Неметаллы – элементы, которые обладают неметаллическими свойствами и занимают положение в правом верхнем углу в таблице Менделеева. Каков же характер неметаллов, а также чем они отличаются от других соединений узнаем в этой статье.
Общая характеристика
К неметаллическим элементам относятся p-элементы, а также водород и гелий, которые в свою очередь относятся к s-элементам. Они расположены правее и выше диагонали бор-астат. Всего же известно 22 неметалла. У наиболее типичных неметаллов заполнение электронами внешнего уровня близко к максимальному, а радиусы атомов – минимальные среди элементов данного периода.
Рис. 1. Группа неметаллов в периодической системе.
Атомы неметаллов имеют более высокие значения электроотрицательности, а соответственно высокие энергии ионизации и большое сродство к электрону. В связи с этим характер неметаллов таков, что, в отличии от металлов, могут проявлять окислительные свойства. В реакциях они могут восстанавливаться, присоединяя столько электронов, чтобы общее их количество на внешнем уровне достигло восьми (завершенный уровень, стабильное состояние атома).
Именно поэтому отрицательное значение степени окисления, которое могут иметь в соединениях неметаллы, в отличие от металлов, равно разности (8-N группы). Наиболее высокую электроотрицательность имеют неметаллы, положение которых приходится на правый верхний угол в Периодической системе, то есть галогены фтор и хлор, а также кислород. Именно эти элементы могут образовывать ионные связи. Самым активным неметаллом является фтор, который в соединениях может проявлять только одну валентность I и одну степень окисления -1.
Особенности строения неметаллов заключаются в том, что внешний электронный слой у большинства атомов неметаллов содержит от 4 до 8 электронов.
Другие неметаллы (кроме фтора) могут проявлять и положительные степени окисления, образуя ковалентные связи с другими элементами.
Физические свойства
Для большинства неметаллов простых веществ в твердом агрегатном состоянии характерна молекулярная кристаллическая решетка. То есть эти неметаллы являются кристаллическими веществами. Поэтому при обычных условиях они имеют вид газов, жидкостей или твердых веществ с низкими температурами плавления. Примерами таких веществ являются газы: водород H 2 , неон Ne, жидкость – бром Br 2 , твердые вещества йод I 2 , сера S 8 , фосфор P 4 (белый фосфор). Существуют неметаллы (бор, углерод, кремний), которые имеют атомные кристаллические решетки.
Рис. 2. Неметаллы – жидкости, газы, твердые.
Важнейшие элементы, которые содержаться в живых организмах – органогены. Они образуют воду, белки, витамины, жиры. К ним относятся 6 элементов: углерод, кислород, водород, азот, фосфор, сера.
Химические свойства и соединения
Водородные соединения неметаллов в основном являются летучими соединениями, в водных растворах имеющими кислотный характер. Они имеют молекулярные структуры, ковалентную полярную связь. Некоторые из них (вода, аммиак, фтороводород) образуют водородные связи. Соединения образуются при непосредственном взаимодействии неметаллов с водородом. Электронная формула серы с водородом выглядит следующим образом:
S+H 2 =H 2 S (до 350 градусов равновесие смещено вправо)
Все водородные соединения – восстановители (кроме HF), причем их восстановительная сила возрастает справа налево по периоду и сверху вниз по подгруппе.
Неметаллы взаимодействуют с металлами и другими неметаллами:
В результате получается натриевая соль соляной кислоты
Рис. 3. натриевая соль соляной кислоты.
соединения неметаллов с кислородом, как правило, являются кислотными оксидами, которым соответствуют кислородосодержащие кислоты. Структура оксидов типичных неметаллов молекулярная (SO 3 , P 4 O 10). Чем выше степень окисления неметалла, тем сильнее соответствующая оксокислота. Так, хлор непосредственно не взаимодействует с кислородом, однако образует ряд оксокислот, которым соответствуют оксиды, ангидриды этих кислот.
Неметаллы находят применение в разных отраслях промышленности. Вот список отраслей, где их использование является наиболее востребованным.
| Область применения | Примеры, перечень неметаллов, применяемых в той или иной промышленности |
| промышленность | Сера, азот и фосфор часто используют для получения кислот. Серу также используют на производстве резины. |
| транспорт | важным неметаллом в транспортной промышленности является водород. Его используют в качестве топлива. При сгорании такой вид топлива не загрязняет окружающую среду. |
| аграрная отрасль | сера используется для борьбы с вредными насекомыми и болезнями растений |
| медицина | Кислород используют для восстановления дыхания (кислородные подушки), уголь в форме активированного угля, который способен выводить из организма вредные вещества. |
| пищевая промышленность | азот используют для продления срока годности продуктов |
Министерство образования Республики Беларусь Учреждение образования «Витебский государственный университет имени П.М. Машерова»
Кафедра химии
СВОЙСТВА НЕМЕТАЛЛОВ И ИХ СОЕДИНЕНИЙ
канд. хим наук, доц. Кулиев С.И., маг. пед. наук, преподаватель каф. химии Белохвостов А.А.
