Глава VI. НЕМЕТАЛЛЫ 6.28. Общая характеристика неметаллов

Положение в периодической системе неметаллов

Химические элементы принято делить на металлы и неметаллы по их химическим свойствам. В периодической системе неметаллы расположены в А-группах: IА, IIIА–VIIIА. От металлов их отделяет ступенчатая линия водород — бор — оганесон. Неметаллы находятся выше этой линии, то есть занимают правый верхний угол таблицы, образуя своеобразный треугольник (рис. 61).

Рис. 61. Неметаллы и электронная конфигурация их внешнего энергетического уровня

Элементы, расположенные в одной группе, сходны по строению атома, а значит, во многом и по свойствам. Поэтому для некоторых групп неметаллов применяют общие названия. Так, неметаллы VIIIA-группы называют благородными газами. Для элементов VIIA-группы используют название галогены — рождающие соли. Неметаллы VIA-группы имеют общее название халькогены — рождающие руды.

Строение электронных оболочек атомов неметаллов

Внешний электронный слой атома во многом определяет свойства элемента. Число электронов внешнего уровня атомов неметаллов соответствует номеру А-группы, в которой расположен элемент. У большинства из них он близок к завершению или завершен, содержит четыре и более электронов. Меньшее число электронов содержат атомы лишь трех элементов: водород имеет один электрон (до завершения не хватает одного электрона), гелий — два электрона (внешний уровень завершен), бор — три электрона. Неметаллы являются представителями p-элементов, за исключением водорода и гелия, принадлежащих к s-элементам.

Атомы неметаллов, в отличие от атомов металлов, способны проявлять как положительные степени окисления, так и отрицательные. Исключением являются фтор и благородные газы. В соединениях с другими элементами для фтора характерна лишь отрицательная степень окисления, равная –1 (например, , , ). Наиболее легкие благородные газы — гелий, неон и аргон — устойчивых соединений не образуют, а для ксенона, криптона и радона получены соединения лишь с положительными степенями окисления (например, , ).

В целом значения степеней окисления неметаллов лежат в интервале от –4 до +8, а валентности — от I до VIII. Следует вспомнить, что валентность атомов элементов второго периода не бывает больше четырех:

Простые вещества

В исторически сложившейся классификации элементов принадлежность к неметаллам определяли по физическим свойствам простых веществ: твердое, газообразное или жидкое состояние при нормальных условиях. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . В твердом состоянии у неметаллов, как правило, отсутствует металлический блеск. Их электро- и теплопроводность обычно невелики, вещества являются хрупкими.

Неметаллы образуют два типа кристаллов — молекулярные и атомные (рис. 62).

Рис. 62. Состав и строение простых веществ неметаллов

Вещества молекулярного строения отличаются низкими температурами плавления (гелий –272 °С, кислород –223 °С) и кипения (гелий –269 °С, кислород –183 °С). Неметаллы немолекулярного строения, наоборот, имеют чрезвычайно высокие температуры кипения и плавления (графит: Tпл. = 3850 °С, Tкип.= 4200 °С).

Для неметаллов характерно явление аллотропии. Примерами могут служить красный и белый фосфор, алмаз и графит, кислород и озон.

Неметаллы могут вступать в реакции с веществами всех классов (металлами, другими неметаллами, оксидами, щелочами, кислотами, солями) и проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства (табл. 20).

Таблица 20. Общие свойства неметаллов как простых веществ

Неметаллы как окислители вступают в реакции	Неметаллы как восстановители вступают в реакции
С металлами:	С некоторыми оксидами:
С другими неметаллами:	С другими неметаллами:
С кислотами:	С органическими веществами:
С солями:

Окислительные способности атомов неметаллов можно сравнивать по положению в периодической системе: с ростом атомного номера они увеличиваются в периодах и уменьшаются, как правило, в группах. Эти же свойства можно также оценивать, сопоставляя электроотрицательность неметаллов, которая возрастает в ряду:

Si	B	As	As	H	C	I	S	Br	Cl	N	O	F
1,9	2,0	2,1	2,2	2,2	2,5	2,5	2,6	2,8	3,0	3,0	3,5	4,0

Окислительная способность неметаллов с увеличением электроотрицательности усиливается.

