทางทฤษฎีที่ใช้อธิบายพฤติกรรมของธาตุเคมีใหม่ ๆ เหล่านั้น

ธาตุทุกตัวนับตั้งแต่มีเลขอะตอมเท่ากับ 1 (ไฮโดรเจน) จนถึง 118 (อูนอูนออกเทียม) ถูกค้นพบหรือมีการสังเคราะห์ขึ้นมาได้แล้ว และธาตุที่ 113 115 117 และ 118 ยังไม่ได้รับการยืนยัน ธาตุ 98 ตัวแรกพบได้ในธรรมชาติถึงแม้ว่าบางตัวจะมีปริมาณน้อย และถูกสังเคราะห์ขึ้นก่อนที่จะพบในธรรมชาติก็ตาม ส่วนธาตุที่มีเลขอะตอมเท่ากับ 99 ถึง 118 ถูกสังเคราะห์ขึ้นทั้งสิ้นหรือมีการคาดว่าจะถูกสังเคราะห์ ในห้องปฏิบัติการทางวิทยาศาสตร์ พบว่าไอน์สไตเนียมและเฟอร์เมียม สามารถพบในธรรมชาติได้ในเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ธรรมชาติ ที่เมืองโอโคล ประเทศกาบอง แต่ปัจจุบันยังไม่มีการทำเช่นนั้น การผลิตธาตุที่มีเลขอะตอมสูงกว่านี้กำลังมีการผลิตอย่างรวดเร็วกับคำถามที่ว่าตารางธาตุจะต้องมีการปรับเปลี่ยนรูปแบบเพื่อนรองรับธาตุใหม่ ๆ เหล่านี้หรือไม่

ตารางธาตุทุกรูปแบบจะประกอบไปด้วยธาตุเคมีเท่านั้น ไม่มีสารผสม สารประกอบ หรืออนุภาคมูลฐาน[n 1] อยู่ในตารางธาตุด้วย ธาตุเคมีแต่ละตัวจะประกอบไปด้วยเลขอะตอม ซึ่งจะบ่งบอกจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสของธาตุนั้น ๆ ธาตุส่วนใหญ่จะมีจำนวนนิวตรอนแตกต่างกัน ท่ามกลางอะตอมที่แตกต่างกัน ซึ่งจะอยู่ในรูปของไอโซโทป เช่น คาร์บอน มีไอโซโทปที่ปรากฏในธรรมชาติ 3 ไอโซโทป โดยไอโซโทปของคาร์บอนส่วนใหญ่ที่ปรากฏในธรรมชาติจะประกอบไปด้วยโปรตอน 6 ตัวและนิวตรอน 6 ตัว แต่มีเพียง 1 เปอร์เซ็นต์ที่จะมีนิวตรอน 7 ตัว และมีโอกาสนิดเดียวที่จะพบคาร์บอนที่มีนิวตรอน 8 ตัว ไอโซโทปแต่ละไอโซโทปจะไม่ถูกแยกออกจากกันในตารางธาตุ พวกมันถูกจัดให้เป็นธาตุเดียวกันไปเลย ธาตุที่ไม่มีไอโซโทปที่เสถียรจะสามารถหามวลอะตอมได้จากไอโซโทปที่เสถียรที่สุดของมัน โดยมวลอะตอมที่เสถียรที่สุดดังกล่าวจะแสดงในวงเล็บ

ในตารางธาตุมาตรฐาน ธาตุจะถูกเรียงตามเลขอะตอม (จำนวนโปรตอนในนิวเคลียสของอะตอม) ที่เพิ่มขึ้น คาบใหม่จะมีได้ก็ต่อเมื่อวงอิเล็กตรอนใหม่มีอิเล็กตรอนอยู่ในวงอย่างน้อยหนึ่งตัว หมู่จะกำหนดตามการจัดเรียงอิเล็กตรอนของอะตอม ธาตุที่มีจำนวนอิเล็กตรอนเดียวกันในวงอิเล็กตรอนชั้นนอกสุดจะถูกจัดให้อยู่ในหมู่เดียวกัน (เช่น ออกซิเจน กับซีลีเนียม อยู่ในหมู่เดียวกันเพราะว่าพวกมันมีอิเล็กตรอน 4 ตัวในวงอิเล็กตรอนชั้นนอกสุดเหมือนกัน) โดยทั่วไป ธาตุที่สมบัติทางเคมีคล้ายกันจะถูกจัดในหมู่เดียวกัน ถึงแม้จะเป็นในบล็อก-f ก็ตาม และธาตุบางตัวในบล็อก-d มีธาตุที่มีสมบัติเหมือนกันในคาบเดียวกันเช่นกัน ดังนั้นจึงเป็นเรื่องง่ายที่จะทำนายสมบัติทางเคมีของธาตุเหล่านั้น ถ้ารู้ว่าธาตุรอบ ๆ นั้นมีคุณสมบัติอย่างไร

จนถึง พ.ศ. 2557 ตารางธาตุมีธาตุที่ได้รับการยืนยันแล้ว 114 ตัว ตั้งแต่ธาตุที่ 1 (ไฮโดรเจน) ถึงธาตุที่ 112 (โคเปอร์นิเซียม) และธาตุที่ 114 (ฟลีโรเวียม) กับธาตุที่ 116 (ลิเวอร์มอเรียม) ส่วนธาตุที่ 113 115 117 และ 118 ถึงแม้จะมีการสังเคราะห์เป็นจำนวนมากแล้ว แต่ก็ยังไม่มีธาตุใดที่ได้รับการยืนยันจากสหภาพเคมีบริสุทธิ์และเคมีประยุกต์ระหว่างประเทศ (ไอยูแพก) หรือมีการตั้งชื่อแต่อย่างใด ปัจจุบันธาตุเหล่านี้ถูกเรียกชื่อจากเลขอะตอมของมัน (เช่น "ธาตุที่ 113") หรือชื่อชั่วคราวตามระบบการตั้งชื่อธาตุเคมี (เช่น ธาตุที่ 113 มีชื่อตามระบบการตั้งชื่อว่า "อูนอูนเทรียม" มีสัญลักษณ์ว่า "Uut")

ธาตุทั้งหมด 98 พบได้ในธรรมชาติ อีก 16 ธาตุที่เหลือ นับตั้งแต่ ธาตุที่ 99 (ไอน์สไตเนียม) จนถึงธาตุที่ 112 (โคเปอร์นิเซียม) และธาตุที่ 114 (ฟลีโรเวียม) กับธาตุที่ 116 (ลิเวอร์มอเรียม) ถูกสังเคราะห์ขึ้นในห้องปฏิบัติการทางวิทยาศาสตร์เท่านั้น ในบรรดาธาตุ 98 ตัวที่พบในธรรมชาตินี้ มีธาตุ 84 ตัวที่เป็นธาตุดึกดำบรรพ์ และที่เหลืออีก 14 ธาตุปรากฏในโซ่ของการสลายตัวของธาตุดึกดำบรรพ์เหล่านั้น ยังไม่มีใครพบธาตุที่หนักกว่าไอน์สไตเนียม (ธาตุที่ 99) ในรูปธาตุบริสุทธิ์ ในปริมาณที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่าเลย

