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.

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 .

Неметаллы - это элементы, значительно отличающиеся физическими и химическими свойствами от металлов. Подробно объяснить причину их различий смогли только в конце XIX века, после открытия электронного строения атома. В чем же особенность неметаллов? Какие качества характерны дня них? Давайте разберемся.

Неметаллы - это что?

Подход к разделению элементов на металлы и неметаллы давно существует в научной среде. К первым в периодической таблице Менделеева обычно относят 94 элемента. Неметаллы Менделеева включают 22 элемента. В они занимают верхний правый угол.

В свободном виде неметаллы - это простые вещества, главной чертой которых является отсутствие характерных металлических свойств. Они могут находиться во всех агрегатных состояниях. Так, йод, фосфор, сера, углерод встречаются в виде твердых веществ. Газообразное состояние характерно для кислорода, азота, фтора и т. д. Жидкостью является только бром.

В природе элементы неметаллы могут существовать как в виде простых веществ, так и в виде соединений. В несвязанном виде встречаются сера, азот, кислород. В соединениях они образуют бораты, фосфаты и т. д. В таком виде они присутствуют в минералах, воде, горных породах.

Отличие от металлов

Неметаллы - это элементы, отличающиеся от металлов внешним видом, строением и химическими свойствами. Они обладают большим числом неспаренных электронов на внешнем уровне, а значит, более активны в окислительных реакциях и легче присоединяют к себе дополнительные электроны.

Характерное различие между элементами наблюдается в строении кристаллической решетки. У металлов она металлическая. У неметаллов она может быть двух видов: атомная и молекулярная. Атомная решетка придает веществам твердость и повышает температуру плавления, она свойственна кремнию, бору, германию. Молекулярной решеткой обладают хлор, сера, кислород. Она придает им летучесть и небольшую твердость.

Внутреннее строение элементов определяет их физические свойства. Металлы имеют характерный блеск, хорошую проводимость тока и тепла. Они твердые, пластичные, поддаются ковке, имеют небольшой цветовой диапазон (черный, оттенки серого, иногда желтоватый цвет).

Неметаллы - это жидкие, газообразные или не обладающие блеском и ковкостью. Их цвета сильно варьируются и могут быть красными, черными, серыми, желтыми и т. д. Почти все неметаллы плохо проводят ток (кроме углерода) и тепло (кроме черного фосфора и углерода).

Химические свойства неметаллов

В химических реакциях неметаллы могут исполнять роль как окислителей, так и восстановителей. При взаимодействии с металлами они принимают на себя электроны, проявляя таким образом окислительные свойства.

Взаимодействуя с другими неметаллами, они ведут себя по-разному. В таких реакциях менее электроотрицательный элемент проявляет себя как восстановитель, более электроотрицательный выступает окислителем.

С кислородом почти все (кроме фтора) неметаллы проявляют себя восстановителями. При взаимодействии с водородом многие являются окислителями, образуя впоследствии летучие соединения.

Часть элементов неметаллов обладает способностью образовывать несколько простых веществ или модификаций. Это явление называется аллотропией. Например, углерод существует в форме графита, алмаза, карбина и других модификаций. У кислорода их две - озон и собственно кислород. Фосфор бывает красный, черный, белый и металлический.

Неметаллы в природе

В разном количестве неметаллы находятся повсюду. Они входят в состав земной коры, являются частью атмосферы, гидросферы, присутствуют во Вселенной и в живых организмах. В космическом пространстве самыми распространенными являются водород и гелий.

В пределах Земли ситуация совсем иная. Наиболее важные составляющие земной коры - кислород и кремний. Они составляют больше 75 % от её массы. А вот наименьшее количество приходится на йод и бром.

В составе морской воды на кислород приходится 85,80 %, а на водород - 10,67 %. Её состав также включает хлор, серу, бор, бром, углерод, фтор и кремний. В составе атмосферы первенство принадлежит азоту (78 %) и кислороду (21 %).

Неметаллы, такие как углерод, водород, фосфор, сера, кислород и азот, представляют собой важные органические вещества. Они поддерживают жизненную активность всех живых существ на нашей планете, в том числе и людей.

В повседневной жизни человек взаимодействует с множеством веществ. Все элементы можно классифицировать по физическим и химическим качествам. В статье рассмотрим, чем отличаются металлы от неметаллов, их свойства и понятие.

Определение металла и его свойства

Каждый день мы имеем дело с металлами и это неспроста. Большинство элементов таблицы Менделеева являются ими. Все они имеют свои характеристики и свойства.

