ГЛАВА ТРЕТЬЯ. Неметаллы

Определения и обозначения

Неметаллы — химические элементы, атомы которых обычно принимают электроны или образуют общие электронные пары. Так они стремятся получить устойчивый внешний электронный слой. Понятие помогает предсказывать, как атомы будут связываться с другими атомами.

Химический элемент-неметалл — вид атомов, а простое вещество-неметалл — вещество, состоящее из атомов этого элемента. Элемент обозначают химическим символом, например O, а вещество — формулой, например O₂. Различие нужно, чтобы не путать состав атомов и состав конкретного вещества.

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ. Такие вещества называют аллотропными модификациями; они различаются строением и поэтому могут иметь разные свойства. Термин объясняет, почему одному символу элемента могут соответствовать разные формулы и материалы.

Электроотрицательность — способность атома притягивать к себе общие электронные пары в химической связи. Чем сильнее атом притягивает такую пару, тем выше его электроотрицательность. Это понятие помогает понять, к какому атому смещаются электроны и как распределяются заряды в соединении.

Как это устроено

Большинство неметаллов расположено в правой верхней части периодической системы, а водород стоит отдельно в её начале. Такое положение связано со строением атомов: у многих неметаллов внешний энергетический уровень близок к завершённому. Поэтому их атомам выгоднее принять несколько электронов или поделиться ими, чем отдать весь внешний слой.

В простых веществах атомы неметаллов часто соединяются ковалентной связью — общей парой электронов. Это происходит потому, что атомам удобнее совместно использовать недостающие электроны, чем полностью передавать их друг другу. При взаимодействии с металлами картина обычно иная: металл легче отдаёт электроны, а неметалл принимает их и превращается в отрицательно заряженный ион.

Свойства простых веществ зависят от того, какие частицы и связи образуют их атомы. Некоторые неметаллы состоят из отдельных молекул и при обычных условиях являются газами, бром — жидкость, а углерод и сера — твёрдые вещества. Многие твёрдые неметаллы хрупкие и плохо проводят электрический ток, потому что в них нет подвижных электронов, характерных для металлической связи.

Аллотропные формы одного элемента могут быть непохожи друг на друга, поскольку атомы в них соединены и расположены по-разному. Кислород O₂ и озон O₃ состоят из атомов кислорода, но их молекулы имеют разное строение и свойства. Алмаз и графит тоже состоят из углерода, однако различная организация атомов делает алмаз очень твёрдым, а графит — мягким и способным проводить ток.

Неметаллы реагируют с металлами и водородом, образуя соединения, но направление электронного обмена определяется партнёром. С металлом неметалл обычно принимает электроны, а в соединении с другим неметаллом может как принимать, так и отдавать их. Поэтому неметалл может быть окислителем — принимать электроны — или восстановителем — отдавать их; например, в реакции водорода с хлором водород отдаёт электроны, а хлор принимает.

Сравнение простых веществ-неметаллов и металлов

Сравнивайте вещества по отдельным признакам, а не по одному общему правилу: например, агрегатное состояние не позволяет определить класс элемента. Указанные свойства типичны, но у каждого правила могут быть исключения. При классификации сначала найдите положение элемента в периодической системе, а затем уточните свойства его простого вещества.

Разбор задач

Задача 1

Условие. Распределите элементы O, Na, S и Fe на металлы и неметаллы и укажите признак классификации. Нужно ориентироваться на положение элементов в периодической системе. Водород здесь не рассматривается, но его особое положение полезно помнить.

1. Находим O и S в правой части периодической системы, где расположено большинство неметаллов.
2. Na находится в первой группе слева, а Fe — в центральной части таблицы; оба элемента относятся к металлам.
3. Сверяем результат с общим признаком: положение элемента в таблице связано со строением внешнего электронного слоя его атома.

Ответ: неметаллы — O и S; металлы — Na и Fe. Классификацию выполняют по положению элементов в периодической системе, учитывая, что водород расположен отдельно.

