Неметаллы-простые вещества

Химия

Лекция

Тема: Неметаллы

План

1. Неметаллы, особенности строения и изменение свойств в ПСХЭ.

2. Нахождение неметаллов в природе.

3. Способы получения неметаллов.

4. Физические свойства неметаллов.

5. Химические свойства неметаллов.

1. Неметаллы, особенности строения, изменение свойств в ПСХЭ

Неметаллы — это простые вещества, образованные р-элементами (исключение — водород и гелий, образованы s-элементами). В Периодической системе элементов они расположены в конце малых и больших периодов, т. е. занимают правый верхний угол в главных подгруппах.

Химические элементы, которым соответствуют простые вещества — неметаллы

Свойства неметаллов обусловлены особенностями строения их атомов. Внешний электронный слой атомов неметаллов содержит 4-8 электронов (исключение составляют бор, водород, гелий).

Валентными являются электроны s- и р-подуровней внешнего энергетического уровня. Общее число их соответствует номеру группы, в которой расположен элемент.

Однако максимальная валентность атомов неметаллов может не соответствовать номеру группы, в которой расположен элемент. Так, вам известно, что для атомов неметаллов второго периода максимальная валентность равна четырем, так как на внешнем уровне атомы 2р-элементов имеют четыре валентные ор­битали.

Максимальная положительная степень окисления соответ­ствует номеру группы (исключение — кислород, фтор и гелий), а минимальная определяется по разности: номер группы - 8.

В простых веществах атомы неметаллов находятся в проме­жуточной степени окисления, поэтому они проявляют как оки­слительные, так и восстановительные свойства (исключение — фтор и благородные газы).

В периодах с увеличением атомного номера р-элементов умень­шаются радиусы атомов, увеличивается число электронов на внеш­нем уровне и возрастает электроотрицательность, поэтому осла­бевают восстановительные и усиливаются окислительные свой­ства простых веществ, образованных атомами этих элементов, возрастают их неметаллические свойства.

В подгруппах с увеличением атомного номера р-элементов ради­усы атомов увеличиваются, электроотрицательность уменьшается, поэтому усиливаются восстановительные свойства и ослабевают окислительные и неметаллические свойства простых веществ.

Таким образом, атомы неметаллов содержат большее, чем атомы металлов, число электронов на внешнем уровне, имеют более высокие заряды ядер и значительно меньшие радиусы, вследствие этого более высокие значения электроотрицательности и большую способность к присоединению электронов (оки­слительную способность).

2. Нахождение неметаллов в природе

Некоторые неметаллы в природе встречаются как в виде простых веществ, так и в виде соединений (кислород, азот, сера, углерод), другие — только в виде соединений.

Кислород и кремний — наиболее распространенные элементы, нa их долю приходится около 70% массы земной коры. К числу редких элементов относятся иод, селен, теллур и некоторые другие, на их долю приходятся тысячные доли процента массы земной коры. Многие соединения неметаллов являются обязательной составной частью растительных и животных организмов. К элементам-органогенам («рождающим» органические вещества: белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты) относятся кислород (на его долю приходится около 60% массы тела человека), углерод, водород, азот, фосфор и сера. В небольших количествах в организмах животных и растений содержатся фтор, хлор и иод.

3. Способы получения неметаллов

Вопросы и задания

1. В основном состоянии наибольшее число неспаренных электро­нов в атоме:

а) хлора; б) кремния; в) фосфора; г) серы.

2. Все галогены могут проявлять в соединениях степень окисления:

а)+5; б) +1; в)+7; г)-1.

3. Электронная формула аниона Э² ...3s²3p⁶ отвечает элементу:

а) сере; б) хлору; в) углероду; г) фосфору.

4. Электронную конфигурацию, одинаковую с конфигурацией атомов аргона, имеет частица: а) Мg²⁺; б) S^2- ; в) CI⁰; г) Ti²⁺.

5. Водород в промышленности не получают по схеме:

а) Na + Н₂0 ; в) Н₂0 ^{эектролиз};

б) С + Н₂0 ; г) СН₄ + Н₂О .

