Тема 15. Неметаллы

Определения и обозначения

Неметаллы — химические элементы, атомы которых обычно имеют много электронов на внешнем уровне и не склонны легко их отдавать. В периодической системе большинство неметаллов расположено в правой верхней части, а водород — в первом периоде. Это положение помогает связать строение атома с его химическим поведением.

Простое вещество состоит из атомов одного химического элемента. Например, кислород O₂ — простое вещество, а кислород как элемент обозначает вид атомов с зарядом ядра +8. Различие нужно, чтобы не смешивать свойства атомов и свойства вещества, которое они образуют.

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ. Так, углерод образует алмаз и графит, а кислород — O₂ и озон O₃. Это понятие объясняет, почему одному элементу могут соответствовать вещества с неодинаковыми свойствами.

Аллотропные модификации — простые вещества одного элемента, различающиеся строением и свойствами. В алмазе атомы углерода образуют прочную пространственную сеть, а в графите располагаются слоями. Сравнение модификаций показывает, что свойства определяются не только составом, но и тем, как соединены атомы.

Как это устроено

В правой части периодической системы у многих неметаллов на внешнем уровне находится от четырёх до семи электронов. Для завершения внешнего слоя атомам энергетически выгодно принять электроны или образовать общие электронные пары. Поэтому неметаллы часто связываются друг с другом ковалентно, а с металлами могут образовывать ионные соединения. Чем ближе внешний слой к заполнению, тем заметнее стремление атома притягивать электроны.

В простых веществах-неметаллах обычно действуют ковалентные связи, но частицы и их расположение бывают разными. Водород, азот и кислород существуют в виде двухатомных молекул, а в алмазе атомы углерода образуют общую пространственную сеть. Если вещество состоит из отдельных молекул, силы между ними могут быть сравнительно слабыми; в атомной сети связи прочны во всём кристалле. Поэтому неметаллы встречаются как газы, жидкости и твёрдые вещества, а их твёрдость и электропроводность сильно различаются.

Способность неметалла окислять или восстанавливать зависит от того, принимает или отдаёт электроны его атом в конкретной реакции. Неметаллы с высокой электроотрицательностью, особенно фтор и кислород, обычно принимают электроны и выступают окислителями. Но неметалл с отрицательной степенью окисления может окислиться до более высокой степени и тогда будет восстановителем. Поэтому роль вещества нельзя определять только по тому, что оно неметалл: нужно сравнить степени окисления до и после реакции.

Аллотропия возможна, когда атомы одного элемента способны соединяться разными способами или образовывать молекулы разного состава. В алмазе каждый атом углерода связан с четырьмя соседями, а в графите атомы образуют слои, поэтому алмаз очень твёрдый, а графит мягкий и проводит электрический ток. Кислород O₂ и озон O₃ состоят из молекул разного состава и отличаются свойствами. Белый и красный фосфор также имеют неодинаковое строение, что отражается на их реакционной способности и физических свойствах.

Неметаллы реагируют с простыми веществами, например кислород соединяется с металлами и водородом, а также со сложными веществами — при соблюдении условий реакции. При взаимодействии с металлом могут образоваться оксиды или другие бинарные соединения, а при горении серы в кислороде получается оксид серы(IV): S + O₂ → SO₂. Водород с кислородом образует воду: 2H₂ + O₂ → 2H₂O. Чтобы понять роль участников, определяют степени окисления: кислород принимает электроны, значит, он окислитель.

Неметаллы: строение, свойства и типичные реакции

Таблица связывает признаки неметаллов с причинами и примерами: сначала смотрите на строение атома, затем — на тип связи и свойства вещества. Примеры помогают увидеть, что общие закономерности не отменяют разнообразия конкретных неметаллов. При разборе реакции дополнительно проверяйте степени окисления участников.

Разбор задач

Задача 1. Укажите, какой элемент — неметалл, и определите число электронов на внешнем уровне его атома по положению в периодической системе. Например, сравним элементы третьего периода: натрий Na, сера S и хлор Cl. Сера и хлор — неметаллы, а натрий — металл. У серы шесть внешних электронов, у хлора — семь.

1. Найдите элемент в периодической системе и определите его период и группу. Положение в периоде показывает число электронных слоёв, а для элементов главных подгрупп номер группы связан с числом электронов внешнего уровня.
2. Проверьте, относится ли элемент к неметаллам: в третьем периоде к ним принадлежат, например, сера и хлор, тогда как натрий — металл. У серы в главной подгруппе шестой группы шесть внешних электронов, у хлора в седьмой группе — семь.

Ответ: неметаллы — S и Cl; на внешнем уровне атома S шесть электронов, атома Cl — семь.

