§ 37. Свойства и применение важнейших неметаллов

Определения и обозначения

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением и свойствами. Например, элемент кислород образует O₂ и O₃, а углерод — алмаз и графит. Это понятие помогает не путать элемент как вид атомов с конкретным веществом: свойства определяются не только составом, но и тем, как соединены атомы.

Аллотропные модификации — простые вещества одного элемента с разным строением. Алмаз и графит состоят из атомов углерода, но в алмазе они образуют прочную пространственную структуру, а в графите — слои. Поэтому алмаз очень твёрдый, а графит мягче и может оставлять след. Сравнение модификаций показывает, почему одинаковый химический состав не всегда означает одинаковые свойства.

Озон — аллотропная модификация кислорода, молекула которой состоит из трёх атомов и записывается O₃. У него характерный резкий запах, и он химически активнее O₂. В атмосфере озон образует слой, поглощающий значительную часть опасного ультрафиолетового излучения Солнца. Формула помогает отличать это вещество от обычного молекулярного кислорода.

Адсорбция — поглощение вещества поверхностью другого вещества. Активированный уголь имеет множество пор, поэтому его внутренняя поверхность очень велика и может удерживать частицы примесей. Это свойство используют в фильтрах для очистки воды и воздуха. Адсорбцию важно отличать от поглощения всем объёмом материала: здесь вещество накапливается именно на поверхности.

Как это устроено

Молекулы O₂, N₂, H₂ и Cl₂ состоят из небольшого числа атомов и не образуют прочной пространственной сети между собой. Поэтому частицы сравнительно легко отделяются друг от друга, а эти неметаллы при обычных условиях существуют в виде газов и легко переходят в газообразное состояние. Иная картина у алмаза и кремния: их атомы связаны в протяжённые кристаллические решётки. Чтобы разрушить такую структуру, нужна значительная энергия, поэтому вещества твёрдые и имеют высокие температуры плавления.

Неметаллы расположены преимущественно в правой части периодической системы, где атомам обычно выгодно принять электроны, чтобы завершить внешний электронный слой. Принимая электроны, частица восстанавливается, а другое вещество отдаёт их и окисляется; поэтому неметаллы часто выступают окислителями. Особенно наглядно закономерность видна у галогенов: атомам сверху группы легче притянуть электрон, чем атомам ниже. Поэтому окислительная активность уменьшается в ряду F₂, Cl₂, Br₂, I₂.

Кислород поддерживает окисление: при его участии вещества реагируют с выделением энергии, а быстрое окисление сопровождается горением. Озон окисляет многие вещества активнее O₂, поскольку его строение делает молекулу менее устойчивой и она охотно вступает в реакции. Азот ведёт себя иначе: тройная связь N≡N очень прочна, и на её разрыв требуется много энергии. Это не означает, что азот химически инертен всегда: при высокой температуре, давлении или с катализатором возможны реакции.

Разное строение форм углерода задаёт разные области применения. Прочная решётка алмаза обеспечивает твёрдость, поэтому его применяют в режущих и шлифовальных инструментах. В графите подвижные электроны помогают проводить электрический ток, а слои легко отделяются друг от друга и переносят частицы вещества на бумагу. Активированный уголь не используют как твёрдый режущий материал: его пористость и развитая поверхность позволяют адсорбировать примеси.

Сера и фосфор при взаимодействии с кислородом образуют оксиды, из которых при соответствующих реакциях получают кислоты; с металлами они могут образовывать соединения. Галогены реагируют с металлами с образованием солей, а с водородом — галогеноводородов. Такие реакции лежат в основе получения полезных веществ и производства материалов. Но химическая активность не означает безопасность: многие галогены, их соединения, а также некоторые соединения серы и фосфора токсичны или едки, поэтому применение требует соблюдения мер защиты.

Важнейшие неметаллы: свойства и применение

Таблица связывает строение вещества с характерными реакциями и областями применения. При чтении сначала найдите особенность строения, затем проследите, какое свойство из неё следует и почему оно полезно. В строке о водороде и галогенах собраны вещества с разной активностью, поэтому сравнивайте их не как одну группу одинаковых веществ, а по отдельности.

Разбор задач

Задача 1. Запишите уравнения реакций кислорода с магнием и серы с кислородом, назовите продукты и укажите окисляющиеся вещества. Сначала определите типичные продукты: металл при реакции с кислородом образует оксид, а сера при горении — диоксид серы. Затем уравняйте число атомов с обеих сторон и сравните степени окисления.

1. Записываем схемы: Mg + O₂ → MgO и S + O₂ → SO₂. В первой реакции кислород двухатомный, поэтому перед MgO нужен коэффициент 2. Затем ставим 2 перед Mg.
2. Получаем уравнения: 2Mg + O₂ → 2MgO; S + O₂ → SO₂. Продукты — оксид магния и диоксид серы.
3. Магний меняет степень окисления с 0 на +2, а сера во второй реакции — с 0 на +4. Значит, окисляются магний и сера; кислород принимает электроны и выступает окислителем.