Распространенность неметаллов в природе

В природе неметаллы существуют не только в виде соединений (органические вещества, оксиды Н2О, SiO2, СО2, соли бескислородных кислот NaCl, As2S3, соли кислородсодержащих кислот СаСО3, Са3(РО4)2), но и в свободном виде, например азот, кислород, благородные газы, углерод (в форме графита и алмаза), сера. Существование неметаллов в виде простых веществ в природе связано с низкой активностью перечисленных неметаллов при нормальных условиях: атомы благородных газов имеют завершенный внешний электронный уровень, кислород и азот — достаточно прочные ковалентные связи в двухатомных молекулах, углерод образует прочные атомные кристаллы. На Земле самыми распространенными неметаллами являются кислород и кремний (по массе около 49 % и 26 % соответственно), во Вселенной — водород.

Применение неметаллов

Области применения простых веществ неметаллов обширны. Примерами могут служить: производство полупроводниковых материалов (кремний, селен), металлургические процессы получения металлов (углерод, водород) и сплавов (бор, кремний), интенсификация процессов горения (кислород), создание инертной атмосферы (азот, благородные газы), органический синтез (хлор, бром), воздухоплавание (гелий, водород), светотехника (благородные газы).

Вопросы, задания, задачи

1. Опишите положение неметаллов в периодической системе. Укажите для элементов-неметаллов третьего периода возможные значения степени окисления и валентности.

2. Запишите символы элементов и общую формулу электронной конфигурации:

• а) благородных газов;
• б) галогенов;
• в) халькогенов.

3. Определите степени окисления атомов в соединениях:

• а) НСl, HClO, HClO3, HClO4;
• б) H2S, SO2, H2SO3, H2SO4.

4. Укажите утверждения, характеризующие кислород как химический элемент:

• а) объемная доля кислорода в воздухе составляет 21 %;
• б) атом кислорода содержит шесть электронов на внешнем энергетическом уровне;
• в) массовая доля кислорода в земной коре равна 49 %;
• г) при выплавке чугуна используют воздух, обогащенный кислородом;
• д) электроотрицательность кислорода меньше, чем фтора;
• е) кислород в соединениях проявляет степени окисления от –2 до +2.

5. Составьте уравнения реакций с участием неметаллов, учитывая, что атомы неметаллов в заданных реакциях проявляют низшую степень окисления:

• Al + Cl2 →;
• Li + N2 →;
• Ca + P →;
• Zn + Br2 →;
• K + H2 →;
• Al + S →.

6. Определите массу углерода, необходимого для восстановления железа из оксида железа(III) массой 1 т. Углерод окисляется до высшей степени окисления.

7. Азот имеет очень низкие температуры плавления и кипения –210 °C и –196 °C, а бор высокие — ≈2075 °C и ≈3800 °C соответственно. Дайте объяснение такому различию.

8. Докажите, что фосфор выполняет функцию восстановителя в первой реакции и окислителя — во второй:

• 1) Р + О2 → Р2О5;
• 2) Р + Са → Са3Р2.

9. Расставьте коэффициенты методом электронного баланса и укажите, окислителем или восстановителем являются простые вещества:

• а) Р + H2SO4 → H3PO4 + SO2 + H2O;
• б) S + HNO3 → H2SO4 + NO.

10. Образец газообразного простого вещества неметалла объемом 1 дм3 (н. у.) имеет массу 3,17 г. Определите химическую формулу вещества.

*Самоконтроль

1. Конфигурацию внешнего электронного уровня ns2np5 имеют:

• а) азот;
• б) хлор;
• в) йод;
• г) фосфор.

2. Кремний как химический элемент характеризуют утверждения:

• а) кремний используют в производстве полупроводниковых приборов;
• б) кремний занимает 2-е место по распространенности в земной коре;
• в) кремний не взаимодействует с водородом непосредственно;
• г) высшая степень окисления кремния +4.

3. Положительную степень окисления проявляют элементы VA-группы в соединениях:

• а) HNO3;
• б) NH3;
• в) Li3N;
• г) H3PO4.

4. Сера является окислителем, реагируя с:

• а) Ca;
• б) Al;
• в) F2;
• г) Fe.

5. Сумма коэффициентов в реакции синтеза фосфида кальция из простых веществ равна:

• а) 3;
• б) 4;
• в) 5;
• г) 6.