1. Общая характеристика неметаллов………………………………………….4
2. Водород и его соединения 8………………………………………………...8
3. Свойства неметаллов VII-A группы. Галогены……………………………12
3.1. Общая характеристика галогенов. ........................................................... |
|
3.2. Соединения галогенов с водородом. ....................................................... |
|
3.3. Кислородсодержащие соединения галогенов......................................... |
|
3.4. Лабораторная работа "Галогены и их соединения" ............................... |
|
4. Свойства неметаллов VI-A группы…………………………………………35 |
|
4.1. Общая характеристика элементов шестой группы главной подгруппы |
|
............................................................................................................................ |
|
4.2. Кислород и его соединения...................................................................... |
|
4.3. Сера и ее соединения................................................................................ |
|
4.4. Элементы подгруппы селена.................................................................... |
|
4.5. Лабораторная работа ″Кислород. Пероксид водорода″...................... |
|
4.6. Лабораторная работа ″Сера и ее соединения″ ....................................... |
|
Контрольные вопросы и задачи...................................................................... |
|
5. Свойства неметаллов VA-группы…………………………………………...61 |
|
5.1. Общая характеристика неметаллов пятой группы................................. |
|
5.2. Свойства азота и его соединений............................................................ |
|
5.3. Фосфор и его соединения........................................................................ |
|
5.4. Мышьяк и сурьма..................................................................................... |
|
5.5. Лабораторная работа «Азот и его соединения»..................................... |
|
Контрольные вопросы и задачи...................................................................... |
|
5.6. Лабораторная работа «Фосфор и его соединения» ................................ |
|
Контрольные вопросы и задачи...................................................................... |
|
6. Свойства неметаллов IV-А группы…………………………………………86 |
|
6.1. Общая характеристика неметаллов четвертой группы.......................... |
|
6.2. Свойства углерода и его соединений....................................................... |
|
6.3. Свойства кремния и его соединений....................................................... |
|
6.3. Лабораторная работа «Свойства углерода и его соединений".............. |
|
6.4. Лабораторная работа «Свойства кремния и его соединений» ............ |
|
Контрольные вопросы и задания.................................................................. |
|
7. Свойства неметаллов третьей III A – группы……………………………..105 |
|
7.1. Лабораторная работа «Свойства бора и его соединений».................. |
|
Контрольные вопросы и задачи.................................................................... |
|
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................ |
|
Неметаллы
1. Общая характеристика неметаллов
Неметаллические свойства элементов определяются способностью атомов «принимать» электроны, т.е. проявлять при взаимодействии с атомами других элементов окислительные свойства. К неметаллам отно-
сятся элементы с большой энергией ионизации, большим сродством к электрону и минимально возможным радиусом атома.
Число неметаллов, известных в природе по сравнению с металлами относительно невелико. Из всех элементов неметаллическими свойствами обладают 22 элемента, остальные элементы характеризуются металлическими свойствами. Ряд элементов проявляет амфотерные свойства.
8B------- 1B |
Металлы; |
Амфотерные металлы; |
Неметаллы; |
|||||||||||||||||||
Неметаллы в основном располагаются в правой верхней части периодической системы. По мере заполнения наружной электронной оболочки число электронов на внешнем слое у неметаллов растет, а радиус уменьшается, поэтому они в большей степени стремятся присоединять электроны. В связи с этим неметаллы характеризуются более высокими значениями энергии ионизации, сродства к электрону и электроотрицательности по сравнению с атомами металлов и поэтому у них преобладают окислительные свойства, т.е. способность атомов присоединять электроны. Особенно ярко окислительные свойства выражены у атомов неметаллов 6 и 7 групп второго и третьего периодов. Самый сильный окислитель – фтор. Он окисляет даже воду и некоторые благородные газы:
2 F2 + 2 H2 O = 4HF + O2
2 F2 + Xe = XeF4
Окислительные свойства неметаллов зависят от численного значения электроотрицательности атома и увеличиваются в следующем порядке:
Si, B, H, P, C, S, I, Br, N, Cl, O, F
Такая же закономерность в изменении окислительных свойств характерна и для простых веществ соответствующих элементов. Ее можно наблюдать на примере реакций с водородом:
3 H2 + N2 = 2 NH3 (t, катализатор);
H2 + Cl2 = 2 HCl (при освещении – hυ); H2 + F2 = 2 HF (в темноте - взрыв );
Восстановительные свойства у атомов неметаллов выражены довольно слабо и возрастают от кислорода к кремнию:
Si, B, H, P, C, S, I, Br, N, Cl, О
Благородные газы в виде простых веществ одноатомны (Не, Nе, Аr и т.д.). Галогены, азот, кислород, водород как простые вещества существуют в виде двухатомных молекул (F2 , С12 , Вr2 , I2 , N2 , О2 , Н2 ). Остальные неметаллы могут существовать при нормальных условиях, как в кристаллическом состоянии, так и в аморфном состоянии. Неметаллы в отличие от металлов плохо проводят теплоту и электрический ток.
Простые вещества (неметаллы )
Немолекулярного строения |
Молекулярного строения |
||||
F2 , O2 , Cl2 , Br2 , N2 , I2 , S8 |
|||||
У этих неметаллов |
Для этих неметаллов в твердом со- |
||||
кристаллические решетки, по- |
стоянии характерны |
молекулярные |
|||
этому они |
обладают |
кристаллические |
решетки. При |
||
твердостью |
высокими |
обычных условиях это газы, жидкости |
|||
температурами плавления |
или твердые вещества с низкими тем- |
||||
пературами плавления. |
|||||
С, В, Si – имеют сходное строение и обладают некоторыми общими свойствами. Эти элементы в виде простых веществ существуют в нескольких аллотропных модификациях – в кристаллическом и аморфном состоянии. Кристаллические видоизменения С (алмаз), Si и В обладают большой твердостью, высокими температурами плавления и полупроводниковыми свойствами. Все эти элементы образуют соединения с металлами – карбиды (СаС2 , А14 С3 , Fе3 С), силициды (Мg2 Si) и бориды (ТаВ, ТаВ2 ). Некоторые из них обладают большой твердостью (Fе3 С, ТаВ). Кристаллический бор В (как и кремний) имеет очень высокую температуру плавления (2075 о С) и обладает большой твердостью. Электропроводность бора с повышением температуры значительно увеличивается, что дает возможность широко использовать его в полупроводниковой технике.
