แก๊สมีสกุลไม่มีสี ไม่มีกลิ่น ไม่มีรส และไม่ติดไฟภายใต้สภาวะมาตรฐาน[32]ครั้งหนึ่งพวกมันถูกระบุว่าเป็นหมู่ 0 ในตารางธาตุเพราะเชื่อว่าพวกมันมีวาเลนซ์เป็นศูนย์ ซึ่งหมายความว่าอะตอมของพวกมันไม่สามารถรวมตัวกับธาตุอื่นเพื่อสร้างสารประกอบได้ อย่างไรก็ตาม มีการค้นพบในภายหลังว่าบางชนิดก่อตัวเป็นสารประกอบ ทำให้ฉลากนี้เลิกใช้ไป[11]

การจัดเรียงอิเล็กตรอน

ข้อมูลเพิ่มเติม: การจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุ (หน้าข้อมูล)

เช่นเดียวกับกลุ่มอื่นๆ ธาตุในหมู่นี้ในนี้แสดงรูปแบบในโครงแบบอิเล็กตรอน โดยเฉพาะชั้นนอกสุดที่ส่งผลให้เกิดพฤติกรรมทางเคมี:

เลขอะตอม	ธาตุ	จำนวนอิเล็กตรอน/ชั้น
2	ฮีเลียม	2
10	นีออน	2, 8
18	อาร์กอน	2, 8, 8
36	คริปทอน	2, 8, 18, 8
54	ซีนอน	2, 8, 18, 18, 8
86	เรดอน	2, 8, 18, 32, 18, 8
118	โอกาเนสซอน	2, 8, 18, 32, 32, 18, 8 (คาดคะเน)

แก๊สมีสกุลมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเต็ม เวเลนซ์อิเล็กตรอนเป็นอิเล็กตรอนวงนอกสุดของอะตอมและโดยปกติจะเป็นอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียวที่ร่วมสร้างพันธะเคมี อะตอมที่มีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเต็มวงจะเสถียรมาก ดังนั้นจึงไม่มีแนวโน้มที่จะสร้างพันธะเคมี และมีแนวโน้มน้อยที่จะได้รับหรือสูญเสียอิเล็กตรอน[33] อย่างไรก็ตาม แก๊สมีสกุลที่หนักกว่า เช่น เรดอน จะจับกันด้วยแรงแม่เหล็กไฟฟ้าน้อยกว่าแก๊สมีสกุลที่เบากว่า เช่น ฮีเลียม ทำให้ง่ายต่อการกำจัดอิเล็กตรอนภายนอกออกจากแก๊สมีสกุลหนัก

ใช้ร่วมกับสัญกรณ์โครงแบบอิเล็กตรอนเพื่อสร้างสัญกรณ์แก๊สมีสกุล ในการทำเช่นนี้ แก๊สมีสกุลที่ใกล้ที่สุดซึ่งอยู่ก่อนหน้าองค์ประกอบที่เป็นปัญหาจะเขียนขึ้นก่อน จากนั้นจึงจัดโครงแบบอิเล็กตรอนต่อจากจุดนั้นไปข้างหน้า ตัวอย่างเช่น สัญกรณ์อิเล็กตรอนของฟอสฟอรัสคือ 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3 ในขณะที่สัญลักษณ์ของแก๊สมีสกุลคือ [Ne] 3s2 3p3 สัญกรณ์ที่กะทัดรัดกว่านี้ทำให้ระบุธาตุได้ง่ายขึ้น และสั้นกว่าการเขียนสัญกรณ์ทั้งหมดของออร์บิทัลเชิงอะตอม[34]

