Неметали – хімічні елементи, які мають типові неметалеві властивості та розташовуються у правому верхньому кутку Періодичної системи. Які властивості властиві цим елементам, і з чим реагують неметали?

Неметали: загальна характеристика

Неметали відрізняються від металів тим, що на зовнішньому енергетичному рівні вони мають більшу кількість електронів. Тому їх окисні властивості виражені сильніше, ніж у металів. Неметали характеризуються високими значеннями електронегативності та високий відновлювальний потенціал.

До неметалів відносяться хімічні елементи, що знаходяться в газоподібному, рідкому або твердому агрегатному стані. Приміром, азот, кисень, фтор, хлор, водень – гази; йод, сірка, фосфор – тверді; бром - рідина (при кімнатній температурі). Усього існує 22 неметалу.

Мал. 1. Неметали – гази, тверді рідини.

Зі збільшенням заряду ядра атома спостерігається закономірність зміни властивостей хімічних елементіввід металевих до неметалевих.

Хімічні властивості неметалів

Водневі властивості неметалів здебільшого є леткими сполуками, які у водних розчинах мають кислотний характер. Вони мають молекулярні структури, а також ковалентний полярний зв'язок. Деякі, наприклад, вода, аміак або фтороводород утворюють водневі зв'язки. Сполуки утворюються за безпосередньої взаємодії неметалів з воднем. Приклад:

S+H 2 =H 2 S (до 350 градусів рівновагу зміщено праворуч)

Всі водневі сполуки мають відновлювальні властивості, причому їхня відновна сила зростає праворуч наліво за періодом і зверху вниз у групі. Так, сірководень згоряє при велику кількістькисню:

2H 2 S+3O 3 =2SO 2 +2H 2 O+1158 кДж.

Окислення може йти іншим шляхом. Так, вже на повітрі водний розчин сірководню каламутніє внаслідок утворення сірки:

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

З'єднання неметалів з киснем, як правило, є кислотними оксидами, яким відповідають кислоти, що містять кисню (оксокислоти). Структура оксидів типових неметалів молекулярна.

Чим вище ступінь окислення неметалу, тим сильніша відповідна кисневмісна кислота. Так, хлор безпосередньо не взаємодіє з киснем, проте утворює ряд оксокислот, яким відповідають оксиди, ангідриди цих кислот.

Найбільш відомі такі солі цих кислот, як хлорне вапно CaOCl 2 (змішана сіль хлорноватистої та хлороводневої кислот), бертолетова сіль KClO 3 (хлорат калію).

Азот в оксидах виявляє позитивні ступені окислення +1, +2, +3, +4, +5. Перші два оксиди N 2 O і NO – несолетворні та є газами. N 2 O 3 (оксид азоту III) є ангідридом азотистої кислоти HNO 2 . Оксид азоту IV – бурий газ NO 2 – газ, який добре розчиняється у воді, утворюючи у своїй дві кислоти. Цей процес можна виразити рівнянням:

2NO 2 +H 2 O=HNO 3 (азотна кислота)+HNO 2 ( азотиста кислота) – окисно-відновна реакція диспропорціонування

Мал. 2. Азотиста кислота.

Ангідрид азотної кислоти N 2 O 5 – біла кристалічна речовина, яка легко розчиняється у воді. Приклад:

N 2 O 5 +H 2 O=2HNO 3

Солі азотної кислоти називаються селітрами, вони розчиняються у воді. Солі калію, кальцію, натрію використовують для одержання азотних добрив.

Фосфор утворює оксиди, виявляючи ступені окислення +3 та +5. Найбільш стійкий оксид - фосфорний ангідрид P 2 O 5 утворює молекулярну решітку, у вузлах якої знаходяться димери P 4 O 10 . Солі ортофосфорної кислоти застосовуються як фосфорних добривнаприклад, амофос NH 4 H 2 PO 4 (дигідрофосфат амонію).

