§ 21. Неметаллы

Определения и обозначения

Неметаллы — химические элементы и простые вещества, атомы которых обычно обладают высокой электроотрицательностью и принимают электроны в реакциях. К ним относят водород, углерод, азот, кислород, галогены, благородные газы и другие элементы. Это понятие помогает связать положение элемента в таблице со строением атома и химическим поведением.

Электроотрицательность — способность атома притягивать к себе общие электронные пары в химической связи. В периодической системе она обычно возрастает слева направо и снизу вверх, достигая максимума у фтора. По электроотрицательности можно оценить, какой атом сильнее притягивает электроны в соединении.

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением и свойствами. Например, кислород образует O₂ и O₃, а углерод — алмаз и графит. Термин нужен, чтобы не переносить свойства одной формы элемента на другую.

Окислитель принимает электроны, а восстановитель отдаёт их в окислительно-восстановительной реакции. Окислитель при этом восстанавливается, а восстановитель окисляется. Эти понятия позволяют определить роль каждого участника реакции по изменению степеней окисления.

Как это устроено

Неметаллы находятся главным образом в правой верхней части периодической системы. У их атомов небольшой радиус и много валентных электронов, поэтому ядро сравнительно сильно притягивает внешние электроны. Из-за этого электроотрицательность неметаллов высока, а способность отдавать электроны обычно меньше, чем у металлов.

До устойчивой электронной конфигурации атомам неметаллов часто не хватает нескольких электронов. Поэтому в реакциях они принимают электроны от металлов или образуют общие электронные пары с другими неметаллами. В простых веществах неметаллов преобладает ковалентная связь, потому что одинаковые атомы удерживают общие пары без полного перехода электронов.

Молекулярная решётка состоит из отдельных молекул, связанных сравнительно слабыми силами. Поэтому такие вещества часто имеют низкие температуры плавления и кипения, могут быть газами или легко плавящимися твёрдыми телами и плохо проводят ток. В атомной решётке атомы соединены прочными ковалентными связями во всём кристалле, поэтому вещество обычно твёрдое, тугоплавкое и прочное.

При взаимодействии с металлами неметалл обычно принимает электроны и выступает окислителем. То же происходит во многих реакциях с водородом: например, хлор принимает электронную плотность при образовании HCl. Однако неметалл может отдавать электроны более электроотрицательному элементу, поэтому в такой реакции он становится восстановителем.

Число неспаренных электронов влияет на способность атома образовывать связи, а изменение числа валентных электронов — на возможные степени окисления. Поэтому один неметалл может иметь несколько степеней окисления в разных соединениях. Различное расположение атомов или разное число атомов в молекуле создаёт аллотропные формы с неодинаковыми физическими и химическими свойствами.

Общие свойства неметаллов и их происхождение

При работе с таблицей сначала определите строение атома и тип частиц в веществе, а затем объясняйте физические свойства. Для химических свойств проверьте электроотрицательность и изменение степеней окисления. Исключения не отменяют общей закономерности, а показывают влияние конкретной структуры.

Разбор задач

Задача 1

Электронная конфигурация атома — 1s²2s²2p⁵. Требуется определить, является ли элемент неметаллом, и найти его возможную степень окисления в соединении с натрием. Число электронов на внешнем уровне подсказывает, будет ли атом принимать электрон.

1. На внешнем уровне находятся семь электронов, значит, атому не хватает одного электрона до завершённого слоя.
2. Такая конфигурация соответствует фтору, расположенному в правой верхней части таблицы; это неметалл.
3. Натрий отдаёт один электрон, а фтор принимает его: Na⁰ − e⁻ → Na⁺ и F⁰ + e⁻ → F⁻.

Ответ: элемент — фтор; в соединении с натрием его степень окисления равна −1, формула вещества — NaF.

Задача 2

Нужно составить реакции хлора с натрием и водородом, а затем определить окислитель и восстановитель. В обоих случаях хлор принимает электроны, поэтому его роль можно установить по изменению степени окисления.

1. С натрием: 2Na + Cl₂ → 2NaCl; натрий изменяется от 0 до +1, хлор — от 0 до −1.
2. С водородом: H₂ + Cl₂ → 2HCl; водород повышает степень окисления от 0 до +1, хлор понижает её до −1.
3. Хлор принимает электроны и является окислителем, а натрий и водород отдают электроны и являются восстановителями.

Ответ: 2Na + Cl₂ → 2NaCl; H₂ + Cl₂ → 2HCl. В обеих реакциях Cl₂ — окислитель, Na и H₂ — восстановители.

Задача 3

Рассмотрим реакцию концентрированной серной кислоты с медью. Сера в H₂SO₄ имеет степень окисления +6 и превращается в сернистый газ, где её степень окисления равна +4. Значит, серная кислота принимает электроны и проявляет окислительные свойства.

1. Полуреакции: Cu⁰ − 2e⁻ → Cu²⁺; S⁺⁶ + 2e⁻ → S⁺⁴.
2. Электроны уже уравнены, поэтому берём по одному атому меди и серы.
3. Итоговое уравнение: Cu + 2H₂SO₄(конц.) → CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O.

Ответ: сера восстанавливается с +6 до +4, поэтому концентрированная серная кислота — окислитель; медь является восстановителем.

Типичные ошибки

Ошибка — считать неметаллами только элементы строго справа от диагонали. Так забывают о водороде и пограничных элементах, свойства которых определяют по строению атома, а не только по линии в таблице. Проверяйте число валентных электронов, радиус атома и типичные химические свойства.

Ошибка — отождествлять химический элемент и простое вещество. Кислород как элемент может образовывать O₂ и O₃, а их свойства различаются. В записи ответа уточняйте, говорите ли вы об атомах элемента или о конкретном простом веществе.

Ошибка — утверждать, что все неметаллы не проводят ток. Такое обобщение не учитывает строение графита, где подвижные электроны перемещаются по слоям. Проверяйте не только принадлежность элемента к неметаллам, но и тип кристаллической решётки.

Ошибка — считать неметалл в любой реакции только окислителем. Его роль определяется не названием класса, а направлением перехода электронов: если неметалл отдаёт электроны, он восстановитель. Сравните степени окисления до и после реакции.

Связь с другими темами

Для изучения неметаллов нужны знания о строении атома, электронных конфигурациях и периодическом законе. Также необходимо уметь различать виды химической связи и определять степени окисления.

Тема служит основой для изучения водорода, кислорода, галогенов, серы, азота, углерода и их соединений. Понимание электронного баланса помогает решать задачи на окислительно-восстановительные реакции.

Свойства неметаллов объясняют образование кислот, оксидов и солей, строение органических веществ и многие экологические процессы. Их соединения участвуют в круговороте веществ и химических превращениях в природе.

Что запомнить

• Неметаллы находятся преимущественно в правой верхней части периодической системы.
• Для атомов неметаллов характерны высокая электроотрицательность и стремление принять электроны.
• В простых веществах неметаллов обычно реализуется ковалентная связь.
• Свойства неметаллов зависят от строения их молекул или кристаллической решётки.
• Неметаллы часто выступают окислителями, но могут быть и восстановителями.
• Один элемент может образовывать несколько аллотропных модификаций.
• Физические и химические свойства простого вещества нельзя переносить непосредственно на химический элемент.