§ 28. Общая характеристика неметаллов

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).

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.

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, «math class=¨wrs_chemistry¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mover»«mi»KF«/mi»«mrow»«mo»-«/mo»«mn»1«/mn»«/mrow»«/mover»«/math», «math class=¨wrs_chemistry¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mover»«msub»«mi»§#1054;F«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mpadded voffset=¨+2px¨»«mo»-«/mo»«mn»1«/mn»«/mpadded»«/mover»«/math», «math class=¨wrs_chemistry¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mover»«mi mathvariant=¨normal¨»C«/mi»«mpadded lspace=¨-3px¨»«mo»+«/mo»«mn»4«/mn»«/mpadded»«/mover»«mpadded lspace=¨-3px¨»«msub»«mover»«mi mathvariant=¨normal¨»F«/mi»«mrow»«mo»-«/mo»«mn»1«/mn»«/mrow»«/mover»«mn»4«/mn»«/msub»«/mpadded»«/math»). 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, «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨ class=¨wrs_chemistry¨»«mover»«mi»Rn«/mi»«mrow»«mo»+«/mo»«mn»2«/mn»«/mrow»«/mover»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»F«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«/math», «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨ class=¨wrs_chemistry¨»«mover»«mi»Xe«/mi»«mrow»«mo»+«/mo»«mn»8«/mn»«/mrow»«/mover»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»O«/mi»«mn»4«/mn»«/msub»«/math»).

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:

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).

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: T_пл. = 3850 °С, T_кип.= 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

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

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).

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.