Таблиця розташування неметалів

Група	I	III	IV	V	VI	VII	VIII
Перший період	H						He
Другий період		B	C	N	O	F	Ne
Третій період			Si	P	S	Cl	Ar
Четвертий період				As	Se	Br	Kr
П'ятий період					Te	I	Xe
Шостий період						At	Rn

Лекція 24

Неметали.

План лекції:

Неметали – прості речовини

Положення неметалів у періодичній системі

Число елементів-неметалів значно менше, ніж елементів-металів Типовими неметалічні властивості мають десять хімічних елементів (Н, С, N, Р, О, S, F, Cl, Br, I). Шість елементів, які зазвичай відносять до неметалів, виявляють подвійні (і металеві, і неметалеві) властивості (В, Si, As, Se, Ті, At). І ще 6 елементів останнім часом стали включати до списку неметалів. Це звані шляхетні (чи інертні) гази (Не, Ne, Аг, Кг, Хе, Rn). Отже, 22 з відомих хімічних елементів прийнято відносити до неметалів.

Елементи, що виявляють неметалеві властивості в періодичній системі, розташовуються вище діагоналі бор-астат (рис. 26).

Атоми більшості неметалів, на відміну атомів металів, на зовнішньому електронному шарі мають велике число електронів - від 4 до 8. Виняток становлять атоми водню, гелію, бору, які мають зовнішньому рівні 1, 2 і 3 електрона відповідно.

Серед неметалів лише два елементи - водень (1s 1) та гелій (1s 2) відносяться до s-родини, всі інші належать до р-родині .

Атоми типових неметалів (A) характеризуються високою електронегативністю та великою спорідненістю до електрона, що обумовлює їхню здатність утворювати негативно заряджені іони з електронними конфігураціями відповідних інертних газів:

А 0 + nê → А n -

Ці іони входять до складу іонних сполук неметалів із типовими металами. Негативні ступені окислення неметали мають також у ковалентних сполуках з іншими менш електронегативними неметалами (зокрема, воднем).

Атоми неметалів у ковалентних з'єднаннях з електронегативними неметалами (зокрема, з киснем) мають позитивні ступені окислення. Вищий позитивний ступінь окиснення неметалу, як правило, дорівнює номеру групи, в якому він знаходиться.

Неметали – прості речовини

Незважаючи на не велика кількістьелементів-неметалів, їх роль і значення як на Землі, так і в космосі величезні. 99% маси Сонця та інших зірок становлять неметали водень та гелій. Повітряна оболонка Землі складається з атомів неметалів - азоту, кисню та шляхетних газів. Гідросфера Землі утворена однією з найважливіших життя речовин - водою, молекули якої складаються з неметалів водню і кисню. У живій матерії панують 6 неметалів - вуглець, кисень, водень, азот, фосфор, сірка.

За звичайних умов речовини-неметали існують у різних агрегатних станах:

1) гази: водень Н 2 , кисень О 2 азот N 2 фтор F 2 хлор С1 2 інертні гази: Не, Ne, Ar, Кг, Хе, Rn

2) рідини: бром Вг 2

3) тверді речовини йод I 2 вуглець З, кремній Si, сірка S, фосфор Р та ін.

Сім елементів-неметалів утворюють прості речовини, що існують у вигляді двоатомних молекул Е 2 (водень Н 2 , кисень О 2 азот N 2, фтор F 2 хлор С1 2 бром Вг 2 йод I 2) .

Так як у кристалічній решітці неметалів між атомами немає вільних електронів, вони відрізняються за фізичними властивостями від металів:

¾ не мають блиску;

¾ крихкі, мають різну твердість;

¾ погано проводять тепло та електрику.

Тверді речовини-неметали у воді практично нерозчинні; газоподібні О 2 , N 2 , Н 2 і галогени мають дуже малу розчинність у воді.

