Элементы неметаллы в периодической системе химических элементов. Неметаллы

В периодической системе более 3/4 мест занимают : они находятся в I, II, III группах, в побочных подгруппах всех групп. Кроме того, металлами являются наиболее тяжелые элементы IV, V, VI и VII групп. Надо отметить, однако, что многие обладают амфотер-ными свойствами и иногда могут вести себя как неметаллы.
Особенностью строения атомов металлов является небольшое количество электронов на внешнем электронном слое, не превышающее трех.
Атомы металлов имеют, как правило, большие атомные радиусы. В периодах наибольшие атомные радиусы у щелочных металлов. Отсюда их наиболее высокая химическая активность, т. е. атомы металлов легко отдают электроны, - являются хорошими восстановителями. Лучшие восстановители - I и II групп главных подгрупп.
В соединениях металлы проявляют всегда положительную степень окисления, обычно от +1 до +4.

Рис 70. Схема образования металлической связи в куске металла,

В соединениях с неметаллами типичные металлы образуют химическую связь ионного характера. В виде простого атомы металлов связаны между собой так называемой металлической связью.

Запишите в тетрадь этот термин.

Металлическая связь - особый вид связи, присущий исключительно металлам. Сущность ее в том, что от атомов металлов постоянно отрываются электроны, которые перемещаются по всей массе куска металла (рис. 70). Атомы металла, лишенные электронов, превращаются в положительные ионы, которые стремятся снова притянуть к себе свободно движущиеся электроны. Одновременно другие атомы металла отдают электроны. Таким образом, внутри куска металла постоянно циркулирует так называемый электронный газ, который прочно связывает между собой все атомы металла. Электроны оказываются как бы обобществленными одновременно всеми атомами металла. Такой особый тип химической связи между атомами металлов обусловливает как физические, так и химические свойства металлов.

■ 1.Чем объяснить малую электроотрицательность металлов?
2. Как возникает металлическая связь?
3. В чем отличие металлической связи от ковалентной?

Рис. 71. Сравнение температур плавления разных металлов

Металлы обладают рядом сходных физических свойств, отличающих их от неметаллов. Чем больше валентных электронов имеет металл, тем прочнее металлическая связь, тем прочнее кристаллическая решетка, тем прочнее и тверже металл, тем выше его температура плавления и кипения и т. д. Ниже рассматриваются особенности физических свойств металлов.
Все они обладают более или менее ярко выраженным блеском, который принято называть металлическим. Металлический блеск характерен для куска металла в целом. В порошке металлы темного цвета, за исключением магния и алюминия, которые сохраняют серебристо-белый цвет, в связи с чем алюминиевая пыль используется для изготовления краски «под серебро». Многие неметаллы обладают жирным или стеклянным блеском.
Цвет металлов довольно однообразен: он либо серебристо-белый ( , ), либо серебристо-серый ( , ). Только желтого цвета, а - красного. Неметаллы имеют весьма разнообразную окраску: - лимонно-желтая, - красно-бурый, - красный или белый, - черный.

Таким образом, по цвету металлы условно делят на черные и цветные. К черным металлам относятся и его . Все остальные металлы называются цветными.

При обычных условиях металлы представляют собой твердые с кристаллической структурой. Среди неметаллов встречаются как твердые ( , ), так и жидкие () и газообразные ( , ) .
Все металлы, за исключением ртути, - твердые вещества, поэтому температура плавления их выше нуля, только температура плавления ртути -39°. Наиболее тугоплавким металлом является , температура плавления которого 3370°. Температура плавления остальных металлов лежит в этих пределах (рис. 71).
Температуры плавления неметаллов значительно ниже, чем металлов, например кислорода -219°, водорода -259,4°, фтора -218°, хлора -101°, брома -5,7°.

Рис. 72. Сравнение твердости металлов с твёрдостью алмаза.

Металлы обладают различной твердостью, которую сопоставляют с твердостью алмаза. Показатель твердости металла определяют специальным прибором - твердомером. При этом в массу металла вдавливают стальной шарик или, в случае большей твердости металла, алмазный конус. По силе давления и глубине образовавшейся лунки определяют твердость металла.
Наиболее твердым металлом является . Мягкие металлы - , - легко режутся ножом. Твердость отдельных металлов по общепринятой десятибалльной шкале,твердости представлена на рис. 72.

Металлы в большей или меньшей степени обладают пластичностью (ковкостью). У неметаллов это свойство отсутствует. Наиболее ковким металлом является . Из него можно выковать золотую фольгу толщиной 0,0001 мм - в 500 раз тоньше человеческого волоса. В же время весьма хрупка; ее можно даже растереть в ступке в порошок.
Пластичностью называют способность к сильной деформации без нарушения механической прочности. Пластичность металлов используется при их прокатке, когда огромные раскаленные металлические болванки пропускают между обжимными валами, приготовляя из них листы, при волочении, когда из них вытягивают проволоку, при прессовании, штамповке, когда под действием

Рис. 73. Сравнение металлов по плотности.

