Лекция 3. Неметаллы

1. Общая характеристика элементов-неметаллов

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. Без соединений неметаллов невозможно представить нашу жизнь, особенно если вспомнить, что жизненно важное химическое соединение – вода – состоит из водорода и кислорода.

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.

1.1. Положение элементов-неметаллов в Периодической системе химических элементов Менделеева

Если в Периодической системе провести диагональ от бора 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-неметаллы: s-элемент – водород; р-элементы 13 группы – бор; 14 группы – углерод и кремний; 15 группы – азот, фосфор и мышьяк, 16 группы – кислород, сера, селен и теллур и все элементы 17 группы – фтор, хлор, бром, йод и астат. Элементы 18 группы – инертные газы, занимают особое положение, они имеют полностью завершенный внешний электронный слой и занимают промежуточное положение между металлами и неметаллами. Их иногда относят к неметаллам, но формально, по физическим признакам.

1.2. Электронное строение элементов-неметаллов

Практически все элементы-неметаллы на внешнем энергетическом уровне имеют большое число электронов – от 4 до 7. Элемент бор – аналог алюминия, у него всего 3 электрона на внешнем энергетическом уровне, но он имеет малый радиус, прочно удерживает свои электроны и имеет свойства неметалла. Особо отметим электронное строение водорода. Это s-элемент, но он довольно легко принимает один электрон, образует гидрид-ион и проявляет окислительные свойства металла.

Электронные конфигурации валентных электронов элементов-неметаллов приведены в таблице:

1.3. Закономерности в изменении свойств элементов-неметаллов

Рассмотрим некоторые закономерности в изменении свойств элементов-неметаллов, принадлежащих одному периоду и одной группе на основании строения их атомов.

В периоде:

Заряд ядра увеличивается,

Радиус атома уменьшается,

Число электронов на внешнем энергетическом уровне увеличивается,

Электроотрицательность увеличивается,

Окислительные свойства усиливаются,

Неметаллические свойства усиливаются.

В группе:

Заряд ядра увеличивается,

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.

СВОЙСТВА ЭЛЕМЕНТОВ И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Все элементы в Периодической системе делят условно на металлы и неметаллы. К неметаллическим элементам относятся:

Не, Nе, Аr, Кr, Хе, Rn, F, С1, Вr, I, Аt, О, S, Sе. Те, N, Р, Аs, С, Si, В, Н

Все остальные элементы считаются металлическими.

Простые вещества (элементы в свободном виде) также подразделяют на металлы и неметаллы, основываясь на их физико-химических свойствах. Так, по физическим свойствам, например по электронной проводимости, бор это неметалл, а медь - металл, хотя и возможны исключения (графит).

В Периодической системе неметаллы - это элементы главных групп (А-групп), начиная с IIIА группы (бор); остальные элементы А-групп и все элементы Б- групп - металлы. В главных группах металлические свойства отчетливее выражены для более тяжелых элементов, причем в 1А-группу входят только металлы, а в VПА и VIIIА группы - только неметаллы.

В главных группах металлические свойства элементов увеличиваются, а неметаллические свойства уменьшаются с возрастанием порядкового номера элемента.

В периодах для элементов главных групп металлические свойства уменьшаются, а неметаллические свойства увеличиваются с возрастанием порядкового номера, элемента.

Отсюда следует, что самый типичный неметаллический элемент - это фтор, самый типичный металлический элемент - это франций.

В Периодической системе отчетливо видны естественные границы, относительно которых наблюдается изменение свойств элементов. 1А группа содержит типичные металлы, элементы VIIIА группы (благородные газы) - типичные неметаллы, промежуточные группы включают неметаллы «вверху» таблицы элементов и металлы «внизу» таблицы элементов. Другая граница между металлами и неметаллами соответствует элементам Ве - А1-Gе - Sb - Ро (диагональная граница). Элементы самой этой границы и примыкающие к ней обладают одновременно и металлическими, и неметаллическими свойствами, этим элементам свойственно амфотерное поведение. Простые вещества этих элементов могут встречаться как в виде металлических, так и неметаллических модификаций (аллотропных форм).