Задача 2

Условие. Составьте формулы простых веществ, образованных кислородом и серой, и покажите, где нельзя смешивать понятия элемента и вещества. Учитывайте, что элемент способен образовывать аллотропные формы. Символ элемента сам по себе не всегда является формулой его простого вещества.

1. Кислород образует молекулы O₂; другая его аллотропная форма — озон O₃.
2. Обычная молекулярная форма серы состоит из восьми атомов, поэтому её формула — S₈.
3. Символы O и S обозначают химические элементы, а O₂, O₃ и S₈ — конкретные простые вещества.

Ответ: кислород — O₂, озон — O₃, простое вещество серы — S₈. O и S — обозначения элементов, поэтому ими нельзя автоматически заменять формулы веществ; кислород и озон являются аллотропными формами одного элемента.

Задача 3

Условие. Составьте уравнения реакций магния с кислородом и водорода с хлором, расставьте коэффициенты и определите, кто принимает и отдаёт электроны. Для этого сравним степени окисления элементов до и после реакции. Рост степени окисления соответствует отдаче электронов, а снижение — их принятию.

1. Записываем схемы: Mg + O₂ → MgO и H₂ + Cl₂ → HCl.
2. Уравниваем число атомов: 2Mg + O₂ → 2MgO; H₂ + Cl₂ → 2HCl.
3. В первой реакции Mg меняет степень окисления с 0 на +2 и отдаёт электроны, а O — с 0 на −2 и принимает их.
4. Во второй реакции H меняет степень окисления с 0 на +1 и отдаёт электроны, а Cl — с 0 на −1 и принимает их.

Ответ: 2Mg + O₂ → 2MgO; H₂ + Cl₂ → 2HCl. В обеих реакциях кислород или хлор принимают электроны; магний и водород их отдают.

Типичные ошибки

Ошибка: считать «неметалл» и «простое вещество-неметалл» одним и тем же. Обычно путают название класса элементов с названием вещества, потому что в речи используют их одинаково; проверить себя можно по записи: O — элемент, O₂ — вещество. Если речь о составе конкретного образца, нужна формула вещества.

Ошибка: полагать, что все неметаллы при обычных условиях — газы. Так думают, запоминая примеры кислорода и азота, но они не охватывают весь класс; достаточно вспомнить жидкий бром и твёрдую серу. Проверяйте агрегатное состояние каждого вещества отдельно, а не выводите его только из принадлежности элемента к неметаллам.

Ошибка: считать, что неметалл при любой реакции только принимает электроны. Это заключение переносят на все реакции из примеров с металлами, хотя роль зависит от партнёра и условий; сравните реакцию магния с кислородом и реакцию водорода с хлором. Чтобы проверить себя, проследите за степенями окисления: неметалл может и повышать, и понижать их.

Ошибка: принимать аллотропные формы за разные элементы. Различие формул или свойств может создать такое впечатление, но кислород O₂ и озон O₃ состоят из атомов одного элемента; сравните символы атомов в их формулах. Если состав выражен одним и тем же химическим символом, но строение вещества различно, это аллотропия.

Связь с другими темами

Для понимания неметаллов нужны знания о строении атома, электронных оболочках и периодической системе: по ним объясняют склонность атомов принимать электроны или образовывать связи. Также понадобятся понятия химической связи, валентности и степени окисления, а для разбора электронного обмена — правила окислительно-восстановительных реакций. Эта тема станет основой для изучения кислорода, серы, галогенов, их соединений и химических свойств кислот.

Что запомнить

• Большинство неметаллов расположено в правой верхней части периодической системы.
• Атомы неметаллов обычно стремятся завершить внешний электронный слой.
• Неметаллы образуют как молекулярные, так и атомные простые вещества.
• Простые вещества-неметаллы при обычных условиях бывают газообразными, жидкими и твёрдыми.
• Аллотропные формы состоят из атомов одного химического элемента, но отличаются строением и свойствами.
• В реакциях неметаллы могут принимать или отдавать электроны — это зависит от второго реагента.