แก๊สมีสกุลจะข้ามขอบเขตระหว่างบล็อก—ฮีเลียมเป็นธาตุบล็อก s ในขณะที่สมาชิกที่เหลือคือธาตุบล็อก p—ซึ่งผิดปกติในกลุ่ม IUPAC กลุ่ม IUPAC อื่น ๆ ทั้งหมดมีองค์ประกอบจากแต่ละบล็อก สิ่งนี้ทำให้เกิดความไม่สอดคล้องกันในแนวโน้มทั่วทั้งตาราง และด้วยเหตุนี้นักเคมีบางคนจึงเสนอว่าควรย้ายฮีเลียมไปยังหมู่ 2 เพื่อให้เข้ากับธาตุ s2 อื่น ๆ[35][36][37] แต่โดยทั่วไปแล้วไม่ได้นำการเปลี่ยนแปลงนี้มาใช้

สารประกอบ

โครงสร้างของ XeF4 ซึ่งเป็นหนึ่งในสารประกอบของแก๊สมีสกุลกลุ่มแรกที่ถูกค้นพบ

แก๊สมีสกุลมีความไวต่อปฏิกิริยาเคมีที่ต่ำมาก; ดังนั้นจึงมีการสร้างสารประกอบของแก๊สมีสกุล เพียงไม่กี่ร้อยรายการเท่านั้น สารประกอบ ที่เป็นกลางซึ่งฮีเลียมและนีออนมีส่วนร่วมใน พันธะเคมี ยังไม่ก่อตัวขึ้น (แม้ว่าจะมีไอออนที่มีฮีเลียมอยู่บ้าง และมีหลักฐานทางทฤษฎีบางอย่างสำหรับไอออนที่เป็นกลางซึ่งมีฮีเลียมอยู่บ้าง) ในขณะที่ซีนอน คริปทอน และอาร์กอนแสดงปฏิกิริยาเพียงเล็กน้อยเท่านั้น[38] ความไวต่อปฏิกิริยาเป็นไปตามลำดับ Ne < He < Ar < Kr < Xe < Rn ≪ Og

ในปี ค.ศ. 1933 ไลนัส พอลิง ทำนายว่าแก๊สมีสกุลที่หนักกว่าสามารถสร้างสารประกอบที่มีฟลูออรีนและออกซิเจน เขาทำนายการมีอยู่ของ krypton hexafluoride (KrF6) และ xenon hexafluoride (XeF6) โดยสันนิษฐานว่า XeF8 อาจมีอยู่เป็นสารประกอบที่ไม่เสถียร และเสนอว่า xenic acid สามารถสร้างเกลือ perxenate ได้[39][40] การคาดคะเนเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าโดยทั่วไปมีความแม่นยำ ยกเว้นว่า XeF8 ในขณะนี้ถือว่าไม่เสถียรทั้งทางอุณหพลศาสตร์และทางจลนพลศาสตร์เคมี[41]

สารประกอบซีนอนเป็นสารประกอบของแก๊สมีสกุลจำนวนมากที่สุดที่ก่อตัวขึ้น[42] ส่วนใหญ่มีอะตอมของซีนอนใน สถานะออกซิเดชัน ที่ +2, +4, +6 หรือ +8 ที่สร้างพันธะกับอะตอมที่มี ไฟฟ้าลบ สูง เช่น ฟลูออรีนหรือออกซิเจน เช่นใน ซีนอนไดฟลูออไรด์ (XeF2), ซีนอนเตตระฟลูออไรด์ (XeF4), ซีนอนเฮกซาฟลูออไรด์ (XeF6), ซีนอนเตตรอกไซด์ (XeO4) และโซเดียมเปอร์ซีเนต (Na4XeO6) ซีนอนทำปฏิกิริยากับฟลูออรีนเพื่อสร้างซีนอนฟลูออไรด์จำนวนมากตามสมการต่อไปนี้:

