Раздел 2. Элементы-неметаллы и их важнейшие соединения

Определения и обозначения

Неметаллы — элементы, атомы которых обычно принимают электроны или совместно используют их с другими атомами. В периодической системе большинство неметаллов находится справа вверху, а металлы занимают главным образом левую и центральную части. Это различие помогает предсказать, как элементы будут взаимодействовать и какие связи образуют.

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ. Например, кислород образует O₂ и озон O₃, а углерод — алмаз и графит. Понятие нужно, чтобы не приписывать одному элементу свойства только одной его формы.

Оксид неметалла — бинарное соединение неметалла с кислородом. Многие такие оксиды являются кислотными: при взаимодействии с водой они могут образовывать кислоты, например SO₃ — H₂SO₄. Но не каждый оксид неметалла кислотный: CO и NO относят к несолеобразующим оксидам.

Кислота — сложное вещество, в котором есть атомы водорода, способные замещаться металлом, и кислотный остаток. Например, в H₂SO₄ два атома водорода и остаток SO₄. Кислотный оксид часто связан с соответствующей кислотой: SO₃ при реакции с водой образует серную кислоту H₂SO₄.

Как это устроено

Положение неметаллов в правой верхней части таблицы связано с устройством их атомов. На внешнем уровне у многих из них уже есть несколько электронов, поэтому до устойчивого завершённого уровня остаётся немного. При взаимодействии с металлом такому атому часто проще принять электроны, чем отдать их. Исключения и особенности определяются конкретным элементом, поэтому положение в таблице даёт прогноз, а не готовое уравнение реакции.

Стремление атомов неметаллов завершить внешний уровень объясняет два распространённых способа образования связи. В реакции с металлами неметалл может принять электроны и превратиться в отрицательно заряженный ион — анион. Между атомами неметаллов чаще возникают ковалентные связи: атомы образуют общие электронные пары. Разные партнёры и способы соединения атомов дают множество простых веществ и соединений.

Свойства простого вещества зависят от того, как устроены его частицы и как они связаны. Кислород состоит из отдельных молекул O₂, поэтому при обычных условиях это газ. Алмаз, напротив, имеет атомную кристаллическую решётку: атомы углерода связаны в прочную пространственную сеть, что делает алмаз твёрдым. Значит, принадлежность к одному классу элементов сама по себе не определяет агрегатное состояние и твёрдость вещества.

Неметаллы реагируют с металлами, водородом и кислородом, но продукт зависит от обоих реагентов и условий. Например, сера при горении в кислороде образует SO₂, а водород с кислородом образует воду H₂O. Реакции с металлами могут приводить к соединениям, в которых неметалл принимает электроны; с водородом возникают соединения вроде HCl. Чтобы записать превращение, нужно установить продукт, затем уравнять число атомов слева и справа.

Связь между неметаллом, его оксидом и кислотой можно представить как последовательность реакций. При сгорании серы получается SO₂, его можно окислить до SO₃, а взаимодействие SO₃ с водой даёт H₂SO₄. Такая цепочка показывает, что оксид — не просто промежуточная формула: он помогает объяснить получение кислоты и её связь с исходным элементом. Для каждого шага важно отдельно учитывать реагенты и необходимые условия.

Неметаллы и их важнейшие соединения

Таблица помогает сопоставить положение элемента, строение простого вещества и типичные реакции. В графе о строении приведены характерные примеры, а не все возможные формы элемента; у некоторых неметаллов есть аллотропные разновидности. Используйте последнюю графу, чтобы связывать свойства с конкретными превращениями.

Разбор задач

Задача 1

Условие. Определите, к металлам или неметаллам относится элемент с порядковым номером 16, и укажите число электронов на его внешнем уровне. Порядковый номер равен заряду ядра, а в нейтральном атоме он также равен числу электронов. Найдите элемент в периодической системе и используйте его положение.