6. Определите объем 2 М соляной кислоты, израсходованной на взаи­модействие с оксидом марганца(1\/), если известно, что выделив­шийся при этом хлор вытеснил из раствора иодида калия 25,4 г иода.

7. Рассчитайте объем водорода (н. у.), который можно получить из 200 см³ воды:

а)электролизом; б) действием натрия.

8. Вычислите массу фосфорита, содержащего 62 % фосфата кальция, необходимого для получения 124 кг фосфора. Определите массу углерода, который будет израсходован для этой цели.

4. Физические свойства неметаллов

Как вы знаете, молекулы простых веществ — неметаллов мо­гут быть одноатомными (благородные газы), двухатомными (га­логены, кислород, азот и водород), а также содержать большее число атомов (озон 0₃, фосфор Р₄, сера S₈). Атомы некоторых не­металлов (углерод, кремний, фосфор, сера) способны образовывать цепи. Например, атомы углерода образуют цепи практически не­ограниченной длины, кремния — короткие (до шести атомов). Та­кие неметаллы, как сера, углерод, кремний, фосфор, кислород, су­ществуют в виде нескольких аллотропных модификаций. Так, фосфор бывает белый, красный и черный; углерод известен в виде алмаза и графита.

Помимо известных вам алмаза и графита существуют и дру­гие аллотропные модификации углерода — карбин и фуллерены.

Карбин представляет собой белое кристаллическое веще­ство (иногда встречается в графите в виде белых прожилок) или мелкокристаллический черный порошок. Кристалличе­ская решетка его построена из линейных углеродных цепочек двух видов:

= С = С = С = С = или — С = С — С = С —

Впервые карбин был получен синтетически, а уже позднее найден в природе. По электрической проводимости карбин зани­мает промежуточное положение между алмазом (диэлектрик) и графитом (проводник): он полупроводник. Карбин обладает ря­дом свойств, весьма ценных для использования в медицине: отсутствием токсичности, высокой биологической совместимо­стью. Это делает его перспективным для применения в рекон­структивной хирургии, урологии, стоматологии.

Фуллерены — семейство веществ, состоящих из сферообраз­ных или эллипсоидных молекул, построенных из пяти- и ше­стиугольников, которые образованы атомами углерода. Состав молекул отвечает формулам С₆₀, С₇₀, С₇₆ и др. Обнаружены мо­лекулы, содержащие до двухсот атомов углерода. Фуллерены синтезированы из графита в 80-х гг. прошлого века. Наиболее устойчивое вещество состоит из сферических молекул С₆₀, по форме напоминающих футбольный мяч. В незна­чительных количествах фуллерены образуются при переходе газообразного углерода в твердое состояние. С момента откры­тия и по настоящее время проводятся многочисленные исследо­вания по получению фуллеренов, описанию их структур и свойств. В 1996 г. ученые, открывшие их, были удостоены Но­белевской премии по химии.

Фуллерены представляют собой твердые кристаллические веще­ства. В отличие от других аллотропных модификаций углерода — алмаза, графита и карбина — они растворимы в органических ра­створителях, при этом образуются ярко окрашенные растворы.

Как выяснилось, фуллерены содержатся и в земных породах. Правда, это стало известно уже после их открытия. Считают, что наиболее богаты фуллеренами шунгитовые породы, залежи кото­рых находятся в Карелии. Именно в карельских шунгитах были впервые обнаружены земные фуллерены. В настоящее время с этой особенностью шунгитов связывают целебное действие открытых в 1714 г. марциальных вод, которыми лечился еще Петр Великий (поселок Марциальные воды находится в 50 км от Петрозаводска).

При обычных условиях неметаллы находятся в разных агре­гатных состояниях: газообразном (водород, кислород, азот, фтор, хлор, неон, гелий и др.), жидком (бром), твердом (иод, бор, угле­род, кремний, сера, фосфор и др.).