ในการนำเสนอตารางธาตุผ่านทางกราฟิกนั้น ตารางธาตุหลักจะมี 18 หมู่ และมีหมู่แลนทาไนด์และแอกทิไนด์แยกออกมาอยู่ด้านล่างของตารางธาตุหลัก ซึ่งจะเป็นช่องว่างในตารางธาตุระหว่างแบเรียม กับแฮฟเนียม และระหว่างเรเดียม กับรัทเทอร์ฟอร์เดียม ตามลำดับ โดยธาตุเหล่านี้จะมีเลขอะตอมระหว่าง "51 – 71" และตารางธาตุอีกลักษณะหนึ่ง คือตารางธาตุ 32 หมู่ ซึ่งจะนำหมู่แลนทาไนด์และแอกทิไนด์เข้ามาอยู่ในตารางธาตุหลักด้วย โดยจะอยู่ในคาบที่ 6 กับคาบที่ 7

ถึงอย่างนั้น มีการสร้างตารางธาตุรูปแบบอื่น ๆ ขึ้นมา โดยยึดพื้นฐานของสมบัติทางกายภาพและสมบัติทางเคมีของธาตุด้วย

หมู่ เป็นแถวแนวตั้งในตารางธาตุ หมู่ยังถูกใช้เพื่อตรวจสอบแนวโน้มของธาตุ ซึ่งเห็นชัดได้กว่าคาบหรือบล็อก ทฤษฎีควอนตัมของอะตอมได้อธิบายว่าธาตุในหมู่เดียวกันมีสมบัติทางเคมีเหมือนกัน เนื่องจากมีการจัดเรียงอิเล็กตรอนที่เหมือนกันในวงวาเลนซ์ของมัน ดังนั้นธาตุในหมู่เดียวกันมักจะมีสมบัติทางเคมีที่ชัดเจนขึ้นเมื่อเลขอะตอมมากขึ้น ถึงอย่างนั้น บางส่วนของตารางธาตุก็ไม่ได้เป็นไปตามนี้ เช่นธาตุในบล็อก-d หรือบล็อก-f

ภายใต้การตั้งชื่ออย่างเป็นทางการหมู่ที่มีเลข 1 ถึง 18 จากฝั่งซ้ายสุด (โลหะแอลคาไล) มายังฝั่งขวาสุด (แก๊สมีตระกูล) ก่อนหน้านั้นพวกมันรู้จักในรูปแบบของเลขโรมัน ในสหรัฐอเมริกา เลขโรมันเหล่านี้ตามด้วยอักษร "A" เมื่อหมู่นั้นอยู่ในบล็อก-s หรือ p และตามด้วยอักษร "B" เมื่อหมู่นั้นอยู่ในบล็อก-d เลขโรมันใช้เพื่อต่อท้ายเลขตัวสุดท้ายที่บอกหมู่ (เช่น ธาตุหมู่ 4 เป็น IVB และธาตุหมู่ 14 เป็น IVA) ในยุโรป การแบ่งในลักษณะนี้มีขึ้นเหมือนกัน ยกเว้นหมู่ที่ใช้อักษร "A" จะใช้เมื่อเป็นหมู่ที่ 10 ลงมา และ "B" จะใช้เมื่อเป็นหมู่ที่ 10 และหมู่ที่ 10 ขึ้นไป นอกจากนี้หมู่ที่ 8 9 และ 10 เป็นหมู่ที่มีขนาดใหญ่กว่าหมู่อื่น ๆ 3 เท่า โดยทั้งหมดมีชื่อหมู่ว่า VIII แต่ใน พ.ศ. 2531 ระบบการตั้งชื่อใหม่ของไอยูแพกก็เกิดขึ้นและการตั้งชื่อหมู่แบบเก่าก็ถูกยกเลิกไป

ธาตุในหมู่เดียวกันจะมีความคล้ายคลึงกันในรัศมีอะตอม พลังงานไอออไนเซชัน และอิเล็กโทรเนกาติวิตี จากธาตุบนสุดของหมู่ลงมาถึงธาตุล่างสุดของหมู่ รัศมีอะตอมจะเพิ่มขึ้นเนื่องจากมีระดับพลังงานและวาเลนซ์อิเล็กตรอนที่เพิ่มขึ้น โดยมันจะอยู่ห่างจากนิวเคลียสเพิ่มขึ้นด้วยเช่นกัน พลังงานไอออไนเซชัน ธาตุในหมู่เดียวกันจะมีพลังงานไอออไนเซชันที่คล้ายกัน แต่ธาตุในคาบเดียวกันจากซ้ายไปขวาจะมีพลังงานไอออไนเซชันเพิ่มขึ้น เนื่องจากมันง่ายที่จะดึงอิเล็กตรอนออกไป เนื่องจากอะตอมไม่มีพันธะระหว่างอิเล็กตรอนที่แน่นหนา เช่นเดียวกันอิเล็กโทรเนกาติวิตีจะเพิ่มขึ้นจากบนลงล่าง เนื่องจากธาตุที่อยู่ล่างกว่ามีระยะห่างระหว่างนิวเคลียสกับวาเลนซ์อิเล็กตรอนมากกว่าธาตุที่อยู่ด้านบน แต่ก็ยังมีข้อยกเว้น เช่น ในหมู่ 11 สัมพรรคภาพอิเล็กตรอนจะมีการเพิ่มขึ้นจากล่างขึ้นบน

คาบ เป็นแถวในแนวนอนของตารางธาตุ ถึงแม้ว่าหมู่จะบอกแนวโน้มของธาตุเคมีที่สำคัญ แต่ก็ยังมีบางที่ที่แนวโน้มตามคาบจะสำคัญกว่า เช่น บล็อก-f ที่ซึ่งแลนทาไนด์และแอกทิไนด์มีสมบัติทางเคมีเพิ่มขึ้นจากซ้ายไปขวา

ธาตุในคาบเดียวกันจะมีความคล้ายคลึงกันในรัศมีอะตอม พลังงานไอออไนเซชัน สัมพรรคภาพอิเล็กตรอน และอิเล็กโทรเนกาติวิตี จากซ้ายไปขวา ส่วนใหญ่รัศมีอะตอมของธาตุจะค่อย ๆ ลดลง เนื่องจากธาตุที่อยู่ถัดไปมีจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้น ซึ่งทำให้อิเล็กตรอนอยู่ใกล้นิวเคลียสมากขึ้น และผลจากการที่รัศมีอะตอมลดลง ทำให้พลังงานไอออไนเซชันเพิ่มขึ้น จากซ้ายไปขวา เนื่องจากอะตอมของธาตุนั้นมีพันธะระหว่างอิเล็กตรอนที่แน่นขึ้น ทำให้ต้องใช้พลังงานที่มากขึ้นในการดึงอิเล็กตรอนออก ส่วนอิเล็กโทรเนกาติวิตีจะเพิ่มขึ้นในลักษณะเดียวกันกับพลังงานไอออไนเซชัน เพราะมีแรงดึงของนิวเคลียสที่กระทำต่ออิเล็กตรอนมากขึ้น ส่วนสัมพรรคภาพอิเล็กตรอน ธาตุโลหะ (ฝั่งซ้ายในตารางธาตุ) โดยส่วนใหญ่จะมีสัมพรรคภาพอิเล็กตรอนน้อยกว่าธาตุอโลหะ (ฝั่งขวาในตารางธาตุ) ยกเว้นแก๊สมีตระกูลซึ่งไม่มีสัมพรรคภาพอิเล็กตรอน

