Какие металлы и неметаллы. Химические и физические свойства неметаллов

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Неметаллы – химические элементы, атомы которых принимают электроны для завершения внешнего энергетического уровня, образуя при этом отрицательно заряженные ионы. Электронная конфигурация валентных электронов неметаллов в общем виде — ns 2 np 1−5 Исключение составляют водород (1s 1) и гелий (1s 2), которые тоже рассматривают как неметаллы.

Неметаллы обычно обладают большим спектром степеней окисления в своих соединениях. Большее число электронов на внешнем энергетическом уровне по сравнению с металлами определяет их большую способность к присоединению электронов и проявлению высокой окислительной активности.

Нахождение неметаллов в природе

Неметаллы находятся в земной коре (в большинстве своем кислород и кремний — 76 % от массы земной коры а также As, Se, I, Te, но в очень незначительных количествах), в воздухе (азот и кислород) , в составе растительной массы (98,5 % — углерод, водород, кислород, сера, фосфор и азот), а также в основе массы человека (97,6 % — — углерод, водород, кислород, сера, фосфор и азот). Водород и гелий – входят в состав космических объектов, включая Солнце. Чаще всего в природе неметаллы встречаются в виде соединений.

Физические свойства неметаллов

Фтор, хлор, кислород, азот, водород и инертные газы представляют собой газообразные вещества, йод, астат, сера, селен, теллур, фосфор, мышьяк, углерод, кремний, бор –твёрдые вещества; бром -жидкость.

Положение неметаллов в Периодической системе Д.И. Менделеева

Если в Периодической системе мысленно провести диагональ от бериллия к астату, то в правом верхнем углу таблицы будут находиться элементы-неметаллы. Среди неметаллов есть s-элемент – водород; р-элементы бор; углерод, кремний; азот, фосфор, мышьяк, кислород, сера, селен, теллур, галогены и астат. Элементы VIII группы – инертные (благородные) газы, которые имеют полностью завершенный внешний энергетический уровень и их нельзя отнести ни к металлам, ни к неметаллам.

Неметаллы обладают высокими значениями сродства к электрону, электроотрицательность и окислительно-восстановительный потенциал.

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).

Zn +2HCl = ZnCl 2 + H 2

CH 4 + H 2 O = CO + 3H 2 (температура 900 С)

Получение галогенов осуществляют в основном, путем окисления галогеноводородных кислот:

MnO 2 +4HCl = MnCl 2 + Cl 2 + 2H 2 O

K 2 Cr 2 O 7 +14HCl= 3Cl 2 + 2KCl +2CrCl 3 +7H 2 O

2KMnO 4 +16HCl = 2 MnCl 2 +5Cl 2 +8H 2 O+ 2KCl

Для получения кислорода используют реакции термического разложения сложных веществ:

2KMnO 4 = K 2 MnO 4 + MnO 2 +O 2

4K 2 Cr 2 O 7 = 4K 2 CrO 4 +2Cr 2 O 3 +3O 2

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

H 2 S + O 2 =2S +2H 2 O (1)

2H 2 S + SO 2 =3S↓ +2H 2 O (2)

Для получения азота используют реакцию разложения нитрита аммония:

NaNO 2 +NH 4 Cl = N 2 + NaCl +2H 2 O

Основной способ получения фосфора – из фосфата кальция:

Ca 3 (PO 4) 2 +3SiO 2 +5C = 3CaSiO 3 +5CO +2P

Химические свойства неметаллов

Основные химические свойства неметаллов (общие для всех) – это:

— взаимодействие с металлами

2Na + Cl 2 = 2NaCl

6Li + N 2 = 2Li 3 N

2Ca + O 2 = 2CaO

— взаимодействие с другими неметаллами

3H 2 + N 2 = 2NH 3

H 2 + Br 2 = 2HBr

4P + 5O 2 = 2P 2 O 5

2F 2 + O 2 = 2OF 2

S + 3F 2 = SF 6 ,

C + 2Cl 2 = CCl 4

Каждый неметалл обладает специфическими химическими свойствами, характерными только для него, которые подробно рассматривают при изучении каждого неметалла в отдельности.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

Осуществите ряд превращений S→H 2 S→SO 2 →SO 3 →H 2 SO 4

Решение

S + H 2 = H 2 S

2H 2 S + 3O 2 = 2SO 2 + 2H 2 O

2SO 2 + O 2 = 2SO 3

SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4

Химических элементов-неметаллов всего 16, но два из них, кислород и кремний составляют 76 % от массы земной коры. Неметаллы составляют 98,5 % от массы растений и 97,6 % от массы человека. Из углерода, водорода, кислорода, серы, фосфора и азота состоят все важнейшие органические вещества, они являются элементами жизни. Водород и гелий – основные элементы Вселенной из них состоят все космические объекты, включая наше Солнце.

