14. Ознакомление с коллекцией неметаллов

Определения и обозначения

Неметаллы — химические элементы, атомы которых обычно имеют небольшое число электронных слоёв и стремятся принимать или совместно использовать электроны. Поэтому их атомы часто образуют отрицательные ионы или ковалентные связи. Это понятие помогает объяснить положение неметаллов в периодической системе и особенности их соединений.

Простые вещества-неметаллы — вещества, состоящие из атомов одного неметаллического элемента. Например, водород H₂ и сера S₈ являются простыми веществами, а вода H₂O — сложное вещество. Различие нужно, чтобы не путать название элемента с конкретным веществом.

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением и свойствами. Причиной может быть разное расположение атомов или разное число атомов в частицах. Термин используют, когда сравнивают несколько форм одного элемента.

Аллотропные модификации — конкретные простые вещества одного элемента, например алмаз и графит как формы углерода. Их состав по элементу одинаков, но строение различается. Поэтому формула C ещё не показывает всех свойств образца: необходимо знать, о какой модификации идёт речь.

Как это устроено

Коллекция неметаллов позволяет сопоставить образцы по агрегатному состоянию, цвету, блеску, твёрдости, хрупкости и электропроводности. Такие признаки связаны со строением частиц и характером связей между ними. Сравнение помогает увидеть, что общая принадлежность к неметаллам не означает одинаковых физических свойств.

Положение элемента в периодической системе и строение его атомов объясняют, почему неметаллы обычно принимают электроны или образуют ковалентные связи. У их атомов внешняя электронная оболочка близка к завершённой, поэтому выгодно либо присоединить недостающие электроны, либо обобществить их. Чем сильнее атом удерживает электроны, тем заметнее неметаллические свойства элемента.

Неметаллы резко различаются по внешнему виду и физическим свойствам: среди них есть газы, жидкости и твёрдые вещества, прозрачные и окрашенные, проводящие и непроводящие ток. Это объясняется разной массой частиц, их упаковкой и силой взаимодействия между ними. Например, небольшие молекулы кислорода образуют газ, а прочная пространственная решётка алмаза — твёрдое вещество.

Различия между аллотропными модификациями одного элемента связаны со строением частиц и кристаллической решётки. В алмазе каждый атом углерода прочно связан с четырьмя соседями в объёмной структуре, а в графите атомы образуют слои. Поэтому алмаз очень твёрдый, тогда как слои графита легко смещаются, а его электроны могут перемещаться вдоль слоёв.

Наблюдаемые свойства образца нужно связывать со строением вещества, но не смешивать физические признаки с химической активностью и способностью вступать в реакции. Цвет, блеск и агрегатное состояние можно описать без изменения состава образца. Чтобы установить реакционную способность, проводят химический опыт и наблюдают появление новых веществ.

Образцы неметаллов и их основные свойства

Таблицу удобно читать по строкам, если нужно описать один образец сразу по нескольким признакам. По столбцам можно сравнить, например, агрегатное состояние или электропроводность разных веществ. Формула показывает состав, но для аллотропных модификаций дополнительно учитывают строение.

Внешний вид помогает выдвинуть предположение о составе образца, однако не заменяет проверку. Особенно осторожно сравнивают вещества с одинаковым цветом или одинаковой формулой. Химические свойства и применение подтверждают после изучения строения и проведения опытов.

Разбор задач

Задача 1. Формулы и названия

Нужно распределить формулы H₂, O₂, S₈, P и I₂ на простые вещества-неметаллы и назвать соответствующие элементы. Все формулы содержат атомы только одного химического элемента. Следовательно, каждое из перечисленных веществ является простым, а не сложным.

1. H₂ — простое вещество водород, образованное элементом водородом.
2. O₂ — простое вещество кислород, образованное элементом кислородом.
3. S₈ — простое вещество сера, образованное элементом серой.
4. P — простое вещество фосфор, образованное элементом фосфором.
5. I₂ — простое вещество йод, образованное элементом йодом.