บล็อก เป็นบริเวณพิเศษในตารางธาตุ ซึ่งจะบ่งบอกว่าอิเล็กตรอนในวงอิเล็กตรอนแต่ละวงเต็มหรือไม่ ในแต่ละบล็อกจะตั้งชื่อตามวงย่อยที่อิเล็กตรอน "ตัวสุดท้าย" สามารถเข้าไปอยู่ได้[n 2]บล็อก-s เป็นบล็อกที่อยู่ทางซ้ายมือสุดในตารางธาตุ บล็อกนี้ประกอบไปด้วยธาตุในหมู่ 1 (โลหะแอลคาไล) และหมู่ 2 (โลหะแอลคาไลน์เอิร์ท) รวมถึงไฮโดรเจน และฮีเลียม บล็อก-p เป็นบล็อกที่อยู่ทางขวาสุดของตารางธาตุ ประกอบไปด้วยธาตุใน 6 หมู่สุดท้าย ตั้งแต่หมู่ที่ 13 ถึง หมู่ที่ 18 ในไอยูแพก (3B ถึง 8A ในสหรัฐอเมริกา) และยังมีธาตุกึ่งโลหะทั้งหมดในบล็อกนี้ด้วย บล็อก-d เป็นบล็อกที่ประกอบไปด้วยธาตุในหมู่ 3 ถึง หมู่ที่ 12 (3B ถึง 2B ในสหรัฐอเมริกา) ธาตุในบล็อกนี้เป็นธาตุโลหะแทรนซิชันทั้งหมด บล็อก-f เป็นบล็อกที่ไม่มีเลขหมู่ และอยู่ด้านล่างของตารางธาตุ ในบล็อกนี้ประกอบไปด้วยธาตุในแลนทาไนด์และแอกทิไนด์

ตามสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของมัน เรายังสามารถแบ่งธาตุออกได้เป็นสามส่วนใหญ่ ๆ ได้แก่ โลหะ กึ่งโลหะ และอโลหะ ธาตุโลหะส่วนใหญ่จะสะท้อนแสง อยู่ในรูปอัลลอย และยังสามารถทำปฏิกิริยากับธาตุอโลหะ (ยกเว้น แก๊สมีตระกูล) ได้สารประกอบไอออนิกในรูปของเกลือ ส่วนธาตุอโลหะส่วนใหญ่จะเป็นแก๊สซึ่งไม่มีสีหรือมีสี อโลหะที่ทำปฏิกิริยากับอโลหะด้วยกันจะทำให้เกิดสารประกอบที่มีพันธะโควาเลนต์ ระหว่างธาตุโลหะกับธาตุอโลหะ คือธาตุกึ่งโลหะ ซึ่งจะมีสมบัติของธาตุโลหะและอโลหะผสมกัน

โลหะและอโลหะยังสามารถแบ่งย่อยออกไปอีกตามความเป็นโลหะ จากซ้ายไปขวาในตารางธาตุ โลหะยังแบ่งย่อยไปเป็นโลหะแอลคาไลที่มีความว่องไวทำปฏิกิริยาสูง โลหะแอลคาไลน์-เอิร์ทที่มีความว่องไวทำปฏิกิริยารองลงมา แลนทาไนด์และแอกทิไนด์ โลหะแทรนซิชัน และจบที่โลหะหลังแทรนซิชันซึ่งมีความเป็นโลหะน้อยที่สุดในบรรดาโลหะด้วยกัน ส่วนอโลหะแบ่งออกเป็นอโลหะหลายวาเลนซ์ ซึ่งจะอยู่ใกล้กับตำแหน่งของธาตุกึ่งโลหะ มีสมบัติบางประการที่คล้ายกับโลหะ และอโลหะวาเลนซ์เดียว ซึ่งเป็นอโลหะหลัก และแก๊สมีตระกูล ซึ่งเป็นธาตุที่เสถียรแล้ว และในโลหะแทรนซิชันยังมีการแบ่งออกไปอีก เช่น โลหะมีสกุลและ โลหะทนไฟ และธาตุย่อยในโลหะเหล่านี้ (ในตัวอย่าง) เป็นที่รู้จักแล้ว และยังมีการกล่าวถึงเป็นครั้งคราว

การจัดเรียงอิเล็กตรอนเป็นส่วนหนึ่งที่ทำให้เราสามารถจัดธาตุในตารางธาตุได้ เพราะจากซ้ายไปขวาตามคาบ อิเล็กตรอนจะเพิ่มขึ้น อิเล็กตรอนจะเข้าไปอยู่ในวงอิเล็กตรอน (วงที่ 1 วงที่ 2 และอื่น ๆ) แต่ละวงก็ประกอบไปด้วยวงย่อยหนึ่งวงหรือมากกว่านั้น (มีชื่อว่า s p d f และ g) เมื่อเลขอะตอมของธาตุมากขึ้น อิเล็กตรอนจะเข้าไปอยู่ในวงย่อยตามกฎของแมนเดลัง เช่นการจัดเรียงอิเล็กตรอนของนีออน คือ 1s2 2s2 2p6 ด้วยเลขอะตอมเท่ากับ 10 นีออนมีอิเล็กตรอน 2 ตัวในวงอิเล็กตรอนแรก และมีอิเล็กตรอนอีก 8 ตัวในวงอิเล็กตรอนที่สอง โดยแบ่งเป็นในวงย่อย s 2 ตัวและในวงย่อย p 6 ตัว ตารางธาตุ เมื่ออิเล็กตรอนตัวหนึ่งไม่สามารถไปอยู่ในวงอิเล็กตรอนที่สองได้แล้ว มันก็จะเข้าไปอยู่ในวงอิเล็กตรอนใหม่ และธาตุนั้นก็จะถูกจัดให้อยู่ในคาบถัดไป ซึ่งตำแหน่งเหล่านี้เป็นธาตุไฮโดรเจน และธาตุในหมู่โลหะแอลคาไล

รัศมีอะตอมของธาตุแต่ละตัวมีความแตกต่างทำนายและอธิบายในตารางธาตุ ยกตัวอย่างเช่น รัศมีอะตอมทั่วไปลดลงไปตามหมู่ของตารางธาตุจากโลหะแอลคาไลถึงแก๊สมีตระกูล และจะเพิ่มขึ้นรวดเร็วจากแก๊สมีตระกูลมายังโลหะแอลคาไลในจุดเริ่มต้นของคาบถัดไป แนวโน้มเหล่านี้ของรัศมีอะตอม (และสมบัติทางเคมีและทางกายภาพของธาตุอื่น ๆ) สามารถอธิบายได้โดยทฤษฎีวงอิเล็กตรอนของอะตอม พวกมันมีหลักฐานสำคัญสำหรับการพัฒนาทฤษฎีควอนตัม

