§ 21. Неметаллы

Определения и обозначения

Неметаллы — химические элементы, атомы которых обычно не отдают легко электроны и обладают свойствами, отличными от металлов. Большинство неметаллов расположено в правой верхней части периодической системы, а водород — отдельно, в первой группе. Такое расположение помогает предварительно судить о строении атома и характере его связей. Это понятие нужно, чтобы сравнивать элементы и предсказывать свойства их соединений.

Аллотропия — способность одного химического элемента образовывать несколько простых веществ. Например, кислород образует O₂ и озон O₃, а углерод — алмаз и графит. Это не превращение одного элемента в другой: в каждом случае сохраняется один и тот же вид атомов. Понятие аллотропии помогает объяснить, почему химический элемент может быть представлен веществами с неодинаковыми свойствами.

Аллотропные модификации — простые вещества одного элемента, отличающиеся строением и, как следствие, свойствами. В алмазе и графите атомы углерода соединены по-разному, поэтому первый твёрдый и прозрачный, а второй мягкий и проводит ток. Отличия могут быть связаны с расположением атомов или числом атомов в молекуле. Сравнение модификаций показывает, как строение вещества определяет его свойства.

Электроотрицательность — способность атома притягивать к себе общие электронные пары в химической связи. Чем она выше, тем сильнее атом притягивает электронную плотность. У неметаллов электроотрицательность обычно велика, поэтому при взаимодействии с металлами они часто получают электроны. Это понятие помогает объяснять полярность связей и направление передачи электронов в реакциях.

Как это устроено

Положение элемента в таблице связано с устройством электронной оболочки. У элементов главных подгрупп номер группы указывает число электронов на внешнем уровне, а период показывает число занятых электронных слоёв. У большинства неметаллов на внешнем уровне от четырёх до семи электронов, поэтому до устойчивой оболочки им обычно недостаёт небольшого числа частиц. Водород — исключение: его единственный уровень может вместить два электрона.

Стремление завершить внешний уровень объясняет поведение атомов в реакциях. С металлами неметаллы часто принимают электроны и превращаются в отрицательно заряженные ионы. Между атомами неметаллов передача электронов обычно невыгодна, поэтому они образуют ковалентные связи — связи за счёт общих электронных пар. Если атом неметалла принимает электроны, он восстанавливается, а вещество, от которого электроны перешли, окисляется; поэтому неметаллы часто выступают окислителями.

Строение частиц простого вещества влияет на его физические свойства. Водород, кислород и азот состоят из небольших молекул и при обычных условиях являются газами; сера и фосфор — твёрдые вещества, а бром — жидкость. Цвет, температура плавления и электропроводность тоже зависят от состава и связей: например, молекулярные вещества обычно плохо проводят ток, а графит проводит его благодаря особенностям слоистой структуры. Поэтому нельзя приписывать всем неметаллам одинаковые физические свойства.

Один элемент образует разные аллотропные модификации, когда его атомы могут соединяться и располагаться несколькими способами. У кислорода существуют двухатомные молекулы O₂ и трёхатомные O₃, а у углерода — структуры алмаза и графита. Поскольку меняется строение частиц или их объединение, меняются и свойства простого вещества. Значит, состав по химическому элементу одинаков, но устройство вещества различно.

Химические свойства неметаллов удобно прослеживать по реакциям с металлами, водородом и кислородом. При реакции с металлом неметалл обычно принимает электроны и образует бинарное соединение, например соль MgO. С водородом могут образовываться соединения, например HCl, а при горении неметаллов в кислороде возникают оксиды; далее оксид может взаимодействовать с водой. Направление изменения степеней окисления показывает, кто в реакции отдаёт электроны, а кто принимает.

Сравнительная характеристика простых веществ-неметаллов

Сначала сравните формулы и строение: так видно, какие вещества молекулярные, а какие имеют разные модификации. Затем сопоставьте их физические свойства и примеры соединений. Таблица даёт характерные примеры, а не полный перечень соединений каждого элемента.

Разбор задач

Задача 1

Условие. По положению элемента в периодической системе определите, является ли сера неметаллом, и укажите число электронов на внешнем уровне её атома. Для ответа используем положение серы в таблице, а не внешний вид простого вещества. Сера находится в третьем периоде и шестой группе главных подгрупп.

1. Смотрим на группу: у серы номер группы равен 16 в современной нумерации, то есть она находится в VI группе главной подгруппы.
2. Для элементов главных подгрупп номер группы указывает число электронов на внешнем уровне: у серы их шесть.
3. Сера расположена справа от металлов и относится к неметаллам; её атомам не хватает двух электронов до завершения внешнего уровня.

