Print bookPrint book

§ 28. Общая характеристика неметаллов

Site: Профильное обучение
Course: Химия. 11 класс
Book: § 28. Общая характеристика неметаллов
Printed by: Guest user
Date: Sunday, 26 May 2024, 9:41 AM

Положение в периодической системе

Химические элементы принято делить на металлы и неметаллы по их химическим свойствам. В периодической системе неметаллы расположены в А-группах: IА, IIIА–VIIIА. От металлов их отделяет ступенчатая линия водород — бор — оганесон. Неметаллы находятся выше этой линии, то есть занимают правый верхний угол таблицы, образуя своеобразный треугольник (рис. 61).

img
Рис. 61. Неметаллы и электронная конфигурация их внешнего энергетического уровня

Элементы, расположенные в одной группе, сходны по строению атома, а значит, во многом и по свойствам. Поэтому для некоторых групп неметаллов применяют общие названия. Так, неметаллы VIIIA-группы называют благородными газами. Для элементов VIIA-группы используют название галогены — рождающие соли. Неметаллы VIA-группы имеют общее название халькогены — рождающие руды.

img

По электрофизическим свойствам, в отличие от химических, простые вещества, состоящие из атомов тех или иных элементов, подразделяют на три группы: металлы, полупроводники и диэлектрики. Различить эти вещества можно не только по величине электропроводности, но и по характеру её зависимости от температуры. С ростом температуры электропроводность металлов падает, а полупроводников и диэлектриков растёт. Типичные полупроводники — кремний и германий.

Строение электронных оболочек атомов неметаллов

Внешний электронный слой атома во многом определяет свойства элемента. Число электронов внешнего уровня атомов неметаллов соответствует номеру А-группы, в которой расположен элемент. У большинства из них он близок к завершению или завершён, содержит четыре и более электронов. Меньшее число электронов содержат атомы лишь трёх элементов: водород имеет один электрон (до завершения не хватает одного электрона), гелий — два электрона (внешний уровень завершён), бор — три электрона. Неметаллы являются представителями p-элементов, за исключением водорода и гелия, принадлежащих к s-элементам.

Атомы неметаллов, в отличие от атомов металлов, способны проявлять как положительные степени окисления, так и отрицательные. Исключением являются фтор и благородные газы. В соединениях с другими элементами для фтора характерна лишь отрицательная степень окисления, равная –1 (например, KF with negative 1 on top, stack ОF subscript 2 with negative 1 on top, straight C with plus 4 on top straight F with negative 1 on top subscript 4). Наиболее лёгкие благородные газы — гелий, неон и аргон — устойчивых соединений не образуют, а для ксенона, криптона и радона получены соединения лишь с положительными степенями окисления (например, Rn with plus 2 on top straight F subscript 2, Xe with plus 8 on top straight O subscript 4).

В целом значения степеней окисления неметаллов лежат в интервале от –4 до +8, а валентности — от I до VIII. Следует вспомнить, что валентность атомов элементов второго периода не бывает больше четырёх:

img

Простые вещества

В исторически сложившейся классификации элементов принадлежность к неметаллам определяли по физическим свойствам простых веществ: твёрдое, газообразное или жидкое состояние при нормальных условиях. В твёрдом состоянии у неметаллов, как правило, отсутствует металлический блеск. Их электро- и теплопроводность обычно невелики, вещества являются хрупкими.

Неметаллы образуют два типа кристаллов — молекулярные и атомные (рис. 62).

img
Рис. 62. Состав и строение простых веществ неметаллов

Вещества молекулярного строения отличаются низкими температурами плавления (гелий –272 °С, кислород –223 °С) и кипения (гелий –269 °С, кислород –183 °С). Неметаллы немолекулярного строения, наоборот, имеют чрезвычайно высокие температуры кипения и плавления (графит: Tпл. = 3850 °С, Tкип.= 4200 °С).