С неметаллами водород образует летучие соединения молекулярного типа: H4 R, H3 R, H2 R, HR (кроме ВH3 или В2 Н6 ). В обычных условиях это газы или летучие жидкости. Водные растворы водородных соединений неметаллов могут проявлять и основные свойства (NH3 , PH3 ) и кислотные свойства (HF, HCl, H2 S). В периоде с увеличением заряда ядра кислотные свойства водо-
родных соединений неметаллов в водных растворах увеличиваются. Сероводородная кислота относится к слабым кислотам, хлороводородная кислота – к сильным кислотам. Соли сероводородной кислоты подвергаются гидролизу, соли соляной кислоты гидролизу не подвергаются:
Na2 S + H2 O <=> NaHS + NaOH; (рН > 7)
NaCl + H2 O ≠ (рН = 7)
В группе с увеличением заряда ядра кислотные свойства и восстановительные свойства водородных соединений неметаллов увеличиваются:
HCl + H2 SO4(конц.) ≠
2 HBr + H2 SO4(конц.) |
SO2 + 2 H2 O |
|
8 HI + H2 SO4(конц.) |
4 I2 |
H2 S + 4 H2 O |
Кислородные соединения неметаллов проявляют кислотные свойства. Неметаллы при взаимодействии с кислородом (прямом или косвенном) образуют кислотные оксиды, гидроксиды которых проявляют кислотные свойства:
НеМе (Э) → кислотный оксид (Эх Оу ) → гидроксид – кислота (Нх ЭОу )
S + O2 = SO2 ; |
SO2 + H2 O = H2 SO3 |
SO2 + Na2 O = Na2 SO3 ; |
SO2 + 2NaOH = Na2 SO3 + H2 O |
Кислотные свойства оксидов и гидроксидов в периоде увеличиваются, а
группе уменьшаются.: |
||||
SiO2 |
P2 O5 – SO3 |
Cl2 O7 |
||
H2 SiO3 |
H3 PO4 – H2 SO4 |
HClO4 |
Кислотные свойства увеличиваются
НNО3 – H3 PO4 – H3 АsO4
Кислотные свойства уменьшаются
Если неметалл может образовывать соединения с разными степенями окисления, то свойства соединений будут зависеть от степени окисления элемента. С увеличением степени окисления кислотные свойства соединений увеличиваются:
НС1+1 О – НС1+3 О2 – НС1+5 О3 – НС1+7 О4
H2 S-2 – H2 S+4 O3 – H2 S+6 O4
Кислотные свойства усиливаются
В периодической таблице металлические элементы отделены от неметаллических элементов диагональной линией, проходящей от бора к астату. Вдоль этой границы располагаются элементы, проявляющие свойства металлов и неметаллов. К ним относятся бор, кремний, германий мышьяк, сурьма, теллур и астат, которые называются полуметаллами или металлоиды. Таким образом, внутри каждого периода имеется «пограничная зона», в которой располагается элемент, проявляющий двойственные свойства. Следовательно, переход от типичного металла к типичному неметаллу в периоде происходит постепенно. Внутри больших периодов переход от металлов к неметаллам происходит плавно.
Биологическая роль химических элементов в организме человека чрезвычайно разнообразна и важна. Основу живых систем составляют только шесть элементов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера . И все эти элементы относятся к неметаллам, о свойствах которых речь пойдет ниже. На долю перечисленных неметаллов в организме человека приходится 97,4%. Для этих элементов характерным является то, что они способны образовывать разнообразные связи, этим и обуславливается большое число биомолекул, существующих в живых организмах. Корме того, углерод, во-
дород, кислород, азот, фосфор и сера относятся к макроэлементам, т.е.
элементам, содержание которых в организме выше 10-2 %. К микроэлементам, содержание которых в организме находится в пределах от 10-3 до10-5 %, из неметаллов относятся иод, мышьяк, фтор, бром. По значимости для жизнедеятельности элементы делятся на группы. К жизненно необходимым или незаменимым элементам относится ряд металлов (Ca, K, Na, Mg, Mn, Cu, Co, Fe, Zn, Mo, V) и следующие неметаллы: Н, О, N, P, S, Cl, C, I. Их дефицит приводит к нарушению нормальной жизнедеятельности человека. Кроме того, в организме человека постоянно находятся следующие неметаллы: Br, F, B, Si, As, Se. Элементы, необходимые для построения и жизнедеятельности различных клеток и организмов, называют биогенными элементами.
Незаменимые элементынеметаллы, (макроэлементы)
Биогенные неметаллы, (микроэлементы)
Металлы
Для организма вреден не только недостаток, но и избыток биогенных элементов. В результате недостатка или избытка того или иного элемента в организме человека могут возникать различные заболевания. Существует тесная связь между живой и неживой природой. Обычно содержание элементов в живых организмах соответствует содержанию этого элемента в земной коре. В живых организмах постоянно происходит обмен химических элементов с окружающей средой. В обмене принимают участие элементы с близкими физико-химическими характеристиками, такими, как ионный радиус, заряд иона, энергия ионизации, координационное число и т.д. Ион ка- кого-либо элемента (особенно при его недостатке) в организме замещаться близким по химическим свойствам и ионному радиусу ионом другого элемента, чаще соседа по группе периодической системы. Этот процесс в первую очередь зависит от химического состава среды. Следовательно, нарушение естественного микроэлементного состава среды может пагубно отразиться на жизненных процессах. Поэтому так важна защита природы от неразумного загрязнения.
