§ 23. Неметаллы — химические элементы и простые вещества

Определения и обозначения

Неметалл — химический элемент, расположенный преимущественно в правой верхней части периодической системы; исключение среди часто рассматриваемых элементов — водород. У атомов неметаллов внешний электронный слой обычно близок к завершению, поэтому они способны принимать электроны или образовывать общие электронные пары. Это понятие помогает предсказать, как атомы элемента будут взаимодействовать с другими атомами.

Простое вещество состоит из атомов одного химического элемента, но не тождественно самому элементу. Например, элемент кислород обозначает вид атомов, а O₂ — молекулярное простое вещество, состоящее из двух таких атомов. Различение нужно, чтобы точно понимать, говорится ли о составе соединения или о свойствах конкретного вещества.

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ. Такие вещества образованы атомами одного элемента, но могут отличаться числом атомов в молекуле или способом их соединения. Понятие объясняет, почему у одного элемента бывает не одна, а несколько форм простого вещества.

Аллотропная модификация — одна из форм простого вещества, образованного данным элементом. Кислород O₂ и озон O₃ — модификации кислорода с молекулами разного состава; алмаз и графит — модификации углерода с разным расположением атомов в кристалле. Этот термин позволяет называть и сравнивать конкретные формы элемента.

Как это устроено

Положение элемента в периодической системе связано с числом электронов на внешнем уровне. У большинства неметаллов внешний слой заполнен почти полностью, поэтому атомам энергетически выгодно присоединить электроны либо поделиться ими с другими атомами. Такое поведение отличает их от типичных металлов, атомы которых легче отдают внешние электроны.

Когда атомы неметалла образуют простое вещество, они обычно связываются ковалентно — создают общие электронные пары. Количество неспаренных электронов внешнего слоя помогает понять, сколько связей способен образовать атом в простых моделях: неспаренные электроны могут стать общими. Однако фактическое строение вещества зависит также от взаимного расположения атомов и условий, поэтому одной этой подсказки недостаточно для описания всех структур.

Неметаллы не сводятся к молекулам из двух атомов. Кислород O₂, озон O₃ и сера S₈ состоят из молекул разного состава, а алмаз и графит образуют атомные кристаллические структуры, где атомы связаны в протяжённую сеть. Благородные газы, напротив, обычно существуют как отдельные одноатомные частицы, поскольку их внешний электронный слой устойчив.

Разные простые вещества одного элемента возникают, когда его атомы соединяются или располагаются разными способами. Кислород образует молекулы O₂ и O₃, углерод — структуры алмаза и графита, а фосфор — белую и красную формы. Поскольку строение частиц определяет характер связей и взаимодействий между ними, аллотропные модификации могут заметно различаться по свойствам.

Единого набора физических свойств у неметаллов нет: молекулярные вещества и атомные кристаллы устроены неодинаково. При обычных условиях среди неметаллов есть газы, жидкость (бром) и твёрдые вещества; твёрдые образцы могут быть как мягкими, так и очень твёрдыми. Большинство неметаллов плохо проводит электрический ток, но графит проводит его, а алмаз — нет, что связано с особенностями их атомных структур.

Простые вещества неметаллов: строение и характерные свойства

Сначала найдите в таблице состав и тип частиц: это помогает отличить молекулярное вещество от атомной структуры. Затем сопоставьте строение с агрегатным состоянием и характерным свойством. Таблица показывает примеры, а не исчерпывающий перечень всех форм неметаллов.

Разбор задач

Задача 1. Укажите, где речь идёт о химическом элементе, а где о простом веществе: «кислород входит в состав воды»; «кислород поддерживает горение».

1. В первой фразе кислород назван частью воды, то есть речь идёт об атомах определённого вида в составе соединения.
2. Вспоминаем, что химический элемент — это вид атомов, а не отдельная порция вещества.
3. Во второй фразе говорится о способности кислорода поддерживать горение — это свойство конкретного вещества O₂.

