แก๊สมีสกุล

แก๊สมีสกุล หรือ แก๊สมีตระกูล (ในอดีตเรียกว่า แก๊สเฉื่อย หรือบางครั้งใช้ชื่อว่า aerogens^[1]) เป็นกลุ่มของธาตุทางเคมีที่มีสมบัติคล้ายกัน ภายใต้ภาวะมาตรฐานสำหรับอุณหภูมิและความดันธาตุเหล่านี้ต่างไม่มีกลิ่น ไม่มีสี เป็นแก๊สอะตอมเดี่ยวซึ่งไม่มีความว่องไวต่อปฏิกริยาเคมี แก๊สมีสกุลที่เกิดในธรรมชาติทั้งหกธาตุ ได้แก่ ฮีเลียม (He), นีออน (Ne), อาร์กอน (Ar), คริปทอน (Kr), ซีนอน (Xe) และเรดอน (Rn)

แก๊สมีสกุล
Hydrogen Helium Lithium Beryllium Boron Carbon Nitrogen Oxygen Fluorine Neon Sodium Magnesium Aluminium Silicon Phosphorus Sulfur Chlorine Argon Potassium Calcium Scandium Titanium Vanadium Chromium Manganese Iron Cobalt Nickel Copper Zinc Gallium Germanium Arsenic Selenium Bromine Krypton Rubidium Strontium Yttrium Zirconium Niobium Molybdenum Technetium Ruthenium Rhodium Palladium Silver Cadmium Indium Tin Antimony Tellurium Iodine Xenon Caesium Barium Lanthanum Cerium Praseodymium Neodymium Promethium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutetium Hafnium Tantalum Tungsten Rhenium Osmium Iridium Platinum Gold Mercury (element) Thallium Lead Bismuth Polonium Astatine Radon Francium Radium Actinium Thorium Protactinium Uranium Neptunium Plutonium Americium Curium Berkelium Californium Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson แฮโลเจน ←    → โลหะแอลคาไล
เลขหมู่ตาม IUPAC 18 ชื่อตามธาตุ หมู่ฮีเลียมหรือ หมู่นีออน ชื่อสามัญ แก๊สมีสกุล เลขหมู่ตาม CAS (อเมริกัน, รูปแบบ A-B-A) VIIIA เลขเดิมตาม IUPAC (ยุโรป, รูปแบบ A-B) 0
↓ คาบ
1	ฮีเลียม (He) 2
2	นีออน (Ne) 10
3	อาร์กอน (Ar) 18
4	คริปตอน (Kr) 36
5	ซีนอน (Xe) 54
6	เรดอน (Rn) 86
7	โอกาเนสซอน (Og) 118
คำอธิบาย ธาตุดั้งเดิม [en] ธาตุโดยการแผ่รังสี สีของเลขอะตอม แดง=แก๊ส
ด ค ก

โอกาเนสซอน (Og) เป็นธาตุสังเคราะห์มีความเป็นกัมมันตรังสีสูงมาก แม้ว่า IUPAC จัดโอกาเนสซอนเป็นแก๊สมีสกุลหรือหมู่ที่ 18^[2] มันอาจไม่เฉื่อยทางเคมีเหมือนธาตุอื่นในหมู่เดียวกัน และถูกทำนายว่าจะสลายและแผ่กัมมันตรังสีเนื่องจากปรากฏการณ์สัมพัทธ์ เนื่องจากครึ่งชีวิตที่สั้นเพียง 0.7 ไมโครวินาทีของไอโซโทปตัวเดียว ทำให้คุณสมบัติทางเคมีของโอกาเนสซอนยังไม่มีการศึกษามากนัก

สำหรับหกคาบแรกของตารางธาตุ แก๊สมีสกุลเป็นสมาชิกของธาตุหมู่ 18 อย่างแท้จริง แก๊สมีสกุลมักจะไม่ว่องไวต่อปฏิกิริยาเคมีอย่างมาก ยกเว้นภายใต้สภาวะสุดขั้ว ความเฉื่อยของแก๊สมีสกุลทำให้มันสามารถประยุกต์ได้หลากหลาย เนื่องจากความสามารถในการเกิดปฏิกิริยาน้อย เช่นการเติมอาร์กอนในหลอดไส้ร้อนแบบธรรมดาเพื่อป้องกันไม่ให้ไส้หลอดทังสเตนเกิดการออกซิไดส์ และฮีเลียมใช้เติมถังแก๊สสำหรับหายใจสำหรับนักดำน้ำลึก เพื่อป้องกันภาวะเป็นพิษจากแก๊สออกซิเจน แก๊สไนโตรเจนและแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์

คุณสมบัติของแก๊สมีสกุลสามารถอธิบายด้วยทฤษฎียุคใหม่ของโครงสร้างอะตอม แก๊สมีสกุลมีอิเล็กตรอนชั้นนอกสุดหรือเวเลนซ์อิเล็กตรอนเต็มชั้น ทำให้มันมีแนวโน้มน้อยที่เกิดปฏิกิริยาเคมี และสามารถเกิดสารประกอบของแก๊สมีสกุลเพียงร้อยสารประกอบเท่านั้น จุดหลอมเหลวและจุดเดือดมีค่าแตกต่างกันน้อยกว่า 10 องศาเซลเซียส (18 องศาฟาเรนไฮต์) แสดงว่าแก๊สมีสกุลมีสถานะเป็นของเหลวในช่วงอุณหภูมิที่แคบ