2. Водород и его соединения
Общая характеристика водорода. Элемент водород Н занимает особое положение в Периодической системе. Его помещают и 1-группу и в 7- группу периодической системы. Но в настоящее время чаще располагают в начале подгруппы галогенов.
В пользу помещения водорода в начало подгруппы щелочных металлов говорят следующие аргументы:
1. Водород, как и щелочные металлы, проявляет в большинстве соединений степень окисления +1 .
2. Подобно щелочным металлам, водород обладает ярко выраженными восстановительными свойствами.
Fe2 O3 + 3 H2 = 2 Fe + 3 H2 O
3. Водород и щелочные металлы легко замещают друг друга в химических реакциях.
NаОН + НС1 = NаС1 + Н2 О Сходство водорода с галогенами заключается в следующем:
1. Подобно атомам галогенов, водород может присоединять электрон с образованием иона водорода Н, который является изоэлектронным ближайшему благородному газу (Не)
2 Nа + Н2 = 2 NаН
2. Как и легкие галогены, водород – газ при обычных условиях. Молекула водорода состоит из двух атомов (Н 2 ).
3. Водород в соединениях легко замещается галогенами.
СН4 + С12 = СН3 С1 + НС1;
4. Потенциал ионизации (первый) водорода соизмерим с потенциа-
5. Температуры плавления и кипения водорода соответствуют ряду галогенов:
Температура плавления
Температура
Рис. 1. Температуры плавления и кипения галогенов и водорода
Водород – один из наиболее распространенных элементов на Земле. Его общее содержание в земной коре составляет ~ 1%. В пересчете на атомар-
ные количества оказывается, что из каждых 100 атомов земной коры на долю водорода приходится 17.
Водород – самый легкий газ из всех газов. Он бесцветен и не имеет запаха и вкуса. Он не ядовит, но при высоких концентрациях вызывает удушье и наркотическое действие. Из-за слабого межмолекулярного взаимодействия водород имеет очень низкие температуры кипения (-252,8 о С) и плавления (-259,2 о С). Н2 практически не растворяется в воде.
Под действием радиационных реакций происходит образование водо-
рода в атмосфере: |
γ 2 Н2 + О2 |
2 Н2 О |
Но в атмосфере Н2 находится только в виде следов, ввиду легкой диффузии его в космическое пространство.
Электронная формула водорода 1s 1 , характерные степени окисления +1 и реже –1 . Водород существует в виде трех изотопов:
1 1 Н; 2 1 Н (Д – дейтерий ); 3 1 Н(Т – тритий ).
Кроме этого искусственно получены два неустойчивых изотопа водорода 4 1 Н и 5 1 Н. В природе 99,985 % приходится на долю легкого водорода, остальное – дейтерий. Все изотопы имеют по оному электрону, но химические и физические свойства двухатомных молекул и их соединений заметно различаются.
Небольшие изменения энергии связи сильно сказываются на скоростях реакций. Еакт. тем выше, чем сильнее связь в молекуле
Свойства тяжелой воды отличаются от свойств Н2 О: температура замерзания тяжелой воды 4о С, температура кипения 101,42 о С, плотность 1,105 г/см3 (20о С). Получают тяжелую воду в результате электролиза легкой воды с последующим вымораживанием. Д2 О – не пригодна для жизненных процессов, так как более прочные связи О – Д изменяют скорости биологических процессов и приводят к смещению равновесия этих процессов. Дейтерий – играет важную роль в атомной технике. Д2 О – тяжелую воду используют как замедлитель нейтронов в ядерных реакторах.
Тритий – радиоактивный изотоп водорода. Тритий выделяется при дейст-
вии космического излучения на азот:
14 7 N + 1 0 n → 12 6 С + 3 1 Н
Тритий используется для получения энергии в процессе ядерного син-
3 1 Н + 2 1 Н → 4 2 Не + 1 0 n + 17,6 МэВ
В результате радиоактивного распада ядро трития испускает β-частицу и
превращается в ядро атома гелия:
3 1 Т → β + 3 2 Не.
катализатор, t = 800 о С )
В результате замены в соединениях легкого водорода на тритий получают «меченые препараты», которые широко используют в химических исследованиях и в медицинской практике.
Получение водорода. В лаборатории водород чаще всего получают действием разбавленных серной или соляной кислот на цинк, а также взаимодействием активных металлов с водой:
Zn + H2 SO4 (разб.) = ZnSO4 + H2
2 Na + 2 H2 O = 2 NaOH + H2
Промышленные способы получения основаны на более дешевом сырье:
а) водород получают при взаимодействии водяного пара с раскаленным углем:
С + H2 O = СO + H2
Полученная таким образом смесь называется водяным газом. В присутствии катализатора (Fe2 O3 ) при 500о С оксид углерода может быть превращен в диоксид углерода:
СО + H2 O = СO2 + H2 (катализатор, t )
очистка от СО2 трудностей не представляет б) из природного газа
2 СН4 + О2 + 2 Н2 О = 2 СО2 + 6 Н2 (
СН4 + Н2 О = СО + 3 Н2 (t = 800-900 о С )
Водород высокой степени чистоты получают электролизом растворов
гидроксидов щелочных металлов (NaOH, КОН):
К: 2 Н2 О + 2ē = Н2 + 2 ОН- А: 4 ОН- - 4ē = О2 + 2 Н2 О
Химические свойства водорода. Атом водорода имеет самый маленький размер по сравнению с атомами других элементов, поэтому катион водорода (протон) Н+ обладает сильной проникающей способностью в электронные оболочки атомов других элементов. Атом водорода образует с атомами наиболее электоотрицательных элементов водородные связи. По этой же причине свободный катион водорода Н+ не существует в водном
растворе, он соединяется с одной молекулой воды и образует катион оксония Н3 О+ .