давления нагретому металлу придают определенную форму, которую он сохраняет при охлаждении. Пластичность зависит от структуры кристаллической решетки металлов.
Все металлы нерастворимы в воде, но зато растворимы друг в друге в расплавах. Твердый раствор одного металла в другом называется сплавом.

По плотности металлы разделяются на тяжелые и легкие. Тяжелыми считают те, плотность которых больше 3 г/см3 (рис. 73). Самым тяжелым металлом является . Наиболее легкие металлы - , .- имеют плотность даже меньше единицы. Большое применение в промышленности получили легкие металлы - и .
Металлы характеризуются высокой электро- и теплопроводностью (рис. 74), тогда как неметаллы обладают этими свойствами в слабой степени. Наибольшей электро-и теплопроводностью обладает , на втором месте стоит . Довольно высоки эти свойства у алюминия.

Рис. 74. Сравнение электропроводности и теплопроводности разных металлов

Следует отметить, что металлы с высокой электропроводностью имеют и высокую теплопроводность.
Металлы проявляют магнитные свойства. Если при соприкосновении с магнитом металл притягивается к нему и после этого сам становится магнитом, мы говорим, что металл намагничивается. Хорошо намагничиваются , и их . Такие металлы и называют ферромагнитными. Неметаллы магнитными свойствами не обладают.

■ 4. Составьте и заполните следующую таблицу:

Химические свойства металлов. Коррозия

Химические и физические свойства металлов определяются атомной структурой и особенностями металлической связи. Все металлы отличаются способностью легко отдавать валентные электроны. В связи с этим они проявляют ярко выраженные восстановительные свойства. Степень восстановительной активности металлов отражает электрохимический ряд напряжений (см. приложение III, п. 6).
Зная положение металла в этом ряду, можно сделать вывод о сравнительной величине энергии, затрачиваемой на отрыв от атома валентных электронов. Чем ближе к началу ряда, тем легче окисляется металл. Наиболее активные металлы вытесняют из воды при обычных условиях с образованием щелочи:
2Na + 2Н2О = 2NaOH + H2
Менее активные металлы вытесняют из воды в виде перегретого пара и образуют
2Fe + 4Н2О = Fe3О4 + 4H2
реагируют с разбавленными и бескислородными кислотами, вытесняя из них водород:
Zn + 2НСl = ZnCl2 + H2
Металлы, стоящие после водорода, не могут вытеснять его из воды и из кислот, а вступают с кислотами в окислительно-восстановительные реакции без вытеснения водорода:
Сu + 2H2SO4 = CuSO4 + SO2 + Н2O
Все предшествующие металлы вытесняют последующие из их солей:
Fe + CuSO4 = FeSO4 + Сu

Fe0 + Сu2+ = Fe2+ + Сu0
Во всех случаях вступающие в реакции металлы окисляются. Окисление металлов наблюдается и при непосредственном взаимодействии металлов с неметаллами:
2Na + S = Na2S
2Fe + 3Сl2 = 2FeCl3
Большинство металлов активно реагируют с кислородом, образуя разного состава (см. стр. 38).

■ 5. Как можно охарактеризовать восстановительную активность металла, пользуясь рядом напряжений?

6. Приведите примеры металлов, реагирующих с водой по типу натрия, железа. Подтвердите свой ответ уравнениями реакций.

7. Сравните взаимодействие с водой активных металлов и активных неметаллов.
8. Перечислите химические свойства металлов, подтверждая свой ответ уравнениями реакций.
9. С какими из перечисленных ниже веществ будет реагировать железо: а) , б) гашеная известь, в) карбонат меди, г) , д) сульфат цинка, е) ?
10. Какой газ и в каком объеме может быть получен при действии на 5 кг смеси меди и окиси меди концентрированной азотной кислотой, если окиси меди в смеси 20%?

Окисление металлов часто приводит к их разрушению. Разрушение металлов под действием окружающей среды называется коррозией.

Запишите в тетрадь определение коррозии.

Происходит под влиянием кислорода, влаги и углекислоты, а также окислов азота и пр. Коррозия, вызванная непосредственным взаимодействием металла с веществом окружающей его среды, называется химической, или газовой, коррозией. Например, на химических производствах металл иногда контактирует с кислородом, хлором, окислами азота и т. д., в результате чего образуются соли и металла:
2Сu + О2 = 2СuО
Кроме газовой, или химической, коррозии, существует еще электрохимическая коррозия, которая встречается гораздо чаще. Для того чтобы понять схему электрохимической коррозии, рассмотрим гальваническую пару - .