นีออน อาร์กอน คริปทอนและซีนอนสามารถแยกออกจากอากาศ ในโรงแยกอากาศด้วยวิธีลิเคอแฟคชัน [en]และการกลั่นลำดับส่วน สามารถรวบรวมฮีเลียมได้จากแหล่งแก๊สธรรมชาติ ซึ่งประกอบด้วยฮีเลียมเข้มข้นสูงในแก๊สธรรมชาติ ด้วยเทคนิคการแยกแก๊สแบบอุณหภูมิต่ำ และเรดอนมักแยกจากการสลายให้กัมมันตรังสีของสารประกอบเรเดียม ทอเรียมหรือยูเรเนียม แก๊สมีสกุลสามารถประยุกต์ใช้ในหลายอุตสาหกรรม เช่นหลอดไฟ การเชื่อมและการสำรวจอวกาศ ถังแก๊สฮีเลียม-ออกซิเจนสำหรับหายใจ นิยมใช้ในการดำน้ำลึกที่ความลึก 55 เมตร (180 ฟุต) จากระดับน้ำทะเล หลังจากที่ความเสี่ยงที่เกิดจากความไวไฟของแก๊สไฮโดรเจนเป็นที่แจ่มแจ้งในวินาศภัยฮินเดินบวร์ค จึงแทนที่ไฮโดรเจนด้วยฮีเลียมในเรือเหาะและอื่น ๆ

ประวัติ

แก๊สมีสกุล แปลมาจากคำว่า Edelgas ในภาษาเยอรมัน คำดังกล่าวถูกใช้คำครั้งแรกในปี ค.ศ. 1898 โดยฮิวโก้ เอิร์ดแมนน์^[3] เพื่อบ่งบอกถึงระดับความว่องไวต่อปฏิกิริยาที่ต่ำ ตั้งชื่อดังกล่าวด้วยเหตุผลเดียวกับ "โลหะมีสกุล" ซึ่งมีค่าความว่องไวต่อปฏิกิริยาที่ต่ำเช่นเดียวกัน อีกชื่อของแก๊สมีสกุลอย่างแก๊สเฉื่อยไม่ได้รับความนิยมแล้ว เนื่องจากสารประกอบของแก๊สมีสกุลเป็นที่รู้จักมากกว่าเดิม^[4] และ แก๊สหายาก ซึ่งเป็นอีกชื่อที่เคยใช้^[5] ไม่ถูกต้อง เพราะการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีโพแทสเซียม-40 ทำให้อาร์กอนเป็นส่วนประกอบของบรรยากาศของโลกมากถึง 0.94% โดยปริมาตร และ 1.3% โดยมวล^[6]

พบฮีเลียมครั้งแรกในชั้นบรรยากาศรอบดวงอาทิตย์ เนื่องจากคุณสมบัติเฉพาะของมันเส้นสเปกตรัม

ปีแยร์ ฌ็องซ็องและนอร์แมน ล็อกเยอร์ค้นพบธาตุใหม่ในวันที่ 18 สิงหาคม ค.ศ. 1868 ขณะมองไปที่ชั้นโครโมสเฟียร์ของดวงอาทิตย์ และตั้งชื่อมันว่าฮีเลียม จากคำว่า ἥλιος (hḗlios)^[7] ซึ่งมีความหมายในภาษากรีกว่าดวงอาทิตย์ การวิเคราะห์ทางเคมีที่สามารถพิสูจน์ว่าฮีเลียมเป็นแก๊สมีสกุลเกิดขึ้นในภายหลัง ก่อนการพิสูจน์ดังกล่าว เมื่อปี ค.ศ. 1784 นักเคมีและนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ เฮนรี คาเวนดิชค้นพบสารจำนวนน้อยในอากาศที่มีความว่องไวต่อปฏิกิริยาต่ำกว่าไนโตรเจน^[8] ต่อมาในปี ค.ศ. 1895 จอห์น วิลเลียม สตรัทท์ หรือ ลอร์ดเรย์ลี ค้นพบว่าสารไนโตรเจนตัวอย่างจากอากาศมีความหนาแน่นต่างจากไนโตรเจนที่ได้จากปฏิกิริยาเคมี ร่วมกันกับนักวิทยาศาสตร์ชาวสกอตแลนด์ วิลเลียม แรมซีย์จากยูนิเวอร์ซิตีคอลลิจลันเดิน เรย์ลีได้ตั้งทฤษฎีขึ้นว่าไนโตรเจนที่สกัดได้จากอากาศปนเปื้อนกับแก๊สอื่น นำไปสู่การทดลองที่ประสบความสำเร็จในการสกัดธาตุใหม่อย่างอาร์กอน ซึ่งตั้งชื่อจากคำภาษากรีกว่า ἀργός (argós ซึ่งมีความหมายว่า "ไม่ได้ใช้งาน" หรือ "ขี้เกียจ")^[8] การค้นพบใหม่ทำให้พวกเขาตระหนักว่ามีแก๊สจำนวนมากหายไปจากตารางธาตุ ในการทดลองเพื่อหาธาตุอาร์กอน แรมซีย์ก็ยังพบวิธีสกัดฮีเลียมเป็นครั้งแรก ขณะให้ความร้อนแก่แร่ธาตุชื่อคลีเวต หลังได้รับหลักฐานการมีอยู่ของธาตุฮีเลียมและอาร์กอน ใน ค.ศ. 1902 ดมีตรี เมนเดเลเยฟได้เพิ่มแก๊สมีสกุลทั้งสองลงในกลุ่มที่ 0 ของลำดับการเรียงธาตุของเขา ภายหลังรู้จักในชื่อตารางธาตุ^[9]