При низкой температуре и повышенном давлении все неме­таллы могут быть получены в кристаллическом состоянии. Одни из них (бор, углерод, кремний) имеют атомные кристалличе­ские решетки, поэтому обладают большой твердостью, высокими температурами кипения и плавления. Другие имеют молекуляр­ные кристаллические решетки (кислород, озон, водород, галоге­ны, азот, сера), они при обычных условиях газы, жидкости или твердые вещества с низкими температурами кипения и плавле­ния. В кристаллических решетках неметаллов, как правило, нет свободных электронов. В связи с этим большинство твердых не­металлов не проводят тепло и электричество. Однако кремний и черный фосфор обладают полупроводниковыми свойствами, а графит — тепло- и электропроводностью. Твердые неметаллы не обладают и пластичностью.

В воде они нерастворимы или малорастворимы. Некоторые из них (галогены, сера) лучше растворяются в органических ра­створителях, а белый фосфор — в сероуглероде. Фтор в воде ра­створять нельзя, так как он бурно реагирует с ней.

Неметаллы имеют различную окраску (желтая сера, черный графит, красный и белый фосфор и т. д.), причем в подгруппах сверху вниз интенсивность окраски усиливается: фтор — светло- зеленый газ, хлор — желто-зеленый газ, бром — красно-бурая жидкость, иод — темно-фиолетовые кристаллы.

Следовательно, простые вещества — неметаллы характеризу­ются большим разнообразием физических свойств, что обусло­влено различным их строением.

5. Химические свойства неметаллов

В окислительно-восстановительных реакциях неметаллы мо­гут выступать как в роли окислителей, так и в роли восстанови­телей в зависимости от того, с каким веществом они вступают во взаимодействие (исключение — фтор и некоторые благородные газы). Такие неметаллы, как кислород, азот, хлор, бром, являют­ся преимущественно окислителями, водород и углерод — восста­новителями.

При взаимодействии с металлами неметаллы, как правило, образуют соединения с ионным видом связи (CaO, MgCl₂), с дру­гими неметаллами — соединения с ковалентными полярными связями (S0₂, РС1₃, CS₂).

Окислительные свойства

Неметаллы как окислители реагируют:

1. С металлами и водородом:

3Mg + 2P = Mg₃P₂ 2Н₂ + 0₂ = 2Н₂0

Zn + S = ZnS 2Са + Si = Ca₂Si

ЗСа + N₂ = Ca₃N₂ 2Fe + 2C1₂ = 2FeCl₃

Водород реагирует со щелочными и щелочно-земельными металлами:

2Na + Н₂ = 2NaH Ва + Н₂ = ВаН₂

2. С неметаллами, атомы которых имеют более низкое значе­ние электроотрицательности:

0 0 +2 -1 0 0 +4 -2

S + С1₂ = SC1₂ 2S + С = CS₂

0 0 +4-1 0 0 +3 -1 +5-1

Si + 2С1₂ = SiCl₄ 2Р + ЗС1₂ = 2РС1₃ (или РС1₅)

0 0 +4-4 0 0 +3 -2 +5 -2

Si + С = SiC 3S + 2P = P₂S₃ (или P₂S₅)

Хлор не реагирует непосредственно с кислородом, азотом и углеродом.

3. С некоторыми сложными веществами:

4NH₃ + 30₂ = 2N₂ + 6Н₂0

СН₄ + 20₂ = С0₂ + 2Н₂0

2FeCl₂ + Cl₂ = 2FeCl₃

Одни неметаллы (более сильные окислители) способны вытеснять другие (слабые окислители) из растворов их солей. Так, вам известно, что каждый предыдущий галоген вытесняет последующий из его соединении с ме­таллом и водородом:

2KI + Вг₂ = 2КВг + 1₂

При взаимодействии иода с бромидом калия бром не выделяется. Такой сильный окислитель, как фтор, вытесняет даже кисло­род из воды:

2Н₂0 + 2F₂ = 4HF + 0₂

Вода горит во фторе красивым голубым пламенем, поэтому фтор нельзя использовать для вытеснения менее активного гало­гена из раствора его соли.

