Неметаллы

  Неметаллы – это химические элементы, для атомов которых характерна способность принимать электроны до завершения внешнего слоя благодаря наличию, как правило, на внешнем электронном слое четырех и более электронов и малому радиусу атомов по сравнению с атомами металлов.

  Это определение оставляет в стороне элементы VIII группы главной подгруппы – инертные или благородные газы, атомы которых имеют завершенный внешний электронный слой. Электронная конфигурация атомов этих элементов такова, что их нельзя отнести ни к металлам, ни к неметаллам. Они являются теми объектами, которые в естественной системе четко разделяют элементы на металлы и неметаллы, занимая между ними пограничное положение. Инертность в химическом отношении у этих элементов относительна. Для ксенона и криптона известны соединения с фтором и кислородом. 

  Химических элементов-неметаллов всего 24. Два элемента-неметалла составляют 76% от массы земной коры. Это кислород (49%) и кремний (27%). Неметаллы составляют 98,5% от массы растений, 97,6% от массы тела человека. Шесть неметаллов – С, Н, О, N, Р и S – биогенные элементы, которые образуют важнейшие органические вещества живой клетки: белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты. В состав воздуха, которым мы дышим, входят простые и сложные вещества, также образованные элементами-неметаллами (кислород О2, азот N2, углекислый газ СО2, водяные пары Н2О и др.).

  Водород – главный элемент Вселенной. Многие космические объекты (газовые облака, звезды, в том числе и Солнце) более чем наполовину состоят из водорода. На Земле его, включая атмосферу, гидросферу и литосферу, только 0,88%. 

Положение неметаллов в Периодической системе Д.И. Менделеева

  Если в Периодической системе мысленно провести диагональ от бора к астату, то в правом верхнем углу в А подгруппах таблицы будут находиться элементы-неметаллы. Среди неметаллов есть S-элемент – водород, гелий; р-элементы бор; углерод, кремний; азот, фосфор, мышьяк, кислород, сера, селен, теллур, галогены и благородные газы (Не, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn, Og).

Особенности электронного строения атома

  Практические все неметаллы имеют сравнительно малый радиус и большое число электронов на внешнем энергетическом уровне от 4 до 8, кроме водорода Н – 1ē, Не – 2ē, В – 3ē на внешнем уровне. 

Двойственное положении водорода в Периодической системе

  Каждому элементу в Периодической системе Д.И. Менделеева отведено место, строго определенное зарядом атомного ядра. Единственный элемент. которому в таблице отведено два места – это водород (в I и VII группах главных подгрупп). Это не случайно. С одной стороны, атом водорода, подобно атомам щелочных металлов, имеет на внешнем (и единственном для него) электронном слое один электрон (электронная конфигурация 1S1), который он способен отдавать, проявляя свойства восстановителя.

  В большинстве своих соединений водород, как и щелочные металлы, проявляет степень окисления +1, Но отдача электрона атомом водорода происходит труднее, чем у атомов щелочных металлов. С другой стороны, атому водорода, как и атомам галогенов, для завершения внешнего электронного слоя недостает одного электрона, поэтому атом водорода может принимать один электрон, проявляя свойства окислителя и характерную для галогена степень окисления -1 в гидридах – соединениях с металлами, подобных соединениям металлов с галогенами – галогенидам. Но присоединение одного электрона к атому водорода происходит труднее, чем у галогенов.

  При обычных условиях водород Н2 – газ. Его молекула, подобно галогенам, двухатомна.

Химическая связь

  В простых веществах атомы неметаллов связаны ковалентной неполярной связью. Благодаря этому формируется более устойчивая электронная система, чем у изолированных атомов. При этом образуются одинарные (например, в молекулах водорода Н2, галогенов), двойные (например, в молекуле кислорода О2), тройные (например, в молекулах азота N2) ковалентные связи.

  Причина большого разнообразия физических свойств неметаллов кроется в различном строении кристаллических решёток этих веществ.