Для неметаллов характерно явление аллотропии. Примерами могут служить красный и белый фосфор, алмаз и графит, кислород и озон.

Неметаллы могут вступать в реакции с веществами всех классов (металлами, другими неметаллами, оксидами, щелочами, кислотами, солями) и проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства (табл. 20).

Таблица 20. Общие свойства неметаллов как простых веществ

Неметаллы как окислители вступают в реакции Неметаллы как восстановители вступают в реакции
С металлами:
begin mathsize 14px style bold C with 0 on top plus space space 2 Mg with 0 on top stack space equals space with t on top Mg with plus 2 on top subscript 2 bold C with negative 4 on top comma space bold C with 0 on top space long dash space окислитель end style
С некоторыми оксидами:
begin mathsize 14px style 3 stack bold C bold space with 0 on top plus space 2 Fe with plus 3 on top subscript 2 straight O subscript 3 space stack equals space with t on top 3 bold C with plus 4 on top straight O subscript 2 space plus space 4 straight F with 0 on top straight e comma
bold C with 0 on top space long dash space восстановитель end style
С другими неметаллами:
begin mathsize 14px style stack 2 straight P space with 0 on top plus space 3 stack bold S bold space with 0 on top equals with t on top space straight P with plus 3 on top subscript 2 stack bold S subscript 3 with negative 2 on top comma space stack bold space bold S with 0 on top space long dash space окислитель end style
С другими неметаллами:
begin mathsize 14px style stack bold S bold space with 0 on top plus space straight O subscript 2 equals bold S with plus 4 on top straight O subscript 2 comma space bold S with 0 on top space minus space восстановитель end style
С кислотами:
begin mathsize 14px style stack bold Cl subscript 2 with 0 on top plus straight H subscript 2 straight S with negative 2 on top space left parenthesis раствор right parenthesis equals straight S with 0 on top downwards arrow plus space 2 straight H bold Cl with negative 1 on top space left parenthesis раствор right parenthesis comma
bold Cl with 0 on top space minus space окислитель end style
С органическими веществами:
begin mathsize 14px style CH identical to CH space plus space 2 bold H with bold 0 on top subscript 2 space not stretchy rightwards arrow with t comma space Ni on top space straight C bold H with plus 1 on top subscript 3 minus straight C bold H with plus 1 on top subscript 3 comma
bold H with 0 on top space minus space восстановитель end style
С солями:
begin mathsize 14px style bold Br with 0 on top subscript 2 space plus space 2 stack KI space with negative 1 on top equals space straight I with 0 on top subscript 2 downwards arrow plus space 2 straight K bold Br with negative 1 on top comma space bold Br with 0 on top space minus space окислитель space end style

Окислительные способности атомов неметаллов можно сравнивать по положению в периодической системе: с ростом атомного номера они увеличиваются в периодах и уменьшаются, как правило, в группах. Эти же свойства можно также оценивать, сопоставляя электроотрицательность неметаллов, которая возрастает в ряду:

Si B As As H C I S Br Cl N O F
1,9 2,0 2,1 2,2 2,2 2,5 2,5 2,6 2,8 3,0 3,0 3,5 4,0
img

Окислительная способность неметаллов с увеличением электроотрицательности усиливается.

Распространённость неметаллов в природе

В природе неметаллы существуют не только в виде соединений (органические вещества, оксиды Н2О, SiO2, СО2, соли бескислородных кислот NaCl, As2S3, соли кислородсодержащих кислот СаСО3, Са3(РО4)2), но и в свободном виде, например азот, кислород, благородные газы, углерод (в форме графита и алмаза), сера. Существование неметаллов в виде простых веществ в природе связано с низкой активностью перечисленных неметаллов при нормальных условиях: атомы благородных газов имеют завершённый внешний электронный уровень, кислород и азот — достаточно прочные ковалентные связи в двухатомных молекулах, углерод образует прочные атомные кристаллы. На Земле самыми распространёнными неметаллами являются кислород и кремний (по массе около 49 % и 26 % соответственно), во Вселенной — водород.