Возьмем цинковую и медную пластинки (рис. 75) и опустим их в раствор серной кислоты, которая, как нам известно, содержится в растворе в виде ионов:
H2SO4 = 2Н+ + SO 2 4 —
Соединив цинковую и медную пластинки через гальванометр, мы обнаружим наличие в цепи электрического тока. Это объясняется тем, что атомы цинка, отдавая электроны, в виде ионов переходят в раствор:
Zn 0 - 2е — → Zn +2
Электроны через проводник переходят на медь, а с меди - на ионы водорода:
Н + + е — → Н 0

Водород в виде нейтральных атомов выделяется на медной пластинке, а постепенно растворяется. Таким образом, медь, как бы оттягивая электроны с цинка, заставляет последний быстрее растворяться, т. е. способствует окислению. В же время совершенно чистый может некоторое время находиться в кислоте, совершенно не подвергаясь ее действию.

Рис. 75. Схема образования гальванической пары при электрохимической коррозии. 1 - цинк; 2 - медь; 3 - пузырьки водорода на медном электроде; 4 - гальванометр

По такой же схеме происходит коррозия такого металла, как железо, только электролитом на воздухе является , а примеси к железу играют роль второго электрода гальванической пары. Эти пары микроскопические, поэтому разрушение металла идет гораздо медленнее. Разрушению обычно подвергается более активный металл. Таким образом, электрохимическая коррозия - это окисление металла, сопровождающееся возникновением гальванических пар. причиняет большой ущерб народному хозяйству.

12. Дайте определение коррозии.
11. Можно ли считать коррозией то, что на воздухе быстро окисляется, взаимодействие цинка с соляной кислотой, взаимодействие алюминия с окисью железа при термитной сварке, получение водорода при взаимодействии железа с перегретым водяным паром.

13. Какая разница между химической и электрохимической коррозией?
Для борьбы с коррозией существует много способов. Металлы (в частности, железо) покрывают масляной краской, образующей на поверхности металла плотную пленку, не пропускающую и пары воды. Можно покрывать металлы, например медную проволоку, лаком, который одновременно защищает металл от коррозии и служит изолятором.

Воронение - это процесс, при котором железо подвергают действию сильных окислителей, в результате чего металл покрывается не проницаемой для газов пленкой окислов, предохраняющей его от воздействия внешней среды. Чаще всего это бывает магнитная окись Fe304, которая глубоко внедряется в слой металла и защищает его от окисления лучше всякой краски. Уральское кровельное железо, подвергнутое воронению, продержалось на кровле без ржавления более 100 лет. Чем лучше отполирован металл, тем плотнее и прочнее образованная на его поверхности пленка окислов.

Эмалирование - очень хороший вид защиты от коррозии различной посуды. Эмаль не поддается не только действию кислорода и воды, но даже сильных кислот и щелочей. К сожалению, эмаль весьма хрупка и при ударе и быстрой смене температур довольно легко трескается.
Очень интересными способами защиты металлов от коррозии являются , а также никелирование и лужение.
- это покрытие металла слоем цинка (так защищают главным образом железо). При таком покрытии в случае нарушения поверхностной пленки цинка коррозии подвергается сначала цинк как более активный металл, но цинк хорошо сопротивляется коррозии, так как его поверхность покрыта не проницаемой для воды и кислорода защитной пленкой окиси.
При никелировании (покрытии никелем) и лужении (покрытии оловом) ржавление железа не происходит до тех пор, пока не нарушен слой покрывающего его металла. Как только он нарушается, начинается коррозия железа как наиболее активного металла. Но - металл, сравнительно мало подвергающийся коррозии, поэтому его пленка держится на поверхности очень долго. Лудят чаще всего медные предметы, и тогда гальваническая пара медь - всегда приводит к коррозии олова, а не меди, которая менее активна как металл. При лужении железа получают «белую жесть» для консервной промышленности.

Для защита oт коррозии можно воздействовать не только на металл, но и на среду, которая его окружает. Если к соляной кислоте примешать некоторое количество хромата натрия, то реакция соляной кислоты с железом настолько замедлится, что практически кислоту можно перевозить в железных цистернах, тогда, как обычно это невозможно. Вещества, замедляющие коррозию, а иногда и практически полностью останавливающие ее, называются ингибиторами - замедлителями (от латинского слова inhibere - тормозить).

