เคมีของแก๊สมีตระกูล

แก๊สมีตระกูล—โดยเฉพาะซีนอน—ซึ่งครั้งหนึ่งเคยคิดว่าเป็นสารเฉื่อยโดยสมบูรณ์ ได้ก่อให้เกิดเคมีที่แท้จริงของฟลูออไรด์ ออกไซด์ และสารประกอบที่เกี่ยวข้อง ซึ่งล้มล้างข้อสันนิษฐานที่ว่าการมีอิเล็กตรอนวงนอกครบแปด (full octet) จะขัดขวางปฏิกิริยาเคมี

Definition

เคมีของแก๊สมีตระกูลคือการศึกษาเกี่ยวกับสารประกอบที่เกิดจากธาตุหมู่ 18 โดยหลักคือไบนารีและออกซีฟลูออไรด์ของซีนอน และพันธะที่ทำให้อะตอมที่มีอิเล็กตรอนวงนอกเต็ม (closed-shell atoms) เหล่านี้สามารถรวมตัวกับคู่ค้าที่มีค่าอิเล็กโตรเนกาติวิตีสูงได้

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมเคมีของธาตุหมู่ 18: การค้นพบและการเป็นสารเฉื่อยของแก๊สมีตระกูล สภาวะที่ธาตุหนักกว่าทำปฏิกิริยา โครงสร้างและพันธะของซีนอนฟลูออไรด์ ออกไซด์ และออกซีฟลูออไรด์ การประยุกต์ใช้ VSEPR กับโมเลกุลเหล่านี้ และเคมีที่จำกัดของคริปทอนและเรดอน โดยจะกล่าวถึงพันธะและปฏิกิริยาของสารประกอบแก๊สมีตระกูลมากกว่าสเปกโทรสโกปีที่ใช้ในการค้นพบธาตุ

Core questions

• เหตุใดแก๊สมีตระกูลจึงถูกพิจารณาว่าเป็นสารเฉื่อยทางเคมีมาเป็นเวลานาน?
• สภาวะใดที่ทำให้ซีนอนและคริปทอนสามารถเกิดสารประกอบได้?
• โครงสร้างและพันธะของซีนอนฟลูออไรด์และออกไซด์เป็นอย่างไร?
• เหตุใดปฏิกิริยาจึงเพิ่มขึ้นจากฮีเลียมไปสู่เรดอน?

Key concepts

• ความเป็นสารเฉื่อยและพลังงานไอออไนเซชัน
• ซีนอนฟลูออไรด์
• ซีนอนออกไซด์และออกซีฟลูออไรด์
• เรขาคณิต VSEPR ของสารประกอบแก๊สมีตระกูล
• พันธะสามศูนย์สี่อิเล็กตรอน (Three-centre four-electron bonding)
• เคมีของคริปทอนและเรดอน

Key theories

ปฏิกิริยาของแก๊สมีตระกูลที่หนักกว่า

แก๊สมีตระกูลที่หนักกว่ามีพลังงานไอออไนเซชันค่อนข้างต่ำและมีกลุ่มอิเล็กตรอนขนาดใหญ่ที่สามารถถูกโพลาไรซ์ได้ง่าย ดังนั้นสารออกซิไดซ์ที่แข็งแกร่งเพียงพอ เช่น ฟลูออรีนและแพลทินัมเฮกซาฟลูออไรด์ จึงสามารถออกซิไดซ์ซีนอนเพื่อสร้างสารประกอบที่เสถียรได้

โครงสร้างและพันธะของซีนอนฟลูออไรด์

สารประกอบเช่น XeF2, XeF4 และ XeF6 มีเรขาคณิตที่ทำนายโดย VSEPR จากคู่โดดเดี่ยวบนซีนอน โดยมีพันธะที่สามารถอธิบายได้ด้วยแบบจำลองสามศูนย์สี่อิเล็กตรอน (three-centre four-electron) หรือแบบจำลองโมเลกุลออร์บิทัล โดยไม่จำเป็นต้องอ้างถึงการมีส่วนร่วมของ d-ออร์บิทัล

ออกไซด์และออกซีฟลูออไรด์

การไฮโดรไลซิสและปฏิกิริยาเพิ่มเติมของฟลูออไรด์จะให้ซีนอนออกไซด์และออกซีฟลูออไรด์ เช่น XeO3 และ XeOF4 ซึ่งเป็นสารออกซิไดซ์ที่แข็งแกร่ง การมีอยู่ของสารเหล่านี้แสดงให้เห็นถึงเคมีของแก๊สมีตระกูลที่แท้จริงและหลากหลายมากยิ่งขึ้น

Clinical relevance

นอกเหนือจากความน่าสนใจพื้นฐานแล้ว แก๊สมีตระกูลยังถูกใช้เป็นบรรยากาศเฉื่อย สารสำหรับให้แสงสว่างและเลเซอร์ สารทำความเย็น และยาชา ในขณะที่ซีนอนฟลูออไรด์ทำหน้าที่เป็นสารฟลูออริเนตและสารออกซิไดซ์ที่มีประสิทธิภาพสูง

History

แก๊สมีตระกูลถูกค้นพบโดยแรมเซย์และคณะในช่วงปลายศตวรรษที่สิบเก้า และถูกเชื่อมานานว่าเป็นสารที่ไม่ทำปฏิกิริยาโดยสมบูรณ์ การเตรียมสารประกอบซีนอน-แพลทินัมฟลูออไรด์ของบาร์ตเลตต์ในปี 1962 ได้ทำลายความเชื่อนี้และเปิดฉากเคมีที่เป็นระบบของแก๊สมีตระกูล โดยเฉพาะซีนอนฟลูออไรด์และออกไซด์

Key figures

• William Ramsay
• Neil Bartlett
• Linus Pauling

Seminal works

• bartlett1962
• greenwood1997
• weller2018

Frequently asked questions

หากแก๊สมีตระกูลมีอิเล็กตรอนวงนอกครบแปด (full octets) แล้วจะทำปฏิกิริยาได้อย่างไร?

การมีอิเล็กตรอนวงนอกครบแปดทำปฏิกิริยาได้ยากแต่ไม่ใช่เป็นไปไม่ได้ แก๊สมีตระกูลที่หนักกว่าจะยึดอิเล็กตรอนวงนอกของพวกมันไว้ค่อนข้างหลวม ดังนั้นสารออกซิไดซ์ที่แข็งแกร่งมาก เช่น ฟลูออรีนและแพลทินัมเฮกซาฟลูออไรด์ จึงสามารถดึงหรือใช้อิเล็กตรอนเหล่านั้นร่วมกันและสร้างพันธะเคมีที่แท้จริงได้

เหตุใดซีนอนจึงทำปฏิกิริยาได้มากกว่าฮีเลียมหรือนีออนมาก?

พลังงานไอออไนเซชันลดลงตามหมู่ 18 เนื่องจากอิเล็กตรอนเวเลนซ์อยู่ห่างจากนิวเคลียสมากขึ้น ดังนั้นอิเล็กตรอนของซีนอนจึงมีส่วนร่วมได้ง่ายกว่าของฮีเลียมหรือนีออนมาก ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมเคมีที่เสถียรจึงมีอยู่ส่วนใหญ่สำหรับซีนอน และในระดับที่น้อยกว่าคือคริปทอนและเรดอน