Для ряду неметалів характерна алотропія- явище існування одного елемента як кількох простих речовин. Алотропні модифікації відомі для кисню (кисень О 2 та озон О 3), сірки (ромбічна, моноклінна та пластична), фосфору (білий, червоний та чорний), вуглецю (графіт, алмаз та карбін та ін.), кремнію (кристалічний та аморфний) ).

Хімічні властивостінеметалів

За хімічною активністю неметали суттєво різняться між собою. Так, азот і благородні гази в хімічні реакції вступають тільки за дуже жорстких умов ( високий тискта температура, наявність каталізатора).

Найбільш хімічно активними неметалами є галогени, водень та кисень. Сірка, фосфор, особливо вуглець і кремній реакційноздатні лише за підвищених температурах.

Неметали в хімічних реакціяхвиявляють і окисні, і відновлювальні властивості. Найбільш висока окисна здатність характерна для галогенів та кисню. У таких неметалів, як водень, вуглець, кремній переважають відновлювальні властивості.

I. Окисні властивості неметалів:

1. Взаємодія із металами.При цьому утворюються бінарні сполуки: з киснем – оксиди, з воднем – гідриди, азотом – нітриди, галогенами – галогеніди тощо:

2Cu + O 2 → 2CuO

2Fe + 3Cl 2 → 2FeCl 3

2. Взаємодія із воднем.Неметали виступають як окислювачі і в реакціях з воднем, утворюючи при цьому леткі водневі сполуки:

Н 2 + С1 2 → 2НС1

N 2 + 3Н2 → t, p, кат. 2NH 3

3. Взаємодія з неметалами.Неметали виявляють окислювальні властивості також у реакціях з менш електронегативними неметалами:

2Р + 5С1 2 → 2РС1 5;

C + 2S → CS 2 .

4. Взаємодія зі складними речовинами.Окисні властивості неметалів можуть проявлятися і в реакціях зі складними речовинами. Наприклад, вода горить в атмосфері фтору:

2F 2 + 2Н 2 О → 4HF + О 2 .

ІІ. Відновлювальні властивості неметалів

1. Взаємодія з неметалами. Відновлювальні властивості неметали можуть виявляти по відношенню до неметалів з більшою електронегативністю, і в першу чергу по відношенню до фтору та кисню:

4Р + 5О 2 → 2Р 2 О 5;

N 2 + Про 2 → 2NO

2. Взаємодія зі складними речовинами.Деякі неметали можуть бути відновниками, що дозволяє застосовувати їх у металургійному виробництві:

З + ZnO → Zn+З;

5Н2+V2О5 → 2V+5Н2О.

SiО 2 + 2С → Si + 2СО.

Відновлювальні властивості неметали виявляють при взаємодії зі складними речовинами - сильними окислювачами, наприклад:

3S + 2КСlO 3 → 3SO 2 + 2КС1;

6Р + 5КСlO 3 → ЗР 2 O 5 + 5КС1.

С + 2H 2 SО 4 → СО 2 + 2SО 2 + 2Н 2 О;

3Р + 5HNО 3 + 2Н 2 О → ДТ 3 РВ 4 + 5NO.

Загальні методиотримання неметалів

Деякі неметали зустрічаються у природі у вільному стані: це сірка, кисень, азот, шляхетні гази. Насамперед прості речовини - неметали входять до складу повітря.

Великі кількості газоподібних кисню та азоту одержують ректифікацією повітря (розподілом).

Найбільш активні неметали - галогени - одержують електролізом розплавів або розчинів із сполук. У промисловості за допомогою електролізу у великих кількостях отримують одночасно три найважливіші продукти: найближчий аналог фтору - хлор, водень та гідроксид натрію. Як електроліт використовують розчин хлориду натрію, що подається в електролізер зверху.

Більш докладно способи одержання неметалів будуть розглянуті далі у відповідних лекціях.

1. Метали реагують із неметалами.