Характер действия ингибиторов различен. Они либо создают на поверхности металлов защитную пленку, либо уменьшают агрессивность среды. К первому типу относятся, например, NaNО2, замедляющий коррозию стали в воде и растворах солей, замедляющие коррозию алюминия в серной кислоте, ко второму - органическое соединение CO(NH2)2 - мочевина, которая очень замедляет растворение в азотной кислоте меди и других металлов. Ингибиторными свойствами обладают животные белки, некоторые высушенные растения - чистотел, лютик и т. д.
Иногда, чтобы усилить устойчивость металла к коррозии, а также придать ему некоторые более ценные свойства, из него изготовляют сплавы с другими металлами.

■ 14. Запишите в тетрадь перечисленные способы защиты металла от коррозии.
15. Чем определяется выбор способа защиты металла от коррозии?
16. Что такое ингибитор? Чем ингибитор отличается от катализатора?

Способы выплавки металлов из руд

Металлы в природе могут встречаться в самородном состоянии. Это в основном , например . Его извлекают путем механической отмывки от окружающих пород. Однако подавляющее большинство металлов встречается в природе в виде соединений. Вместе с тем не всякий природный минерал годится для получения содержащегося в нем металла. Следовательно, не всякий минерал можно назвать металлической рудой.
Горная порода или минерал, содержащие тот или иной металл в количестве, которое делает экономически выгодным его промышленное получение, называются рудами данного металла.

Запишите определение руд.

Из руд металлы получаются различными способами.
1. Если руда представляет собой окисел, то ее восстанавливают каким-либо восстановителем - чаще всего углеродом или окисью углерода СО, реже - водородом, например:
FesO4 + 4СО = 3Fe + 4CO2
2. Если руда представляет собой сернистое соединение, то ее сначала обжигают:
2PbS + 3О2 = 2РbO + 2SO2
затем полученный окисел восстанавливают углем:
РbО + С = РbО + CO
Из хлоридов металлы выделяют электролизом из расплавов. Например, при плавлении поваренной соли NaCl происходит термическая диссоциация вещества.
NaCl ⇄ Na + + Cl —
При пропускании постоянного электрического тока через этот расплав идут следующие процессы:
а) на катоде:
Na + + е — → Na 0
б) на аноде
Сl — - е — → Сl 0
Этим способом можно получить металлы и из других солей.
4. Иногда металлы можно восстановить из окислов путем вытеснения при высокой температуре другим, более активным металлом. Этот способ получил особенно широкое распространение при восстановлении металлов алюминием и потому сначала был назван алюминотермией:
2Аl + Fe2O3 = Аl2O3 + 2Fe.
Подробнее алюминотермия будет рассмотрена ниже.
Во многих случаях руда может оказаться смешанной с большим количеством пустой породы, для удаления которой, т. е. для «обогащения» руды, существуют различные методы, в частности метод пенной флотации. Для этой цели применяются минеральные масла, обладающие свойством избирательной адсорбции. Это значит, что частицы руды они поглощают, а пустую породу нет. В огромные чаны с водой помещают измельченную вместе с пустой породой руду и минеральное масло. После этого воду сильно вспенивают воздухом. Масло окружает пузырьки воздуха, образуя на них пленку. Получается устойчивая пена. Частицы, руды адсорбируются и вместе с пузырьками воздуха поднимаются наверх. Пена вместе с рудой сливается, а пустая порода остается на дне чана. В дальнейшем руду легко освобождают от масла, которое снова используется для флотации.

■ 17. Что такое пенная ?
18. Какими свойствами должен обладать металл, чтобы находиться в природе в самородном состоянии?
19. Можно ли назвать рудой любой минерал или горную породу, содержащую в своем составе тот или иной металл?
20. Перечислите, какие виды металлических руд вам известны.
21. Цинк встречается в природе в виде минерала цинковой обманки, содержащей сульфид цинка. Предложите способ получения цинка из цинковой обманки.
22. Из 2 т магнитного железняка, содержащего 80% магнитной окиси железа Fe3O4 получено 1,008 т железа. Рассчитайте практический выход железа.
23. Какие металлы могут быть получены электролизом растворов солей?
24. Из железа, полученного при восстановлении 5 т магнитного железняка, содержащего 13% примесей, приготовили сплав, содержащий 4% углерода. Сколько сплава при этом удалось получить?
25. Какое количество цинка и серной кислоты можно получить из 242,5 т цинковой обманки ZnS, содержащей 20% пустой породы?

Обоснование периодической системы элементов Поскольку электроны в атоме располагаются на различных энергетических уровнях и образуют квантовые слои, логично предположить, что...

Первая группа периодической системы

ПЕРВАЯ ГРУППА ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Элементы первой группы периодической системы характеризуются прежде всего одинаковым строением внешнего электронного слоя атомов, в котором...

Положение неметаллических элементов в периодической системе химических элементов. Нахождение в природе. Общие химический и физические свойства.

Неметаллических элементов по сравнению к металлическими элементами относительно немного. Их размещение в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева отражено в таблице №1.