Ответ: все пять формул относятся к простым веществам-неметаллам. Индексы ₂ и ₈ показывают число атомов в частице вещества, но не превращают его в сложное вещество.

Задача 2. Алмаз и графит

Нужно сравнить алмаз и графит и объяснить различия в твёрдости и электропроводности. Сначала определяют общий состав, затем рассматривают строение. Только после этого можно связать строение с наблюдаемыми свойствами.

1. Оба вещества образованы химическим элементом углеродом и имеют формулу C.
2. В алмазе атомы образуют прочную пространственную решётку, поэтому его связи трудно разрушить и он очень твёрдый.
3. В графите атомы расположены слоями; слои легко смещаются, а часть электронов перемещается, поэтому графит мягкий и проводит ток.

Ответ: алмаз и графит — аллотропные модификации углерода. Разные свойства объясняются не составом, а различным строением вещества.

Задача 3. Определение образца

Дан образец: жёлтое хрупкое твёрдое вещество, не проводит электрический ток и образует летучие соединения с металлами. Нужно определить возможный неметалл. Одного признака недостаточно, поэтому учитывают их совокупность.

1. Жёлтый цвет, хрупкость и твёрдое состояние характерны для серы.
2. Молекулярное строение серы объясняет её плохую электропроводность.
3. Сера реагирует с металлами с образованием сульфидов; многие соединения серы являются летучими.

Ответ: наиболее вероятный образец — сера, простое вещество формулы S₈. Окончательное распознавание проводят химическим анализом, а не только визуальным наблюдением.

Типичные ошибки

Считать неметалл только химическим элементом или только простым веществом — ошибка в употреблении терминов. Её допускают, потому что в быту одним названием называют и атомы элемента, и вещество из этих атомов. Проверка: спросите себя, говорится ли о виде атомов или о конкретной формуле вещества.

Делать вывод о принадлежности вещества к неметаллам только по цвету или агрегатному состоянию ненадёжно. Одинаково окрашенными могут быть разные вещества, а среди неметаллов встречаются газы, жидкость и твёрдые тела. Проверяйте сразу несколько признаков и учитывайте состав.

Считать аллотропные модификации разными химическими элементами неправильно. Ошибка возникает, когда различия во внешнем виде принимают за различия в составе. Проверьте формулу и состав: у алмаза и графита один элемент — углерод.

Нельзя переносить свойство одной модификации на другую, например считать все формы углерода мягкими или электропроводными. Такое обобщение игнорирует различия кристаллической решётки. Сопоставляйте свойство с конкретной модификацией, а не только с символом элемента.

Связь с другими темами

Для понимания коллекции нужны знания о строении атома, периодической системе, химическом элементе и простом веществе. Электронное строение помогает объяснить способность неметаллов принимать электроны или образовывать общие электронные пары. Формулы показывают состав образцов.

Тема служит основой для изучения химических свойств неметаллов и их соединений. Она понадобится при разборе окислительно-восстановительных реакций, где неметаллы могут быть окислителями или восстановителями. Знание физических свойств помогает связывать вещества с областями их применения.

Представление об аллотропии пригодится при изучении углерода, фосфора, кислорода и других элементов, образующих несколько простых веществ. Сравнение модификаций показывает роль строения в химии. Один состав не всегда означает одинаковые свойства.

Что запомнить

• Неметаллы образуют простые вещества, состоящие из атомов одного элемента.
• Свойства неметаллов зависят от строения их атомов и частиц вещества.
• Среди неметаллов есть газы, жидкость и твёрдые вещества.
• Аллотропные модификации состоят из атомов одного элемента, но могут сильно различаться по свойствам.
• Алмаз и графит — аллотропные модификации углерода.
• Внешний вид образца помогает его распознать, но не заменяет химический анализ.
• При описании коллекции нужно указывать формулу, агрегатное состояние и характерные физические свойства вещества.