Xe + F2 → XeF6Xe + 2F2 → XeF4Xe + 3F2 → XeF6

บางส่วนของ สารประกอบเหล่านี้พบว่าใช้ใน การสังเคราะห์ทางเคมี เป็นตัวออกซิไดซ์; โดยเฉพาะอย่างยิ่ง XeF2 มีจำหน่ายในเชิงพาณิชย์และสามารถใช้เป็นตัวแทน fluorinating[43] ในปี ค.ศ. 2007 มีการระบุสารประกอบของซีนอนประมาณห้าร้อยตัวที่จับกับธาตุอื่นๆ รวมทั้งสารประกอบออร์แกนซีนอน (ที่มีซีนอนจับกับคาร์บอน) และซีนอนจับกับไนโตรเจน คลอรีน ทอง ปรอท และซีนอนเอง[38][44] สารประกอบของซีนอนที่จับกับโบรอน ไฮโดรเจน โบรมีน ไอโอดีน เบริลเลียม กำมะถัน ไททาเนียม ทองแดง และเงิน ยังพบได้เฉพาะที่อุณหภูมิต่ำในแก๊สมีสกุล matrices หรือในแก๊สมีสกุลที่มีความเร็วเหนือเสียง[38]

เรดอนมีปฏิกิริยามากกว่าซีนอน และสร้างพันธะเคมีได้ง่ายกว่าซีนอน อย่างไรก็ตาม เนื่องจากกัมมันตภาพรังสีสูงและครึ่งชีวิตสั้นของ เรดอนไอโซโทป จึงเกิดเรดอนเพียงไม่กี่ ฟลูออไรด์ และ ออกไซด์ เท่านั้น[45] เรดอนก้าวไปสู่พฤติกรรมของโลหะมากกว่าซีนอน ไดฟลูออไรด์ RnF2 เป็นไอออนิกสูง และ Rn2+ ประจุบวกจะเกิดขึ้นในสารละลายฮาโลเจนฟลูออไรด์ ด้วยเหตุผลนี้ อุปสรรคทางจลนพลศาสตร์ทำให้ยากที่จะออกซิไดซ์เรดอนเกินสถานะ +2 มีเพียงการทดลองตามรอยเท่านั้นที่ประสบความสำเร็จในการทำเช่นนั้น อาจสร้าง RnF4 , RnF6 และ RnO3[46][47][48]

คริปทอนมีปฏิกิริยาน้อยกว่าซีนอน แต่มีรายงานสารประกอบหลายตัวที่มีคริปทอนใน สถานะออกซิเดชัน ที่ +2[38] คริปทอนไดฟลูออไรด์ มีความโดดเด่นที่สุดและจำแนกได้ง่ายที่สุด ภายใต้สภาวะที่รุนแรง คริปทอนจะทำปฏิกิริยากับฟลูออรีนเพื่อสร้าง KrF2 ตามสมการต่อไปนี้:

Kr + F2 → KrF2

สารประกอบที่คริปทอนสร้างพันธะเดี่ยวกับไนโตรเจนและออกซิเจนก็มีลักษณะเช่นกัน[49] แต่จะคงที่ต่ำกว่า −60 องศาเซลเซียส (−76 องศาฟาเรนไฮต์) และ −90 องศาเซลเซียส (−130 องศาฟาเรนไฮต์) ตามลำดับ[38]

อะตอมของคริปทอนจับกันทางเคมีกับอโลหะอื่นๆ (ไฮโดรเจน คลอรีน คาร์บอน) รวมถึง โลหะทรานซิชัน บางส่วน (ทองแดง เงิน ทอง) ที่ยังสังเกตพบ แต่ที่อุณหภูมิต่ำในเมทริกซ์แก๊สมีสกุลเท่านั้น หรือในเครื่องบินไอพ่นที่มีความเร็วเหนือเสียง[38] มีการใช้เงื่อนไขที่คล้ายกันเพื่อให้ได้สารประกอบสองสามชนิดแรกของอาร์กอนในปี ค.ศ. 2000 เช่น อาร์กอนฟลูออโรไฮไดรด์ (HArF) และบางส่วนจับกับโลหะทรานซิชันช่วงปลายอย่างทองแดง เงิน และทอง[38] ในปี ค.ศ. 2007 ยังไม่มีข้อมูลโมเลกุลที่เป็นกลางที่เสถียรซึ่งเกี่ยวข้องกับฮีเลียมหรือนีออนที่มีพันธะโควาเลนต์[38]