В качестве меры металлического и неметаллического характера элементов можно принять энергию ионизации их атомов. Энергия ионизации - это энергия, которую необходимо затратить для полного удаления одного электрона из атома. Обычно металлы обладают относительно низкой энергией ионизации (496 кДж/моль для Nа, 503 кДж/моль для Ва), а неметаллы - высокой энергией ионизации (1680 кДж/моль для F, 1401 кДж/моль для N). Атомам элементов, проявляющих амфотерное поведение (Ве, А1, Ge, Sb, Ро и др.), отвечают промежуточные значения энергии ионизации (762 кДж/моль для Ge, 833 кДж/моль для Sb), а благородным газам - наивысшие значения (2080 кДж/моль для Nе, 2372 кДж/моль для Не). В пределах группы Периодической системы значения энергии ионизации атомов уменьшаются с возрастанием порядкового номера элемента, т. е. при увеличении размеров атомов. Электроположительные и электроотрицательные элементы. В соответствии со склонностью атомов элементов образовывать положительные и отрицательные одноатомные ионы, различают электроположительные и электроотрицательные элементы.

Атомы электроотрицательных элементов обладают высоким сродством к электрону. Атомы таких элементов очень прочно удерживают собственные электроны и имеют тенденцию принимать дополнительные электроны в химических реакциях. Атомы электроположительных элементов обладают низким сродством к электрону. Атомы таких элементов слабо удерживают собственные электроны и имеют тенденцию терять эти электроны в химических реакциях.

Самыми электроположительными элементами являются типичные металлы (элементы 1А группы), а самыми электроотрицательными элементами - типичные неметаллы (элементы VПА группы).

Электроположительный характер элементов увеличивается при переходе сверху вниз в пределах главных групп я уменьшается при переходе слева направо в пределах периодов. Электроотрицательный характер элементов уменьшается при переходе сверху вниз в пределах главных групп и увеличивается при переходе слева направо в пределах периодов.

Часть I

1. Положение неметаллов (НМ) в Периодической системе.

По диагонали B-At и над ней в 6 группах располагаются неметаллы. Всего из 114 элементов к НМ относят 22.

2. Особенности строения атомов НМ:
1) небольшой радиус атома
2) число электронов на внешнем уровне 4-8.

3. НМ обладают свойством аллотропии – явление существования одного хим. элемента в виде 2 или нескольких простых веществ.

4. Заполните таблицу «Причины аллотропии».

5. НМ – простые вещества и свободные атомы, проявляют и окислительные, и восстановительные свойства.

Заполните таблицу «Химические свойства неметаллов».

Запишите уравнения реакций, рассмотрите их в свете процессов окисления-восстановления.

6. Дополните таблицу «Состав воздуха».

Часть II

1. Запишите, в каком порядке «выкипают» из жидкого воздуха его основные составные части.
1) азот N2 (tк)=-196 ⁰С
2) аргон Ar (tк)=-186 ⁰С
3) кислород O2 (tк)=-183 ⁰С

2. Молярный объём воздуха имеет массу 29 г. Величина, показывающая, во сколько раз молярная масса любого газа тяжелее М воздуха, называется относительной плотностью этого газа по воздуху и обозначается Dвозд.
Найдите Dвозд для:

3. Какой объём каждого из трёх основных компонентов воздуха можно получить из 500 м3 воздуха?

4. Дополните схему «Роль воздуха в природе и жизни человека».

5. Соотнесите газ, собираемый способом вытеснения воздуха, с расположением сосуда.

6. Выберите явления, которые вызывает присутствие в воздухе его составных частей: 1) случайных; 2) переменных. Из букв, соответствующих правильным ответам, вы составите названия химических элементов – неметаллов:
1) азот; 2) сера.
а) смог – 1
б) парниковый эффект – 2
в) грипп – 1
г) озоновые дыры – 2
д) аллергия на цветение растений – 1
е) туман – 2
ж) кислотные дожди – 1
з) свежесть воздуха в сосновых лесах – 2

Свойства химических элементов позволяют объединять их в соответствующие группы. На этом принципе была создана периодическая система, изменившая представление о существующих веществах и позволившая предположить существование новых, ранее неизвестных элементов.

Вконтакте

Периодическая система Менделеева

Периодическая таблица химических элементов была составлена Д. И. Менделеевым во второй половине XIX века. Что такое это, и для чего она нужна? Она объединяет все химические элементы по возрастанию атомного веса, причем, все они расставлены так, что их свойства изменяются периодическим образом.

Периодическая система Менделеева в свела в единую систему все существующие элементы, прежде считавшиеся просто отдельными веществами.

На основании ее изучения были предсказаны, а впоследствии - синтезированы новые химические вещества. Значение этого открытия для науки невозможно переоценить , оно значительно опередило свое время и дало толчок к развитию химии на многие десятилетия.

