Неметаллы

Кемерово - 2002 Содержание: Введение……………………………………………………………………..3 §1. Положение неметаллических элементов в периодической системе химических элементов.

Нахождение в природе. Общие химический и физические свойства……………………………………4 §2. Общие химические свойства неметаллов………………………..6 §3. Строение и свойства простых веществ – неметаллов ………7 §4. Кислородные и водородные соединения неметаллов . Краткая характеристика их свойств ……………………………………………9 Тест Список использованной литературы Введение . Все многообразие окружающей нас природы состоит из сочетаний сравнительно небольшого числа химических элементов. В различные исторические эпохи в понятие «элемент» вкладывался различный смысл.

Древнегреческие философы в качестве «элементов» рассматривали четыре «стихии» – тепло, холод, сухость и влажность.

Сочетаясь попарно, они образовывали четыре «начала» всех вещей – огонь, воздух, воду и землю. В средние века к этим началам добавились соль, сера и ртуть. В XVII веке Р. Бойль указал на то, что все элементы носят материальный характер и их число может быть достаточно велико. В 1787 году французский химик А. Лавуазье создал «Таблицу простых тел». В нее вошли все известные к тому времени элементы. Под последними понимались простые тела, которые не удавалось разложить химическими методами на еще более простые.

Впоследствии выяснилось, что в таблицу вошли и некоторые сложные вещества. В настоящее время понятие «химический элемент» установлено точно.

Химический элемент – вил атомов с одинаковым положительным зарядом ядра. (Последний равен порядковому номеру элемента в таблице Менделеева.) В настоящее время известно 107 элементов. Около 90 из них существуют в природе.

Остальные получены искусственно с помощью ядерных реакций. 104-107 элементы были синтезированы учеными-физиками в Объединенном институте ядерных исследований в городе Дубне. В настоящее время продолжаются работы по искусственному получению химических элементов с более высокими порядковыми элементами. Все элементы делятся на металлы и неметаллы. Из 107 элементов 85 относятся к металлам. К неметаллам относят следующие элементы: гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон, фтор, хлор, бром, йод, астат , кислород, сера, селен, теллур, азот, фосфор, мышьяк, углерод, кремний, бор, водород.

Однако это деление условное. При определенных условиях некоторые металлы могут проявлять неметаллические свойства, а некоторые неметаллы – металлические свойства. §1. 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.

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: H 2 + F 2 2HF Менее энергично реагирует кислород: 2H 2 +O 2 2H 2 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 ( 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, 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 , H 2 S, NH 3 ) . 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 ( H 2 O, HCl ) и неполярной связями ( CO 2 ) . С водородом неметаллы образуют летучие соединения, как, например, фтороводород HF , сероводород H 2 S , аммиак NH 3 , метан CH 4 . 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, 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 кислотаH 2 SO 4 сильнее сернистой H 2 SO 3 . §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.

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, TiB 2 ) 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 ( CaC 2 , Al 4 C 3 , Fe 3 C, Mg 2 Si, TiB, TiB 2 ). Некоторые из них обладают большей твердостью, например Fe 3 C, 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 HClO 2 , которой соответствуют соли – хлориты, например хлорит калия KClO 2 . Во втором случае хлор может образовать соединения, в которых степень окисления хлора +5. К таким соединениям относятся хлороноватая кислота HClO 3 и ее соли – хлораты , например хлорат калия КClO 3 (бертолетова соль). В третьем случае хлор проявляет степень окисления +7, например в хлорной кислоте HClO 4 и в ее солях – перхлоратах, например в перхлорате калия КClO 4 . §4. Кислородные и водородные соединения неметаллов . Краткая характеристика их свойств . 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 неметалов : 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. Общие формулы водородных соединений по группам периодической системы химических элементов приведены в таблице №3.

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: H 2 O + HF H 3 O + 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 NH 4 + и гидроксид-ионы ОН-. В результате раствор приобретает основные свойства. Этот процесс можно выразить формулой: H 2 O + NH 3 NH 4 + 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: 1. В периодах слева направо у ионов элементов положительный заряд увеличивается. В связи с этим кислотные свойства летучих водородных соединений элементов в водных растворах усиливаются. 2. 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. 3. 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. 4. Окислительная активность водородных соединений неметаллов в группах сверху вниз сильно увеличивается.