การคาดคะเนจากแนวโน้มจากการทำนายว่าออกาเนสสันควรเป็นแก๊สมีสกุลที่มีปฏิกิริยามากที่สุด การบำบัดทางทฤษฎีที่ซับซ้อนมากขึ้นบ่งชี้ว่ามีปฏิกิริยามากกว่าที่คาดการณ์ไว้ ถึงจุดที่มีการตั้งคำถามเกี่ยวกับการใช้คำอธิบายของ 'แก๊สมีสกุล'[50] โอกาเนสซอนคาดว่าจะค่อนข้างเหมือน ซิลิคอน หรือ ดีบุก ในหมู่ 14:[51] องค์ประกอบปฏิกิริยาที่มีสถานะ +4 ทั่วไปและสถานะ +2 ทั่วไปน้อยกว่า[52][53] ซึ่งที่อุณหภูมิและความดันห้องไม่ได้เป็นแก๊สแต่เป็นสารกึ่งตัวนำที่เป็นของแข็ง จำเป็นต้องมีการทดสอบเชิงประจักษ์ / เชิงทดลองเพื่อตรวจสอบการคาดการณ์เหล่านี้[22][54] (ในทางกลับกัน ฟลีโรเวียม แม้จะอยู่ในหมู่ 14 แต่คาดการณ์ว่าจะระเหยผิดปกติ ซึ่งบ่งชี้ถึงคุณสมบัติคล้ายแก๊สมีสกุล)[55][56]

แก๊สมีสกุลรวมถึงฮีเลียมสามารถสร้าง โมเลกุลไอออน ที่เสถียรในเฟสของแก๊ส วิธีที่ง่ายที่สุดคือ ฮีเลียมไฮไดรด์โมเลกุลไอออน, HeH+ ค้นพบในปี ค.ศ. 1925[57] เนื่องจากประกอบด้วยธาตุที่มีมากที่สุด 2 ชนิดในเอกภพ ได้แก่ ไฮโดรเจนและฮีเลียม จึงเชื่อว่าเกิดขึ้นตามธรรมชาติในตัวกลางระหว่างดวงดาว และในที่สุดก็ตรวจพบในเดือนเมษายน ค.ศ. 2019 โดยใช้อากาศกล้องโทรทรรศน์โซเฟีย. นอกจากไอออนเหล่านี้แล้ว ยังมีแก๊สมีสกุลที่เป็นกลาง excimer อีกหลายชนิด เหล่านี้เป็นสารประกอบเช่น ArF และ KrF ที่เสถียรเฉพาะเมื่ออยู่ในสถานะกระตุ้น; บางส่วนพบการใช้งานใน excimer laser

นอกจากสารประกอบที่อะตอมของแก๊สมีสกุลมีส่วนร่วมใน พันธะโควาเลนต์ แล้ว แก๊สมีสกุลยังก่อตัวเป็นสารประกอบ ที่ไม่ใช่โควาเลนต์ clathrates อธิบายครั้งแรกในปี ค.ศ. 1949[58] ประกอบด้วยอะตอมของแก๊สมีสกุลที่ติดอยู่ภายในโพรงของ ผลึกขัดแตะ ของสารอินทรีย์และอนินทรีย์บางชนิด เงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับการก่อตัวของพวกมันคืออะตอมแก๊สมีสกุล จะต้องมีขนาดที่เหมาะสมเพื่อให้พอดีกับโพรงของโครงตาข่ายคริสตัลโฮสต์ ตัวอย่างเช่น อาร์กอน คริปทอน และซีนอนสร้างคลาเทรตด้วย ไฮโดรควิโนน แต่ฮีเลียมและนีออนไม่มีเพราะพวกมันมีขนาดเล็กเกินไปหรือไม่เพียงพอ[59] นีออน อาร์กอน คริปทอน และซีนอนยังก่อตัวเป็นคลาเทรตไฮเดรต ซึ่งแก๊สมีสกุลขังอยู่ในน้ำแข็ง[60]