Неметаллы – это химические элементы, атомы которых принимают электроны для завершения внешнего энергетического уровня, образуя при этом отрицательно заряженные ионы. Практически все неметаллы имеют сравнительно малые радиусы и большое число электронов на внешнем энергетическом уровне от 4 до 7, для них характерны высокие значения электроотрицательности и окислительные свойства.

Если в Периодической системе провести диагональ от бериллия к астату, то справа вверх по диагонали будут находиться элементы-неметаллы, а слева снизу – металлы, к ним же относятся элементы всех побочных подгрупп, лантаноиды и актиноиды. Элементы, расположенные вблизи диагонали, например, бериллий, алюминий, титан, германий, сурьма, обладают двойственным характером и относятся к металлоидам. Элементы 18 группы – инертные газы, имеют полностью завершенный внешний электронный слой, их иногда относят к неметаллам, но формально, по физическим признакам.

Электронные конфигурации валентных электронов элементов-неметаллов приведены в таблице:

Закономерности в изменении свойств элементов-неметаллов

В периоде с ростом заряда ядра (слева направо):

радиус атома уменьшается,
число электронов на внешнем энергетическом уровне увеличивается,
электроотрицательность увеличивается,
окислительные свойства усиливаются,
неметаллические свойства усиливаются.

В группе с ростом заряда ядра (сверху вниз):

радиус атома увеличивается,
число электронов на внешнем энергетическом уровне не изменяется,
электроотрицательность уменьшается,
окислительные свойства ослабевают,
неметаллические свойства ослабевают.

Таким образом, чем правее и выше стоит элемент в Периодической системе, тем ярче выражены его неметаллические свойства.

Неметаллами в главной подгруппе IV группы Периодической системы Д.И. Менделеева являются углерод и кремний. На внешнем энергетическом уровне этих элементов находятся 4 электрона (ns 2 np 2). В своих неорганических соединениях углерод имеет степень окисления +2 (в невозбужденном состоянии) и +4 (в возбужденном состоянии). В органических соединениях степень окисления углерода может быть любой от –4 до +4.

Для кремния наиболее устойчива степень окисления +4. Углерод и кремний образуют кислотные оксиды общей формулы ЭО 2 , а также летучие водородные соединения общей формулы ЭН 4 .

Неметаллами в V группе главной подгруппе Периодической системы Д.И. Менделеева являются азот, фосфор, мышьяк. На внешнем энергетическом уровне этих элементов находятся пять электронов: ns 2 np 3 . Азот в своих соединениях может проявлять степени окисления –3, –2, +1, +2, +3, +4, +5.
Для фосфора характерны степени окисления –3, +3, +5. Поскольку атом азота не имеет d-подуровня, он не может быть пятивалентным, но способен образовывать четвертую ковалентную связь по донорно-акцепторному механизму. С увеличением порядкового номера внутри подгруппы увеличиваются радиусы атомов и ионов, уменьшается энергия ионизации. Происходит ослабление неметаллических свойств и усиление металлических.
С кислородом элементы главной подгруппы V группы образуют высшие оксиды состава R 2 O 5 . Все они являются кислотными оксидами. С водородом азот, фосфор и мышьяк образуют летучие газообразные соединения состава ЭН 3 .

Неметаллами главной подгруппы VI группы Периодической системы Д.И. Менделеева являются кислород, сера, селен и теллур. Конфигурация внешнего электронного уровня этих элементов ns 2 np 4 . В своих соединениях они проявляют наиболее характерные степени окисления –2, +4, +6 (кроме кислорода). С возрастанием порядкового номера в пределах подгруппы уменьшается энергия ионизации, увеличиваются размеры атомов и ионов, ослабляются неметаллические признаки элементов и нарастают металлические. Сера и селен образуют высшие оксиды типа RO 3 . Эти соединения являются типичными кислотными оксидами, которым соответствуют сильные кислоты типа H 2 RO 4 . Для неметаллов главной подгруппы VI группы характерны летучие водородные соединения общей формулой H 2 R. При этом полярность и прочность связи ослабевает от H 2 O к H 2 Te. Все водородные соединения, кроме воды, являются газообразными веществами. Водные растворы H 2 S, H 2 Se, H 2 Te являются слабыми кислотами.