Восстановительные свойства

1. Неметаллы как восстановители реагируют с другими неметаллами, атомы которых более электроотрицательны:

2С + 0₂ = 2СО С + 2F₂ = CF₄

Недостаток

S + 0₂ = S0₂ Si + 2F₂ = SiF₄

4P + 50₂ = 2P₂0₃ S + 3F₂ = SF₆

Галогены (за исключением фтора) непосредственно с кислородом не реагируют. Кислородные соединения галогенов получают косвенным путем.

2. Углерод, сера, фосфор и другие неметаллы взаимодействуют с кислотами-окислителями (азотная и концентрированная серная).

Концентрированная серная кислота восстанавливается при этом до оксида серы(1У):

С + 2H₂S0₄ = 2S0₂ + C0₂ + 2Н₂0

конц.

S + 2H₂S0₄ = 3S0₂ + 2Н₂0

конц.

2Р + 5H₂S0₄ = 2Н₃Р0₄ + 5S0₂ + 2Н₂0

конц.

При окислении серы концентрированной серной кислотой ок­сид серы(1У) является продуктом и окисления, и восстановления.

Азотная кислота окисляет серу, углерод, фосфор и другие неметаллы до соответствующих кислот, а степень восстановле­ния азотной кислоты зависит от ее концентрации. Концентриро­ванная азотная кислота, как правило, восстанавливается до оксида азота(1У) N0₂:

S + 6HNO₃ = H₂S0₄ + 6N0₂ + 2Н₂0

Конц.

Р + 5HN0₃ = Н₃Р0₄ + 5N0₂ + Н₂0

Конц.

С + 4HN0₃ = CO₂ + 4NO₂ + 2Н_аО

конц.

Восстановление концентрированной азотной кислоты только до оксида азота(1У) объясняется тем, что низшие оксиды азота концентрированная азотная кислота может окислить до N0₂:

NO + 2HN0₃ = 3N0₂ + H₂0

Разбавленная азотная кислота восстанавливается до оксида азота (П):

3С + 4HN0₃ = 3C0₂ + 4NO + 2Н₂0

разб.

3Р + 5HN0₃ + 2Н₂0 = 3Н₃Р0₄ + 5NO

разб.

S + 2HN0₃ = H₂S0₄ + 2N0

разб.

Кислоты-окислители не действуют на кремний, так как при контакте с ними на его поверхности образуется плотная оксидная пленка Si0₂:

3Si + 4HN0₃ = 3Si0₂ + 4NO + 2H₂0

разб.

Эту пленку растворяет только фтороводородная (плавиковая) кислота:

Si0₂ + 4HF = SiF₄ + 2Н₂0

тетрафторид

кремния

Если просуммировать последние два уравнения (предвари­тельно умножив второе на три для уравнивания количества вещества оксида кремния(1У), то получим уравнение реакции кремния со смесью азотной и плавиковой кислот:

3Si + 12HF + 4HN0₃ = 3SiF₄ + 4N0 + 8Н₂0

С избытком фтороводородной кислоты тетрафторид кремния образует гексафторосиликат (1У) водорода H₂[SiF₆]:

SiF₄ + 2HF = H₂[SiF₆]

Следовательно, кремний в отличие от других неметаллов взаимодействует только со смесью кислот HN0₃ и HF.

3. Кремний реагирует с растворами щелочей:

Si + 2NaOH + Н₂0 = Na₂Si0₃ + 2H₂

4. Для углерода и водорода как восстановителей характерно взаимодействие с оксидами:

СаО + 3С = СаС₂ + CO Р₂0₅ + 5С = 2Р + 5CO

2Fe₂0₃ + ЗС = 4Fe + 3C0₂ W0₃ + ЗН₂ = W + 3H₂0

С0₂ + С = 2СО 2NO + 2Н₂ = N₂ + 2Н₂0

Н₂0 + С = CO + H₂ СuО + Н₂ = Сu + Н₂0