"Химия (базовый уровень)", Минченков Е.Е., Журин А.А., Оржековский П.А.
Неметаллы — элементы, атомам которых обычно выгодно принимать электроны или образовывать общие электронные пары. Поэтому они вступают в реакции с металлами и другими неметаллами, образуя соли, оксиды и водородные соединения. Однако неметалл не всегда только окислитель: если его партнёр сильнее притягивает электроны, он может сам отдавать их. Ход реакции зависит от свойств обоих участников и условий, а также от того, какая аллотропная форма вещества вступает в реакцию.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Неметаллы — химические элементы, атомы которых обычно имеют высокую электроотрицательность и стремятся принимать или обобществлять электроны. Иначе говоря, таким атомам часто выгодно заполнить внешний электронный слой либо образовать общие электронные пары с другими атомами. Это свойство помогает предсказывать, какие связи и соединения могут возникать в реакциях.
Окислитель — участник реакции, принимающий электроны и понижающий свою степень окисления. Принимая электроны, он сам восстанавливается, поэтому название роли не совпадает с изменением, которое происходит с самим окислителем. Это определение нужно, чтобы распознавать окислительно-восстановительные реакции и прослеживать перенос электронов.
Восстановитель — участник реакции, отдающий электроны и повышающий свою степень окисления. Отдача электронов означает, что восстановитель сам окисляется, хотя помогает восстановить другой участник. Такое определение позволяет установить обе роли в реакции, а не называть окислителем любой неметалл автоматически.
Аллотропные модификации — простые вещества одного элемента, различающиеся строением и поэтому обладающие разными свойствами. Например, алмаз и графит состоят из атомов углерода, но атомы в них связаны и расположены по-разному. Понятие помогает объяснить, почему образцы одного элемента могут неодинаково реагировать с другими веществами.
Способность неметалла принимать электроны связана со строением внешнего электронного слоя: у многих неметаллов он близок к заполнению, а электроотрицательность высока. При реакции с металлом электрон может перейти от атома металла к атому неметалла; между двумя неметаллами чаще возникают общие электронные пары. Поэтому одни и те же свойства внешнего слоя объясняют и образование ионных, и образование ковалентных соединений.
Роль неметалла определяется не названием элемента, а тем, с кем он реагирует. Если партнёр отдаёт электронную плотность слабее, неметалл может принимать электроны и быть окислителем; если партнёр притягивает их сильнее, неметалл способен отдавать их и быть восстановителем. Например, сера в реакции с кислородом повышает степень окисления, а в реакции с водородом понижает её. Сравнение электроотрицательности помогает понять направление переноса, а степени окисления — проверить результат.
С металлами неметаллы часто образуют соли: металл отдаёт электроны, а неметалл принимает их. Например, в реакции 2Na + Cl₂ → 2NaCl натрий меняет степень окисления с 0 на +1, а хлор — с 0 на −1. Значит, хлор является окислителем, а натрий — восстановителем. Такие реакции особенно наглядно показывают связь между передачей электронов и составом продукта.
При взаимодействии неметаллов друг с другом результат зависит от того, какой элемент сильнее притягивает электронную плотность: возникают молекулярные соединения с разным распределением электронов. С кислородом многие неметаллы образуют оксиды; кислород обычно принимает электроны, но возможны исключения, например соединения кислорода с фтором. С водородом неметаллы образуют водородные соединения, часть которых летуча, например HCl и NH₃. Некоторые пары неметаллов при определённых условиях образуют и простые вещества, как при реакции водорода с кислородом: 2H₂ + O₂ → 2H₂O.
Активность неметаллов определяется не одним признаком. В периодической системе способность притягивать электроны в целом возрастает к правому верхнему углу, но на скорость и возможность реакции влияют температура, агрегатное состояние и контакт реагентов. Аллотропные формы тоже могут реагировать по-разному: белый фосфор заметно активнее красного из-за различий строения. Поэтому перед выводом о реакции нужно учитывать и элемент, и конкретное простое вещество, и условия.
| Направление реакции | Обобщённая схема | Пример | Роль неметалла |
|---|---|---|---|
| Взаимодействие с металлами | металл + неметалл → бинарное соединение | 2Na + Cl₂ → 2NaCl | Обычно окислитель |
| Взаимодействие с другими неметаллами | неметалл + неметалл → соединение или простое вещество | H₂ + Cl₂ → 2HCl | Зависит от партнёра |
| Реакции с кислородом | неметалл + O₂ → оксид | S + O₂ → SO₂ | Часто восстановитель |
| Реакции с водородом | неметалл + H₂ → водородное соединение | H₂ + Cl₂ → 2HCl | Зависит от электроотрицательности |
| Взаимодействие с водой | неметалл + H₂O → продукты, если реакция возможна | Cl₂ + H₂O ⇄ HCl + HClO | Определяется составом продуктов |
| Взаимодействие со щелочами | неметалл + щёлочь → соль и другие продукты | Cl₂ + 2NaOH → NaCl + NaClO + H₂O | Может быть и окислителем, и восстановителем |
Сначала выясни, какие вещества реагируют и при каких условиях, затем подбери продукты и расставь коэффициенты. Чтобы определить роль неметалла, сравни его степень окисления до и после реакции: понижение означает восстановление, повышение — окисление. Схемы в таблице показывают типичные направления, но не означают, что каждая реакция идёт при любых условиях.