2 Me + n Hal 2 → 2 MeHal n

4Li + O2 = 2Li2O

Лужні метали, за винятком літію, утворюють пероксиди:

2Na + O 2 = Na 2 O 2

2. Метали, що стоять до водню, реагують із кислотами (крім азотної та сірчаної конц.) з виділенням водню

Me + HCl → сіль + H2

2 Al + 6 HCl → 2 AlCl3 + 3 H2

Pb + 2 HCl → PbCl2↓ + H2

3. Активні метали реагують з водою з утворенням лугу та виділенням водню.

2Me + 2n H 2 O → 2Me(OH) n + n H 2

Продуктом окиснення металу є його гідроксид – Me(OH) n (де n-ступінь окиснення металу).

Наприклад:

Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2

4. Метали середньої активності реагують з водою при нагріванні, утворюючи оксид металу та водень.

2Me + nH 2 O → Me 2 O n + nH 2

Продукт окислення у таких реакціях – оксид металу Me 2 O n (де n-ступінь окислення металу).

3Fe + 4H 2 O → Fe 2 O 3 · FeO + 4H 2

5. Метали, що стоять після водню, з водою та розчинами кислот (крім азотної та сірчаної конц.) не реагують

6. Більше активні металивитісняють менш активні розчини їх солей.

CuSO 4 + Zn = Zn SO 4 + Cu

CuSO 4 + Fe = Fe SO 4 + Cu

Активні метали – цинк та залізо замістили мідь у сульфаті та утворили солі. Цинк та залізо окислилися, а мідь відновилася.

7. Галогени реагують з водою та розчином лугу.

Фтор, на відміну від інших галогенів, воду окислює:

2H 2 O + 2F 2 = 4HF + O 2 .

на холоді: Cl2+2KOH=KClO+KCl+H2OCl2+2KOH=KClO+KCl+H2O утворюється хлорид та гіпохлорит

при нагріванні: 3Cl2+6KOH−→KClO3+5KCl+3H2O3Cl2+6KOH→t,∘CKClO3+5KCl+3H2O утворюється лорид та хлорат

8 Активні галогени (крім фтору) витісняють менш активні галогени із розчинів їх солей.

9. Галогени не реагують з киснем.

10. Амфотерні метали (Al, Be, Zn) реагують із розчинами лугів та кислот.

3Zn+4H2SO4= 3 ZnSO4+S+4H2O

11. Магній реагує з вуглекислим газом та оксидом кремнію.

2Мg + CO2 = C + 2MgO

SiO2+2Mg=Si+2MgO

12. Лужні метали (крім літію) з киснем утворюють пероксиди.

2Na + O 2 = Na 2 O 2

3. Класифікація неорганічних сполук

Прості речовини - Речовини, молекули яких складаються з атомів одного виду (атомів одного елемента). У хімічних реакціях що неспроможні розкладатися з утворенням інших речовин.

Складні речовини (Або хімічні сполуки) – речовини, молекули яких складаються з атомів різного виду (атомів різних хімічних елементів). У хімічних реакціях розкладаються із заснуванням кількох інших речовин.

Прості речовини розбиваються на великі групи: метали і неметали.

Метали – група елементів, що має характерні металеві властивості: тверді речовини (виняток становить ртуть) мають металевий блиск, є добрими провідникамитеплоти та електрики, ковкі (залізо (Fe), мідь (Cu), алюміній (Al), ртуть (Hg), золото (Au), срібло (Ag) та ін.).

Неметали – група елементів: тверді, рідкі (бром) та газоподібні речовини, які не мають металевого блиску, є ізолятори, крихкі.

А складні речовини у свою чергу поділяться на чотири групи, або класи: оксиди, основи, кислоти та солі.

Оксиди – це складні речовини, до складу молекул яких входять атоми кисню і якогось іншого речовини.

Підстави - Це складні речовини, в яких атоми металів з'єднані з однією або декількома гідроксильними групами.