По химическим свойствам водород является довольно активным веществом. При нагревании взаимодействует со многими неметаллами: Cl2 ; Br2 ; S;
O2 и др: |
|||
Sтв. |
|||
2 HF (реакция идет с взрывом уже |
|||
при комнатной температуре) |
|||
Водород – активный восстановитель. Широко применяется в технике для выделения металлов из солей и оксидов:
MgO + Н2 = Mg + Н2 O Fe3 O4 + 4 Н2 = 3 Fe + 4 Н2 O
Неметаллы - это элементы, значительно отличающиеся физическими и химическими свойствами от металлов. Подробно объяснить причину их различий смогли только в конце XIX века, после открытия электронного строения атома. В чем же особенность неметаллов? Какие качества характерны дня них? Давайте разберемся.
Неметаллы - это что?
Подход к разделению элементов на металлы и неметаллы давно существует в научной среде. К первым в периодической таблице Менделеева обычно относят 94 элемента. Неметаллы Менделеева включают 22 элемента. В они занимают верхний правый угол.
В свободном виде неметаллы - это простые вещества, главной чертой которых является отсутствие характерных металлических свойств. Они могут находиться во всех агрегатных состояниях. Так, йод, фосфор, сера, углерод встречаются в виде твердых веществ. Газообразное состояние характерно для кислорода, азота, фтора и т. д. Жидкостью является только бром.
В природе элементы неметаллы могут существовать как в виде простых веществ, так и в виде соединений. В несвязанном виде встречаются сера, азот, кислород. В соединениях они образуют бораты, фосфаты и т. д. В таком виде они присутствуют в минералах, воде, горных породах.
Отличие от металлов
Неметаллы - это элементы, отличающиеся от металлов внешним видом, строением и химическими свойствами. Они обладают большим числом неспаренных электронов на внешнем уровне, а значит, более активны в окислительных реакциях и легче присоединяют к себе дополнительные электроны.
Характерное различие между элементами наблюдается в строении кристаллической решетки. У металлов она металлическая. У неметаллов она может быть двух видов: атомная и молекулярная. Атомная решетка придает веществам твердость и повышает температуру плавления, она свойственна кремнию, бору, германию. Молекулярной решеткой обладают хлор, сера, кислород. Она придает им летучесть и небольшую твердость.
Внутреннее строение элементов определяет их физические свойства. Металлы имеют характерный блеск, хорошую проводимость тока и тепла. Они твердые, пластичные, поддаются ковке, имеют небольшой цветовой диапазон (черный, оттенки серого, иногда желтоватый цвет).
Неметаллы - это жидкие, газообразные или не обладающие блеском и ковкостью. Их цвета сильно варьируются и могут быть красными, черными, серыми, желтыми и т. д. Почти все неметаллы плохо проводят ток (кроме углерода) и тепло (кроме черного фосфора и углерода).
Химические свойства неметаллов
В химических реакциях неметаллы могут исполнять роль как окислителей, так и восстановителей. При взаимодействии с металлами они принимают на себя электроны, проявляя таким образом окислительные свойства.
Взаимодействуя с другими неметаллами, они ведут себя по-разному. В таких реакциях менее электроотрицательный элемент проявляет себя как восстановитель, более электроотрицательный выступает окислителем.
С кислородом почти все (кроме фтора) неметаллы проявляют себя восстановителями. При взаимодействии с водородом многие являются окислителями, образуя впоследствии летучие соединения.
Часть элементов неметаллов обладает способностью образовывать несколько простых веществ или модификаций. Это явление называется аллотропией. Например, углерод существует в форме графита, алмаза, карбина и других модификаций. У кислорода их две - озон и собственно кислород. Фосфор бывает красный, черный, белый и металлический.
Неметаллы в природе
В разном количестве неметаллы находятся повсюду. Они входят в состав земной коры, являются частью атмосферы, гидросферы, присутствуют во Вселенной и в живых организмах. В космическом пространстве самыми распространенными являются водород и гелий.
В пределах Земли ситуация совсем иная. Наиболее важные составляющие земной коры - кислород и кремний. Они составляют больше 75 % от её массы. А вот наименьшее количество приходится на йод и бром.
В составе морской воды на кислород приходится 85,80 %, а на водород - 10,67 %. Её состав также включает хлор, серу, бор, бром, углерод, фтор и кремний. В составе атмосферы первенство принадлежит азоту (78 %) и кислороду (21 %).
Неметаллы, такие как углерод, водород, фосфор, сера, кислород и азот, представляют собой важные органические вещества. Они поддерживают жизненную активность всех живых существ на нашей планете, в том числе и людей.
Как мы уже отмечали, для атомов, а следовательно, и для образованных ими простых веществ характерны как окислительные, так и восстановительные свойства.
Окислительные свойства простых веществ - неметаллов.
1. Окислительные свойства неметаллов проявляются в первую очередь при их взаимодействии с простыми веществами - металлами (как вы знаете, металлы всегда восстановители):
Окислительные свойства хлора Сl 2 выражены сильнее, чем у серы S, поэтому и металл железо, который имеет в соединениях устойчивые степени окисления +2 и +3, окисляется им до более высокой степени окисления.
2. Большинство неметаллов проявляют окислительные свойства при взаимодействии с водородом. В результате образуются летучие водородные соединения.