Существует три наиболее распространенных варианта таблицы, которые условно именуются «короткая», «длинная» и «сверхдлинная». Основной считается длинная таблица, она утверждена официально. Отличием между ними является компоновка элементов и длина периодов.

Что такое период

Система содержит 7 периодов . Они представлены графически в виде горизонтальных строк. При этом, период может иметь одну или две строки, называемые рядами. Каждый последующий элемент отличается от предыдущего возрастанием заряда ядра (количества электронов) на единицу.

Если не усложнять, период - это горизонтальная строка периодической таблицы. Каждый из них начинается металлом и заканчивается инертным газом. Собственно, это и создает периодичность - свойства элементов изменяются внутри одного периода, вновь повторяясь в следующем. Первый, второй и третий периоды - неполные, они называются малыми и содержат соответственно 2, 8 и 8 элементов. Остальные - полные, они имеют по 18 элементов.

Что такое группа

Группа - это вертикальный столбец , содержащий элементы с одинаковым электронным строением или, говоря проще, с одинаковой высшей . Официально утвержденная длинная таблица содержит 18 групп, которые начинаются со щелочных металлов и заканчиваются инертными газами.

Каждая группа имеет свое название, облегчающее поиск или классификацию элементов. Усиливаются металлические свойства в независимости от элемента по направлению сверху-вниз. Это связано с увеличением количества атомных орбит — чем их больше, тем слабее электронные связи, что делает более ярко выраженной кристаллическую решетку.

Металлы в периодической таблице

Металлы в таблице Менделеева имеют преобладающее количество, список их достаточно обширен. Они характеризуются общими признаками, по свойствам они неоднородны и делятся на группы. Некоторые из них имеют мало общего с металлами в физическом смысле, а иные могут существовать только доли секунды и в природе абсолютно не встречаются (по крайней мере, на планете ), поскольку созданы, точнее, вычислены и подтверждены в лабораторных условиях, искусственно. Каждая группа имеет собственные признаки , название и довольно заметно отличается от других. Особенно это различие выражено у первой группы.

Положение металлов

Какого положение металлов в периодической системе? Элементы расположены по увеличению атомной массы или количества электронов и протонов. Их свойства изменяются периодически, поэтому аккуратного размещения по принципу «один к одному» в таблице нет. Как определить металлы, и возможно ли это сделать по таблице Менделеева? Для того, чтобы упростить вопрос, придуман специальный прием: условно по местам соединения элементов проводится диагональная линия от Бора до Полония (или до Астата). Те, что оказываются слева - металлы, справа - неметаллы. Это было бы очень просто и здорово, но есть исключения - Германий и Сурьма.

Такая «методика» - своего рода шпаргалка, она придумана лишь для упрощения процесса запоминания. Для более точного представления следует запомнить, что список неметаллов составляет всего 22 элемента, поэтому отвечая на вопрос, сколько всего металлов всего содержится в таблице Менделеева

На рисунке можно наглядно увидеть, какие элементы являются неметаллами и как они располагаются в таблице по группам и периодам.

Общие физические свойства

Существуют общие физические свойства металлов. К ним относятся:

• Пластичность.
• Характерный блеск.
• Электропроводность.
• Высокая теплопроводность.
• Все, кроме ртути, находятся в твердом состоянии.

Следует понимать, что свойства металлов очень различаются относительно их химической или физической сути. Некоторые из них мало похожи на металлы в обыденном понимании этого термина. Например, ртуть занимает особенное положение. Она при обычных условиях находится в жидком состоянии, не имеет кристаллической решетки, наличию которой обязаны своими свойствами другие металлы. Свойства последних в этом случае условны, с ними ртуть роднят в большей степени химические характеристики.

Интересно! Элементы первой группы, щелочные металлы, в чистом виде не встречаются, находясь в составе различных соединений.

Самый мягкий металл, существующий в природе - цезий - относится к этой группе. Он, как и другие щелочные подобные вещества, мало общего имеет с более типичными металлами. Некоторые источники утверждают, что на самом деле, самый мягкий металл калий, что сложно оспорить или подтвердить, поскольку ни тот, ни другой элемент не существует сам по себе — будучи выделенным в результате химической реакци они быстро окисляются или вступают в реакцию.

Вторая группа металлов - щелочноземельные - намного ближе к основным группам. Название «щелочноземельные» происходит из древних времен, когда окислы назывались «землями», поскольку они имеют рыхлую рассыпчатую структуру. Более-менее привычными (в обиходном смысле) свойствами обладают металлы начиная с 3 группы. С увеличением номера группы количество металлов убывает

Все известные на сегодняшний день химические элементы имеют общий "дом" - периодическую систему. Однако располагаются они там не как придется, а в строгом порядке, определенной последовательности. Одним из главных критериев, по которым классифицируются все атомы, являются характеристики.

