§ 22. Общая характеристика неметаллов

Определения и обозначения

Неметаллы — химические элементы, атомы которых обычно принимают электроны или образуют общие электронные пары. Иными словами, им чаще выгодно получить недостающие электроны или делиться ими с другими атомами, чем отдавать электроны. Это понятие помогает предсказывать, какие связи и соединения способен образовать элемент.

Электроотрицательность — способность атома притягивать к себе общие электронные пары. Чем она выше, тем сильнее атом притягивает электроны в химической связи. Сравнение электроотрицательностей помогает определить, как распределены электроны между связанными атомами.

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ. Такие формы состоят из атомов одного элемента, но различаются строением и потому могут иметь разные свойства. Это понятие объясняет, например, почему кислород и озон — разные вещества, образованные одним элементом.

Простые вещества-неметаллы — вещества, образованные атомами одного неметаллического элемента. Например, молекула азота N₂ состоит только из атомов азота, а сера может образовывать простое вещество из атомов серы. Различение элемента и вещества необходимо, чтобы не путать вид атомов с конкретной формой их существования.

Как это устроено

Большинство неметаллов находится в правой верхней части периодической системы, потому что у их атомов на внешнем уровне много электронов. По мере движения слева направо в периоде заряд ядра возрастает, а число электронных слоёв не меняется. Поэтому внешние электроны сильнее удерживаются, и атомам становится выгоднее присоединять недостающие электроны или образовывать общие пары.

Чаще всего внешнему уровню атома неметалла не хватает нескольких электронов до завершения. Отдать сразу много электронов обычно энергетически невыгодно, поэтому атом принимает электроны или использует общие электронные пары. Так возникают ионы либо ковалентные связи, в которых атомы совместно используют электроны.

В периоде слева направо радиус атома обычно уменьшается: растущий заряд ядра сильнее притягивает электроны. Одновременно число электронов на внешнем уровне увеличивается, а электроотрицательность и неметаллические свойства обычно усиливаются. В группе сверху вниз добавляются электронные слои, радиус растёт и притяжение внешних электронов ослабевает, поэтому неметаллические свойства, как правило, становятся слабее.

Простые вещества-неметаллы могут состоять из отдельных молекул, например O₂, или иметь атомное строение, как некоторые формы углерода. Устройство частиц и сила взаимодействия между ними влияют на агрегатное состояние и физические свойства. Поэтому среди неметаллов есть газы, жидкий бром и твёрдые вещества, а также вещества с разной твёрдостью и электропроводностью.

В реакциях неметалл выступает окислителем, если принимает электроны, и восстановителем, если отдаёт их. Направление передачи электронов определяется не только названием элемента, но и тем, с каким веществом он реагирует и какова его степень окисления. Элемент в соединении с высокой степенью окисления чаще принимает электроны, а в низкой может отдавать их; поэтому неметаллы не всегда ведут себя одинаково.

Общая характеристика неметаллов

Пользуйся таблицей как кратким способом связать положение элемента с его строением и свойствами. Сначала определи группу и период, затем оцени внешний уровень и возможное поведение в реакции. Примеры показывают общие закономерности, но не отменяют исключений.

Разбор задач

Задача 1. Определить, у какого элемента неметаллические свойства выражены сильнее: у фосфора или серы. Оба элемента находятся в третьем периоде, значит, для сравнения не нужно учитывать различие в числе электронных слоёв. Достаточно посмотреть, какой из них расположен правее.

1. Фосфор находится в 15-й группе, сера — в 16-й, поэтому сера расположена правее.
2. В пределах периода слева направо заряд ядра растёт, а радиус атома обычно уменьшается. Притяжение внешних электронов усиливается, и неметаллические свойства возрастают.
3. Следовательно, более выраженными неметаллическими свойствами обладает сера.

Ответ: сера. Здесь использована закономерность изменения свойств в одном периоде, а не сравнение отдельных физических характеристик веществ.