แรมซีย์ทำการทดลองหาแก๊สมีสกุลต่อไป ด้วยการใช้วิธีการกลั่นแบบลำดับส่วนในการแยกอากาศเหลวกลายเป็นส่วนประกอบต่าง ๆ จน ค.ศ. 1898 เขาได้ค้นพบธาตุคริปทอน, นีออน, และซีนอน ซึ่งตั้งชื่อตามคำภาษากรีกว่า κρυπτός (kryptós, "หาย"), νέος (néos, "ใหม่") และ ξένος (ksénos, "แปลก") ตามลำดับ เรดอนถูกค้นพบตั้งแต่ ค.ศ. 1898 โดยฟรีดริช แอ็นสท์ ดอร์น^[10] และตั้งชื่อจาก การแผ่รังสีเรเดียม แต่เรดอนเพิ่งจัดเป็นแก๊สมีสกุลหลัง ค.ศ. 1904 เมื่อค้นพบว่าคุณสมบัติต่าง ๆ มีลักษณะเหมือนกับแก๊สมีสกุลอื่น ๆ ^[11] เรย์ลีและแรมซีย์ได้รับรางวัลโนเบล ประจำ ค.ศ. 1904 ในสาขาฟิสิกส์และเคมีตามลำดับ จากการค้นพบการมีอยู่ของแก๊สมีสกุล^[12][13] เจ. อี. เซเดอร์บลอม นายกราชบัณฑิตยสภาวิทยาศาสตร์แห่งสวีเดนกล่าวไว้ว่า "การค้นพบกลุ่มของธาตุใหม่ทั้งหมด โดยที่ยังไม่มีธาตุใดเป็นต้นแบบของกลุ่มอยู่เลย นับเป็นสิ่งที่ยิ่งใหญ่และมีเอกลักษณ์มากในประวัติศาสตร์ของเคมี สิ่งนี้จะเป็นความก้าวหน้าที่สำคัญต่อการค้นคว้า" การค้นคว้าเกี่ยวกับแก๊สมีสกุลมีส่วนช่วยอย่างมากในการพัฒนาองค์ความรู้ด้านโครงสร้างอะตอม ใน ค.ศ. 1895 นักเคมี ชาวฝรั่งเศส อ็องรี มัวซ็องได้พยายามสร้างปฏิกิริยาเคมีระหว่างฟลูออรีนที่มีคุณสมบัติอิเล็กโตรเนกาทิวิตีสูง และอาร์กอน หนึ่งในแก๊สมีสกุล แต่การทดลองกลับล้มเหลว การเตรียมสารประกอบอาร์กอนยังเป็นไปไม่ได้จนจบคริสต์ศตวรรษที่ 20 แต่การท้าทายความเป็นไปได้ดังกล่าวทำให้เกิดทฤษฎีของโครงสร้างอะตอมใหม่ ๆ ตามมา ด้วยความรู้จากการทดลองที่ผ่านมา เมื่อ ค.ศ. 1913 นักฟิสิกส์ชาวเดนิช นิลส์ โปร์เสนอทฤษฎีโครงสร้างอะตอมว่า อิเล็กตรอนในอะตอมต่างเรียงอยู่ภายในระดับชั้นพลังงานรอบนิวเคลียส และธาตุทั้งหมดในแก๊สมีสกุลยกเว้นฮีเลียม ล้วนมีอิเล็กตรอนในระดับพลังงานวงนอกครบ 8 อิเล็กตรอนเสมอ^[11] ต่อมาใน ค.ศ. 1916 กิลเบิร์ต เอ็น ลิวอิสได้คิดค้นกฎออกเตตซึ่งสามารถสรุปได้ว่าการจับตัวครบแปดของอิเล็กตรอนในระดับพลังงานวงนอกเป็นการจัดเรียงตัวที่เสถียรที่สุดสำหรับอะตอมใด ๆ โดยธาตุที่มีการจัดรูปแบบนี้จะไม่ตอบสนองต่อธาตุอื่น ๆ เนื่องจากไม่ต้องการอิเล็กตรอนมารวมในระดับพลังงานวงนอกอีกแล้ว^[14] ใน ค.ศ. 1962 นักเคมี นีล บาร์ตเลตต์ค้นพบซีนอนเฮกซะฟลูออโรแพลทิเนต^[15] สารประกอบของแก๊สมีสกุลที่ค้นพบเป็นครั้งแรก สารประกอบของแก๊สมีสกุลชนิดอื่นค้นพบในเวลาต่อมา เช่น สารประกอบของธาตุเรดอนอย่างเรดอนไดฟลูออไรด์ (RnF
₂) ^[16] ค้นพบใน ค.ศ. 1962 จากรอยสารกัมมันตภาพรังสี สารประกอบของธาตุคริปทอนอย่างคริปทอนไดฟลูออไรด์ (KrF
₂)^[17]ค้นพบใน ค.ศ. 1963 ส่วนสารประกอบอาร์กอนตัวแรกที่เสถียรบันทึกไว้ใน ค.ศ. 2000 เมื่ออาร์กอนฟลูออโรไฮไดรด์ (HArF) เกิดการจับตัวที่อุณหภูมิ 40 เคลวิน (−233.2 องศาเซลเซียส; −387.7 องศาฟาเรนไฮต์)^[18]

ในเดือนตุลาคม ค.ศ. 2006 นักวิทยาศาสตร์จากสถาบันร่วมเพื่อการวิจัยนิวเคลียร์และห้องปฏิบัติการแห่งชาติ ลอว์เรนซ์ ลิเวอร์มอร์สามารถสังเคราะห์โอกาเนสซอนซึ่งเป็นธาตุที่ 17 ในกลุ่มที่ 18 ของตารางธาตุ^[19] ได้สำเร็จ โดยการรวมตัวของแคลิฟอร์เนียมกับแคลเซียม^[20]

สมบัติทางกายภาพและอะตอม

สมบัติ[11][21]	ฮีเลียม	นีออน	อาร์กอน	คริปทอน	ซีนอน	เรดอน	โอกาเนสซอน
ความหนาแน่น (g/dm3)	0.1786	0.9002	1.7818	3.708	5.851	9.97	7200 (ค่าทำนาย)[22]
จุดเดือด (K)	4.4	27.3	87.4	121.5	166.6	211.5	450±10 (ค่าทำนาย)[22]
จุดหลอมเหลว (K)	–[23]	24.7	83.6	115.8	161.7	202.2	325±15 (ค่าทำนาย)[22]
ความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอ (kJ/mol)	0.08	1.74	6.52	9.05	12.65	18.1	–
การละลาย ในน้ำที่อุณหภูมิ 20 °C (cm3/kg)	8.61	10.5	33.6	59.4	108.1	230	–
เลขอะตอม	2	10	18	36	54	86	118
รัศมีอะตอม (จากการคำนวณ) (pm)	31	38	71	88	108	120	–
พลังงานไอออไนเซชัน (kJ/mol)	2372	2080	1520	1351	1170	1037	839 (ค่าทำนาย)[24]
อิเล็กโตรเนกาทิวิตี[25]	4.16	4.79	3.24	2.97	2.58	2.60	2.59[26]

