§ 26. Физические свойства неметаллов

Определения и обозначения

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением и свойствами. Это понятие помогает понять, почему один элемент может проявлять себя по-разному. Например, углерод образует алмаз и графит.

Аллотропные модификации — простые вещества одного элемента, отличающиеся строением и физическими свойствами. Сравнивая такие модификации, можно проследить, как расположение и связь атомов меняют свойства вещества. Алмаз и графит — аллотропные модификации углерода.

Молекулярное строение — строение вещества из отдельных молекул, между которыми обычно действуют сравнительно слабые силы. Это определение помогает объяснить, почему некоторые вещества легко плавятся или кипятятся. При нагревании прежде всего преодолевается притяжение между молекулами.

Атомная кристаллическая решётка — структура, в узлах которой находятся атомы, связанные прочными химическими связями. С её помощью объясняют высокую прочность некоторых твёрдых веществ. Чтобы разрушить такую структуру при плавлении, требуется значительная энергия.

Как это устроено

Физические свойства неметаллов разнообразны: при обычных условиях среди них есть газы, жидкость и твёрдые вещества, а также вещества разных цветов и твёрдости. Это связано с тем, что неметаллы не имеют одного общего типа строения: их частицы и связи между ними могут заметно различаться. Поэтому свойство одного неметалла нельзя автоматически приписывать всем остальным. Каждый раз нужно уточнять, о каком именно простом веществе идёт речь.

Агрегатное состояние и температуры плавления и кипения зависят от строения вещества и сил взаимодействия между его частицами. Если частицам легко разойтись, вещество при обычных условиях может быть газом; если они удерживаются сильнее, оно бывает жидким или твёрдым. Для плавления нужно ослабить связи, удерживающие частицы в твёрдой структуре, а для кипения — преодолеть притяжение, удерживающее их в жидкости. Поэтому разные вещества переходят из одного состояния в другое при разных температурах.

Многие неметаллы образуют молекулярные вещества: в них атомы внутри молекул связаны, а сами молекулы взаимодействуют сравнительно слабо. При плавлении и кипении таких веществ обычно не требуется преодолевать прочные связи внутри каждой молекулы. Достаточно ослабить притяжение между молекулами, поэтому температуры переходов часто невысоки. Это объясняет, почему молекулярные вещества могут быть газами или легко плавиться.

Некоторые неметаллы имеют атомную кристаллическую решётку, в которой атомы связаны между собой прочными связями. Такая структура сопротивляется разрушению: для перемещения атомов относительно друг друга требуется значительная энергия. Поэтому подобные вещества могут быть очень твёрдыми и иметь высокую температуру плавления. Однако это объяснение относится к веществам с соответствующим строением, а не ко всем твёрдым неметаллам.

Аллотропные модификации одного элемента различаются расположением атомов и типом их связей, поэтому отличаются и их свойства. В алмазе атомы углерода образуют прочную пространственную структуру, что делает его очень твёрдым; свободных носителей заряда, необходимых для заметной электропроводности, почти нет. В графите атомы организованы слоями, и он проводит электрический ток. Значит, состав сам по себе не определяет все физические свойства: важно и строение простого вещества.

Физические свойства некоторых неметаллов и их аллотропных модификаций

Таблица помогает сравнивать вещества по одному и тому же набору признаков, не смешивая состояние, внешний вид и особые свойства. При ответе на вопрос сначала найдите нужное вещество, затем проверьте все относящиеся к нему характеристики. Особенно наглядно сравнение алмаза и графита: одинаковый химический элемент не означает одинаковых физических свойств.

Разбор задач

Задача 1

Условие: распределите кислород, бром, серу и йод по агрегатному состоянию при обычных условиях. Нужно сопоставить названия веществ с их состояниями, не обобщая вывод на все неметаллы. Проверим каждое вещество по известным физическим свойствам.

1. Кислород при обычных условиях находится в газообразном состоянии.
2. Бром — жидкость, что отличает его от большинства знакомых неметаллов.
3. Сера и йод при тех же условиях являются твёрдыми веществами.