Таблица №1.

Как видно из таблицы №1 неметаллические элементы в основном расположены в правой верхней части периодической системы. Так как в периодах слева направо у атомов элементов увеличивается заряды ядер и уменьшаются атомные радиусы, а в группах сверху вниз атомные радиусы также возрастают, то понятно, почему атому неметаллов сильнее, чем атомы металлов, притягивают наружные электроны. В связи с этим у неметаллов преобладают окислительные свойства. Особенно сильные окислительные свойства, т.е. способность присоединять электроны, проявляют неметаллы, находящиеся во 2-ом и 3-м периодах VI-VII групп. Самым сильным окислителем является фтор. 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. Следовательно, энергичнее всего взаимодействует с водородом и металлами фтор:

H2 + F2 а 2HF

Менее энергично реагирует кислород:

2H2 +O2 а 2H2 О

Фтор – самый типичный неметалл, которому нехарактерны восстановительные свойства, т.е. способность отдавать электроны в химических реакциях.

Кислород же, судя по его соединениям с фтором, может проявлять и положительную степень окисления, т.е. являться восстановителем.

Все остальные неметаллы проявляют восстановительные свойства. Причем эти свойства постепенно возрастают от кислорода к кремнию: O, Cl, N, I, S, C, P, H, B, Si. Так, например, хлор непосредственно с кислородом не соединяется, но косвенным путем можно получить его оксиды (Cl2 O, ClO2 , Cl2O2), в которых хлор проявляет положительную степень окисления. Азот при высокой температуре непосредственно соединяется с кислородом и, следовательно, проявляет восстановительные свойства. Еще легче с кислородом реагирует сера: она проявляет и окислительные свойства.

Перейдем к рассмотрению строения молекул неметаллов. Неметаллы образуют как одноатомные, так и двухатомные молекулы.

К одноатомным неметаллам относятся инертные газы, практически не реагирующие даже с самыми активными веществами. Инертные газы расположены в VIII группе Периодической системы, а химические формулы соответствующих простых веществ следующие: He, Ne, Ar, Kr, Xe и Rn.

Некоторые неметаллы образуют двухатомные молекулы. Это H2, F2, Cl2, Br2, I2 (элементы VII группы Периодической системы), а также кислород O2 и азот N2. Из трехатомных молекул состоит газ озон (O3).

Для веществ неметаллов, находящихся в твердом состоянии, составить химическую формулу довольно сложно. Атомы углерода в графите соединены друг с другом различным образом. Выделить отдельную молекулу в приведенных структурах затруднительно. При написании химических формул таких веществ, как и в случае с металлами, вводится допущение, что такие вещества состоят только из атомов. Химические формулы, при этом, записываются без индексов - C, Si, S и т.д.

Такие простые вещества, как озон и кислород, имеющие одинаковый качественный состав (оба состоят из одного и того же элемента - кислорода), но различающиеся по числу атомов в молекуле, имеют различные свойства. Так, кислород запаха не имеет, в то время как озон обладает резким запахом, который мы ощущаем во время грозы. Свойства твердых неметаллов, графита и алмаза, имеющих также одинаковый качественный состав, но разное строение, резко отличаются (графит хрупкий, алмаз твердый). Таким образом, свойства вещества определяются не только его качественным составом, но и тем, сколько атомов содержится в молекуле вещества и как они связаны между собой.

Неметаллы в виде простых тел находятся в твердом или газообразном состоянии (исключая бром – жидкость). Они не имеют физических свойств, присущих металлам. Твердые неметаллы не обладают характерным для металлов блеском, они обычно хрупки, плохо проводят электрический ток и тепло (за исключением графита).

§2. Общие химические свойства неметаллов.

Оксиды неметаллов относят к кислотным оксидам, которым соответствуют кислоты. С водородом неметаллы образуют газообразные соединения (например HCl, H2S, NH3). Водные растворы некоторых из них (например, галогеноводородов) – сильные кислоты. С металлами типичные неметаллы дают соединения с ионной связью (например, NaCl). Неметаллы могут при определенных условиях между собой реагировать, образуя соединения с ковалентной полярной (H2O, HCl) и неполярной связями (CO2).

С водородом неметаллы образуют летучие соединения, как, например, фтороводород HF, сероводород H2S, аммиак NH3, метан CH4. При растворении в воде водородные соединения галогенов, серы, селена и теллура образуют кислоты той же формулы, что и сами водородные соединения: HF, HCl, HCl, HBr, HI, H2S, H2Se, H2Te.

При растворении в воде аммиака образуются аммиачная вода, обычно обозначаемая формулой NH4OH и называемая гидроксидом аммония. Ее также обозначают формулой NH3 H2O и называют гидратом аммиака.