สำหรับข้อมูลเพิ่มเติม ดูต่อที่ แก๊สมีสกุล (หน้าข้อมูล)

แก๊สมีสกุลมีแรงระหว่างอะตอม [en]ที่อ่อน ส่งผลให้จุดเดือดและจุดหลอมเหลวต่ำมาก แก๊สมีสกุลเป็นแก๊สอะตอมเดี่ยว [en]ภายใต้ภาวะมาตรฐาน รวมถึงเป็นธาตุที่มีมวลอะตอมสูงกว่าธาตุที่เป็นของแข็งทั่วไป^[11] ฮีเลียมมีปริมาณที่เป็นเอกลักษณ์กว่าธาตุอื่น โดยมีจุดเดือดที่ 1 บรรยากาศมาตรฐานต่ำกว่าสสารอื่น ฮีเลียมเป็นธาตุเดียวที่แสดงสมบัติของของไหลยวดยิ่งและเป็นธาตุเดียวที่ไม่สามารถทำให้เป็นของแข็งด้วยการลดอุณหภูมิที่ความดันบรรยากาศ^[27] (ปรากฏการณ์นี้สามารถอธิบายด้วยกลศาสตร์ควอนตัมว่าพลังงานจุดศูนย์ [en]มากเกินไปที่จะเกิดการเยือกแข็ง)^[28] – ต้องให้ความดัน 25 บรรยากาศมาตรฐาน (2,500 กิโลปาสกาล; 370 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว) ที่อุณหภูมิ 0.95 เคลวิน (−272.200 องศาเซลเซียส; −457.960 องศาฟาเรนไฮต์) เพื่อเปลี่ยนให้ฮีเลียมเป็นของแข็ง^[27] ในขณะที่ต้องใช้ความดันประมาณ 115 kbar สำหรับอุณหภูมิห้อง^[29] แก๊สมีสกุลจนถึงซีนอนมีไอโซโทปที่เสถียรหลายไอโซโทป เรดอนไม่มีไอโซโทปเสถียร โดยไอโซโทปที่คงตัวได้นานที่สุดคือ Rn-222 [en] ด้วยครึ่งชีวิต 3.8 วันและสลายเป็นฮีเลียมกับพอโลเนียม ซึ่งจะสลายต่อเป็นตะกั่ว จุดหลอมเหลวและจุดเดือดจะเพิ่มขึ้นไล่จากบนลงล่างของหมู่

กราฟความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานไอออไนเซชันกับเลขอะตอม แก๊สมีสกุลที่ระบุไว้มีพลังงานไอออไนเซชันสูงที่สุดในแต่ละคาบ

อะตอมของแก๊สมีสกุลเช่นเดียวกันกับอะตอมในหมู่ส่วนใหญ่ มีรัศมีอะตอมเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องจากคาบหนึ่งไปอีกคาบหนึ่งเนื่องจากการเพิ่มจำนวนของอิเล็กตรอน ขนาดของอะตอมสัมพันธ์กับสมบัติหลายประการ ตัวอย่างเช่นพลังงานไอออไนเซชันลดลงกลับกันกับรัศมีที่เพิ่มขึ้น เนื่องจากเวเลนซ์อิเล็กตรอนในแก๊สมีสกุลที่ใหญ่กว่าจะห่างจากนิวเคลียสทำให้อิเล็กตรอนไม่ได้กระจุกตัวอย่างแน่นในอะตอมเท่ากับแก๊สมีสกุลที่เล็กกว่า แก๊สมีสกุลมีพลังงานไอออไนเซชันมากที่สุดเมื่อเทียบกับธาตุในคาบเดียวกัน ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความเสถียรของการจัดเรียงอิเล็กตรอนและสัมพันธ์กับความไม่ว่องไวต่อปฏิกิริยาเคมี^[21] แต่อย่างไรก็ตาม แก๊สมีสกุลที่หนักบางธาตุมีพลังงานไอออไนเซชันน้อยพอที่จะเปรียบเทียบกับธาตุและโมเลกุลอื่น ข้อมูลเชิงลึกระบุว่าซีนอนมีพลังงานไอออไนเซชันเท่ากับโมเลกุลออกซิเจน ทำให้บาร์ทเล็ตพยายามออกซิไดส์ซีนอนด้วยแพลทตินัมเฮกซะฟลูออไรด์ [en](PtF₆) ซึ่งเป็นตัวออกซิไดซ์ที่แรงมากพอให้เกิดปฏิกิริยากับออกซิเจน^[15] แก๊สมีสกุลไม่สามารถรับอิเล็กตรอนจากไอออนลบ เนื่องจากมีสัมพรรคภาพอิเล็กตรอนน้อยกว่าศูนย์^[30]

สมบัติทางกายภาพของแก๊สมีสกุลกำหนดโดยแรงแวนเดอร์วาลส์ระหว่างอะตอมที่อ่อน แรงดึงดูดเพิ่มขึ้นตามขนาดของอะตอมเนื่องจากการเพิ่มขึ้นของสภาพมีขั้วได้ [en] และการลดลงของพลังงานไอออนไนเซชัน นั่นส่งผลให้เกิดแนวโน้มของค่าต่าง ๆ ไล่จากบนลงล่างตามธาตุหมู่ 18 โดยรัศมีอะตอมและแรงระหว่างอะตอมจะเพิ่มขึ้น ทำให้จุดเดือด จุดหลอมเหลว ความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอและความสามารถในการละลาย ส่วนการเพิ่มขึ้นของความหนาแน่นเกิดจากการเพิ่มของมวลอะตอม^[21]