Задача 2. Определить тип связи в молекуле хлора и объяснить, почему хлор является простым веществом-неметаллом. Запись Cl₂ показывает, что молекула состоит из двух атомов одного химического элемента. Поскольку атомы одинаковы, они одинаково притягивают общую электронную пару.

1. Каждый атом хлора предоставляет по одному электрону для общей пары, благодаря которой атомы связаны.
2. Электроотрицательности атомов одинаковы, поэтому общая пара распределена между ними равномерно. Связь Cl—Cl является ковалентной неполярной.
3. Вещество состоит только из атомов хлора и образовано неметаллом. Значит, Cl₂ — простое вещество-неметалл.

Ответ: в молекуле Cl₂ ковалентная неполярная связь; хлор — простое вещество-неметалл. Обрати внимание: элемент хлор и простое вещество Cl₂ — связанные, но не тождественные понятия.

Задача 3. Сравнить окислительные свойства фтора, хлора и брома. Окислитель принимает электроны, а галогенам обычно не хватает одного электрона до завершения внешнего уровня. В одной группе способность принимать электрон обычно уменьшается сверху вниз.

1. Расположим элементы в группе: сверху находится фтор, ниже — хлор, затем бром.
2. При движении вниз по группе радиус атома увеличивается, а притяжение внешней области ослабевает. Поэтому присоединить электрон атомам становится труднее.
3. Следовательно, окислительные свойства убывают в ряду F₂, Cl₂, Br₂. По способности принимать электроны элементы располагаются так же: F > Cl > Br.

Ответ: сильнейший окислитель — фтор, затем хлор, затем бром. Это сравнение подходит для элементов одной группы и объясняется изменением радиуса и электроотрицательности.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что все неметаллы являются газами. Её допускают, потому что многие знакомые неметаллы, например кислород и азот, действительно газообразны. Проверь себя по примерам: бром при обычных условиях жидкий, а сера и углерод твёрдые.

Ошибка — отождествлять химический элемент и простое вещество. Название элемента указывает на вид атомов, а простое вещество — на материальную форму из этих атомов. Чтобы проверить ответ, посмотри на формулу: O — обозначение элемента, O₂ — молекула простого вещества.

Ошибка — утверждать, что неметаллы всегда только принимают электроны. Такое представление появляется из-за типичного стремления атомов завершить внешний уровень, но в конкретной реакции электроны могут передаваться и от неметалла. Проверь предполагаемую роль по изменению степени окисления: отдающий электроны участник является восстановителем.

Ошибка — приписывать всем неметаллам одинаковые степени окисления и электроотрицательность. Свойства зависят от строения атома, положения элемента и его соединения, поэтому даже один элемент может иметь разные степени окисления. Сверяй значения с конкретной формулой и помни, что у фтора в соединениях степень окисления всегда −1.

Связь с другими темами

Для понимания свойств неметаллов нужны знания о строении атома, электронных конфигурациях и периодическом законе. Они помогают объяснить, почему атомы образуют связи и как меняются свойства в периодах и группах. Эти закономерности пригодятся при изучении химической связи и окислительно-восстановительных реакций.

Общая характеристика неметаллов также помогает разбирать свойства конкретных элементов и их соединений. Состав и свойства кислот, оксидов, водородных соединений и солей можно связать с тем, какие неметаллы входят в их формулы и как они взаимодействуют с другими частицами.

Что запомнить

• Неметаллы расположены главным образом в правой верхней части периодической системы.
• Атомам неметаллов обычно не хватает нескольких электронов до завершения внешнего уровня.
• В периоде слева направо неметаллические свойства обычно усиливаются.
• В группе сверху вниз неметаллические свойства обычно ослабевают.
• Простые вещества-неметаллы имеют молекулярное или атомное строение и сильно различаются по физическим свойствам.
• Неметаллы образуют преимущественно ковалентные соединения и могут проявлять окислительные или восстановительные свойства.
• Один элемент-неметалл может образовывать несколько аллотропных простых веществ.