อิเล็กตรอนในวงย่อย 4f ซึ่งจะถูกเติมเต็มตั้งแต่ซีเรียม (ธาตุที่ 58) ถึงอิตเตอร์เบียม (ธาตุที่ 70) เนื่องด้วยอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นแค่ในวงเดียว จึงทำให้ขนาดอะตอมของธาตุในแลนทาไนด์มีขนาดที่ไม่แตกต่างกัน และอาจจะเหมือนกับธาตุตัวถัด ๆ ไป ด้วยเหตุนี้ทำให้แฮฟเนียมมีรัศมีอะตอม (และสมบัติทางเคมีอื่น ๆ) เหมือนกับเซอร์โคเนียม และแทนทาลัม มีรัศมีอะตอมใกล้เคียงกับไนโอเบียม ลักษณะแบบนี้รู้จักกันในชื่อการหดตัวของแลนทาไนด์ และผลจากการหดตัวของแลนทาไนด์นี้ ยังเห็นได้ชัดไปจนถึงแพลตทินัม (ธาตุที่ 78) และการหดตัวที่คล้าย ๆ กัน คือการหดตัวของบล็อก-d ซึ่งมีผลกับธาตุที่อยู่ระหว่างบล็อก-d และบล็อก-p มันเห็นได้ไม่ชัดเจนเท่าการหดตัวของแลนทาไนด์ แต่เกิดจากสาเหตุเดียวกัน

พลังงานไอออไนเซชันลำดับที่ 1 เป็นพลังงานที่ใช้ดึงอิเล็กตรอนตัวแรกออกจากอะตอม พลังงานไอออไนเซชันลำดับที่สอง เป็นพลังงานที่ใช้ดึงอิเล็กตรอนตัวที่สองออกจากอะตอม ซึ่งจะเป็นแบบนี้ไปเรื่อย ๆ เช่น แมงกานีส มีพลังงานไอออไนเซชันลำดับที่ 1 คือ 738 กิโลจูล/โมล และลำดับที่สอง คือ 1450 กิโลจูล/โมล อิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้อะตอมจำเป็นที่จะต้องใช้พลังงานมากในการดึงมันออกจากอะตอม พลังงานไอออไนเซชันจะมีการเพิ่มขึ้นจากซ้ายไปขวาของตารางธาตุ

พลังงานไอออไนเซชันจะมีมากที่สุดเมื่อต้องการดึงอิเล็กตรอนออกจากธาตุในหมู่แก๊สมีตระกูล (ซึ่งมีอิเล็กตรอนครบตามจำนวนที่มีได้สูงสุด) ยกตัวอย่างแมกนีเซียมอีกครั้ง แมกนีเซียมจำเป็นที่จะต้องใช้พลังงานไอออไนเซชันสองลำดับแรก เพื่อดึงอิเล็กตรอนออกให้มันมีโครงสร้างคล้ายแก๊สมีตระกูล และ 2p มันจำเป็นที่จะต้องใช้พลังงานไอออไนเซชันลำดับที่สามสูงกว่า 7730 กิโลจูล/โมล ในการดึงอิเล็กตรอนตัวที่สามออกจากวงย่อย 2p ของการจัดเรียงอิเล็กตรอนที่คล้ายนีออนของ Mg2+ ความแตกต่างนี้ยังมีในอะตอมของแถวที่สามตัวอื่น ๆ อีกด้วย

อิเล็กโทรเนกาติวิตีเป็นแรงดึงดูดของอะตอมที่ใช้ดึงอิเล็กตรอนเข้ามา อิเล็กโทรเนกาติวิตีของอะตอมอะตอมหนึ่ง เป็นผลมาจากเลขอะตอมที่เพิ่มขึ้น และระยะห่างจากนิวเคลียสถึงวาเลนซ์อิเล็กตรอน ยิ่งมีอิเล็กโทรเนกาติวิตีมากเท่าไร ความสามารถที่จะดึงดูดอิเล็กตรอนก็มากขึ้นเท่านั้น แนวคิดถูกเสนอครั้งแรกโดยไลนัส พอลลิง ใน พ.ศ. 2475 โดยทั่วไป อิเล็กโทรเนกาติวิตีจะเพิ่มขึ้นจากซ้ายไปขวาตามคาบ และลดลงจากบนลงล่างตามหมู่ เพราะเหตุนี้ ฟลูออรีนจึงเป็นธาตุที่มีอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงที่สุด และซีเซียมมีอิเล็กโทรเนกาติวิตีน้อยที่สุด อย่างน้อยธาตุเหล่านั้นก็ยังมีข้อมูลที่สามารถใช้ยืนยันได้

แต่ถึงกระนั้นธาตุบางตัวยังไม่เป็นไปตามกฎนี้ แกลเลียมและเจอร์เมเนียมมีอิเล็กโทรเนกาติวิตีมากกว่าอะลูมิเนียมและซิลิกอน เนื่องด้วยผลกระทบจากการหดตัวของบล็อก-d ธาตุในคาบที่ 4 โลหะแทรนซิชัน มีรัศมีอะตอมที่ไม่แตกต่างกันมากนัก เพราะว่าอิเล็กตรอนในวงย่อย 3d ไม่มีผลกระทบเปลี่ยนแปลงโครงสร้างนิวเคลียร์ของธาตุ และขนาดอะตอมที่เล็กลงยังทำให้มีอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงขึ้นอีกด้วย

สัมพรรคภาพอิเล็กตรอนเป็นพลังงานที่คายออกมาหรือดูดกลืน เมื่อเพิ่มอิเล็กตรอนให้แก่อะตอมไปเป็นไอออนประจุลบ ธาตุส่วนใหญ่คายพลังงานความร้อนเมื่อรับอิเล็กตรอน โดยทั่วไป อโลหะจะมีสัมพรรคภาพอิเล็กตรอนมากกว่าโลหะ คลอรีน มีแนวโน้มในการเกิดไอออนประจุลบสูงที่สุด สัมพรรคภาพอิเล็กตรอนของแก๊สมีตระกูลยังไม่สามารถหาค่าได้ ดังนั้น พวกมันอาจจะไม่มีประจุลบ

สัมพรรคภาพอิเล็กตรอนทั่วไปจะเพิ่มขึ้นตามคาบ ซึ่งเป็นผลมาจากการเติมเต็มวงเวเลนซ์ของอะตอม อะตอมของธาตุหมู่ 17จะคายพลังงานออกมามากกว่าอะตอมของธาตุในหมู่ 1 ในการดึงดูดอิเล็กตรอน เนื่องด้วยความง่ายในการเติมเต็มวงวาเลนซ์และความเสถียร