1. Элемент с номером 16 — сера, обозначение S.
2. Сера расположена в 16-й группе и 3-м периоде; это неметалл.
3. Для элемента главной подгруппы номер группы показывает число электронов на внешнем уровне: у серы их 6.

Ответ: сера — неметалл; на внешнем уровне 6 электронов.

Задача 2

Условие. Составьте уравнения реакций серы с кислородом и водорода с кислородом, назовите продукты. При горении серы в кислороде обычно образуется оксид серы(IV), SO₂, а при взаимодействии водорода с кислородом — вода, H₂O. После записи формул сравните число атомов каждого элемента в обеих частях уравнения.

1. Записываем схемы S + O₂ → SO₂ и H₂ + O₂ → H₂O.
2. В первом уравнении атомов серы и кислорода поровну, поэтому коэффициенты не нужны.
3. Во втором ставим 2 перед H₂ и H₂O, чтобы уравнять водород и кислород.

Ответ: S + O₂ → SO₂ — образуется диоксид серы (оксид серы(IV)); 2H₂ + O₂ → 2H₂O — образуется вода.

Задача 3

Условие. Для цепочки S → SO₂ → SO₃ → H₂SO₄ составьте уравнения реакций и укажите условия получения SO₃. Сначала определите, что меняется на каждом этапе: сера соединяется с кислородом, SO₂ окисляется, затем SO₃ взаимодействует с водой. Это позволяет подобрать реагенты и не пропустить промежуточный продукт.

1. Сжигаем серу: S + O₂ → SO₂.
2. Окисляем диоксид серы: 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃. Реакцию проводят при нагревании в присутствии катализатора, обычно V₂O₅.
3. Соединяем оксид серы(VI) с водой: SO₃ + H₂O → H₂SO₄.
4. Проверяем, что число атомов S, O и H уравнено в каждом уравнении.

Ответ: S + O₂ → SO₂; 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃; SO₃ + H₂O → H₂SO₄. Для получения SO₃ нужны нагревание и катализатор V₂O₅.

Типичные ошибки

• Ошибка: считать, что все неметаллы при обычных условиях — газы. Так думают, потому что знакомые примеры — кислород и азот; однако углерод и сера твёрдые, а бром — жидкий. Проверяйте агрегатное состояние каждого простого вещества отдельно.
• Ошибка: путать химический элемент и простое вещество. Символ кислорода может обозначать элемент в составе воды, тогда как O₂ — формула простого вещества; путаница возникает из-за общего названия. Спросите себя, говорится ли о виде атомов или о конкретном веществе.
• Ошибка: считать, что элемент образует только одно простое вещество. Углерод существует в формах алмаза и графита, кислород — в формах O₂ и O₃; об этом легко забыть, если изучать один пример. Проверьте, не известны ли для элемента аллотропные формы.
• Ошибка: называть любой оксид неметалла кислотным. Это обобщение не работает для CO и NO, которые являются несолеобразующими оксидами. Проверяйте свойства по реакциям, а не только по тому, что в формуле есть неметалл и кислород.

Связь с другими темами

Для объяснения свойств неметаллов нужны знания о строении атома, электронных оболочках и периодической системе: они помогают определить число внешних электронов. При составлении формул и уравнений пригодятся правила о химической связи, валентности и сохранении числа атомов. Эта тема подготавливает к изучению кислот, солей и окислительно-восстановительных реакций. Связи между веществами помогают также понимать круговороты химических элементов в природе.

Что запомнить

• Большинство неметаллов расположено в правой верхней части периодической системы.
• Атомы неметаллов обычно принимают электроны или образуют ковалентные связи.
• Один химический элемент может образовывать несколько простых веществ.
• Строение вещества влияет на его физические и химические свойства.
• Неметаллы реагируют с металлами, водородом и кислородом, образуя разные соединения.
• Многие оксиды неметаллов связаны с соответствующими кислотами.