แก๊สมีสกุลมีสมบัติใกล้เคียงแก๊สอุดมคติภายใต้ภาวะมาตรฐาน แต่เมื่อพิจารณาค่าเบี่ยงเบนจากกฎของแก๊สอุดมคติจะนำไปสู่การศึกษาเกี่ยวกับแรงระหว่างโมเลกุล ศักย์เลนนาร์ด-โจนส์ [en]มักใช้ในการจำลองปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุล เป็นโมเดลที่เสนอในปี ค.ศ. 1924 โดย โจห์น เลนนาร์ด-โจนส์ [en] จากข้อมูลที่ทดลองกับอาร์บอนก่อนที่กลศาสตร์ควอนตัมจะให้เครื่องมือสำหรับการทำความเข้าใจเรื่องแรงระหว่าโมเลกุลด้วยหลักการแรกเริ่ม [en]^[31] การวิเคราะห์เชิงทฤษฎีของปฏิสัมพันธ์เหล่านี้สามารถทำได้ง่ายเพราะแก๊สมีสกุลเป็นแก๊สอะตอมเดี่ยวและเป็นทรงกลม หมายความว่าปฏิสัมพันธ์ระหว่างอะตอมไม่ขึ้นกับทิศทางหรือมีสมบัติเป็นไอโซทรอปิก

สมบัติทางเคมี

แก๊สมีสกุลไม่มีสี ไม่มีกลิ่น ไม่มีรส และไม่ติดไฟภายใต้สภาวะมาตรฐาน^[32] ครั้งหนึ่งพวกมันถูกระบุว่าเป็น หมู่ 0 ในตารางธาตุเพราะเชื่อว่าพวกมันมีวาเลนซ์เป็นศูนย์ ซึ่งหมายความว่าอะตอมของพวกมันไม่สามารถรวมตัวกับธาตุอื่นเพื่อสร้างสารประกอบได้ อย่างไรก็ตาม มีการค้นพบในภายหลังว่าบางชนิดก่อตัวเป็นสารประกอบ ทำให้ฉลากนี้เลิกใช้ไป^[11]

การจัดเรียงอิเล็กตรอน

ดูเพิ่ม: การจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุ (หน้าข้อมูล)

เช่นเดียวกับกลุ่มอื่น ๆ 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)

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

ใช้ร่วมกับสัญกรณ์โครงแบบอิเล็กตรอนเพื่อสร้าง สัญกรณ์แก๊สมีสกุล 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

บทความหลัก: สารประกอบของแก๊สมีสกุล

โครงสร้างของ XeF
₄ 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 (KrF
₆) และ xenon hexafluoride (XeF
₆) โดยสันนิษฐานว่า XeF
₈ อาจมีอยู่เป็นสารประกอบที่ไม่เสถียร และเสนอว่า xenic acid สามารถสร้างเกลือ perxenate ได้^[39][40] การคาดคะเนเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าโดยทั่วไปมีความแม่นยำ ยกเว้นว่า XeF
₈ ในขณะนี้ถือว่าไม่เสถียรทั้งทางอุณหพลศาสตร์และทางจลนพลศาสตร์เคมี^[41]

สารประกอบซีนอนเป็นสารประกอบของแก๊สมีสกุลจำนวนมากที่สุดที่ก่อตัวขึ้น^[42] ส่วนใหญ่มีอะตอมของซีนอนใน สถานะออกซิเดชัน ที่ +2, +4, +6 หรือ +8 ที่สร้างพันธะกับอะตอมที่มี ไฟฟ้าลบ สูง เช่น ฟลูออรีนหรือออกซิเจน เช่นใน ซีนอนไดฟลูออไรด์ (XeF
₂), ซีนอนเตตระฟลูออไรด์ (XeF
₄), ซีนอนเฮกซาฟลูออไรด์ (XeF
₆), ซีนอนเตตรอกไซด์ (XeO
₄) และโซเดียมเปอร์ซีเนต (Na
₄XeO
₆) ซีนอนทำปฏิกิริยากับฟลูออรีนเพื่อสร้างซีนอนฟลูออไรด์จำนวนมากตามสมการต่อไปนี้:

Xe + F₂ → XeF₆

Xe + 2F₂ → XeF₄

Xe + 3F₂ → XeF₆

บางส่วนของ สารประกอบเหล่านี้พบว่าใช้ใน การสังเคราะห์ทางเคมี เป็นตัวออกซิไดซ์; โดยเฉพาะอย่างยิ่ง XeF
₂ 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 C
₆₀ ซึ่งเป็นโมเลกุลทรงกลมที่ประกอบด้วย 60 คาร์บอน อะตอม สัมผัสกับแก๊สมีสกุลที่ความดันสูง ซับซ้อน เช่น He@C
₆₀ สามารถสร้างขึ้นได้ (สัญลักษณ์ @ ระบุว่ามีเขาอยู่ภายใน C
₆₀ แต่ไม่ผูกพันโควาเลนต์กับมัน)^[61] ในปี ค.ศ. 2008 เอ็นโดฮีดรัลคอมเพล็กซ์ที่มีฮีเลียม นีออน อาร์กอน คริปทอน และซีนอนได้สร้างขึ้นแล้ว^[62] พบสารประกอบเหล่านี้ใช้ในการศึกษาโครงสร้างและความว่องไวต่อปฏิกิริยาของฟูลเลอรีนโดยวิธี นิวเคลียร์ แมกเนติก เรโซแนนซ์ ของอะตอมของแก๊สมีสกุล^[63]

