สารประกอบของก๊าซมีตระกูล

เบื้องหลัง ประวัติ และความเป็นมา

ในสมัยก่อนศตวรรษที่ 20 ผู้คนในสมัยนั้นยังเชื่อกันว่าก๊าซมีตระกูลไม่สามารถเกิดสารประกอบได้ เนื่องจากธาตุเหล่านั้นมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนครบแปดตัว จึงทำให้มันเสถียรและไม่สามารถเกิดปฏิกิริยาได้ ก๊าซมีตระกูลทุกชนิดมีอิเล็กตรอนเต็มใน s และ p ออร์บิทัล ในระดับพลังงานที่สูงที่สุด เว้นเสียแต่ธาตุฮีเลียมที่มีเฉพาะ s ออร์บิทัลในวงนอกสุดเท่านั้น รวมทั้งยังมีค่าพลังงานไอออไนเซชันสูงและค่าสัมพรรคภาพอิเล็กตรอนต่ำอีกด้วย ผู้คนในสมัยก่อนจึงเชื่อกันว่าธาตุเหล่านี้ไม่สามารถเกิดสารประกอบได้ด้วยเหตุผลเหล่านี้นั่นเอง
ในปี พ.ศ. 2476 (ค.ศ. 1933) ไลนัส พอลลิง ได้ทำนายว่าก๊าซมีตระกูลที่มีเลขอะตอมสูงจะสามารถทำปฏิกิริยากับฟลูออรีนและออกซิเจนได้ ยิ่งไปกว่านั้น เขายังทำนายอีกว่าสามารถเกิดสารประกอบ คริปตอนเฮกซะฟลูออไรด์ และ ซีนอนเฮกซะฟลูออไรด์ ได้ และยังทำนายอีกว่า จะเกิดสารประกอบซีนอนออกตะฟลูออไรด์ซึ่งไม่เสถียร รวมทั้งทำนายว่า กรดซีนิก จะให้เกลือเป็นเกลือเปอร์ซีเนต การทำนายนี้ใกล้เคียงความเป็นจริงมาก ยกเว้นเพียงแค่ซีนอนออกตะฟลูออไรด์เท่านั้นที่ในปัจจุบันนี้มีการทำนายเพิ่มเติมว่า สารประกอบนี้นอกจากจะไม่เสถียรในทางอุณหพลศาสตร์แล้ว ยังไม่เสถียรในทางจลนพลศาสตร์อีกด้วย และสารประกอบนี้ยังผลิตไม่ได้จนถีง พ.ศ. 2549
ก๊าซมีตระกูลที่เป็นธาตุหนักจะมีออร์บิทัลของอิเล็กตรอนมากกว่าธาตุเบา (ธาตุที่อยู่ทางตอนบนของตารางธาตุ) ดังนั้น อิเล็กตรอนในระดับพลังงานชั้นที่สูงสุด (ชั้นที่อยู่ห่างจากนิวเคลียสมากที่สุด) ก็จะถูกกำบังจากบรรดาอิเล็กตรอนในระดับพลังงานชั้นต่ำ จึงเป็นเหตุให้ธาตุแตกตัวเป็นไอออนได้ง่าย เนื่องจากอิเล็กตรอนเหล่านั้นได้รับแรงดึงดูดทางไฟฟ้าจากนิวเคลียสน้อยมาก จึงส่งให้ค่าพลังงานไอออไนเซชันของธาตุเหล่านั้นต่ำพอที่จะเกิดปฏิกิริยาทางเคมีกับธาตุที่มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูง อันได้แก่ ออกซิเจน และ ฟลูออรีน

คลาเทรต

สารประกอบคลาเทรต (en:Clathrate) เหล่านี้เกิดจากการที่อะตอมของก๊าซมีตระกูลถูกดักจับอยู่ภายในช่องโหว่ของผลึกสารประกอบอินทรีย์และอนินทรีย์บางชนิด เงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับการเกิดสารประกอบเหล่านี้คืออะตอมของก๊าซมีตระกูลต้องมีขนาดที่เหมาะสมที่จะบรรจุในช่องโหว่ของผลึกนั้นได้ ตัวอย่างเช่น อาร์กอน คริปตอน และซีนอนสามารถเกิดสารประกอบคลาเทรตกับ β-quinol ได้ แต่ฮีเลียมและนีออนไม่สามารถถูกจับได้เพราะว่าขนาดของอะตอมเล็กเกินไป ซึ่งคลาเทรตเหล่านี้นำไปใช้ในการแยกฮีเลียมและนีออนออกจากอาร์กอน คริปตอน และซีนอนได้ รวมทั้งสารประกอบคลาเทรตของคริปตอน-85 เป็นแหล่งรังสีบีตาที่ปลอดภัย ในขณะที่สารประกอบคลาเทรตของซีนอน-133 เป็นแหล่งที่ปลอดภัยในการให้รังสีแกมมา