С кислородом неметаллы образуют кислотные оксиды. В одних оксидах они проявляют максимальную степень окисления, равную номеру группы (например, SO2, N2O5), а других – более низкую (например, SO2, N2O3). Кислотным оксидам соответствуют кислоты, причем из двух кислородных кислот одного неметалла сильнее та, в которой он проявляет более высокую степень окисления. Например, азотная кислота HNO3 сильнее азотистой HNO2, а серная кислотаH2SO4 сильнее сернистой H2SO3.

§3. Строение и свойства простых веществ – неметаллов.

Самые типичные неметаллы имеют молекулярное строение, а менее типичные – немолекулярное. Этим и объясняется отличие их свойств. Наглядно это отражено в схеме №2.

Таблица №2

Кристаллический бор В (как и кристаллический кремний) обладает очень высокой температурой плавления (2075°С) и большой твердостью. Электрическая проводимость бора с повышением температуры сильно увеличивается, что дает возможность широко применять его в полупроводниковой технике. Добавка бора к стали и к сплавам алюминия, меди, никеля и др. улучшает их механические свойства.

Бориды (соединения бора с некоторыми металлами, например с титаном: TiB, TiB2) необходимы при изготовлении деталей реактивных двигателей, лопаток газовых турбин.

Как видно из схемы №2, углерод С, кремний Si, бор В имеют сходное строение и обладают некоторыми общими свойствами. Как простые вещества они встречаются в двух видоизменениях – в кристаллическом и аморфном. Кристаллические видоизменения этих элементов очень твердые, с высокими температурами плавления. Кристаллический кремний обладает полупроводниковыми свойствами.

Все эти элементы образуют соединения с металлами – карбиды, силициды и бориды (CaC2, Al4C3, Fe3C, Mg2Si, TiB, TiB2). Некоторые из них обладают большей твердостью, например Fe3C, TiB. Карбид кальция используется для получения ацетилена.

Если сравнить расположение электронов по орбиталям ф атомах фтора, хлора и других галогенов, то можно судить и об их отличительных свойствах. У атома фтора свободных орбиталей нет. Поэтому атомы фтора могут проявить только валентность I и степень окисления – 1. В атомах других галогенов, например в атоме хлора, на том же энергетическом уровне имеются свободные d-орбитали. Благодаря этому распаривание электронов может произойти тремя разными путями.

В первом случае хлор может проявить степень окисления +3 и образовать хлористую кислоту HClO2, которой соответствуют соли – хлориты, например хлорит калия KClO2.

Во втором случае хлор может образовать соединения, в которых степень окисления хлора +5. К таким соединениям относятся хлороноватая кислота HClO3 и ее соли – хлораты, например хлорат калия КClO3 (бертолетова соль).

В третьем случае хлор проявляет степень окисления +7, например в хлорной кислоте HClO4 и в ее солях – перхлоратах, например в перхлорате калия КClO4.

§4. Кислородные и водородные соединения неметаллов. Краткая характеристика их свойств.

Характеристики кислородных соединений неметалов:

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.

В группах сверху вниз кислотные свойства высших оксидов постепенно ослабевают. Об этом можно судить по свойствам кислот, соответствующих этим оксидам.

Возрастание кислотных свойств высших оксидов соответствующих элементов в периодах слева направо объясняется постепенным возрастанием положительного заряда ионов этих элементов.

В главных подгруппах периодической системы химических элементов в направлении сверху вниз кислотные свойства высших оксидов неметаллов уменьшаются.

Общие формулы водородных соединений по группам периодической системы химических элементов приведены в таблице №3.

Таблица №3.

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. В обычных условиях это газы или летучие жидкости.

В периодах слева направо кислотные свойства летучих водородных соединений неметаллов в водных растворах усиливается. Это объясняется тем, что ионы кислорода имеют свободные электронные пары, а ионы водорода – свободную орбиталь, то происходит процесс, котроый выглядит следующим образом:

H2O + HF а H3O + F

Фтороводород в водном растворе отщепляет положительные ионы водорода, т.е. проявляет кислотные свойства. Этому процессу способствует и другое обстоятельство: ион кислорода имеет неподеленную электронную пару, а ион водорода – свободную орбиталь, благодаря чему образуется донорно-акцепторная связь.

При растворении аммиака в воде происходит противоположный процесс. А так как ионы азота имеют неподеленную электронную пару, а ионы водорода – свободную орбиталь, возникает дополнительная связь и образуются ионы аммония NH4+ и гидроксид-ионы ОН-. В результате раствор приобретает основные свойства. Этот процесс можно выразить формулой:

H2O + NH3 а NH4 + OH

Молекулы аммиака в водном растворе присоединяют положительные ионы водорода, т.е. аммиак проявляет основные свойства.