Применение неметаллов

Области применения простых веществ неметаллов обширны. Примерами могут служить: производство полупроводниковых материалов (кремний, селен), металлургические процессы получения металлов (углерод, водород) и сплавов (бор, кремний), интенсификация процессов горения (кислород), создание инертной атмосферы (азот, благородные газы), органический синтез (хлор, бром), воздухоплавание (гелий, водород), светотехника (благородные газы).

Неметаллы являются представителями s- и р-элементов.

Степени окисления неметаллов изменяются от –4 до +8.

В химических реакциях неметаллы проявляют как окислительные, так и восстановительные свойства.

Вопросы, задания, задачи

1. Опишите положение неметаллов в периодической системе. Укажите для элементов-неметаллов третьего периода возможные значения степени окисления и валентности.

2. Запишите символы элементов и общую формулу электронной конфигурации:

  • а) благородных газов;
  • б) галогенов;
  • в) халькогенов.

3. Определите степени окисления атомов в соединениях:

  • а) НСl, HClO, HClO3, HClO4;
  • б) H2S, SO2, H2SO3, H2SO4.

4. Укажите утверждения, характеризующие кислород как химический элемент:

  • а) объёмная доля кислорода в воздухе составляет 21 %;
  • б) атом кислорода содержит шесть электронов на внешнем энергетическом уровне;
  • в) массовая доля кислорода в земной коре равна 49 %;
  • г) при выплавке чугуна используют воздух, обогащённый кислородом;
  • д) электроотрицательность кислорода меньше, чем фтора;
  • е) кислород в соединениях проявляет степени окисления от –2 до +2.

5. Составьте уравнения реакций с участием неметаллов, учитывая, что атомы неметаллов в заданных реакциях проявляют низшую степень окисления:

  • Al + Cl2 →;
  • Li + N2 →;
  • Ca + P →;
  • Zn + Br2 →;
  • K + H2 →;
  • Al + S →.

6. Определите массу углерода, необходимого для восстановления железа из оксида железа(III) массой 1 т. Углерод окисляется до высшей степени окисления.

7. Азот имеет очень низкие температуры плавления и кипения –210 °C и –196 °C, а бор высокие — ≈2075 °C и ≈3800 °C соответственно. Дайте объяснение такому различию.

8. Докажите, что фосфор выполняет функцию восстановителя в первой реакции и окислителя — во второй:

  • 1) Р + О2 → Р2О5;
  • 2) Р + Са → Са3Р2.

9. Расставьте коэффициенты методом электронного баланса и укажите, окислителем или восстановителем являются простые вещества:

  • а) Р + H2SO4 → H3PO4 + SO2 + H2O;
  • б) S + HNO3 → H2SO4 + NO.

10. Образец газообразного простого вещества неметалла объёмом 1 дм3 (н. у.) имеет массу 3,17 г. Определите химическую формулу вещества.

*Самоконтроль

1. Конфигурацию внешнего электронного уровня ns2np5 имеют:

  • а) азот;
  • б) хлор;
  • в) йод;
  • г) фосфор.

2. Кремний как химический элемент характеризуют утверждения:

  • а) кремний используют в производстве полупроводниковых приборов;
  • б) кремний занимает 2-е место по распространённости в земной коре;
  • в) кремний не взаимодействует с водородом непосредственно;
  • г) высшая степень окисления кремния +4.

3. Положительную степень окисления проявляют элементы VA-группы в соединениях:

  • а) HNO3;
  • б) NH3;
  • в) Li3N;
  • г) H3PO4.

4. Сера является окислителем, реагируя с:

  • а) Ca;
  • б) Al;
  • в) F2;
  • г) Fe.

5. Сумма коэффициентов в реакции синтеза фосфида кальция из простых веществ равна:

  • а) 3;
  • б) 4;
  • в) 5;
  • г) 6.