3. Любой неметалл выступает в роли окислителя в реакциях с теми неметаллами, которые имеют меньшее значение электроотрицательности:
Электроотрицательность серы больше, чем у фосфора, поэтому в данной реакции она проявляет окислительные свойства.
Фтор F 2 - самый сильный окислитель из неметаллов, проявляет в реакциях только окислительные свойства.
4. Окислительные свойства неметаллы проявляют и в реакциях с некоторыми сложными веществами.
Отметим в первую очередь окислительные свойства неметалла кислорода в реакциях со сложными веществами:
Не только кислород, но и другие неметаллы также могут быть окислителями в реакциях со сложными веществами - неорганическими (а, б) и органическими (в, г):
Сильный окислитель хлор Сl 2 окисляет хлорид железа (II) в хлорид железа (III);
Хлор Сl 2 , как более сильный окислитель, вытесняет иод I 2 в свободном виде из раствора иодида калия;
Галогенирование метана - характерная реакция для алканов;
Вы помните, конечно, качественную реакцию на непредельные соединения - обесцвечивание бромной воды.
Восстановительные свойства простых веществ - неметаллов.
При рассмотрении реакций неметаллов друг с другом мы уже отмечали, что в зависимости от значений их электроотрицательности один из них проявляет свойства окислителя, а другой - свойства восстановителя.
1. По отношению к фтору все неметаллы (даже кислород) проявляют восстановительные свойства.
2. Разумеется, неметаллы, кроме фтора, служат восстановителями при взаимодействии с кислородом:
В результате реакций образуются оксиды неметаллов: несолеобразующие и солеобразующие кислотные. И хотя галогены непосредственно с кислородом не соединяются, известны их оксиды
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. Инертные или благородные газы («благородство» выражается в инертности) иногда относят к неметаллам, но чисто формально, по физическим признакам. Эти вещества сохраняют газообразное состояние вплоть до очень низких температур.
Инертность в химическом отношении у этих элементов относительна. Для ксенона и криптона известны соединения с фтором и кислородом . Несомненно, в образовании этих соединений инертные газы выступали в роли восстановителей.
Из определения неметаллов следует, что для их атомов характерны высокие значения электроотрнцательности. Оиа изменяется в пределах от 2 до 4. Неметаллы - это элементы главных подгрупп, преимущественно р элементы, исключение составляет водород - s-элемент.
Все элементы-неметаллы (кроме водорода) занимают в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева верхний правый угол, образуя треугольник, вершиной которого является фтор.
Однако следует особо остановиться на двойственном положении водорода в Периодической системе: 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.
У атомов неметаллов преобладают окислительные свойства, то есть способность присоединять электроны. Эту способность характеризует значение электроотрицательности, которая закономерно изменяется в периодах и подгруппах (рис. 47).
Фтор - самый сильный окислитель, его атомы в химических реакциях не способны отдавать электроны, то есть проявлять восстановительные свойства.
Конфигурация внешнего электронного слоя
Другие неметаллы могут проявлять восстановительные свойства, хотя и в значительно более слабой степени по сравнению с металлами; в периодах и подгруппах их восстановительная способность изменяется в обратном порядке по сравнению с окислительной.
Химических элементов-неметаллов всего 161 Совсем немного, если учесть, что известно 114 элементов. Два элемента-неметалла составляют 76% от массы земной коры. Это кислород (49%) и кремний (27%). В атмосфере всодержнтся 0,03% от массы кислорода в земной коре. 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 элемента ми-неметаллами (кислород О2, азот, 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%. Но это по массе, а атомная масса водорода очень мала. Поэтому небольшое содержание его только кажущееся, и из каждых 100 атомов на Земле 17 - атомы водорода.
Простые вещества-неметаллы. Строение. Физические свойства
В простых веществах атомы неметаллов связаны кова-лентнон неполярной связью. Благодаря этому формируется более устойчивая электронная система, чем у изолированных атомов. При этом образуются одинарные (например, в молекулах водорода Н2, галогенов Ки, Вг2), двойные (например, в молекулах серы тронные (например, в молекулах азота ковалентные связи.
Как вам уже известно, простые вещества-неметаллы могут иметь:
1. Молекулярное строение. При обычных условиях большинство таких веществ представляют собой газы или твердые вещества и лишь единственный бром (Вг2) является жидкостью. Все эти вещества молекулярного строения, поэтому летучи. В твердом состоянии они легкоплавки из-за слабого межмолекулярвого взаимодействия, удерживающего их молекулы в кристалле, и способны к возгонке.
2. Атомное строение. Эти вещества образованы длинными цепями атомов. Из-за большой прочности ковалентных связей они, как правило, имеют высокую твердость, и любые изменения, связанные с разрушением ко-валентной связи в их кристаллах (плавление, испарение), совершаются с большой затратой энергии. Многие такие вещества имеют высокие температуры плавления и кипения, а летучесть их весьма мала. (На рисунке 47 подчеркнуты символы тех элементов-неметаллов, которые образуют только атомные кристаллические решетки.)
Многие элементы-неметаллы образуют несколько простых веществ - аллотропных модификаций. Как вы помните, это свойство атомов называют аллотропией. Аллотропия может быть связана и с разным составом молекул, и с разным строением кристаллов. Аллотропными модификациями углерода являются графит, алмаз, карбин, фуллерен (рис. 48).
Элементы-неметаллы, обладающие свойством аллотропии, обозначены на рисунке 47 звездочкой. Так что простых веществ-неметаллов гораздо больше, чем химических элементов- неметаллов.
Вы знаете, что дли большинства металлов, за редким исключением (золото , медь и некоторые другие), характерна серебристо-белая окраска. А вот у простых веществ-неметаллов гамма цветов значительно разнообразнее.