Элементы VII группы главной подгруппы - фтор, хлор, бром, иод являются типичными неметаллами. Групповое название этих элементов - галогены от греческого halos - соль и genes - рождающий. Конфигурация внешнего электронного уровня этих галогенов ns 2 np 5 . Наиболее характерная степень окисления галогенов –1. Кроме того, хлор, бром и иод могут проявлять степени окисления + 3, + 5, + 7. В пределах каждого периода галогены - наиболее электроотрицательные элементы. Внутри подгруппы при переходе от фтора к астату происходит увеличение радиуса атома, неметаллические свойства уменьшаются, происходит уменьшение окислительных и увеличение восстановительных свойств. Все галогены образуют простые вещества - двухатомные молекулы Hal 2 . Фтор - самый электроотрицательный из химических элементов. Во всех своих соединениях имеет степени окисления –1. Высшие оксиды галогенов (кроме фтора) имеют общую формулу R 2 O 7 , являются кислотными оксидами. Им соответствуют сильные кислоты общей формулы HRO 4 (R = Cl, Br). Водородные соединения галогенов - галогеноводороды имеют общую формулу HHal. Их водные растворы являются кислотами, сила которых возрастает от HF к HI. Для галогенов существует закономерность: каждый предыдущий галоген способен вытеснять последующий из его соединений с металлами и водородом, например: Cl 2 + 2KBr = 2KCl + Br 2 .

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

Неметаллы в периодической системе расположены справа от диагонали «бор – астат». Это элементы главных подгрупп III, IV, V, VI, VII, VIII групп. К неметаллам относятся: , , астат, а также .

Среди неметаллов два элемента – водород и гелий – относятся к s-семейству, все остальные принадлежат к р-семейству.

На внешнем электронном слое у атомов неметаллов находится различное число электронов: у атома водорода – один электрон (1s 1), у атомов гелия – два электрона (1s 2), у атома бора – три электрона (2s 2 2p 1). Однако атомы большинства неметаллов, в отличие от атомов , на внешнем электронном слое имеют большое число электронов – от 4 до 8; их электронные конфигурации изменяются от ns 2 np 2 у атомов элементов главной подгруппы IV группы до ns 2 np 6 у атомов инертных газов.

Физические свойства

Элементы – неметаллы образуют простые вещества, которые при обычных условиях существуют в разных агрегатных состояниях:

7 элементов-неметаллов образуют простые вещества, существующие в виде двухатомных молекул Э 2 (H 2 , O 2 , N 2 , F 2 , Cl 2 , Br 2 , I 2).

Бром

Кристаллические решетки металлов и твердых веществ-неметаллов отличаются между собой. Атомы металлов образуют плотно упакованную кристаллическую структуру, в которой между атомами существуют ковалентные связи. В кристаллической решетке неметаллов, как правило, нет свободных электронов. В связи с этим твердые вещества-неметаллы в отличие от плохо проводят тепло и электрический ток, не обладают пластичностью.

Химические свойства

Неметаллы как окислители

Окислительные свойства неметаллов проявляются в первую очередь при их взаимодействии с . Например:

4Al + 3C = Al 4 C 3

2Al + N 2 = 2AlN

Все неметаллы играют роль окислителя при взаимодействии с . Например:

H 2 + Cl 2 = 2HCl

3H 2 + N 2 = 2NH 3

Любой неметалл выступает в роли окислителя в реакциях с теми неметаллами, которые имеют более низкую ЭО. Например:

2P + 5S = P 2 S 5

В этой реакции сера – окислитель, а – восстановитель, так как ЭО фосфора меньше ЭО серы.

Окислительные свойства неметаллов проявляются в реакциях с некоторыми сложными веществами. Здесь важно особо отметить окислительные свойства неметалла – в реакциях окисления сложных веществ:

CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O

4NH 3 + 5O 2 = 4NO + 6H 2 O

Не только кислород, но и другие неметаллы ( , и другие) также могут играть роль окислителя в реакциях со сложными веществами. Например, сильный окислитель Cl 2 окисляет хлорид железа (II) в хлорид железа (III) :

2FeCl 2 + Cl 2 = 2FeCl 3

На разной окислительной активности основана способность одних неметаллов вытеснять другие из растворов их . Например, бром, как более сильный окислитель, вытесняет йод в свободном виде из раствора йодида калия:

2KI + Br 2 = 2KBr + I 2

Неметаллы как восстановители

Стоит отметить, что неметаллы (кроме фтора) могут проявлять и восстановительные свойства. При этом электроны атомов неметаллов смещаются к атомам элементов- окислителей. В образующихся соединениях атомы неметаллов имеют положительные степени окисления. Высшая положительная степень окисления неметалла обычно равна номеру группы.

Все неметаллы выступают в роли восстановителей при взаимодействии с кислородом, так как ЭО кислорода больше ЭО всех других неметаллов (кроме фтора):

4P + 5O 2 = 2P 2 O 5

Горение фосфора в кислороде

Многие неметаллы выступают в роли восстановителей в реакциях со сложными веществами-окислителями:

ZnO + C = Zn + CO

SiO2 + 2C = Si + 2CO

Таким образом, практически все неметаллы могут выступать как в роли окислителей, так и в роли восстановителей. Это зависит от того, с каким веществом взаимодействует неметалл.