สารประกอบเอนโดฮีดรัลฟูลเลอรีนที่มีอะตอมของแก๊สมีสกุล

แก๊สมีสกุลสามารถก่อตัวเป็น เอนโดฮีดรัล ฟูลเลอรีน ซึ่งอะตอมของแก๊สมีสกุลขังอยู่ภายในโมเลกุล ฟูลเลอรีน ในปี ค.ศ. 1993 มีการค้นพบว่าเมื่อ C60 ซึ่งเป็นโมเลกุลทรงกลมที่ประกอบด้วย 60 คาร์บอน อะตอม สัมผัสกับแก๊สมีสกุลที่ความดันสูง ซับซ้อน เช่น He@C60 สามารถสร้างขึ้นได้ (สัญลักษณ์ @ ระบุว่ามีเขาอยู่ภายใน C60 แต่ไม่ผูกพันโควาเลนต์กับมัน)[61] ในปี ค.ศ. 2008 เอ็นโดฮีดรัลคอมเพล็กซ์ที่มีฮีเลียม นีออน อาร์กอน คริปทอน และซีนอนได้สร้างขึ้นเเล้ว[62] พบสารประกอบเหล่านี้ใช้ในการศึกษาโครงสร้างและความว่องไวต่อปฏิกิริยาของฟูลเลอรีนโดยวิธี นิวเคลียร์ แมกเนติก เรโซแนนซ์ ของอะตอมของแก๊สมีสกุล[63]

การสร้างพันธะใน XeF2 อธิบายด้วยโมเดลพันธะ 3 อะตอมกลาง 4 อิเล็กตรอน

สารประกอบของแก๊สมีสกุลเช่น ซีนอนไดฟลูออไรด์ (XeF2) ถูกพิจารณาว่าเป็น ไฮเปอร์วาเลนต์ เนื่องจากพวกมันละเมิด กฎออกเตต พันธะในสารประกอบดังกล่าวสามารถอธิบายได้โดยใช้แบบจำลอง พันธะสามศูนย์สี่อิเล็กตรอน[64][65] แบบจำลองนี้เสนอครั้งแรกในปี ค.ศ. 1951 พิจารณาถึงพันธะของอะตอมคอลลิเนียร์สามตัว ตัวอย่างเช่น พันธะใน XeF2 อธิบายโดยชุดของทฤษฎีออร์บิทัลเชิงโมเลกุล (MO) สามชุดที่ได้มาจาก p-orbital บนแต่ละอะตอม พันธะผลลัพธ์จากการรวมกันของ p-orbital ที่เติมจาก Xe กับ p-orbital ที่เติมครึ่งหนึ่งจากแต่ละอะตอม F ทำให้เกิดออร์บิทัลที่มีพันธะที่เติมเต็ม, ออร์บิทัลที่ไม่มีพันธะที่เติม และว่างเปล่า ออร์บิทัลโมเลกุลแบบต้านพันธะ การโคจรของโมเลกุลที่ถูกครอบครองสูงสุด อยู่ในช่วงปลายของอะตอมทั้งสอง สิ่งนี้แสดงถึงตำแหน่งของประจุที่อำนวยความสะดวกโดยค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงของฟลูออรีน[66]

คุณสมบัติทางเคมีของแก๊สมีสกุลที่หนักกว่า คริปทอนและซีนอน ได้รับการยอมรับอย่างดี เคมีของสารที่เบากว่า อาร์กอนและฮีเลียมยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น ในขณะที่ยังไม่สามารถระบุสารประกอบของนีออนได้