การสร้างพันธะใน XeF
₂ อธิบายด้วยโมเดลพันธะ 3 อะตอมกลาง 4 อิเล็กตรอน

สารประกอบของแก๊สมีสกุลเช่น ซีนอนไดฟลูออไรด์ (XeF
₂) ถูกพิจารณาว่าเป็น ไฮเปอร์วาเลนต์ เนื่องจากพวกมันละเมิด กฎออกเตต พันธะในสารประกอบดังกล่าวสามารถอธิบายได้โดยใช้แบบจำลอง พันธะสามศูนย์สี่อิเล็กตรอน^[64][65] แบบจำลองนี้เสนอครั้งแรกในปี ค.ศ. 1951 พิจารณาถึงพันธะของอะตอมคอลลิเนียร์สามตัว ตัวอย่างเช่น พันธะใน XeF
₂ 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

ปริมาณในธรรมชาติและการผลิต

ปริมาณของแก๊สมีสกุลในเอกภพมีค่าลดลง เมื่อแก๊สมีเลขอะตอมเพิ่มขึ้น ฮีเลียมเป็นธาตุที่พบได้มากที่สุดในเอกภพถัดมาจากไฮโดรเจนโดยมีเศษส่วนมวลประมาณ 24% ฮีเลียมส่วนใหญ่ในเอกภพเกิดขึ้นระหว่างการสังเคราะห์นิวเคลียสของบิกแบง ในภายหลัง ปริมาณฮีเลียมยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องจากการหลอมรวมของไฮโดรเจนในการสังเคราะห์นิวเคลียสของดาวฤกษ์ (และเพิ่มขึ้นน้อยมากจากการสลายให้อนุภาคแอลฟาของธาตุหนัก)^[67][68] ปริมาณของแก๊สบนโลกเป็นไปตามแนวโน้มที่แตกต่างกัน เช่น ฮีเลียมเป็นแก๊สมีสกุลที่มีมากที่สุดเป็นอันดับที่สามในชั้นบรรยากาศ เหตุผลก็คือไม่มีฮีเลียมดั้งเดิมในชั้นบรรยากาศ เนื่องจากมีมวลอะตอมน้อย ทำให้ฮีเลียมไม่สามารถลอยต้านสนามแรงโน้มถ่วงของโลก^[69] ได้ ฮีเลียมบนโลกมาจากการสลายตัวของธาตุหนักอย่างยูเรเนียมและทอเรียมที่พบบนเปลือกโลก และมีแนวโน้มที่จะสะสมในแหล่งแก๊สธรรมชาติ^[69] ในทางตรงกันข้าม ปริมาณของอาร์กอนเพิ่มขึ้นจากการสลายให้อนุภาคบีตาของธาตุโพแทสเซียม-40 เพื่อสร้างอาร์กอน-40 โพแทสเซียมสามารถพบได้บนเปลือกโลก และเป็นไอโซโทปของอาร์กอนที่มีปริมาณมากที่สุดบนโลก แม้จะค่อนข้างหายากในระบบสุริยะก็ตาม กระบวนการสลายอนุภาคนี้เป็นส่วนของวิธีการจับคู่โพแทสเซียมอาร์กอน^[70] ซีนอนเป็นธาตุที่มีความอุดมสมบูรณ์ต่ำมากในชั้นบรรยากาศ จนมีข้อสงสัยว่าซีนอนหายไปได้อย่างไร ทฤษฎีหนึ่งกล่าวว่าซีนอนที่หายไปน่าจะอยู่ในรวมตัวกับแร่ธาตุในแผ่นเปลือกโลก^[71] หลังจากการค้นพบซีนอนไดออกไซด์ การวิจัยแสดงให้เห็นว่าซีนอนสามารถใช้แทนซิลิกอนในควอตซ์ได้^[72] เรดอนเกิดขึ้นในธรณีภาคเนื่องจากการสลายให้อนุภาคแอลฟาของเรเดียม โดยเรดอนสามารถซึมผ่านรอยแตกเข้าไปในอาคารและสะสมในพื้นที่ที่มีการระบายอากาศไม่ดี เนื่องจากเป็นธาตุที่มีความเป็นกัมมันตภาพรังสีสูง เรดอนจึงเป็นอันตรายต่อสุขภาพอย่างมาก ทางสถิติเรดอนเป็นตัวแปรหนึ่งที่ทำให้อัตราการเสียชีวิตด้วยโรคมะเร็งปอดมีค่าประมาณ 21,000 คนต่อปีในสหรัฐอเมริกา^[73] ออกาเนสสันเป็นธาตุที่ไม่สามารถเกิดขึ้นในธรรมชาติ และสร้างได้จากการสังเคราะห์โดยนักวิทยาศาสตร์เท่านั้น

ปริมาณที่มีอยู่	ฮีเลียม	นีออน	อาร์กอน	คริปตอน	ซีนอน	เรดอน
ระบบสุริยะ (ต่อหนึ่งอะตอมซิลิกอน)[74]	2343	2.148	0.1025	5.515 × 10−5	5.391 × 10−6	–
ชั้นบรรยากาศโลก (อัตราส่วนปริมาตร ppm)[75]	5.20	18.20	9340.00	1.10	0.09	(0.06–18) × 10−19[76]
หินอัคนี (อัตราส่วนมวลในล้านส่วน)[21]	3 × 10−3	7 × 10−5	4 × 10−2	–	–	1.7 × 10−10

สำหรับการใช้งานในปริมาณมาก สกัดฮีเลียมด้วยวิธีการกลั่นแบบลำดับส่วนจากแก๊สธรรมชาติ ซึ่งมีฮีเลียมเป็นส่วนประกอบมากถึง 7%^[77]