ในหมู่ของธาตุ สัมพรรคภาพอิเล็กตรอนคาดว่าจะลดลงจากบนลงล่าง เนื่องด้วยอิเล็กตรอนตัวใหม่จะต้องเข้าไปในออร์บิทัลที่อยู่ห่างจากนิวเคลียสมากขึ้น ด้วยความที่อิเล็กตรอนเชื่อมของนิวเคลียสน้อยอยู่แล้ว จึงทำให้มันปล่อยพลังงานไม่มาก ถึงกระนั้น ในหมู่ของธาตุ ธาตุสามตัวแรกจะผิดปกติ ธาตุที่หนักกว่าจะมีสัมพรรคภาพอิเล็กตรอนมากกว่าธาตุที่เบากว่า และในวงย่อย d และ f สัมพรรคภาพอิเล็กตรอนจะไม่ได้ลดลงตามหมู่ไปเสียทั้งหมด ดังนั้นการที่สัมพรรคภาพลดลงตามหมู่จากบนลงล่างนี้ จะเกิดขึ้นได้ในอะตอมของธาตุหมู่ 1 เท่านั้น

ใน พ.ศ. 2332 อองตวน ลาวัวซิเอ ตีพิมพ์รายชื่อธาตุเคมี 33 ตัว เขาแบ่งเป็นแก๊ส โลหะ อโลหะ และเอิร์ท นักเคมีใช้เวลาข้ามศตวรรษเพื่อค้นหาวิธีที่จะจัดระบบของธาตุเหล่านี้ ใน พ.ศ. 2372 โยฮันน์ ว็อล์ฟกัง เดอเบอไรเนอร์ สังเกตว่าธาตุจำนวนมากนั้นสามารถจัดลงในไตรแอดส์ โดยอยู่บนพื้นฐานของสมบัติทางเคมีของมันได้ เช่น ลิเทียม โซเดียม และโพแทสเซียม พวกมันถูกจัดให้อยู่ในกลุ่มเดียวกัน เนื่องจากเป็นโลหะที่อ่อน และไวเกิดปฏิกิริยา เดอเบอไรเนอร์ยังสังเกตอีกว่ามวลอะตอมของธาตุตัวที่สองในไตรแอดส์ของเขานั้น เป็นค่าเฉลี่ยของมวลอะตอมธาตุที่หนึ่งและธาตุที่สาม ซึ่งรู้จักกันในภายหลังว่า กฎไตรแอดส์ นักเคมีชาวเยอรมัน เลโอโปลด์ กเมลิน ทำงานด้วยระบบไตรแอดส์นี้ และใน พ.ศ. 2386 เขาก็ค้นพบ ไตรแอดส์สิบตัว โดยมี 3 กลุ่มที่มี 4 ธาตุและอีก 1 กลุ่มที่มี 5 ธาตุ ฌอง-บัฟติส ดูมัส ตีพิมพ์ผลงานเมื่อ พ.ศ. 2400 ซึ่งบรรยายความสัมพันธ์ระหว่างกลุ่มของโลหะบางกลุ่ม ถึงแม้ว่านักเคมีบางคนจะสามารถบรรยายถึงความสัมพันธ์ระหว่างกลุ่มธาตุขนาดเล็กได้แล้ว แต่พวกเขาก็ไม่ได้ทำให้มันครอบคลุมทั้งหมด

ใน พ.ศ. 2401 นักเคมีชาวเยอรมัน ออกุสต์ คีคูเล สังเกตว่าคาร์บอนส่วนใหญ่มักจะอยู่ในรูปของอะตอมสี่ตัวทำพันธะต่อกัน เช่น มีเทน ซึ่งมีอะตอมคาร์บอน 1 ตัวและอะตอมของไฮโดรเจน 4 ตัว แนวคิดในลักษณะนี้ภายหลังรู้จักกันว่าเป็นเวเลนซ์ ซึ่งระบุไว้ว่าพันธะของธาตุต่างชนิดกันก็มีจำนวนอะตอมต่างกันด้วย

ใน พ.ศ. 2405 นักธรณีวิทยาชาวฝรั่งเศส อเล็กซานเดอร์-เอมิล เบอกูเยร์ เดอ ชานกูร์ตัว ตีพิมพ์ตารางธาตุฉบับแรก ซึ่งเขาเรียกมันว่าเทลลูริก เฮลิกซ์ หรือสครู เขาเป็นคนแรกที่ทราบถึงความเป็นลำดับคาบของธาตุเคมี โดยนำธาตุมาจัดเรียงเป็นวงก้นหอย หรือเป็นทรงกระบอกโดยเรียงตามมวลอะตอมที่เพิ่มขึ้น เดอ ชานกูร์ตัว แสดงให้เห็นว่าธาตุที่สมบัติทางเคมีเหมือนกันจะอยู่ใกล้กัน ตารางของเขายังมีไอออนและสารประกอบบางชนิดรวมอยู่ด้วย แผ่นกระดาษของเขามักจะถูกใช้ในทางธรณีวิทยามากกว่าทางเคมี และไม่รวมแผนภาพ และเป็นผลทำให้ได้รับความสนใจน้อยจนถึงผลงานของดมีตรี เมนเดเลเยฟ

ใน พ.ศ. 2407 นักเคมีชาวเยอรมัน ยูลิอุส โลทาร์ ไมเออร์ ได้ตีพิมพ์ตารางธาตุซึ่งประกอบไปด้วยธาตุ 44 ตัวโดยเรียงตามความเป็นวาเลนซ์ ตารางของเขาแสดงให้เห็นว่าธาตุที่มีสมบัติทางเคมีเหมือนกันนั้น บ่อครั้งที่จะมีความเป็นวาเลนซ์ที่เหมือนกันด้วย ในเวลาที่ไล่เลี่ยกัน นักเคมีชาวอังกฤษ วิลเลียม โอดลิง ตีพิมพ์การจัดเรียงธาตุ 57 ตัว โดยเรียงบนพื้นฐานของมวลอะตอม ด้วยความที่ไม่ปกติและยังมีช่องว่าง เขาทราบว่าสิ่งที่เกิดขึ้นกับธาตุเป็นลำดับการเกิดคาบของมวลอะตอม และเขายังบันทึกไว้ว่า "มันมักจะได้รับการจัดกลุ่ม" โอดลิงได้พูดถึงเกี่ยวกับความคิดในเรื่องของกฎพิริออดิก แต่เขาก็ไม่ได้สนใจมัน ต่อมาเขาก็ได้นำเสนอ (ใน พ.ศ. 2413) การจัดหมวดหมู่บนพื้นฐานของความเป็นวาเลนซ์

นักเคมีชาวอังกฤษ จอห์น นิวแลนส์ ได้ตีพิมพ์ผลงานของเขาในช่วง พ.ศ. 2406 – พ.ศ. 2409 ซึ่งมีหมายเหตุไว้ว่าเขาจัดธาตุตามมวลอะตอมที่เพิ่มขึ้น แล้วเขาก็พบว่าธาตุทุก ๆ 8 ตัวจะมีสมบัติทางกายภาพและสมบัติทางเคมีเหมือนกัน เขาคิดว่ามันเหมือนกับอ็อกเทฟในดนตรี เขาจึงตั้งกฎขึ้นมา ซึ่งเรียกกันว่า กฎออกเทฟส์ ถึงอย่างนั้นสมาคมเคมีก็ปฏิเสธที่จะยอมรับงานของนิวแลนส์ เนื่องจากนิวแลนส์ได้ผลักดันธาตุให้เข้ากับกฎออกเทฟส์และไม่เว้นช่องว่างไว้ให้ธาตุที่ยังไม่ค้นพบ เช่น เจอร์เมเนียม สมาคมเคมีรับทราบเพียงแค่การค้นพบของเขา จนกระทั่ง เมนเดเลเยฟตีพิมพ์ตารางธาตุของเขาออกมา