Ответ: 2Mg + O₂ → 2MgO; S + O₂ → SO₂. Образуются оксид магния и диоксид серы; окисляются Mg и S.

Задача 2. Сравните взаимодействие хлора и брома с водородом и металлами. Вспомните, что галогены принимают электроны, а хлор расположен выше брома в группе. Поэтому хлор — более сильный окислитель и обычно реагирует активнее. Скорость и условия конкретной реакции тоже имеют значение, поэтому сравнивать нужно реакции при сопоставимых условиях.

1. С водородом хлор реагирует энергично, иногда со взрывом на свету: H₂ + Cl₂ → 2HCl. Бром реагирует медленнее, обычно при нагревании: H₂ + Br₂ → 2HBr.
2. С металлами оба галогена образуют соли. Например, 2Na + Cl₂ → 2NaCl, а 2Na + Br₂ → 2NaBr; в обоих случаях натрий отдаёт электроны, а галоген принимает их.
3. Более активный хлор способен вытеснить бром из раствора бромида: Cl₂ + 2KBr → 2KCl + Br₂. Обратное вытеснение бромом хлора не происходит, поскольку бром слабее как окислитель.

Ответ: хлор реагирует с водородом и металлами активнее брома. Это связано с ослаблением окислительных свойств галогенов сверху вниз в группе.

Задача 3. Какой объём кислорода при нормальных условиях потребуется для полного сгорания 12 г углерода? Запишите уравнение реакции. По уравнению найдите количество кислорода, затем используйте молярный объём газа при нормальных условиях, равный 22,4 л/моль.

1. Записываем и проверяем уравнение: C + O₂ → CO₂. Коэффициенты равны единице, значит, 1 моль углерода реагирует с 1 моль кислорода.
2. Находим количество углерода: n(C) = m/M = 12 г / 12 г/моль = 1 моль. По соотношению коэффициентов требуется n(O₂) = 1 моль.
3. Находим объём: V(O₂) = n · 22,4 л/моль = 1 · 22,4 = 22,4 л. Результат относится к нормальным условиям и предполагает полное сгорание углерода до CO₂.

Ответ: потребуется 22,4 л кислорода.

Типичные ошибки

Аллотропные модификации иногда принимают за разные химические элементы, потому что они заметно отличаются внешним видом и свойствами. Но в алмазе и графите есть только атомы углерода; меняется их строение, а не вид атомов. Проверьте себя по составу: если вещества образованы одним элементом, это его простые вещества, а не разные элементы.

Кислород O₂ и озон O₃ путают из-за общего названия элемента и сходства записи формул. Однако в молекуле кислорода два атома, а в молекуле озона — три, поэтому это разные вещества с различающейся активностью. Перед решением задачи выпишите формулу вещества и проверьте, о какой аллотропной форме идёт речь.

Низкую активность азота иногда объясняют тем, что он вообще не вступает в реакции. Такое утверждение неверно: молекула N₂ малоактивна при обычных условиях из-за прочной связи N≡N, но реакции возможны при нагревании, давлении или с катализатором. Проверка проста: различайте «реагирует медленно или при особых условиях» и «не способен реагировать».

Свойства графита переносят на алмаз, потому что оба вещества состоят из углерода. Но электропроводность графита и твёрдость алмаза связаны с разным устройством кристаллических решёток. Чтобы не ошибиться, называйте конкретную форму углерода и связывайте свойство именно с её строением, а не только с химическим составом.

Связь с другими темами

Для понимания неметаллов нужны знания о строении атома и положении элементов в периодической системе: они помогают объяснить склонность атомов принимать электроны и окислительную активность. Типы химической связи и кристаллических решёток позволяют связать строение вещества с его твёрдостью, летучестью и температурой плавления. При разборе реакций понадобятся правила составления уравнений, степени окисления и расчёты по уравнениям.

Эта тема подготавливает к изучению химии отдельных элементов, оксидов и кислот, а также способов промышленного получения веществ. Знание свойств неметаллов помогает оценивать их применение в производстве и быту. Оно также нужно, чтобы понимать экологические последствия выбросов и соблюдать правила безопасности при работе с токсичными или едкими веществами.

Что запомнить

• Аллотропные модификации одного элемента различаются строением и свойствами.
• Кислород и озон — аллотропные формы кислорода; озон химически активнее O₂.
• Прочная связь в молекуле N₂ объясняет сравнительно низкую реакционную способность азота.
• Алмаз и графит состоят из атомов углерода, но имеют разное строение и разные свойства.
• Активированный уголь применяют как адсорбент благодаря развитой поверхности.
• Химические свойства неметаллов определяют способы их получения и области применения.
• При работе с неметаллами и их соединениями необходимо учитывать токсичность и другие опасные свойства.