Как правило, металлы — это такие элементы, которые хорошо проводят тепло и электричество. Также металлы очень пластичны, что позволяет изменять их форму путем ковки, еще они имеют высокий коэффициент твердости. Отличительной особенностью этого элемента является блеск, который называется металлическим. Свойства металла делятся на две основные фракции, такие как:

• Физические свойства.
• Химические свойства.

Чем металлы отличаются от металлов по физическим характеристикам? К физическим свойствам относится:

• Цвет. Металлы, как правило, имеют плотную структуру, которая не пропускает сквозь себя свет. А их цвет определяется отражением света от его поверхности. Так, металлы в большинстве случаев имеют расцветку от серого до серебристого. Но есть и исключения, как, например, медь, которая имеет красный цвет, и золото, имеющее желтый окрас.
• Состояние формы, твердость и плотность. Сами по себе металлы имеют твердое агрегатное состояние, но способны переходить в жидкое при высоких температурах. Так, металлы плавятся при температуре от 40 до 3400 градусов по Цельсию. Но встречаются металлы, чье основное агрегатное состояние - жидкое. К таким элементам относят ртуть.
• Электропроводимость. Особенностью является ее снижение при повышении температуры вещества.
• Теплопроводность и температура кипения/плавления.

Чем металлы отличаются от металлов по химическим свойствам? В этой группе выделяют:

Чем металлы отличаются друг от друга

Многие не знают, чем металлы отличаются от металлов. Их различия можно классифицировать:

• Металлы между собой отличаются по цвету, как, например, золото и медь.
• Также металлы плавятся при разных температурах. Некоторые металлы, например, олово и свинец, можно расплавить в домашних условиях, а вот для остальных нужна более высокая температура.
• Между собой металлы делятся на две группы: тяжелые и легкие. К тяжелым металлам относятся те, чья плотность составляет от 5 г/см 3 , легкие металлы имеют плотность меньше 5 г/см 3 . К легким металлам относится литий, который имеет плотность 0.2 г/см 3 , место самого тяжелого металла делят между собой осмий и иридий. Их плотность составляет 22.6 г/см 3 .
• Металлы отличаются друг от друга пластичностью и электропроводность. Некоторые из них очень пластичны. К примеру, из всего лишь 1 грамма золота можно сделать тонкую проволоку в 3.5 километра. Она будет гибкой и не сломается. Повторить такое с менее пластичным металлом не получится.
• Также часть металлов проводит ток лучше, чем другие. Самыми электропроводными металлами признаны медь, серебро и алюминий. Их наиболее часто применяют в качестве проводящих элементов.

Чем неметаллы отличаются от металлов

Неметаллами принято называть элементы, которые имеют неметаллические свойства. Чем отличаются металлы от неметаллов? Рассмотрим подробнее:

Дерево — это растительное сырье. Металл же это результат природного химического соединения. Чем отличается дерево от металла:

Полупроводниками называются неметаллы, которые имеют некоторые металлические свойства. Металлы и полупроводники имеют схожесть в том, что и те, и другие способны проводить ток.

Но полупроводники имеют отличительную особенность, которая заключается в том, что их электропроводность может возрастать в несколько раз в зависимости от внешних факторов. Таким образом, полупроводник проводит ток лучше при повышении температуры. У металлов электропроводность с повышением температуры уменьшается. Также на электропроводность может повлиять наличие посторонних примесей. Так, в металлах примеси понижают электропроводность, а в полупроводниках повышают.

Полупроводники в отличие от металлов могут обладать позитивной и негативной электропроводимостью. Сами по себе полупроводники по способности пропускать сквозь себя ток стоят между металлом и элементами, которые не проводят ток совсем.

Отличие металла от стали

Дело в том, что металлами называют целую группу элементов, которые имеют металлические свойства. В эту группу входит и железо. Сталь не что иное, как сплав железа с элементами, входящими в группу металлов.

Чаще всего в состав стали помимо железа входят такие элементы таблицы Менделеева как молибден, хром и ванадий. Также в состав стали входит и углерод. С помощью него повышают прочность железа.

Таким образом, варьируя количеством углерода в сплаве можно получить очень прочный материал. Но чем прочнее сталь, тем больше она становится хрупкой. Так, при длительной динамической нагрузке сталь легко ломается. Добавление других примесей к ней помогает добиться устойчивости к каким-либо воздействиям.

Итак, в статье было рассмотрено, чем металлы отличаются от металлов и неметаллов. Характеристики всех элементов можно сравнивать по химическим и физическим свойствам. Ежедневно человек пользуется такими элементами и создает новые вещества для улучшения качества жизни.

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.