สารประกอบโคออร์ดิเนชัน

สารประกอบโคออร์ดิเนชันของก๊าซมีตระกูลเช่น Ar·BF₃ ได้ถูกสมมติว่ามีจริงที่อุณหภูมิต่ำ แต่ยังไม่เคยมีการพิสูจน์แต่อย่างใด ส่วนสารประกอบ WHe₂ และ HgHe₂ ก็ได้มีการรายงานว่ามีการสร้างขึ้นโดยการ electron bombardment แต่งานวิจัยล่าสุดนั้นชี้ให้เห็นว่าอะตอมของฮีเลียมอาจถูกดูดซับไว้พนผิวของโลหะ นั่นหมายความว่าสารประกอบเหล่านี้จึงไม่อาจเรียกว่าเป็นสารประกอบที่แท้จริง

สารประกอบไฮเดรต

สารประกอบนี้สามารถเตรียมได้โดยการอัดก๊าซมีตระกูลในน้ำ ซึ่งเชื่อกันว่าโมเลกุลของน้ำซึ่งมีสภาพขั้วแรงจะเหนี่ยวนำให้เกิดสภาพขั้วอย่างอ่อนภายในอะตอมของก๊าซมีตระกูล ส่งผลให้เกิดแรงไดโพลซึ่งกันและกัน อะตอมที่หนักกว่าจะถูกเหนี่ยวนำได้ง่ายกว่าอะตอมก๊าซมีตระกูลประเภทธาตุเบา ดังนั้น Xe·6H₂O จึงเป็นสารประกอบไฮเดรตที่มีเสถียรภาพสูงสุด แต่ทว่าในช่วงสองสามปีที่ผ่านมานั้นได้มีการถกเถียงกันเกี่ยวกับการมีอยู่จริงของสารประกอบเหล่านี้