З погляду теорії електролітичної дисоціації, основи – складні речовини, при дисоціації яких у водному розчині утворюються катіони металу (або NH4+) та гідроксид – аніони OH-.

Кислоти – це складні речовини, до складу яких входять атоми водню, здатні заміщатися чи обмінюватися на атоми металу.

Солі – це складні речовини, молекули яких складаються з атомів металів та кислотних залишків. Сіль є продуктом часткового або повного заміщення атомів водню кислоти металом.

I. Елементи.Неметали утворюють p-елементи, а також водень та гелій, що є s-Елементами. У довгоперіодній таблиці p-елементи, що утворюють неметали, розташовуються правіше і вище від умовної межі B - At.

ІІ. Атоми.Атоми неметалів невеликі (орбітальний радіус менше 0,1 нм). У більшості з них від чотирьох до восьми валентних електронів (вони ж зовнішні), але в атома водню – один, у атома гелію – два, а у атома бору – три валентні електрони. Атоми неметалів порівняно легко приєднують чужі електрони (але не більше трьох). Схильністю віддавати електрони атоми неметалів не мають.

У атомів елементів-неметалів у періоді зі збільшенням порядкового номера

• заряд ядра збільшується;
• радіуси атомів зменшуються;
• кількість електронів на зовнішньому шарі збільшується;
• кількість валентних електронів збільшується;
• електронегативність збільшується;
• окисні (неметалеві) властивості посилюються (крім елементів VIIIA групи).

У атомів елементів-неметалів у підгрупі (у довгооперіодній таблиці - у групі) зі збільшенням порядкового номера

• заряд ядра збільшується;
• радіус атома збільшується;
• електронегативність зменшується;
• кількість валентних електронів не змінюється;
• число зовнішніх електронів не змінюється (за винятком водню та гелію);
• окисні (неметалеві) властивості слабшають (крім елементів VIIIA групи).

ІІІ. Прості речовини.Більшість неметалів - прості речовини, у яких атоми пов'язані ковалентними зв'язками; у благородних газах хімічних зв'язківні. Серед неметалів є як молекулярні, і немолекулярні речовини. Все це призводить до того, що фізичних властивостей, характерних всім неметалів, немає.

Молекулярні неметали: H 2 , N 2 , P 4 (білий фосфор), As 4 , O 2 , O 3 , S 8 , F 2 , Cl 2 , Br 2 , I 2 . До них можна віднести і благородні гази (He, Ne, Ar, Kr, Kx, Rn), атоми яких є як би "одноатомними молекулами".

При кімнатній температурі водень, азот, кисень, озон, фтор та хлор – гази; бром – рідина; фосфор, миш'як, сірка та йод - тверді речовини.

Немолекулярні неметали: B (кілька алотропних модифікацій), C (графіт), C (алмаз), Si, Ge, P (червоний), P (чорний), As, Se, Te. Всі вони тверді речовини, кремній, германій, селен і деякі інші мають напівпровідникові властивості.

IV. Хімічні характеристики.Характерними більшість неметалів є окислювальні властивості. Як окислювачі вони реагують із металами:

зі складними речовинами:

Зі складними речовинами:

H 2 + HCHO = CH 3 OH

6P + 5KClO 3 = 5KCl + 3P 2 O 5

V. Водневі сполуки.Усі неметали (крім елементів шляхетних газів) утворюють молекулярні водневі сполуки, причому вуглець і бор дуже багато. Найпростіші водневі сполуки:

Все це гази за винятком води. Речовини, виділені жирним шрифтом, у водному розчині – сильні кислоти.

У групі зі збільшенням порядкового номера їхня стійкість знижується, а відновна активність зростає.

У період із збільшенням порядкового номера посилюються кислотні властивості їх розчинів, групи ці властивості слабшають.