 Кристаллическая решетка

  Часть неметаллов имеет атомную кристаллическую решетку. Кристаллы таких веществ состоят из атомов, соединённых между собой прочными ковалентными связями. Такие неметаллы находятся в твёрдом агрегатном состоянии, являются нелетучими, имеют высокие температуры плавления и кипения.  Примерами таких веществ служат алмаз, графит, красный фосфор и кремний.

  Другая часть неметаллов имеет молекулярную кристаллическую решетку. В этом случае в каждой молекуле атомы соединены достаточно прочно ковалентной связью, а вот отдельные молекулы друг с другом в кристаллах вещества связаны очень слабо. При обычных условиях большинство таких веществ представляют собой газы или легкоплавкие твердые вещества и лишь единственный бром (Вг2) является жидкостью.

Физические свойства

 Свойства неметаллических простых веществ отличаются большим разнообразием. 

1. Агрегатное состояние

Неметаллы при обычных условиях могут быть газообразными, жидкими и твёрдыми веществами.

Газообразными неметаллами являются гелий He, неон Ne, аргон Ar, криптон Kr, ксенон Xe и радон Rn (их называют инертными или благородными газами), водород H2, кислород O2, азот N2, хлор Cl2, фтор F2.

Из неметаллических простых веществ при обычных условиях жидкостью является только бром Br2.

Остальные неметаллические при обычных условиях находятся в твёрдом агрегатном состоянии. Например, химический элемент углерод образует такие твёрдые вещества, как алмаз и графит. Твёрдыми являются кристаллическая сера S8, фосфор красный и фосфор белый P4, кристаллический иод I2.

2. Цвет и блеск

Только некоторые неметаллы в отличии от металлов имеют блеск. Например, кристаллический иод, кремний и графит не похожи на остальные неметаллы — они имеют блеск, несколько напоминающий блеск металлов.

Если для подавляющего большинства металлов характерен серебристо-серый или серебристо-белый цвет, то окраска неметаллов очень разнообразна. Белый цвет имеет белый фосфор, красный — красный фосфор, жёлтый — сера и фтор, красно-бурый — жидкий бром, жёлто-зелёный — хлор, фиолетовый цвет имеют пары иода, синий — жидкий кислород, серый — графит и кремний. Бесцветным является алмаз, окраски не имеют также инертные газы, азот, кислород и водород.

3. Запах

Некоторые неметаллы имеют запах. Например, резкий удушливый запах имеет озон O3, фтор F2 (при попадании в органы дыхания практически моментально разрушает ткани), хлор Cl2, бром Br2 и иод I2.

 4. Пластичность

Неметаллы в твёрдом агрегатном состоянии не обладают пластичностью. Они являются хрупкими.

5. Электро- и теплопроводность

Неметаллы, за исключением графита, плохо проводят тепло и практически не проводят электрический ток (являются диэлектриками).

 Аллотропия

  Многие элементы-неметаллы образуют несколько простых веществ — аллотропных модификаций. Это свойство атомов называют аллотропией. Аллотропия может быть связана и с разным составом молекул, и с разным строением кристаллов

  Аллотропные видоизменения, образуемые одним и тем же химическим элементом, существенно отличаются между собой как по строению, так и по свойствам.

Например аллотропные модификации кислорода:

Кислород не обладает характерным запахом в отличие от озона (отсюда пришло и название озона – в переводе с греческого языка озон обозначает «пахнущий»). Подобный аромат, можно ощутить во время грозы, газ образуется в воздухе за счет электрических разрядов.

Кислород не обладает цветом в отличие от озона, который можно отличить по бледно-фиолетовому оттенку. Озон обладает бактерицидными свойствами. Он также используется для обеззараживания питьевой воды. Озон может препятствовать прохождению ультрафиолетовых лучей солнечного спектра, они губительны для всех живых организмов на Земле. Озоновый экран (слой), который находится на высоте 20-35 км, защищает все живое от губительных солнечных лучей.