Несмотря на большие различия в физических свойствах неметаллов, все-таки нужно отметить и некоторые их общие черты. Все газообразные вещества, жидкий бром, а также типичные ковалентные кристаллы - диэлектрики, так как все внешние электроны их атомов использованы для образования химических связей. Кристаллы непластичны, и любая дефор-мация вызывает разрушение ковалентных связей. Большинство неметаллов не имеют металлического блеска.
Химические свойства
Как мы уже отмечали, для атомов неметаллов, а следовательно, и для образованных ими простых веществ характерны как окислительные, так и восстановительные свойства.
Окислительные свойства простых веществ неметаллов
1. Окислительные свойства неметаллов проявляются в первую очередь при их взаимодействии с металлами (как вы знаете, металлы всегда восстановители):
Окислительные свойства хлора Сl2 выражены сильнее, чем у серы, поэтому и металл Ре, который имеет в соединениях устойчивые степени окислеиия +2 b +3. окисляется им до более высокой степени окисления.
2. Большинство неметаллов проявляют окислительные свойства при взаимодействии с водородом. В результате образуются летучие водородные соединения.
3. Любой неметалл выступает в роли окислителя в реакциях с теми неметаллами, которые имеют более низкое значение элек-троотрицател ьности:
Электроотрицательность серы больше, чем у фосфора, поэтому она здесь проявляет окислительные свойства.
Электроотрицательность фтора больше, чем у всех остальных химических элементов, поэтому он проявляет свойства окислителя.
Фтор самый сильный окислитель из неметаллов, проявляет в реакциях только окислительные свойства.
4. Окислительные свойства неметаллы проявляют и в реакциях с некоторыми сложными веществами. Не только кислород, но и другие неметаллы также могут быть окислителями в реакциях со сложными веществами -неорганическими и органическими.
Сильный окислитель хлор Сl2 окисляет хлорид железа (II) в хлорид железа(III).
Вы помните, конечно, качественную реакцию на непредельные соединении - обесцвечивание бромной воды.
Восстановительные свойства простых веществ - неметаллов
При рассмотрении реакции неметаллов друг с другом мы уже отмечали, что в зависимости от значений их электроотрицательности одни из них проявляет свойства окислителя, а другой - свойства восстановителя.
1. По отношению к фтору все неметаллы (даже кислород) проявляют восстановительные свойства.
2. Разумеется, неметаллы, кроме фтора, служит восстановителями при взаимодействии с кислородом:
8 Многие неметеллы могут выступать в роли восстановителя в реакциях со сложными веществами окислителями:
Существуют и такие реакции, в которых один и тот же неметалл является одновременно и окислителем, в восстановителем, это реакции самоокисления-самовосстановления.
Итак, подведем итоги! Большинство неметаллов могут выступал в химических реакциях как в роли окислителя, так и в роли восстановителя (восстановительные свойства не присущи одному только фтору).
Водородные соединения неметаллов
Общим свойством всех неметаллов является образование летучих водородных соединений, в большинстве которых неметалл имеет низшую степень окисления .
Известно, что наиболее просто эти соединения можно получить непосредственно взаимодействием неметаллв е водородом, то есть синтезом.
Вм водородные соединении неметаллов обдоэоьаны коналентны-ми полярными свялямн, имеют молекулярное строение и при обычных условиях является газами, кроме воды (жидкость). Лла водородных соединений неметаллов характерно рвалнчное отношение к воде. Метай и енлан в ней практмческя нерастворимы. Аммиак при расстворении в воде образует слябое основание - гидрат аммиака.
Кроме рассмотренных свойств, водородные соединения неметаллов в окислительно-восстановительных реакциях всегда проявляют свойства восстановителен, ведь в них неметалл имеет низшую степень окисления.
Оксиды неметаллов и соответствующие им гидроксиды
В оксидах неметаллов связь между атомами ковалентная полярная. Среди оксидов молекулярного строения есть газообразные, жидкие (летучие), твердые (летучие).
Оксиды неметаллов делят на две группы: несолеобразующие и голеобразующие. При растворении кислотных оксидов в воде образуются гидраты оксидов - гидроксиды, по своему характеру являющиеся кислотами. Кислоты и кислотные оксиды в результате химических реакций образуют соли, в которых неметалл сохраняет степень окисления.
Оксиды и соответствующие им гидроксиды - кислоты, в которых неметалл проявляет степень окисления, равную номеру группы, то есть высшее ее значение, называют высшими. При рассмотрении Периодического закона мы уже характеризовали их состав и свойства.
усиление кислотных свойств оксидов и шдронепдоп В пределах одной главной подгруппы, например, VI группы действует следующая закономерность изменения свойств высших оксидов и гидроксидов.
Если неметалл образует два или более кислотных оксидов, а значит, и соответствующих кислородсодержащих кислот, то их кислотные свойства усиливаются с увеличением степени оксиления неметалла.
Оксиды и кислоты, в которых неметалл имеет высшую степень окисления, могут чроявлять только окислительные свойства.
Оксиды и кислоты, где неметалл имеет промежуточную степень окисления, могут проявлять и окислительные, и восстановительные свойства.
Практические задания
1. К каким электронным семействам откосят элементы-неметаллы?
2. Какие элементы-неметаллы являются биогенными?
3. Какие факторы определяют валентные возможности ато-ыов неметаллов? Рассмотрите их на примере атомов кислорода и серы.
4. Почему одни неметаллы при обычных условиях - газы, другие - твердые тугоплавкие вещества?
5. Приведите примеры простых веществ-неметаллов, существующих при обычных условиях в разном агрегатном состоянии: а) газообразном, б) жидком, в) твердом.