สารประกอบของก๊าซมีตระกูลที่แท้จริง

ในปี พ.ศ. 2505 นีล บาร์เลตต์ สังเกตว่าสารประกอบแพลทินัมเฮกซะฟลูออไรด์ ทำให้ O₂ เสียอิเล็กตรอนกลายเป็น O₂⁺ และค่าพลังงานไอออไนเซชันของออกซิเจนในสภาวะโมเลกุล (1165 kJ mol–1) นั้นใกล้เคียงกับของซีนอน (1170 kJ mol–1) เขาจึงทดสอบการเกิดปฏิกิริยาระหว่างซีนอนกับแพลทินัมเฮกซะฟลูออไรด์ ซึ่งได้ผลิตภัณฑ์เป็นผลึกของซีนอนเฮกซะฟลูออโรแพลทิเนต (en:xenon hexafluoroplatinate) ซึ่งเขาได้เสนอสูตรของสารประกอบนี้ว่า Xe⁺[PtF₆]– และในเวลาต่อมา ได้มีการแสดงให้เห็นว่าสูตรสารประกอบนี้มีความซับซ้อนมากกว่าที่บาร์เลตต์ได้นำเสนอไว้ ซึ่งสารประกอบนี้ประกอบด้วย XeFPtF₆ และ XeFPt₂F₁₁ ซึ่งสารประกอบนี้เป็นสารประกอบที่แท้จริงของก๊าซมีตระกูลชนิดแรก
ต่อมาในปีเดียวกัน ได้มีการสังเคราะห์สารประกอบธาตุคู่ของก๊าซมีตระกูลสารแรกโดยฮาเวิร์ด คลาสเซน (Howard Claassen) โดยการให้ก๊าซฟลูออรีนและก๊าซซีนอนทำปฏิกิริยากันที่อุณหภูมิสูง
ไม่นานมานี้ สารประกอบหลายชนิดของก๊าซมีตระกูลโดยเฉพาะซีนอนได้มีการสังเคราะห์ขึ้นมา ได้แก่สารจำพวกฟลูออไรด์ (XeF₂, XeF₄, XeF₆) , ออกซีฟลูออไรด์ (XeOF₂, XeOF₄, XeO₂F₂, XeO₃F₂, XeO₂F₄) และออกไซด์ (XeO₃ และ XeO₄) ซีนอนไดฟลูออไรด์สามารถเตรียมได้โดยปฏิกิริยาระหว่างแก๊สซีนอนและแก๊สฟลูออรีนโดยใช้แสงอาทิตย์ ในขณะที่มีความพยายามกว่า 50 ปี ในการที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยาระห่างซีนอนและฟลูออรีน แต่ไม่มีใครเคยคาดคิดถึงการใช้แสงอาทิตย์ช่วยเลย
เรดอนสามารถทำปฏิกิริยากับฟลูออรีนได้สารประกอบเรดอนไดฟลูออไรด์ (RnF₂) ซึ่งสามารถเรืองแสงสีเหลืองในสภาวะของแข็ง คริปตอนสามารถทำปฏิกิริยากับฟลูออรีนได้คริปตอนฟลูออไรด์ (KrF₂) รวมไปถึงโมเลกุล Xe₂ ในสภาวะกระตุ้น (ซึ่งมีอายุสั้น) และสารประกอบแฮไลด์ของก๊าซมีตระกูลเช่น ซีนอนคลอไรด์ (XeCl₂) นั้นใช้ในเอกซ์ไซเมอร์เลเซอร์ และได้มีการประกาศถึงการค้นพบสารประกอบอาร์กอนฟลูออโรไฮไดรด์ (HArF) ในปี พ.ศ. 2543 แต่ยังไม่มีการค้นพบสารประกอบของฮีเลียมและนีออน
ล่าสุดได้มีการค้นพบสารประกอบของซีนอนที่มีสูตรทั่วไปว่า XeOₓY₂ เมื่อ x คือ 1,2 หรือ 3 และ Y เป็นหมู่อะตอมที่มีประจุเป็นลบ เช่น CF₃, C (SO₂CF₃) ₃, N (SO₂F) ₂, N (SO₂CF₃) ₂, OTeF₅, O (IO₂F₂) เป็นต้น และได้มีการค้นพบสารประกอบของก๊าซมีตระกูลกว่าพันชนิด และเกิดพันธะระหว่างซีนอนกับธาตุอื่นๆ อาทิเช่น ออกซิเจน, ไนโตรเจน, คาร์บอน และแม้กระทั่งทองคำ สารประกอบอื่นๆ ได้แก่ กรดเปอร์ซีนิก, แฮไลด์หลายชนิด และไอออนเชิงซ้อน สารประกอบ Xe₂Sb₂F₁₁ มีพันธะซีนอน-ซีนอนยาว 308.71 pm ซึ่งเป็นค่าความยาวพันธะระหว่างอะตอม-อะตอมที่ยาวที่สุดที่เคยมีมา

สารประกอบของธาตุกับฟูลเลอรีน

ก๊าซมีตระกูลสามารถเกิดสารประกอบเอนโดฮีดรัลฟูลเลอรีน (en:endohedral fullerine) เมื่ออะตอมของก๊าซมีตระกูลถูกดักจับไว้ภายในโมเลกุลของฟูลเลอรีน ในปี พ.ศ. 2536 ได้มีการค้นพบว่า ถ้า C₆₀ ถูกอัดด้วยความดันประมาณ 3 บาร์ในก๊าซฮีเลียมหรือก๊าซนีออน จะเกิดสารเชิงซ้อน He@C₆₀ และ Ne@C₆₀

การนำไปใช้ประโยชน์

สารประกอบเหล่านี้มีการนำไปใช้ประโยชน์ในด้านการเป็นตัวออกซิไดส์ กรดซีนิกเป็นสารออกซิไดส์ที่มีราคาสูงมาก เนื่องจากมันจะไม่ไปเกิดปฏิกิริยากับสิ่งเจือปนใดๆ เลย เกลือเปอร์ซีเนตเป็นสารออกซิไดส์ที่มีประสิทธิภาพสูง และฟลูออไรด์ของซีนอนเป็นสารเติมฟลูออรีนที่ดี
ไอโซโทปกัมมันตรังสีของคริปตอนและซีนอนนั้นจัดเก็บได้ยาก และสารประกอบของมันสามารถเก็บรักษาไว้ได้ดีกว่าในสถานะก๊าซ