 Аллотропия присуща не всем неметаллических химическим элементам.

Например, водород, азот, элементы VIIA и VIIIA групп не имеют аллотропных модификаций, т.е. каждый из упомянутых элементов образует только одно простое вещество.

 Химические свойства

 У атомов неметаллов преобладают окислительные свойства, то есть способность присоединять электроны.

Фтор - самый сильный окислитель, его атомы в химических реакциях не способны отдавать электроны, то есть проявлять восстановительные свойства. Другие неметаллы могут проявлять восстановительные свойства, хотя и в значительно более слабой степени по сравнению с металлами.

Взаимодействие неметаллов с простыми веществами.

1. Взаимодействие неметаллов с металлами:

2Na + Cl2 = 2NaCl

Fe + S = FeS

6Li + N2 = 2Li3N

2Ca + O2 = 2CaO

  В подобных случаях неметаллы проявляют окислительные свойства (принимают электроны, образуя отрицательно заряженные частицы).

2. Взаимодействие неметаллов с другими неметаллами:

а) взаимодействуя с водородом, почти все неметаллы проявляет окислительные свойства, при этом образуя летучие водородные соединения – ковалентные гидриды:

3H2 + N2 = 2NH3

H2 + Br2 = 2HBr

Фосфор не реагирует с водородом:

H2 + Р ≠ 

б) взаимодействуя с кислородом, все неметаллы, кроме фтора, проявляют восстановительные свойства:

S + O2 = SO2,

4P + 5O2 = 2P2O5;

при взаимодействии с фтором фтор является окислителем, а кислород – восстановителем:

2F2 + O2 = 2OF2

Хлор, бром и йод не реагируют с кислородом.

в) неметаллы взаимодействуют между собой, более электроотрицательный металл играет роль окислителя, менее электроотрицательный – роль восстановителя:

S + 3F2 = SF6

C + 2Cl2 = CCl4

Взаимодействие неметаллов со сложными веществами.

1. Взаимодействие неметаллов с водой:

Из неметаллов с водой реагируют только наиболее активные – фтор, хлор, бром и иод.

            Фтор – самый типичный неметалл – вытесняет из воды менее типичный неметалл – кислород. Вода фактически горит во фторе:

2F2 + 2H2O = 4HF + O2

Хлор, бром и йод взаимодействуют с водой обратимо и в очень небольшой степени:

Сl2 + H2O ↔ HСl + HСlO (в холодной воде);

3Сl2 + 3H2O ↔ 5HСl + HСlO3 (в горячей воде).

2. Взаимодействие неметаллов со щелочами:

Фтор, хлор, бром и иод реагируют со щелочами по той же схеме, что и с водой, только образуются не кислоты, а их соли, и реакции не обратимы, а протекают до конца:

2F2 + 4NaOH = 4NaF + O2 + 2H2O

Сl2 + 2NaOH = NaСl + NaСlO + H2O

3Сl2 + 6NaOH = 5NaCl + NaClO3 + 3H2O

Кроме того, со щелочами способны взаимодействовать сера, фосфор, кремний.

3S + 6KOHконц. = 2K2S + K2SO3 + 3H2O

4P + 3NaOHконц. + 3Н2О = PH3 + 3Na2HPO3

Si + 2NaOH + H2O = 2H2 + Na2SiO3

3. Взаимодействие неметаллов с оксидами:

а) водород и углерод при нагревании восстанавливают металлы из их оксидов

H2 + CuO = Cu + H2O         

            При реакции с оксидами щелочных и щелочноземельных металлов образуются гидриды и карбиды

3С + СаО = СаС2 + СО

2Н2 + СаО = СаН2 + Н2О

4. Взаимодействие неметаллов с концентрированной серной и азотной кислотой:

S + 2H2SO4(конц.) = 3SO2 + 2H2O

C + 2H2SO4(конц.) = CO2 + 2SO2 + 2H2O

S + 6HNO3(конц.) = H2SO4 + 6NO2 + 2H2O

B + 3HNO3(конц.) = H3BO3 + 3NO2

P + 5HNO3(конц.) = H3PO4 + 5NO2 + H2O

3P + 5HNO3 + 2H2O = 5NO + 3H3PO4

S + 6HNO3(конц.) = H2SO4 + 6NO2 + 2H2O

S + 2HNO3(разб.) = H2SO4 + 2NO

Получение неметаллов

Многообразие неметаллов породило многообразие способов их получения, так водород получают, как лабораторными способами, например, взаимодействием металлов с кислотами (1), так и промышленными способами, например, конверсией метана (2).

1) Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2↑

2) CH4 + H2O = CO + 3H2↑ (температура 9000С)

Получение галогенов осуществляют в основном, путем окисления галогеноводородных кислот:

MnO2 + 4HCl = MnCl2 + Cl2↑ + 2H2O

K2Cr2O7 + 14HCl= 3Cl2↑ + 2KCl + 2CrCl3 + 7H2O

2KMnO4 + 16HCl = 2MnCl2 + 5Cl2↑ + 8H2O + 2KCl

Для получения кислорода используют реакции термического разложения сложных веществ:

2KMnO4 = K2MnO4 + MnO2 + O2↑

4K2Cr2O7 = 4K2CrO4 + 2Cr2O3 + 3O2↑

Серу получают неполным окислением сероводорода (1) или по реакции Вакенродера (2):

1) H2S + O2 = 2S + 2H2O

2) 2H2S + SO2 = 3S↓ + 2H2O

Для получения азота используют реакцию разложения нитрита аммония:

NaNO2 +NH4Cl = N2↑ + NaCl + 2H2O

Основной способ получения фосфора – из фосфата кальция:

Ca3(PO4)2 + 3SiO2 + 5C = 3CaSiO3 + 5CO + 2P

 Применение неметаллов

Кислород:

-  процессы дыхания,

-  горение,

-  обмен веществ и энергии,

-  производство металлов.

Водород:

-  производство аммиака,

-  соляной кислоты,

-  метанола,

-  превращение жидких жиров в твердые,

-  сварка и резка тугоплавких металлов,

-  восстановление металлов из руд.

Сера:

-  получение серной кислоты,

-  изготовление резины из каучука,

-  производство спичек,

-  черного пороха,

-  изготовление лекарственных препаратов.

Бор:

- составляющая нейтронопоглощающих материалов ядерных реакторов,

-  защита поверхностей стальных изделий от коррозии,

-  в полупроводниковой технике,

-  изготовление преобразователей тепловой энергии в электрическую.

Азот:

-  газообразный:          

- для производства аммиака,

-  для создания инертной среды при сварке металлов,

-  в вакуумных установках,

-  электрических лампах,

-  жидкий :

- в качестве хладагента в морозильных установках,

-  медицине.

Фосфор:

-  белый для производства красного фосфора,

-  красный для производства спичек.

Кремний в электронике и электротехнике для изготовления:

-  схем,

-  диодов,

-  транзисторов,

-  фотоэлементов,

-  для изготовления сплавов.

Хлор:

-  производство соляной кислоты,

-  органических растворителей,

-  лекарств,

-  мономеров для производства пластмасс,

-  отбеливателей,

-  как дезинфицирующее средство.

Углерод:

-  алмаз: 

- изготовление инструментов для бурения и резки,

-  абразивный материал,

-  ювелирные украшения,

-  графит:

- литейное, металлургическое, радиотехническое производство,

-  изготовление аккумуляторов,

-  в нефтегазодобывающей промышленности для буровых работ,

-  изготовление антикоррозионных покрытий,

-  замазок, уменьшающих силу трения,

-  адсорбция.