Задача 2. Составьте уравнения реакций кислорода с магнием и водородом, расставьте коэффициенты и укажите окислитель. Сначала запишите формулы продуктов: при реакции магния с кислородом образуется MgO, при реакции водорода с кислородом — H₂O. Затем уравняйте число атомов каждого элемента по обе стороны стрелки. Окислитель устанавливают по тому, какой участник принимает электроны.

1. Запишите Mg + O₂ → MgO и уравняйте кислород: поставьте коэффициент 2 перед MgO. Чтобы уравнять магний, поставьте 2 перед Mg. Получается 2Mg + O₂ → 2MgO.
2. Для водорода запишите H₂ + O₂ → H₂O. Поставьте 2 перед H₂O, чтобы справа было два атома кислорода, затем 2 перед H₂. Получается 2H₂ + O₂ → 2H₂O.
3. В обоих уравнениях кислород переходит из степени окисления 0 в −2, то есть принимает электроны. Поэтому кислород является окислителем в обеих реакциях.

Ответ: 2Mg + O₂ → 2MgO; 2H₂ + O₂ → 2H₂O. Окислитель в обоих случаях — кислород.

Задача 3. При сгорании серы получили 16 г оксида серы(IV). Рассчитайте количество вещества и массу израсходованной серы. Уравнение реакции S + O₂ → SO₂ показывает, что сера и оксид серы(IV) реагируют в соотношении 1:1. Сначала по массе продукта найдём его количество, затем используем это соотношение для серы.

1. Вычислите молярную массу SO₂: M(SO₂) = 32 + 2 · 16 = 64 г/моль. Количество вещества продукта равно n(SO₂) = m/M = 16/64 = 0,25 моль.
2. По коэффициентам уравнения n(S) = n(SO₂), значит, израсходовано 0,25 моль серы. Используйте молярную массу серы M(S) = 32 г/моль.
3. Найдите массу серы: m(S) = n · M = 0,25 · 32 = 8 г. Проверка: из одного моля серы получается один моль SO₂, поэтому соотношение количеств выбрано верно.

Ответ: n(SO₂) = 0,25 моль; израсходовано 8 г серы.

Типичные ошибки

Смешивать неметаллический элемент и простое вещество. Элемент — это вид атомов, а простое вещество — форма существования этих атомов, например O₂. Путаница возникает потому, что в речи одно название часто используют для обоих понятий. Проверьте себя: если речь о составе вещества, укажите формулу; если о положении в таблице или строении атома — говорите об элементе.

Считать, что все простые вещества-неметаллы двухатомны. Многие неметаллы действительно образуют молекулы из двух атомов, например H₂ и Cl₂, но строение может быть иным. Сера образует кольцевые молекулы S₈, а углерод — атомные кристаллические структуры. Проверяйте формулу и строение конкретного вещества, а не переносите свойство одной группы примеров на все неметаллы.

Полагать, что неметаллы всегда принимают электроны. Такое рассуждение забывает, что окислительно-восстановительная роль зависит от исходной степени окисления. Углерод при горении повышает степень окисления с 0 до +4 и отдаёт электроны, поэтому выступает восстановителем. Сравните степени окисления элемента до и после реакции: повышение означает отдачу электронов.

Называть аллотропные модификации разными элементами. Алмаз и графит различаются свойствами, поэтому их легко принять за разные вещества и, ошибочно, за разные элементы. Однако оба состоят из атомов углерода, то есть имеют один и тот же заряд ядра. Проверьте состав: если атомы одного элемента образуют разные простые вещества, это аллотропные модификации.

Связь с другими темами

Чтобы объяснить свойства неметаллов, нужны знания о строении атома, электронных конфигурациях и периодическом изменении свойств элементов. Эти темы помогают понять, почему атомы принимают электроны или образуют общие пары. Для разбора реакций необходимо уметь определять степени окисления, распознавать типы химической связи и расставлять коэффициенты.

Дальше эти знания пригодятся при изучении водородных соединений неметаллов, их оксидов, кислот и солей. Понимание того, кто принимает и отдаёт электроны, помогает разбирать окислительно-восстановительные реакции. Так свойства простых веществ связываются со свойствами многочисленных соединений.

Что запомнить

• Свойства неметаллов связаны со строением их атомов и положением в периодической системе.
• Простое вещество и химический элемент — не одно и то же.
• Неметаллы могут образовывать ковалентные связи и вещества с разным строением.
• В реакциях неметаллы могут быть как окислителями, так и восстановителями.
• Аллотропные модификации состоят из атомов одного элемента, но различаются строением и свойствами.
• Физические свойства неметаллов разнообразны и зависят от строения вещества.