Реакции самоокисления – самовосстановления

Существуют и такие реакции, в которых один и тот же неметалл является одновременно и окислителем, и восстановителем. Это реакции самоокисления – самовосстановления (диспропорционирования) . Например:

Химические свойства неметаллов
В соответствии с численными значениями относительных электроотрицательностей окислительные способности неметаллов увеличивается в следующем порядке: Si, B, H, P, C, S, I, N, Cl, O, F.
Неметаллы как окислители
Окислительные свойства неметаллов проявляются при их взаимодействии:

· с металлами: 2Na + Cl 2 = 2NaCl;

· с водородом: H 2 + F 2 = 2HF;

· с неметаллами, которые имеют более низкую электроотрицательность: 2Р + 5S = Р 2 S 5 ;

· с некоторыми сложными веществами: 4NH 3 + 5O 2 = 4NO + 6H 2 O,

2FeCl 2 + Cl 2 = 2 FeCl 3 .

Неметаллы как восстановители

1. Все неметаллы (кроме фтора) проявляют восстановительные свойства при взаимодействии с кислородом:

S + O 2 = SO 2 , 2H 2 + O 2 = 2H 2 О.

Кислород в соединении с фтором может проявлять и положительную степень окисления, т. е. являться восстановителем. Все остальные неметаллы проявляют восстановительные свойства. Так, например, хлор непосредственно с кислородом не соединяется, но косвенным путем можно получить его оксиды (Cl 2 O, ClO 2 , Cl 2 O 2), в которых хлор проявляет положительную степень окисления. Азот при высокой температуре непосредственно соединяется с кислородом и проявляет восстановительные свойства. Еще легче с кислородом реагирует сера.

2. Многие неметаллы проявляют восстановительные свойства при взаимодействии со сложными веществами:

ZnO + C = Zn + CO, S + 6HNO 3 конц = H 2 SO 4 + 6NO 2 + 2H 2 О .

3. Существуют и такие реакции, в которых один и тот же неметалл является одновременно и окислителем и восстановителем:

Cl 2 + H 2 О = HCl + HClO.

4. Фтор ― самый типичный неметалл, которому нехарактерны восстановительные свойства, т. е. способность отдавать электроны в химических реакциях.

Соединения неметаллов
Неметаллы могут образовывать соединения с разными внутримолекулярными связями.
Виды соединений неметаллов
Общие формулы водородных соединений по группам периодической системы химических элементов приведены в таблицe :


	RH 2	RH 3	RH 4	RH 3	H 2 R
Нелетучие водородные соединения				Летучие водородные соединения

С металлами водород образует (за некоторым исключением) нелетучие соединения, которые являются твердыми веществами немолекулярного строения. Поэтому их температуры плавления сравнительно высоки. С неметаллами водород образует летучие соединения молекулярного строения (например, фтороводород HF, сероводород H 2 S, аммиак NH 3 , метан CH 4). В обычных условиях это газы или летучие жидкости. При растворении в воде водородные соединения галогенов, серы, селена и теллура образуют кислоты той же формулы, что и сами водородные соединения: HF, HCl, HBr, HI, H 2 S, H 2 Se, H 2 Te. При растворении в воде аммиака образуются аммиачная вода, обычно обозначаемая формулой NH 4 OH и называемая гидроксидом аммония. Ее также обозначают формулой NH 3 ∙H 2 O и называют гидратом аммиака.
С кислородом неметаллы образуют кислотные оксиды. В одних оксидах они проявляют максимальную степень окисления, равную номеру группы (например, SO 2 , N 2 O 5), а других ― более низкую (например, SO 2 , N 2 O 3). Кислотным оксидам соответствуют кислоты, причем из двух кислородных кислот одного неметалла сильнее та, в которой он проявляет более высокую степень окисления. Например, азотная кислота HNO 3 сильнее азотистой HNO 2 , а серная кислота H 2 SO 4 сильнее сернистой H 2 SO 3 .
Характеристики кислородных соединений неметаллов

1. Свойства высших оксидов (т. е. оксидов, в состав которых входит элемент данной группы с высшей степенью окисления) в периодах слева направо постепенно изменяются от основных к кислотным.

2. В группах сверху вниз кислотные свойства высших оксидов постепенно ослабевают. Об этом можно судить по свойствам кислот, соответствующих этим оксидам.

3. Возрастание кислотных свойств высших оксидов соответствующих элементов в периодах слева направо объясняется постепенным возрастанием положительного заряда ионов этих элементов.

4. В главных подгруппах периодической системы химических элементов в направлении сверху вниз кислотные свойства высших оксидов неметаллов уменьшаются.