นีออน อาร์กอน คริปทอน และ ซีนอน สามารถผลิตได้จากอากาศด้วยวิธีลิเคอแฟคชัน [en] เพื่อเปลี่ยนแก๊สเป็นของเหลว และวิธีการกลั่นแบบลำดับส่วน เพื่อแยกสารประกอบต่าง ๆ ออกจากกัน ส่วนการผผลิตทำโดยการสกัดแก๊สธรรมชาติ และสกัดเรดอนจากการสลายกัมมันตภาพรังสีของสารประกอบเรเดียม^[11] ราคาของแก๊สมีสกุลขึ้นอยู่กับปริมาณที่พบทางธรรมชาติ โดยอาร์กอนมีราคาที่ต่ำที่สุด ในขณะที่ซีนอนมีราคาสูงที่สุด ตารางด้านล่างแสดงราคาของแก๊สแต่ละชนิดในปี ค.ศ. 2004 ภายในห้องปฏิบัติการ สหรัฐอเมริกา

แก๊ส	ราคาเมื่อ ค.ศ. 2004 (ดอลลาร์ต่อลูกบาศก์เมตร)[78]
ฮีเลียม (เกรดอุตสาหกรรม)	4.20–4.90
ฮีเลียม (เกรดห้องทดลอง)	22.30–44.90
อาร์กอน	2.70–8.50
นีออน	60–120
คริปตอน	400–500
ซีนอน	4000–5000

การใช้ประโยชน์

ฮีเลียมเหลวสำหรับใช้ลดอุณหภูมิของแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวด ในเครื่องสแกน MRI สมัยใหม่

แก๊สมีสกุลมีจุดเดือดและจุดหลอมเหลวที่ต่ำมาก ซึ่งทำให้แก๊สเหล่านี้ใช้เป็นสารทำความเย็นในเชิงอติสีตศาสตร์ [en] โดยเฉพาะฮีเลียมเหลว^[79] ซึ่งเดือดที่ 4.2 เคลวิน (−268.95 องศาเซลเซียส; −452.11 องศาฟาเรนไฮต์) นำไปใช้สร้างแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวด สำหรับการสร้างภาพด้วยเรโซแนนซ์แม่เหล็ก (MRI) และนิวเคลียร์แมกเนติกเรโซแนนซ์สเปกโทรสโกปี (NMR)^[80] นีออนเหลวถึงแม้จะไม่สามารถลดอุณหภูมิจนเท่าฮีเลียมเหลว นีออนเหลวยังนำไปใช้ในงานด้านอติสีตศาสตร์เนื่องจากมีวิสัยสามารถทำความเย็นมากกว่าฮีเลียมเหลว 40 เท่าและมากกว่าไฮโดรเจนเหลว 3 เท่า^[76]

ฮีเลียมใช้เป็นองค์ประกอบของแก๊สสำหรับหายใจแทนที่ไนโตรเจน เนื่องจากมีความสามารถในการละลายในของไหลต่ำโดยเฉพาะไขมัน แก๊สทั่วไปมักถูกดูดซึมโดยเลือดและเนื้อเยื่อภายใต้ความดันเช่นการดำน้ำลึก ทำให้เกิดภาวะเซื่องซึมเรียกว่าภาวะเมาไนโตรเจน^[81] แต่ด้วยที่ฮีเลียมมีความสามารถในการละลายต่ำ ฮีเลียมจึงซึมเข้าเยื่อหุ้มเซลล์ได้น้อย เมื่อใช้ฮีเลียมเป็นส่วนผสมของแก๊สสำหรับหายใจเช่นใน trimix หรือ heliox จึงช่วยลดอาการเซื่องซึมของนักประดาน้ำภายใต้ความลึก^[82] ความสามารถในการละลายของฮีเลียมที่น้อยมีประโยชน์ในการรักษาโรคลดความกดหรือ the bends^[11][83] เมื่อมีปริมาณแก๊สละลายในร่างกายลดลงหมายความว่าจะเกิดฟองแก๊สจำนวนน้อยลงที่ความดันที่ต่ำลง นอกจากนี้อาร์กอนยังเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับการดำน้ำลึกแบบ drysuit^[84] และฮีเลียมยังใช้เป็นแก๊สเติมแกนของเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์^[85]

เรือเหาะ Goodyear

ตั้งแต่วินาศภัยฮินเดินบวร์คในปี ค.ศ. 1937^[86] แก๊สลอยตัวในเรือเหาะและลูกโป่งใช้ฮีเลียมทดแทนไฮโดรเจน เนื่องจากความเบาและความไม่ติดไฟ แม้ว่าจะมีแรงลอยตัวลดลง 8.6%^[87][11]

ในการประยุกต์ใช้ มีใช้แก๊สมีสกุลในบรรยากาศเฉื่อย อาร์กอนใช้ในการสังเคราะห์สารประกอบที่ไวต่ออากาศนั่นคือไวต่อไนโตรเจน อาร์กอนแข็งใช้ในการศึกษาสารประกอบที่ไม่เสถียรมากเช่นสารมัธยันตร์ที่ไวต่อปฏิกิริยา โดยการกักในเมทริกซ์เฉื่อยที่อุณหภูมิต่ำมาก^[88] ฮีเลียมใช้เป็นตัวกลางนำพาในเทคนิคแก๊สโครมาโทกราฟี เป็นแก๊สเติมในเทอร์โมมิเตอร์และในอุปกรณ์ตรวจวัดการแผ่รังสีเช่นเครื่องนับไกเกอร์–มึลเลอร์และห้องฟอง^[78] ฮีเลียมและอาร์กอนมักใช้เป็นกำบังสำหรับการเชื่อมอาร์กและการกระจายของโลหะไร้สกุลในบรรยากาศขณะเชื่อมหรือตัดโลหะ รวมถึงกระบวนการทางโลหการและการผลิตซิลิคอนในอุตสาหกรรมสารกึ่งตัวนำ^[76]