Неметаллов и представителей металлических элементов - это основа, на которой базируется не только их разделение в пределах таблицы, но и области применения человеком. Познакомимся ближе с неметаллами и их характеристикой.

Положение в периодической системе

Если рассмотреть систему химических элементов в целом, то можно определить место положения неметаллов так:

1. Верхний правый угол.
2. Выше условной граничной диагонали от бора до астата.
3. Главные подгруппы с IV-VIII группу.

Очевидно, что количество их явно уступает таковому у металлов. По численному соотношению это будет примерно 25/85. Однако данный факт нисколько не уменьшает их значимости и важности. При этом физические свойства неметаллов гораздо более разнообразные, чем таковые у их "оппонентов".

Разновидности простых соединений неметаллов

Определяют несколько основных категорий, к которым относятся все известные рассматриваемые элементы. Физические свойства - неметаллов - позволяют разделить их на:

• твердые;
• газообразные;
• жидкие.

При этом есть и особая группа элементов - благородные газы. По своим характеристикам они не относятся ни к одной из обозначенных категорий.

Газообразные неметаллы

Таковых достаточно много. К ним относятся такие простые вещества, как:

• кислород;
• азот;
• галогены хлор и фтор;
• водород;
• белый фосфор;
• озон.

Однако такое возможно при условии стандартных параметров окружающей среды. Кристаллическая решетка этих представителей - молекулярная, тип химической связи в молекулах - ковалентная неполярная. Физические свойства группы схожи. Они обладают:

• сжимаемостью;
• способностью безграничного смешения между собой;
• расширяемостью;
• заполняют весь объем сосуда.

Среди приведенных веществ ядовитыми являются два - хлор и Очень опасные, удушающие соединения. При этом хлор - желто-зеленый газ, фосфор - белый, легко воспламеняющийся на воздухе.

Кислород и озон - хорошие окислители. Первый - постоянный компонент воздуха, необходимый для жизни большинства организмов. Второй образуется после грозы при действии электрических разрядов молнии на кислород воздуха. Имеет приятный запах свежести.

Жидкие неметаллы

Физические свойства неметаллов этой группы можно описать, дав характеристику всего лишь одному веществу - брому. Поскольку только он является жидкостью при обычных условиях среди всех представителей рассматриваемой группы элементов.

Это темно-бурая жидкость, достаточно тяжелая, которая является сильнейшим ядом. Даже пары брома способны вызывать сложные, не заживающие долгое время язвы на руках. Запах его очень неприятный, за что элемент и получил свое название (в переводе bromos - зловонный).

По своим химическим характеристикам бром является окислителем для металлов и восстановителем для более сильных неметаллов, чем он сам.

Несмотря на такие особенности, ионы брома обязательно должны присутствовать в организме человека. Без него возникают заболевания, связанные с гормональными нарушениями.

Твердые представители

К простым веществам этой категории относится большинство неметаллов. Это:

• все углерода;
• красный и черный фосфор;
• сера;
• кремний;
• мышьяк;
• одна из модификаций олова.

Все они имеют достаточно твердые, но хрупкие вещества. Черный фосфор - жирное на ощупь сухое соединение. Красный же - пастообразная масса.

Самым твердым из всех обозначенных веществ является алмаз - разновидность углерода. Физические и химические свойства неметаллов данной группы очень разные, так как в таблице располагаются некоторые из них далеко друг от друга. Значит, степени окисления, проявляемая химическая активность, характер соединений - все эти показатели будут варьироваться.

Интересным неметаллом в твердом состоянии является йод. Его кристаллы блестят на срезе, проявляя тем самым схожесть с металлами. Это не удивительно, ведь он располагается практически на границе с ними. Также есть у этого вещества особое свойство - сублимация. При нагревании йод переходит в газообразное состояние, минуя жидкое. Пары его имеют ярко-фиолетовую насыщенную окраску.

Физические свойства неметаллов: таблица

Чтобы проще обозначить, что собой представляют неметаллы, лучше выстроить обобщающую таблицу. Она покажет, в чем заключаются общие физические свойства неметаллов, а в чем проявляются их различия.

Очевидно, что в физических свойствах неметаллов больше преобладают различия, нежели сходства. Если для металлов можно выделить несколько характеристик, под которые будет подпадать каждый из них, то для рассмотренных нами элементов такое невозможно.