ใน พ.ศ. 2410 นักเคมีชาวเดนมาร์ก กุสตาวุส ฮินริชส์ ได้ตีพิมพ์ตารางธาตุในลักษณะก้นหอยออกมาโดยจัดตามสเปกตรัมและมวลของอะตอม ผลงานของเขาได้รับยกย่องว่าเป็นผลงานที่พิสดาร โอ้อวด และซับซ้อน นี่เองที่อาจทำให้ไม่เป็นที่จดจำและเป็นที่ยอมรับ

นักเคมีชาวรัสเซีย ดมีตรี เมนเดเลเยฟ และนักเคมีชาวเยอรมัน ยูลิอุส โลทาร์ ไมเออร์ ได้ตีพิมพ์ตารางธาตุใน พ.ศ. 2412 และ พ.ศ. 2413 ตามลำดับ ตารางธาตุของเมนเดเลเยฟเป็นการตีพิมพ์ครั้งแรกของเขา ส่วนของไมเออร์เป็นการเพิ่มเติมจากตารางธาตุเก่าของเขา ที่เคยตีพิมพ์เมื่อ พ.ศ. 2407 ตารางธาตุของทั้งสองสร้างขึ้นโดยจัดธาตุไว้เป็นคาบและหมู่โดยเรียงตามมวลอะตอม และจะเริ่มแถวใหม่เมื่อธาตุมีสมบัติทางเคมีที่เหมือนกัน

สาเหตุที่ตารางธาตุของเมนเดเลเยฟได้รับการยอมรับมีอยู่สองประการ คือ หนึ่ง ตารางธาตุของเขามีช่องว่างไว้เพื่อให้ธาตุที่ยังไม่ได้รับการค้นพบ เมนเดเลเยฟไม่ได้เป็นนักเคมีคนแรกที่ทำแบบนี้ แต่เขาเป็นคนแรกที่ได้รับการยอมรับในการใช้แนวโน้มในตารางธาตุ เพื่อทำนายสมบัติทางเคมีของธาตุที่ยังไม่ได้ค้นพบเหล่านั้น เช่น แกลเลียม และเจอร์เมเนียม และเหตุผลที่สองคือบางครั้งเขาไม่ได้เรียงตามมวลอะตอมโดยทั้งหมด เขาสลับตำแหน่งธาตุบางตัว เช่น เทลลูเรียมและไอโอดีน โดยเขาให้เหตุผลว่าเพื่อให้ง่ายจัดธาตุลงไปในหมู่ของธาตุ กับการพัฒนาทฤษฎีโครงสร้างอะตอม ทำให้เป็นที่แน่ชัดแล้วว่า เมนเดเลเยฟ ไม่ได้ตั้งใจที่จะระบุไปว่า เขาจัดเรียงธาตุตามมวลอะตอมที่เพิ่มขึ้น หรือโครงสร้างนิวเคลียร์

ความสำคัญของเลขอะตอมในการเป็นองค์ประกอบของตารางธาตุยังคงไม่ได้รับการยอมรับจนกระทั่งสมบัติของโปรตอนและนิวตรอนกลายเป็นที่รู้จักมากขึ้น ตารางธาตุของเมนเดเลเยฟก็ยังคงใช้มวลอะตอมแทนที่จะเป็นเลขอะตอม ซึ่งในเวลานั้นข้อมูลเกี่ยวกับมวลอะตอมมีความแม่นยำสูงสุด มวลอะตอมสามารถอธิบายถึงสมบัติทางเคมีของธาตุที่ยังไม่ค้นพบได้อย่างแม่นยำกว่าวิธีอื่น ๆ ที่รู้จักกันในเวลานั้น และวิธีนี้ก็ยังคงใช้ทำนายสมบัติของธาตุเคมีที่สังเคราะห์ขึ้นใหม่จนกระทั่งปัจจุบัน

ใน พ.ศ. 2414 เมนเดเลเยฟตีพิมพ์ตารางธาตุในรูปแบบใหม่ซึ่งประกอบไปด้วยหมู่ที่มีธาตุที่คล้ายกันซึ่งจะถูกจัดในคอลัมน์มากกว่าที่จะถูกจัดในแถว และคอลัมน์เหล่านี้ก็เรียงลำดับไว้ว่า I ถึง VIII ซึ่งตรงกันกับสถานะออกซิเดชันของธาตุ เขายังลงรายละเอียดเกี่ยวกับการทำนายสมบัติของธาตุที่ยังไม่ค้นพบด้วย และเขายังระบุไว้ว่าพวกมันไม่มีในตารางธาตุ แต่ควรจะมีอยู่จริง ช่องว่างเหล่านี้ส่วนใหญ่แล้วจะเติมเต็มโดยนักเคมีที่ค้นพบธาตุในธรรมชาติเพิ่มเติม บ่อยครั้งที่มีการยืนยันว่าธาตุสุดท้ายที่จะถูกค้นพบในธรรมชาติคือ แฟรนเซียม (เอคา-ซีเซียมที่เมนเดเลเยฟทำนายไว้) ที่ถูกค้นพบใน พ.ศ. 2482 ถึงอย่างนั้น พลูโทเนียม สังเคราะห์ขึ้นใน พ.ศ. 2485 มีการยืนยันว่ามีปริมาณเพียงเล็กน้อยในธรรมชาติใน ปี พ.ศ. 2514 และปี พ.ศ. 2554 ก็เป็นที่รู้กันว่าทุกธาตุจนถึงแคลิฟอร์เนียมนั้นสามารถมีได้ในธรรมชาติโดยพบในแร่ยูเรเนียมโดยจับยึดนิวตรอนและการสลายแบบบีตา ถึงแม้ว่าจะมีปริมาณน้อยก็ตาม

ตารางธาตุที่ได้รับความนิยมที่สุด หรือรู้จักกันว่าเป็นตารางธาตุมาตรฐาน สร้างขึ้นโดยฮอเรซ กรอฟส์ เดมิง ใน พ.ศ. 2466 เดมิงได้ตีพิมพ์ตารางธาตุในรูปแบบสั้น (รูปแบบเมนเดเลเยฟ) และรูปแบบปานกลาง (18 คอลัมน์) ในปี พ.ศ. 2467 เมิร์คและคอมปานีได้จัดเตรียมเอกสารของตารางธาตุ 18 แถวของเดมิงไว้ใช้สำหรับการเรียนการสอนในโรงเรียนของประเทศสหรัฐอเมริกา ในช่วงทศวรรษ 1930 ตารางธาตุของเดมิงได้ปรากฏบนหนังสือคู่มือและสารานุกรมเคมี และมันก็ยังถูกแจกจ่ายเป็นเวลาหลายปีโดยบริษัทวิทยาศาสตร์ซาร์เจนท์-เวลช์