Ответ: сера — неметалл, на внешнем уровне её атома шесть электронов.

Задача 2

Условие. Составьте уравнения реакций кислорода с магнием и водородом, укажите типы образующихся соединений. Сначала определяем продукты: магний с кислородом даёт оксид магния, а водород с кислородом — воду. Затем расставляем коэффициенты, чтобы число атомов каждого элемента совпало слева и справа.

1. Записываем схему реакции магния: Mg + O₂ → MgO.
2. Уравниваем кислород и магний: 2Mg + O₂ → 2MgO. MgO — бинарное соединение металла с неметаллом, оксид.
3. Для водорода записываем H₂ + O₂ → H₂O и уравниваем: 2H₂ + O₂ → 2H₂O. Вода — оксид водорода, соединение неметаллов.

Ответ: 2Mg + O₂ → 2MgO — оксид металла; 2H₂ + O₂ → 2H₂O — оксид неметалла. Кислород в обеих реакциях принимает электроны и проявляет окислительные свойства.

Задача 3

Условие. Составьте цепочку S → SO₂ → SO₃ → H₂SO₄ и определите, какие свойства серы и её соединений проявляются на каждом этапе. Для первого превращения нужен кислород, для второго — кислород и подходящие условия, для третьего — вода. Проследим за степенью окисления серы: так можно установить, где происходит окисление.

1. Сера горит в кислороде: S + O₂ → SO₂. Степень окисления серы меняется с 0 на +4, поэтому сера выступает восстановителем.
2. Диоксид серы окисляется кислородом: 2SO₂ + O₂ → 2SO₃. Степень окисления серы растёт с +4 до +6; SO₂ в этой реакции является восстановителем.
3. Триоксид серы взаимодействует с водой: SO₃ + H₂O → H₂SO₄. Степень окисления серы остаётся +6, а кислотный оксид образует серную кислоту.

Ответ: S → SO₂ → SO₃ → H₂SO₄; в первых двух реакциях сера окисляется, а SO₃ при взаимодействии с водой образует кислоту без изменения степени окисления серы.

Типичные ошибки

Неверно считать, что все неметаллы находятся только в правом верхнем углу таблицы. Так думают, потому что большинство из них действительно расположено в этой области, но водород стоит в первой группе и тоже является неметаллом. Проверяйте не только координаты элемента, но и его свойства; положение водорода следует рассматривать как особый случай.

Химический элемент и простое вещество — не одно и то же. Путают их из-за того, что в названиях часто используют одно слово: кислородом называют и элемент, и газ O₂. Уточните, о чём идёт речь: элемент обозначает вид атомов, а простое вещество — материал, состоящий из этих атомов.

Аллотропные модификации ошибочно принимают за разные элементы. Причина путаницы — заметные различия между веществами, например твёрдостью алмаза и мягкостью графита. Сверьте состав: если оба вещества состоят только из атомов углерода, это формы одного элемента, отличающиеся строением.

Неверно утверждать, что неметаллы всегда принимают электроны. Такое обобщение возникает из примеров образования солей с металлами, однако в ковалентной связи атомы неметаллов используют общие электронные пары. Проверяйте конкретную реакцию: сравните электроотрицательности и проследите, передаются ли электроны полностью или становятся общими.

Связь с другими темами

Чтобы объяснять свойства неметаллов, нужны знания о строении атома и электронных оболочках. По положению элемента в периодической системе можно определить число внешних электронов и предположить, как атом будет взаимодействовать с другими частицами. Эти сведения связывают положение элемента с его химическим поведением.

Понимание ковалентной связи помогает объяснить строение простых веществ и соединений неметаллов. Степени окисления позволяют проследить перенос электронов, а знание типов реакций — составить уравнения превращений. Эти инструменты особенно полезны при разборе окислительно-восстановительных процессов.

Тема служит основой для изучения отдельных неметаллов и их соединений. Связь между строением, свойствами и химическими реакциями помогает разбираться в свойствах кислорода, серы, углерода и других элементов. Те же знания применяются при изучении окислительно-восстановительных реакций.

Что запомнить

• Неметаллы занимают преимущественно правую верхнюю часть периодической системы; водород — исключение по расположению.
• Атомы неметаллов обычно имеют от четырёх до семи электронов на внешнем уровне.
• Неметаллы образуют простые вещества с различным строением и физическими свойствами.
• Аллотропные модификации состоят из атомов одного элемента, но имеют различное строение.
• В реакциях неметаллы часто выступают окислителями, но их поведение зависит от реагента.
• Между атомами неметаллов в простых веществах обычно образуется ковалентная связь.