หลอดไฟซีนอนกำลัง 15,000 วัตต์ที่ใช้ในเครื่องฉายภาพยนตร์ IMAX

แก๊สมีสกุลมักใช้ในการจัดแสงเพราะมีความไวต่อปฏิกิริยาเคมีต่ำ อาร์กอนจะผสมกับไนโตรเจนใช้เติมในหลอดไส้ร้อนแบบธรรมดา^[76] คริปทอนใช้ในหลอดไฟประสิทธิภาพสูง ซึ่งให้อุณหภูมิสีและประสิทธิภาพสูงกว่า เนื่องจากสามารถลดอัตราการขาดของแกนหลอดไฟได้ดีกว่าอาร์กอน หลอดแฮโลเจนใช้คริปทอนประสมกับสารประกอบของไอโอดีนหรือโบรมีนปริมาณน้อย^[76] แก๊สมีสกุลเรืองแสงให้สีที่โดดเด่นเมื่อใช้ในหลอดแก๊สคายประจุเช่น หลอดไฟนีออน แม้ว่าหลอดไฟจะเรียกชื่อตามแก๊สนีออนแต่ก็ประกอบด้วยแก๊สชนิดอื่นและสารเรืองแสง ซึ่งทำให้เกิดเฉดสีหลากหลายได้เป็นสีส้มอมแดงของนีออน ซีนอนมักใช้ในหลอดไฟซีนอนอาร์ค เนื่องจากสเปกตรัมที่เกือบต่อเนื่องคล้ายกับแสงอาทิตย์ จึงมักประยุกต์ในเครื่องฉายภาพยนตร์และไฟหน้ารถ^[76]

แก๊สมีสกุลใช้ในเอ็กไซเมอร์เลเซอร์ ซึ่งสร้างจากโมเลกุลที่ถูกกระตุ้นด้วยไฟฟ้าและคงสภาพในระยะเวลาสั้นเรียกว่าเอ็กไซเมอร์ โมเลกุลเอ็กไซเมอร์ที่ใช้ในเลเซอร์อาจเป็นไดเมอร์ของแก๊สมีสกุลเช่น Ar₂, Kr₂ หรือ Xe₂ หรือที่นิยมใช้คือแก๊สมีสกุลที่รวมตัวกับธาตุฮาโลเจนในรูปโมเลกุลเอ็กไซเมอร์เช่น ArF, KrF, XeF หรือ XeCl เลเซอร์เหล่านี้สร้างรังสีอัลตราไวโอเล็ต ซึ่งเนื่องจากความยาวคลื่นที่สั้น (193 นาโนเมตรสำหรับ ArF และ 248 นาโนเมตรสำหรับ KrF) ทำให้ใช้ในงานภาพถ่ายรังสีแม่นยำสูงได้ เอ็กไซเมอเลเซอร์ใช้ในด้านอุตสาหกรรม การแพทย์และวิทยาศาสตร์อย่างหลากหลาย นอกจากนี้ยังใช้ในงานด้านไมโครลิโธกราฟีและด้านการสร้างชิ้นส่วนจุลภาค ซึ่งมีความสำคัญในการผลิตวงจรรวม และการผ่าตัดด้วยเลเซอร์ได้แก่การขยายหลอดเลือดด้วยเลเซอร์และการผ่าตัดตา^[89]

แก๊สมีสกุลบางชนิดมีการประยุกต์ใช้โดยตรงในทางการแพทย์ บางครั้งฮีเลียมจะใช้ช่วยเหลือผู้ป่วยหอบหืดให้หายใจดีขึ้น^[76] ซีนอนใช้เป็นยาสลบเพราะความสามารถในการละลายในไขมันที่สูง ทำให้เกิดฤทธิ์มากกว่าไนตรัสออกไซด์ที่ใช้โดยทั่วไปและเนื่องจากมันถูกกำจัดจากร่างกายโดยทันที ทำให้ผู้ป่วยฟื้นตัวเร็วขึ้น^[90] ซีนอนประยุกต์ในการถ่ายภาพรังสีทางการแพทย์ของปอดด้วยเทคนิค hyperpolarized MRI^[91] เรดอนซึ่งไวต่อปฏิกิริยามากและมีปริมาณน้อยใช้ในการรังสีบำบัด^[11]

แก๊สมีสกุลโดยเฉพาะซีนอนใช้มากในเครื่องยนต์ไอออนเนื่องจากความเฉื่อยของมัน เนื่องจากเครื่องยนต์ไอออนไม่ได้ขับเคลื่อนด้วยปฏิกิริยาเคมี เชื้อเพลิงที่เฉื่อยเชิงเคมีใช้ป้องกันการเกิดปฏิกิริยาที่ไม่พึงประสงค์ระหว่างเชื้อเพลิงรวมถึงสิ่งอื่นในเครื่องยนต์

โอกาเนสซอนถูกค้นพบในบริบทของงานวิจัยเพื่อค้นพบธาตุใหม่เท่านั้น ทำให้ยังผลิตในปริมาณน้อยและไม่เสถียร จึงยังไม่มีการประยุกต์ใช้โอกาเนสซอน

สีในหลอดไฟ

สีและสเปกตรัม (แถวล่าง) จากการคายประจุทางไฟฟ้าของแก๊สมีสกุล; เฉพาะแถวที่สองที่แสดงสีของแก๊สบริสุทธิ์

ฮีเลียม	นีออน	อาร์กอน	คริปทอน	ซีนอน

สีของแก๊สขึ้นอยู่กับหลากหลายปัจจัยได้แก่:^[92]

• พารามิเตอร์การคายประจุ (ค่าความหนาแน่นกระแสไฟฟ้า [en]และสนามไฟฟ้าในแต่ละบริเวณ อุณหภูมิ ฯลฯ – ความหลากหลายของสีจากการเปล่งแสดงในแถวบนสุด);
• ความบริสุทธิ์ของแก๊ส (ถึงแม้มีแก๊สปนเปื้อนปริมาณน้อยก็ยังส่งผลต่อสีได้);
• วัสดุของกระเปาะคายประจุ – บริเวณป้องกันรังสีอัลตราไวโอเลตและองค์ประกอบสีน้ำเงินในกระเปาะแถวล่างสุดสร้างจากแก้วครัวเรือนหนา

ดูเพิ่ม

• กฎออกเตต
• แก๊สเฉื่อย
• โลหะมีสกุล