ด้วยการพัฒนากลศาสตร์ควอนตัม และทฤษฎีของการจัดเรียงอิเล็กตรอนภายในอะตอม พบว่าอิเล็กตรอนจะเพิ่มขึ้นตามคาบ (แถวแนวนอน) ในตารางธาตุเพื่อเติมเต็มวงอิเล็กตรอน อะตอมที่มีขนาดใหญ่ขึ้นจะมีวงย่อยมากขึ้น และทำให้ตารางธาตุจะมีคาบที่ยาวขึ้นไปด้วย

ใน พ.ศ. 2488 นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน เกลนน์ ซีบอร์ก ได้ให้ข้อคิดเห็นไว้ว่าธาตุแอกทิไนด์จะเหมือนกับแลนทาไนด์ซึ่งอิเล็กตรอนจะเข้าไปอยู่ในวงย่อย f ก่อนหน้านั้นแอกทิไนด์เชื่อกันว่าเป็นบล็อก-d แถวที่ 4 เพื่อนร่วมงานของซีบอร์กได้แนะนำให้เขาปิดบังข้อเสนอแนะดังกล่าวนี้ซึ่งจะมีผลกระทบต่ออาชีพของเขา ซีบอร์กไม่สนใจคำแนะนำของเพื่อนร่วมงาน และตีพิมพ์ข้อเสนอแนะของเขาลงไป ในภายหลังนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆได้ตรวจสอบข้อเสนอแนะนี้ และพบว่ามีความถูกต้อง และทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี พ.ศ. 2494 สำหรับการทำงานของเขาที่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ธาตุแอกทิไนด์

ถึงแม้ว่าธาตุหลังยูเรเนียมบางตัวจะปรากฏในธรรมชาติ แต่พวกมันทั้งหมดก็ถูกค้นพบในห้องปฏิบัติการทางวิทยาศาสตร์มาก่อน ซึ่งการผลิตพวกมันทำให้ตารางธาตุขยายขึ้นอย่างรวดเร็ว โดยมีการสังเคราะห์เนปทูเนียมขึ้นมาเป็นธาตุแรก ซึ่งสังเคราะห์ในปี พ.ศ. 2482 เนื่องด้วยธาตุส่วนใหญ่หลังยูเรเนียมไปแล้วนั้น มีความไม่เสถียรสูงมาก และสลายตัวอย่างรวดเร็ว พวกมันจึงกลายเป็นความท้าทายของนักวิทยาศาสตร์ที่จะตรวจจับและระบุลักษณะขณะที่มันถูกผลิตขึ้นแล้ว พวกมันยังมีการถกเถียงในเรื่องของความถูกต้องของการค้นพบธาตุ ซึ่งบางครั้งก็ยังขาดการตรวจสอบความสำคัญและการตั้งชื่อที่ถูกต้อง ซึ่งธาตุที่ได้รับการยืนยันและได้รับการตั้งชื่อล่าสุดคือ ฟลีโรเวียม (ธาตุที่ 114) และลิเวอร์มอเรียม (ธาตุที่ 116) ทั้งคู่ถูกตั้งชื่อในวันที่ 16 พฤษภาคม พ.ศ. 2555 ก่อนหน้านั้นในปี พ.ศ. 2553 ศูนย์วิจัยวิทยาศาสตร์ในดุบนา ประเทศรัสเซีย ได้สังเคราะห์อะตอมของอูนอูนเซปเทียม (ธาตุที่ 117) 6 อะตอม ซึ่งทำให้มันกลายเป็นธาตุล่าสุดที่คาดว่าจะถูกค้นพบ

มีตารางธาตุที่มีโครงสร้างอื่นนอกจากเป็นแบบมาตรฐาน ภายในระยะเวลา 100 ปีหลังจากที่ตารางธาตุของเมนเดเลเยฟถูกตีพิมพ์ในปี พ.ศ. 2412 มีการสร้างตารางธาตุที่มีโครงสร้างแตกต่างไปจากเดิมประมาณ 700 กว่าชนิด และได้รับการตีพิมพ์แล้ว เช่นเดียวกับตารางธาตุในรูปแบบช่องสี่เหลี่ยมก็มีการดัดแปลงโครงสร้างเหมือนกัน ตัวอย่างเช่น[n 4] โครงสร้างวงกลม, ลูกบาศก์ ทรงกระบอก โครงสร้างคล้ายอาคาร ทรงเกลียว เลมนีสเกต ปริซึมทรงแปดเหลี่ยม พีระมิด แบบแยกออกจากกัน ทรงกลม เกลียว และรูปสามเหลี่ยม ส่วนใหญ่แล้วตารางธาตุในโครงสร้างแบบอื่น ๆ นั้น สร้างขึ้นเพื่อเน้นหรือให้ความสำคัญกับสมบัติทางเคมีหรือกายภาพของธาตุ ซึ่งไม่มีในตารางธาตุปกติ

ตารางธาตุโครงสร้างอื่นที่ได้รับความนิยมคือ ตารางธาตุของทืโอดอร์ เบนฟีย์ เขาสร้างขึ้นเมื่อปี พ.ศ. 2503 ธาตุถูกจัดเรียงในเกลียวที่ต่อเนื่องกัน โดยมีไฮโดรเจนอยู่ตรงกลางและมีโลหะแทรนซิชัน แลนทาไนด์ และแอกทิไนด์ ยื่นออกมาคล้ายกับคาบสมุทร

ตารางธาตุส่วนใหญ่จะมีลักษณะเป็น 2 มิติ ถึงอย่างนั้นมันก็ยังมีตารางธาตุที่เป็น 3 มิติ และเป็นที่รู้จักครั้งแรกในปี พ.ศ. 2405 (ก่อนที่เมนเดเลเยฟจะตีพิมพ์ตารางธาตุของเขาในปี พ.ศ. 2412) ตัวอย่างตารางธาตุ 3 มิติที่พบเห็นได้เป็นส่วนใหญ่ เช่น การจำแนกธาตุของคูร์ทีนส์ (พ.ศ. 2468) ระบบลามีนาของวริงลีย์ (พ.ศ. 2492) ตารางธาตุทรงเกลียวของกีเกอเร (พ.ศ. 2508) และต้นไม้พีรีออดิกของดูโฟร์ (พ.ศ. 2539) ได้รับการบรรยายว่าเป็นตารางธาตุ 4 มิติ (มิติเชิงพื้นที่ 3 มิติและมิติเชิงสีอีก 1 มิติ)