Ответ: в составе воды имеется химический элемент кислород; поддерживает горение простое вещество кислород O₂. Проверка: можно ли в этой фразе указать конкретное вещество и его свойство? Если да, речь, скорее всего, о простом веществе.

Задача 2. Запишите формулы двух простых веществ, образованных кислородом, и объясните, почему это аллотропные модификации.

1. Вспоминаем, что атомы кислорода образуют молекулы с разным числом атомов.
2. Записываем формулы: O₂ и O₃. В обеих формулах присутствует только химический элемент кислород.
3. Сравниваем состав молекул: в одной два атома, в другой три. Значит, вещества различаются, хотя элемент в их составе один.

Ответ: кислород O₂ и озон O₃ — два простых вещества и аллотропные модификации элемента кислорода. Для проверки достаточно убедиться, что оба вещества состоят из атомов одного элемента, но имеют различное строение частиц.

Задача 3. Сравните алмаз и графит по составу, строению и одному физическому свойству; объясните, почему это разные простые вещества.

1. По составу оба вещества одинаковы: состоят только из атомов углерода.
2. По строению они различаются: у алмаза атомы образуют прочную пространственную сеть, а у графита — слоистую структуру.
3. Связываем строение со свойством: алмаз очень твёрдый, тогда как графит мягкий и легко оставляет след. Следовательно, это разные формы существования углерода.

Ответ: алмаз и графит имеют состав C, но различаются строением и твёрдостью, поэтому являются разными простыми веществами — аллотропными модификациями углерода. Не следует делать вывод о разных элементах: состав атомов у них один и тот же.

Типичные ошибки

Ошибка — считать химический элемент и простое вещество одним понятием. Их путают, потому что в речи используют одинаковое название: «кислород» может обозначать и элемент, и газ O₂. Проверьте себя вопросом: говорится о виде атомов в составе соединения или о конкретном веществе с его свойствами?

Ошибка — полагать, что все неметаллы состоят из двухатомных молекул. Такую мысль легко перенести с распространённых примеров O₂ и N₂ на все вещества, но сера S₈ молекулярная, а алмаз и графит имеют атомное строение. Для самопроверки сравните формулу частиц и тип структуры, а не только название элемента.

Ошибка — считать аллотропные модификации разными химическими элементами. Различия свойств могут создать такое впечатление, хотя обе формы содержат атомы одного элемента. Сверьте химический состав: O₂ и O₃ состоят из атомов кислорода, а алмаз и графит — из атомов углерода.

Ошибка — приписывать всем простым веществам одного элемента одинаковые свойства. Обычно так рассуждают, перенося свойства знакомой формы на остальные, но строение частиц может различаться. Проверяйте отдельно состав и строение каждого вещества: именно они помогают объяснить различия в твёрдости, агрегатном состоянии и электропроводности.

Связь с другими темами

Чтобы понять, почему элемент относят к неметаллам, нужны знания о строении атома, электронных конфигурациях внешнего слоя и периодическом законе. Положение элемента в периодической системе помогает связать состав внешнего уровня с поведением атома. Эти сведения служат основой для объяснения его химических связей.

Представление о ковалентной связи, молекулах и кристаллических решётках позволяет описать, как устроены простые вещества. Оно помогает отличать отдельные молекулы от протяжённых атомных структур и связывать строение со свойствами. Без него трудно объяснить аллотропию на примерах углерода и фосфора.

Эта тема пригодится при изучении химических свойств неметаллов, их соединений и способов получения веществ. Различение элемента и простого вещества помогает правильно записывать состав и понимать уравнения реакций. Знание аллотропии также показывает, что свойства элемента проявляются через конкретную форму его простого вещества.

Что запомнить

• Химический элемент и простое вещество — разные понятия.
• Неметаллы расположены преимущественно в правой верхней части периодической системы.
• Простые вещества неметаллов могут иметь молекулярное или атомное строение.
• Один химический элемент может образовывать несколько простых веществ.
• Разные аллотропные модификации отличаются строением и свойствами.
• Физические свойства простых веществ неметаллов разнообразны.