Теперь рассмотрим, почему водородное соединение фтора – фтороводород HF – в водном растворе является кислотой, но более слабой, чем хлороводородная. Это объясняется тем, что радиусы ионов фтора значительно меньше, чем ионов хлора. Поэтому ионы фтора гораздо сильнее притягивают к себе ионы водорода, чем ионы хлора. В связи с этим степень диссоциации фтороводородной кислоты значительно меньше, чем соляной кислоты, т.е. фтороводородная кислота слабее соляной кислоты.

Из приведенных примеров можно сделать следующие общие выводы:

В периодах слева направо у ионов элементов положительный заряд увеличивается. В связи с этим кислотные свойства летучих водородных соединений элементов в водных растворах усиливаются.

В группах сверху вниз отрицательно заряженные анионы все слабее притягивают положительно заряженные ионы водорода Н+. В связи с этим облегчается процесс отщепления ионов водорода Н+ и кислотные свойства водородных соединений увеличиваются.

Водородные соединения неметаллов, обладающие в водных растворах кислотными свойствами, реагируют со щелочами. Водородные же соединения неметаллов, обладающие в водных растворах основными свойствами, реагируют с кислотами.

Окислительная активность водородных соединений неметаллов в группах сверху вниз сильно увеличивается. Например, окислить фтор из водородного соединения HF химическим путем нельзя, окислить же хлор из водородного соединения HCl можно различными окислителями. Это объясняется тем, что в группах сверху вниз резко возрастают атомные радиусы, в связи с чем отдача электронов облегчается.

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 результате изучения данной главы студент должен: знать

положение неметаллов в периодической системе;
биологическую роль неметаллов;
применение неметаллов в медицине и фармации; уметь
характеризовать особенности строения атомов неметаллических элементов;
описывать важнейшие способы получения неметаллов;
проводить реакции обнаружения основных соединений неметаллов; владеть
навыками написания электронных конфигураций и электронных структур атомов-неметаллов;
навыками составления уравнений реакций, характеризующих химические свойства неметаллов, а также их водородных и кислородных соединений.

При изучении структуры периодической системы и расположения в ней химических элементов легко заметить, что металлические элементы отделены от неметаллов условной диагональной линией, проходящей от бора к астату. Наиболее типичные неметаллы занимают верхнюю правую часть таблицы и по периодам распределяются следующим образом: в первом периоде - два (Н, Не); во втором - шесть (В, С, N, О, F, Ne); в третьем - пять (Si, Р, S, С1, Аг); в четвертом - четыре (As, Se, Вг, Кг); в пятом - три (Те, I, Хе); в шестом - два (At, Rn).

Экспериментальные исследования, полученные в Объединенном институте ядерных исследований (Дубна), указывают на то, что 118-й элемент имеет восьмиэлектрониую наружую оболочку, но отличается от благородных газов тем, что это металл.

Неметаллы располагаются в 13-18-й группах, и электронные конфигурации их наружных оболочек от В к Ne изменяются в последовательности ns 2 np ] -» ns 2 np 6 , т.е. неметаллы 13-18-й групп относятся к элементам р- семейства (рис. 12.1).

Чем правее расположен неметалл, тем выше энергия ионизации, тем больше его сродство к электрону. Поэтому атомы неметаллов проявляют тенденцию к формированию электронной оболочки с конфигурацией благородного газа, что реализуется возрастающей слева направо способностью к присоединению электронов. Внутри групп эти закономерности проявляются снизу вверх, поэтому наиболее электроотрицательным элементом является фтор.

Рис. 12.1.

У неметаллов степень окисления в водородных соединениях может быть определена по разности (Г - 18), где Г - номер группы, в которой располагается данный неметалл. Следовательно, каждый атом неметалла может соединяться с (18 - Г) атомами водорода. Так, один атом углерода (14-я группа) может соединиться с четырьмя атомами водорода, поскольку степень окисления углерода равна (14 - 18) = - 4. Высшая положительная степень окисления неметаллов обычно равна +(Г - 10). Например, степень окисления хлора в НСЮ 4 равна +7.

Семь неметаллических элементов существуют в виде двухатомных молекул: пять из них при нормальных условиях представляют собой газы - водород, азот, кислород, фтор и хлор; бром - жидкость, а иод - кристаллическое вещество, способное возгоняться, не плавясь.

Остальные неметаллы при нормальных условиях образуют кристаллы с различной структурой (например, углерод в виде алмаза) или являются газообразными (благородные газы).

Неметаллические элементы в природе встречаются главным образом в виде соединений, что объясняется их высокой химической активностью. Кислород, азот, сера, углерод и благородные газы встречаются в виде простых веществ.