VI. Оксиди та гідроксиди.Усі оксиди неметалів відносяться до кислотних або несолетворних. Несолетворні оксиди: CO, SiO, N 2 O, NO.

Вищим оксидам неметалів відповідають такі кислоти (сильні кислоти виділені жирним шрифтом)

У період із зростанням порядкового номера сила вищих кислот збільшується. У групах вираженої залежності немає.

ВЗАЄМОДІЯ МЕТАЛІВ З НЕМЕТАЛАМИ

Неметали виявляють окислювальні властивості у реакціях з металами, приймаючи від них електрони та відновлюючись.

Взаємодія з галогенами

Галогени (F 2 , Cl 2 , Br 2 , I 2 ) є сильними окислювачами, тому з ними взаємодіють усі метали за звичайних умов:

2 Me + n Hal 2 → 2 MeHal n

Продуктом такої реакції є сіль - галогенід металу ( MeF n -фторид, MeCl n -хлорид, MeBr n -бромід, MeI n -іодид). При взаємодії з металом галоген відновлюється до нижчого ступеня окиснення (-1), аnдорівнює ступеню окиснення металу.

Швидкість реакції залежить від хімічної активності металу та галогену. Окисна активність галогенів знижується по групі зверху вниз (від F до I).

Взаємодія з киснем

Киснем окислюються майже всі метали (крім Ag, Au, Pt ), при цьому відбувається утворення оксидів Me 2 O n.

Активні метали легко за звичайних умов взаємодіють із киснем повітря.

2 Mg + O 2 → 2 MgO (зі спалахом)

Метали середньої активності також реагують з киснем за нормальної температури. Але швидкість такої реакції суттєво нижча, ніж за участю активних металів.

Малоактивні метали окислюються киснем при нагріванні (горіння у кисні).

Оксиди металів за хімічними властивостями можна поділити на три групи:

1. Основні оксиди ( Na 2 O, CaO, Fe II O, Mn II O, Cu I O та ін) утворені металами в низьких ступенях окиснення (+1, +2, як правило, нижче +4). Основні оксиди взаємодіють з кислотними оксидами та кислотами з утворенням солей:

CaO + CO 2 → CaCO 3

CuO + H 2 SO 4 → CuSO 4 + H 2 O

2. Кислотні оксиди ( Cr VI O 3 , Fe VI O 3 , Mn VI O 3 , Mn 2 VII O 7 та ін) утворені металами у високих ступенях окислення (як правило, вище +4). Кислотні оксиди взаємодіють з основними оксидами та основами з утворенням солей:

FeO 3 + K 2 O → K 2 FeO 4

CrO 3 + 2KOH → K 2 CrO 4 + H 2 O

3. Амфотерні оксиди ( BeO , Al 2 O 3 , ZnO , SnO , MnO 2 , Cr 2 O 3 , PbO , PbO 2 та ін) мають двоїсту природу і можуть взаємодіяти як з кислотами, так і з основами:

Cr 2 O 3 + 3H 2 SO 4 → Cr 2 (SO 4) + 3H 2 O

Cr 2 O 3 + 6NaOH → 2Na 3

Взаємодія із сіркою

З сіркою взаємодіють усі метали (крім Au ), утворюючи солі – сульфіди Me 2 S n . У цьому сірка відновлюється до ступеня окислення «-2». Платина ( Pt ) взаємодіє з сіркою лише у дрібнороздробленому стані. Лужні метали, а також Ca та Mg реагують із сіркою при нагріванні з вибухом. Zn , Al (у порошку) та Mg у реакції із сіркою дають спалах. У напрямку зліва направо в ряду активності швидкість взаємодії металів із сіркою зменшується.

Взаємодія з воднем

З воднем деякі активні метали утворюють сполуки – гідриди:

2 Na + H 2 → 2 NaH

У цих сполуках водень перебуває у рідкісному йому ступеня окислення «-1».

Є.А. Нуднова, М.В. Андрюxова