Ответ: кислород — газ, бром — жидкость, сера и йод — твёрдые вещества. Такой пример показывает, что неметаллы могут находиться в разных агрегатных состояниях.

Задача 2

Условие: алмаз и графит состоят из атомов углерода, но различаются по твёрдости и электропроводности. Объясните причину различий. Химический состав у них одинаковый, поэтому искать объяснение нужно не в наборе элементов, а в том, как устроены вещества.

1. Установим, что алмаз и графит — аллотропные модификации одного элемента, углерода.
2. Сопоставим строение: связи атомов в алмазе образуют прочную пространственную структуру, а в графите атомы организованы слоями.
3. Свяжем строение со свойствами: прочная структура делает алмаз очень твёрдым, а особенности строения графита позволяют ему проводить ток; сам графит при этом мягкий.

Ответ: свойства различаются из-за неодинакового строения аллотропных модификаций. Следовательно, формулы или элементного состава недостаточно, чтобы предсказать все физические свойства вещества.

Задача 3

Условие: одно вещество — твёрдый неметалл с атомной кристаллической решёткой, другое вещество того же элемента мягкое и проводит ток. Определите вероятную пару модификаций углерода и объясните вывод. Здесь нужно одновременно учесть твёрдость, электропроводность и общность элемента.

1. Найдём модификацию, соответствующую твёрдому веществу с атомной решёткой: это алмаз.
2. Сопоставим признаки второго вещества: мягкость и способность проводить ток характерны для графита.
3. Проверим общий элемент: алмаз и графит являются простыми веществами углерода, то есть его аллотропными модификациями.

Ответ: вероятная пара — алмаз и графит. Вывод основан на совпадении всех заданных признаков, а не на одном из них.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что все неметаллы — газы. Так можно подумать, если вспоминать прежде всего кислород и другие знакомые газы, но при обычных условиях существуют также жидкий бром и твёрдые неметаллы. Для проверки полезно назвать примеры каждого состояния. Если в ответе указаны только газы, обобщение неполное.

Ошибка: полагать, что аллотропные модификации одного элемента обязательно имеют одинаковые физические свойства. Общее название элемента иногда заставляет забыть, что строение простых веществ может различаться. Проверь себя, задав вопрос: одинаково ли расположены и связаны атомы? Если нет, свойства модификаций могут отличаться.

Ошибка: называть графит типичным проводником-металлом только потому, что он проводит электрический ток. Электропроводность — отдельное физическое свойство, она не меняет химическую природу вещества. Графит состоит из углерода и остаётся простым веществом неметалла. Проверяй классификацию по составу и химическим свойствам, а проводимость рассматривай отдельно.

Ошибка: объяснять высокие температуры плавления всех твёрдых неметаллов одной причиной. Некоторые вещества имеют атомную решётку, другие состоят из молекул, поэтому взаимодействия в них неодинаковы. Ошибка возникает, когда агрегатное состояние принимают за достаточное объяснение температуры плавления. Для проверки сначала установи тип строения и выясни, какие связи нужно преодолеть при плавлении.

Связь с другими темами

Для понимания физических свойств неметаллов нужны знания об агрегатных состояниях, строении атома, молекулах и кристаллических решётках. Эти понятия позволяют связывать наблюдаемые свойства с тем, как устроено вещество на уровне частиц. Новая тема, в свою очередь, помогает объяснять применение неметаллов и их модификаций: подходящее применение выбирают с учётом конкретных свойств и строения. Так закрепляется общий принцип химии — свойства вещества зависят не только от состава, но и от строения.

Что запомнить

• При обычных условиях неметаллы бывают газами, жидкостью и твёрдыми веществами.
• Физические свойства неметаллов сильно различаются.
• Свойства вещества связаны с его строением и взаимодействием частиц.
• Многие молекулярные вещества имеют сравнительно низкие температуры плавления и кипения.
• У одного элемента могут существовать аллотропные модификации с разными свойствами.
• Алмаз и графит — аллотропные модификации углерода.