Обобщая физические свойства неметаллов, следует отметить, что они не имеют характерного блеска и различно окрашены; в кристаллическом состоянии отличаются структурой и прочностью кристаллов; плохо проводят теплоту и электрический ток.

Оксиды большинства неметаллов являются ковалентными соединениями и по своим химическим свойствам относятся к кислотным оксидам.

При получении неметаллических элементов в виде простых веществ исходят прежде всего от их химической активности. Общее в этих методах заключается в том, что в большинстве случаев в их основе лежат окислительно-восстановительные реакции.

Химическая активность неметаллов варьирует в широких пределах.

За исключением благородных газов, неметаллы образуют летучие водородные соединения, которые получают либо прямым взаимодействием простых веществ, либо косвенным путем:

Устойчивость водородных соединений внутри групп сверху вниз ослабевает. В периодах слева направо усиливаются кислотные свойства водородных соединений: здесь наиболее выраженные кислотные свойства характерны для соответствующего галогенводорода.

Неметаллы образуют соединения с кислородом, подавляющее большинство которых (кроме OF 2) относится к кислотным оксидам. Оксиды, в которых неметаллический элемент находится в более низкой положительной степени окисления, проявляют как окислительные, так и восстановительные свойства:

Если в оксидах неметаллический элемент находится в высшей степени окисления, то он проявляет только (!) окислительные свойства:

Оксидам неметаллов соответствуют оксокислоты, свойства которых зависят от степени окисления характеристических атомов.

Если характеристический атом находится в низшей положительной степени окисления, то такие кислоты - слабые электролиты; для них характерны как окислительные, так и восстановительные свойства (например: HN0 2 ; H 2 S0 3 ; Н 3 Р0 3 ; НСЮ 2). Если же характеристический атом находится в состоянии наивысшей степени окисления, то такие кислоты являются

окислителями (например: HN0 3 ; H 2 S0 4 ; НСЮ 4).

Неметаллы одной группы, находясь в одинаковой степени окисления, образуют оксокислоты, сила которых убывает по мере увеличения заряда ядра. Так, в группе галогенов в ряду ПСЮ 3 - НВгО э - НЮ 3 наиболее слабой кислотой является НЮ 3 , наиболее сильной - НСЮ 3 .

Аналогичная зависимость прослеживается и для неметаллов 14-16-й групп.

В пределах периодов слева направо сила оксокислот возрастает:

Таким образом неметаллы взаимодействуют между собой, с металлами, кислотами, щелочами. Эти взаимодействия студентам предлагается разобрать в качестве самостоятельной работы.

Неметаллических элементов в периодической системе - 22, и они располагаются в 13-18-й группах.

На внешнем энергетическом уровне эти элементы содержат 4-8 электронов (исключение составляет бор, у которого три электрона).

Они характеризуются различными агрегатными состояниями - от газообразного до кристаллического. Для некоторых (углерод, фосфор, кислород, сера и др.) характерно явление аллотропии. Неметаллические элементы, находящиеся в твердом состоянии, являются преимущественно аморфными; для большинства из них характерны низкие значения теплопроводности и электрической проводимости. За исключением гелия и неона остальные неметаллы образуют оксиды и гидроксиды, большинство из которых проявляют кислотные свойства.

Как правило, они характеризуются высокой электроотрицательностью и являются активными окислителями.

Вопросы и задания

1. Перечислите неметаллические элементы, укажите их положение в периодической системе элементов Д. И. Менделеева.
2. Почему с увеличением номера периода число неметаллических элементов убывает? Ответ обоснуйте в соответствии со строением атома.
3. На примере неметаллов второго периода объясните закономерности изменения строения наружных электронных оболочек.
4. Какие закономерности наблюдаются в изменениях свойств неметаллов, относящихся к третьему периоду?
5. Как изменяются окислительные свойства неметаллов внутри периода и внутри группы? Ответ подтвердите конкретными примерами.
6. Известно, что внутри периода с увеличением заряда ядра возрастает высшая степень окисления. Исходя из этого выпишите формулы высших кислородных кислот неметаллов третьего периода и сопоставьте их окислительные свойства.
7. Для неметаллов второго периода напишите формулы возможных оксидов и охарактеризуйте их свойства в виде соответствующих уравнений реакций.
8. Перечислите неметаллы, которые в виде простых веществ представлены двухатомными молекулами. Объясните их строение и охарактеризуйте реакционную способность.
9. Напишите формулы каждого из перечисленных ниже соединений и укажите степень окисления неметаллов - характеристических атомов: азотистая кислота, сульфид железа, хлорат калия, перйодат натрия, фосфат кальция, гидрокарбонат натрия.
10. Существует ли взаимосвязь между электроотрицателыюстыо элемента и степенью окисления? Ответ обоснуйте на конкретных примерах.

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