6. Составьте уравнения окислительно-восстановительных реакций с участием неметаллов. Какие свойство (окислительные или восстановительные) проявляют в этих реакциях неметаллы?
По какой причине очень сильно различаются температуры кипения воды и сероводорода, но близки между собой температуры кипения серо- и селеноводорода?
7. Почему метан устойчив на воздухе, а силен на воздухе самовозгорается: фтороводород устойчив к нагреванию, иодо-водород уже при слабом нагревании разлагается на иод и водород?
8. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие переходы:
9. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие переходы:
12. Через раствор, содержащий 10 г едкого натра, пропустили 20 г сероводорода. Какая соль и в какой количестве получится?
Ответ: 0.25 моль NaHS.
14. При обработке 30 г известняка соляной кислотой получилось 11 г углекислого газа. Какова массовая доля карбоната кальция в природном известняке? Ответ: 83.3%.
15. Применяемая в медицине йодная настойкп является 51% ным раствором кристаллического иода в этиловом спирте. Какой объем спирта, плотность которого 0.8 г/мл. требуется для приготовления 250 г такого раствора?
Ответ: 297 мл.
16. Смесь кремния, графита и карбоната кальция.массой 34 г обработали раствором гидроксида натрия п получили 22.4 л газа (н. у.). При обработке такой порции смеси соляной кислотой получили 2.24 л газа (н. у.). Определите массовый состав смеси.
Ответ: 14 г 81: 10 г С; 10 г СаСО2.
17. Газообразный аммиак объемом 2.24 л (н. у.) поглощен 20 г раствора фосфорной кислоты с массовой долей 49%. Какая соль образовалась, какова ее масса?
Ответ: 11,5г
19. Какой объем аммиака требуется для получения 6,3 т азотной кислоты, считая потери в производстве равными 5%?
Ответ: 2352 м3.
20. Из природного газа объемом 300 л (н. у.) с объемной долей метана в газе 96% получили ацетилен. Определите его объем, если выход продукта 65%.
Ответ: 93.6 л.
21. Определите структурную формулу углеводорода с плотностью паров по воздуху 1,862 и массовой долей углерода 88,9%. Известно, что углеводород взаимодействует с аммиачным раствором оксида серебра.
Роль неметаллов в жизни человека
Неметаллы в жизни человека играют огромную роль, так как без них невозможна жизнь не только человека, но и других живых организмов. Ведь благодаря таким неметаллическим элементам, как кислород, углерод, водород и азот, образуются аминокислоты, из которых затем образуются белки, без чего не может существовать все живое на Земле.
Давайте внимательно рассмотрим картинку внизу, на которой представлены основные неметаллы:
А теперь давайте рассмотрим некоторые неметаллы более подробно и узнаем их значение, которое они играют в жизни человека и в его организме.
Полноценная жизнь человека зависит от воздуха, которым он дышит, а в воздухе содержатся неметаллы и соединения между ними. Обеспечением важнейших функций нашего организма, занимается кислород, а азот и другие газообразные вещества его разбавляют, и тем самым защищают наши дыхательные пути. Ведь, с курса биологий вам уже известно, что все защитные функции организма тесно связаны с наличием кислорода.
От проникновения губительного УФ излучения, на защиту нашего организма становиться озон.
Такой необходимый микроэлемент, как сера, в организме человека выступает в роли минерала красоты, так как благодаря ней, кожа, ногти и волосы, будут оставаться здоровыми. Также, не стоит забывать, что сера принимает участие в формировании хрящевой и костных тканей, помогает улучшить работу суставов, укрепляет нашу мышечную ткань и выполняет еще много других функций, которые очень важны для здоровья человека.
Анионы хлора также играют важную биологическую роль для человека, так как принимают участие в активизации некоторых ферментов. С их помощью поддерживается благоприятная среда в желудке и поддерживается осмотическое давление. Хлор, как правило, попадает в организм человека, благодаря поваренной соли при приеме пищи.
Помимо важных качеств, которые неметаллы оказывают на человеческий организм, и другие живые организмы, эти вещества применяют и в других различных отраслях.
Применение неметаллов
Водород
Такая разновидность неметаллов, как водород, широко применяется в химической промышленности. Его используют для синтеза аммиака, метанола, хлороводорода, а также для гидрогенизации жиров. Также, не обойтись без участия водорода, в качестве восстановителя и при производстве многих металлов и их соединений.
Широко применяется водород и в медицине. При обработке ран и для остановки мелких кровотечений используют трех процентный раствор перекиси водорода.
Хлор
Для производства соляной кислоты, каучука, винилхлорида, пластмасс, а также и многих органических веществ, применяют хлор. Его используют в таких промышленностях, как текстильная и бумажная, в качестве отбеливающего средства. На бытовом уровне, хлор незаменим для обеззараживания питьевой воды, так как, обладая окислительными свойствами, он имеет сильное дезинфицирующее действие. Такими же свойствами обладают и хлорная вода, и известь.
В медицинских целях, как правило, в качестве физраствора, используется хлорид натрия. На его основе производят многие водорастворимые лекарства.
Сера
Такой неметалл, как сера, используют для производства серной кислоты, пороха, спичек. Также он применяется при вулканизации каучука. Ее применяют в производстве красителей и люминофоров. А коллоидная сера необходима в медицине.
Сера нашла применение и в сельском хозяйстве. Ее используют, как фунгицид, для борьбы с различными вредителями.
В синтезе полимерных материалов, а также для изготовления различных медицинских препаратов, широкое применение получили и такие неметаллы, как йод и бром.