Нужно установить, кто передаёт электроны, а кто их принимает. Степени окисления простых веществ до реакции равны нулю, а в NaCl натрий имеет степень окисления +1 и хлор −1. По изменениям можно назвать роли участников.
Ответ: окислитель — Cl₂, восстановитель — Na. Проверка проста: степень окисления окислителя понизилась, а восстановителя повысилась.
Продукты определяем по типичным соединениям серы с этими элементами, а затем сравниваем степени окисления. В простом веществе сера имеет степень окисления 0. В SO₂ кислород имеет −2, а в H₂S водород — +1, поэтому можно установить, куда перемещаются электроны относительно серы.
Ответ: с кислородом сера проявляет восстановительные свойства, а с водородом — окислительные. Уравнения сбалансированы: число атомов каждого элемента слева и справа совпадает.
Для холодного разбавленного раствора щёлочи продуктами реакции хлора с гидроксидом натрия будут хлорид натрия, гипохлорит натрия и вода. В исходном Cl₂ степень окисления хлора равна 0. Если в продуктах часть атомов хлора получает отрицательную степень окисления, а часть — положительную, это реакция диспропорционирования.
Ответ: Cl₂ + 2NaOH → NaCl + NaClO + H₂O. Хлор выступает одновременно окислителем и восстановителем, потому что атомы одного элемента изменяют степень окисления в противоположных направлениях.
Ошибка — считать все неметаллы только окислителями. Так рассуждают, потому что неметаллы часто принимают электроны в реакциях с металлами, но с более электроотрицательным партнёром сами могут их отдавать. Проверяй изменение степеней окисления: повышение означает, что частица отдала электроны и была восстановителем.
Нельзя смешивать химический элемент и простое вещество: кислород как элемент — вид атомов, а O₂ — молекулы простого вещества. Путаница возникает из-за общего названия, хотя речь идёт о разных объектах. Уточняй, что именно участвует в реакции: атомы в составе соединения, молекулы O₂ или элемент в целом.
Ошибочно назначать степени окисления без проверки правил. Например, в простом веществе степень окисления равна 0, обычно кислород в соединениях имеет −2, а водород +1; существуют исключения, которые нужно учитывать в конкретном веществе. Проверяй, чтобы сумма степеней окисления с учётом индексов давала заряд частицы или ноль для нейтрального соединения.
Не следует записывать реакцию неметалла с водой или щёлочью, не проверив условия и продукты. Ошибку допускают, перенося знакомую схему на любые вещества и температуры. Уточни концентрацию и температуру, проверь типичные продукты для данных условий и только затем уравнивай реакцию.
Для понимания свойств неметаллов нужны знания о строении атома, периодическом законе и электроотрицательности: они помогают объяснить, почему частицы принимают или отдают электроны. Степени окисления и правила составления уравнений окислительно-восстановительных реакций позволяют определять роли участников. Эта тема пригодится при изучении оксидов, кислот, солей и водородных соединений, а также связей между классами веществ. Она помогает разбирать способы получения неметаллов и объяснять их применение.
Почему неметаллы могут быть не только окислителями, но и восстановителями?
Неметаллы обычно притягивают электроны, но их способность принимать их различается. В реакции с более электроотрицательным элементом неметалл может отдавать электроны и выступать восстановителем.
Как определить, какой элемент является окислителем в реакции?
Сравни степени окисления элементов до реакции и после неё. Окислитель принимает электроны, поэтому его степень окисления понижается.
Почему один и тот же неметалл образует соединения с разными степенями окисления?
Неметалл может по-разному распределять электронную плотность в соединениях с разными партнёрами. Его степень окисления зависит от электроотрицательности партнёров и состава вещества.
Всегда ли неметаллы реагируют с водой?
Нет, реакция зависит от самого неметалла, его аллотропной формы и условий. Например, хлор реагирует с водой, а азот при обычных условиях с ней практически не взаимодействует.
Чем химические свойства аллотропных модификаций отличаются друг от друга?
Аллотропные модификации состоят из атомов одного элемента, но различаются строением. Поэтому они могут отличаться по химической активности: например, белый фосфор активнее красного.
§ 27. Химические свойства неметаллов