ถึงแม้ว่าธาตุทุกตัวจนถึงอูนอูนออกเทียมจะถูกค้นพบแล้ว แต่ธาตุที่มีเลขอะตอมมากกว่าฮัสเซียม (ธาตุที่ 108) มีเพียงแค่โคเปอร์นิเซียม (ธาตุที่ 112) และฟลีโรเวียม (ธาตุที่ 114) เท่านั้นที่ทราบสมบัติทางเคมีแล้ว ส่วนธาตุอื่น ๆ ที่มีเลขอะตอมมากกว่าฮัสเซียมนั้น สมบัติทางเคมีของมันเป็นเพียงแค่การทำนายโดยประมาณค่าหรือพิจารณาความสัมพันธ์ทางเคมี เช่น ทำนายว่าฟลีโรเวียมจะมีสมบัติที่คล้ายคลึงกับธาตุในหมู่แก๊สมีตระกูล แม้ว่าปัจจุบันมันจะจัดให้อยู่ในหมู่คาร์บอนก็ตาม การทดลองส่วนใหญ่ได้บ่งชี้เช่นนั้น ถึงอย่างนั้น ฟลีโรเวียมแสดงความประพฤติทางเคมีเหมือนกับตะกั่ว ตามตำแหน่งของธาตุที่คาดไว้

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 ล่าสุด นักฟิสิกส์หลายคนเช่น เปกกา ปียักโก เชื่อว่าธาตุใหม่ที่จะถูกค้นพบนั้นจะไม่เป็นไปตามกฎของแมนเดลัง ซึ่งเป็นการทำนายว่าจะมีวงอิเล็กตรอนเท่าใด และจะทำให้ตารางธาตุปัจจุบันมีหน้าตาเปลี่ยนไปด้วย

ตัวเลขของจำนวนธาตุที่เป็นไปได้ยังไม่มีใครทราบ มีข้อคิดเห็นที่เก่าที่สุดสำหรับเรื่องนี้ ซึ่งเสนอโดย เอเลียต อดัมส์ ในปี พ.ศ. 2454 และอยู่บนพื้นฐานของการจัดเรียงธาตุในแถวแนวนอนของตารางธาตุ เขาเชื่อว่าธาตุที่มีมวลอะตอมมากกว่า 256? (ซึ่งเทียบเท่ากับมวลอะตอมระหว่างธาตุที่ 99 และ 100 ในปัจจุบัน) จะไม่ปรากฏขึ้น ธาตุที่มีมวลอะตอมสูงกว่านี้ คาดว่าจะไปสิ้นสุดไม่ไกลหลังจากหมู่เกาะแห่งความเสถียรภาพ ซึ่งทำนายกันว่าจะมีศูนย์กลางประมาณธาตุที่ 126 และเป็นส่วนขยายของตารางธาตุและตารางนิวไคลด์จะถูกจำกัดโดยดริปไลน์ (Drip line) ของโปรตอนและนิวตรอน มีการทำนายอื่น ๆ อีกมากมายที่นำเสนอเกี่ยวกับจุดสิ้นสุดของตารางธาตุ รวมทั้งตารางธาตุจะสิ้นสุดที่ธาตุ 128 ซึ่งเสนอโดยจอห์น เอมสลีย์ สิ้นสุดที่ธาตุ 137 โดยริชาร์ด ไฟน์แมน และสิ้นสุดที่ธาตุ 155 โดยอัลเบิร์ต คาซาน[n 5]

แบบจำลองของบอร์จะมีความยากลำบากในการอธิบายถึงอะตอมของธาตุที่มีเลขอะตอมเท่ากับ 137 ขึ้นไป ธาตุใด ๆ ก็ตามที่มีเลขอะตอมมากกว่า 137 มันจะต้องการอิเล็กตรอนในวงย่อย 1s เพื่อให้เดินทางได้เร็วกว่าแสง ดังนั้นแบบจำลองของบอร์จึงไม่ได้ถูกใช้เพื่ออธิบายความสัมพันธ์ที่ถูกต้องของธาตุเหล่านั้น

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

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

นิยามของโลหะแทรนซิชันโดยไอยูแพกนั้น คือธาตุที่อิเล็กตรอนนั้นจะเข้าไปอยู่ในวงย่อย d หรือจะเป็นประจุบวกเพื่อเติมเต็มวงย่อย d 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 ทำพันธะกับธาตุอื่น แต่การค้นพบล่าสุด พบว่าปรอทสามารถใช้อิเล็กรอนในวงย่อย d ในการสร้างพันธะกับฟลูออรีน เป็นเมอร์คิวรี(IV) ฟลูออไรด์ (HgF4) ทำให้มีนักเคมีบางคนเสนอว่าปรอทควรจะถูกจัดให้เป็นโลหะแทรนซิชัน ส่วนนักเคมีคนอื่น ๆ เช่น เจนเซน แย้งว่าการเกิดของ HgF4 สามารถเกิดได้ในภาวะที่ผิดปกติอย่างมากเท่านั้น ดังนั้นปรอทจึงไม่ถูกจัดให้เป็นโลหะแทรนซิชัน โดยพิจารณาความหมายโดยสามัญ

แต่ก็ยังมีนักเคมีบางคนที่ไม่รวมธาตุหมู่ 3 ในกลุ่มโลหะแทรนซิชัน โดยคำนิยามของโลหะแทรนซิชัน พวกเขาทำบนพื้นฐานที่ว่าธาตุในหมู่ 3 ไม่มีไอออนใด ๆ ที่สามารถไปเติมเต็มวงย่อย d ได้ และไม่แสดงสมบัติทางเคมีที่คล้ายคลึงกับโลหะแทรนซิชันเลย ในกรณีนี้ธาตุหมู่ 4–11 จะถูกจัดให้เป็นโลหะแทรนซิชัน

ถึงแม้ว่าสแกนเดียมและอิตเทรียมจะเป็นธาตุหมู่ 3 สองตัวแรกตลอด ตัวตนของธาตุอีกสองตัวยังไม่ได้ถูกยืนยัน พวกมันอาจจะเป็นแลนทาไนด์กับแอกทิไนด์หรือลูทีเชียมกับลอว์เรนเชียม ถึงแม้มันยังมีข้อโต้แย้งทางเคมีและกายภาพที่สนับสนุนการจัดโดยนำลูทีเชียมและลอว์เรนเชียมเป็นธาตุหมู่ 3 แต่ก็ไม่ควรที่จะเชื่อถือนัก คำนิยามปัจจุบันของคำว่า "แลนทาไนด์" ของไอยูแพก รวมธาตุ 15 ตัว ซึ่งมีทั้งแลนทานัมและลูทีเชียม และ "โลหะแทรนซิชัน" อาจจะเป็นแลนทานัมหรือแอกทิเนียมก็ได้ หรือแม้กระทั่งลูทีเชียม แต่ไม่ใช่ลอว์เรนเชียม เนื่องจากหลักการออฟบาวไม่มีความถูกต้องแล้ว โดยทั่วไป อิเล็กตรอนของลอว์เรนเชียมตัวที่ 103 จะต้องเข้าไปอยู่ในวงย่อย d แต่การวิจัยทางกลศาสตร์ควอนตัมชี้ให้เห็นว่าลอว์เรนเชียมมีการจัดเรียงอิเล็กตรอนเป็น [Rn] 5f14 7s2 7p1[n 6] เนื่องด้วยผลกระทบจากความสัมพันธ์ระหว่างธาตุเคมี ไอยูแพกจึงยังไม่ได้แนะนำรูปแบบที่เจาะจง สำหรับธาตุในบล็อก-f และยังคงเป็นข้อโต้แย้งต่อไป

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