§ 24. Общая характеристика неметаллов и их соединений

Определения и обозначения

Неметаллы — химические элементы, простые вещества которых обычно не обладают металлическим блеском и пластичностью. Это общее описание не делает их одинаковыми: кислород — газ, бром — жидкость, а сера и углерод — твёрдые вещества. Свойства определяются не только принадлежностью элемента к неметаллам, но и строением его атомов и простого вещества.

Электроотрицательность — способность атома притягивать общие электронные пары. Она помогает предсказать, к какому атому смещается электронная плотность в ковалентной связи и какой знак приобретает степень окисления элемента. Чем выше электроотрицательность атома по сравнению с партнёром, тем сильнее он притягивает электронную пару.

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ. Например, кислород образует O₂ и озон O₃, углерод — алмаз и графит, а фосфор — белую и красную формы. Это понятие нужно, чтобы не путать разные свойства веществ с разными химическими элементами.

Водородное соединение неметалла — вещество, состоящее из водорода и атомов неметалла, например HCl, NH₃ или CH₄. Такие соединения различаются составом и свойствами: хлороводород хорошо растворяется в воде и образует соляную кислоту, аммиак растворяется с образованием щелочной среды, а метан растворяется плохо. Причины различий связаны со строением молекул и характером связей.

Как это устроено

Положение элемента в периодической системе связано с зарядом ядра и числом электронов на внешнем уровне. В периоде заряд ядра растёт, а электроны добавляются на тот же энергетический уровень, поэтому притяжение внешних электронов обычно усиливается. Атомам становится выгоднее присоединить электроны или поделиться ими, и неметаллические свойства возрастают. В группе сверху вниз внешний уровень удаляется от ядра, поэтому притяжение обычно ослабевает.

На внешнем электронном уровне у атомов неметаллов часто не хватает нескольких электронов до завершения оболочки. Они могут присоединять электроны и превращаться в отрицательно заряженные ионы, особенно при взаимодействии с металлами. При взаимодействии друг с другом атомы чаще образуют общие электронные пары — ковалентные связи. Поэтому нельзя сводить поведение неметаллов только к принятию электронов: способ связи зависит от партнёра.

Физические свойства простых веществ зависят от того, как именно соединены их частицы. В молекулярных веществах, например кислороде O₂, между отдельными молекулами действуют сравнительно слабые силы, поэтому многие такие вещества имеют низкие температуры плавления и кипения. В атомных кристаллах, например алмазе, атомы связаны в прочную пространственную сеть, что обусловливает твёрдость и высокие температуры плавления. Поэтому среди неметаллов встречаются газы, жидкость и твёрдые тела.

Аллотропные формы одного элемента отличаются способом соединения атомов или их расположением. В молекуле O₂ два атома кислорода, а молекула O₃ состоит из трёх, и озон химически активнее кислорода. В алмазе каждый атом углерода связан с четырьмя соседями в пространственной сети, а в графите атомы образуют слои. Из-за различий в строении алмаз твёрдый, а графит мягкий и проводит электрический ток.

Неметаллы образуют оксиды, кислородсодержащие кислоты и водородные соединения; состав зависит от элемента и его степени окисления. Для многих неметаллов высшие оксиды являются кислотными и при взаимодействии с водой дают кислоты: например, SO₃ соответствует H₂SO₄. Но не каждый оксид реагирует с водой непосредственно, поэтому связь «оксид — кислота» используют с учётом конкретных свойств вещества. В водородных соединениях проявляются различия электроотрицательности, состава и строения молекул.

Общая характеристика неметаллов и их соединений

Таблица обобщает признаки, по которым сравнивают неметаллы и их соединения. Примеры показывают типичные случаи, но не заменяют проверку свойств конкретного вещества. Пользуясь таблицей, сначала определите положение элемента и строение его внешнего уровня, а затем связывайте их с возможными степенями окисления и типами соединений.

Разбор задач

Задача 1. Определите, какие из элементов N, Na, S и Cl относятся к неметаллам, и объясните выбор по положению в периодической системе.

1. Найдём элементы в таблице: N, S и Cl расположены в правой части, где находятся неметаллы; натрий Na — в первой группе слева.
2. Проверим характерные свойства по положению: натрий — типичный металл, легко отдающий внешний электрон. Азот, сера и хлор относятся к неметаллам, хотя принадлежат разным группам и различаются свойствами.
3. Учтём, что граница между металлами и неметаллами условна: элементы вдоль неё могут проявлять промежуточные свойства. В данном наборе это не меняет классификации перечисленных элементов.

Ответ: N, S и Cl — неметаллы; Na — металл.

Задача 2. Составьте формулы высшего оксида и соответствующей кислоты для серы, укажите степень окисления серы.

1. Сера находится в шестой группе, поэтому её высшая степень окисления в соединениях с кислородом равна +6.
2. В оксиде кислород имеет степень окисления −2. Чтобы суммарный заряд молекулы был нулевым, одному атому серы со степенью окисления +6 соответствуют три атома кислорода: SO₃.
3. Кислоте, соответствующей кислотному оксиду SO₃, отвечает формула H₂SO₄. Проверка: два атома водорода дают суммарно +2, четыре атома кислорода — −8, следовательно, сера имеет степень окисления +6.

Ответ: высший оксид серы — SO₃, соответствующая кислота — H₂SO₄; степень окисления серы равна +6.

Задача 3. Для элементов второго периода C, N, O и F сравните неметаллические свойства и способность притягивать электронную пару.

1. Расположим элементы в порядке возрастания заряда ядра: C, N, O, F. Все они находятся во втором периоде, поэтому добавляемые электроны занимают один и тот же внешний уровень.
2. При движении слева направо заряд ядра увеличивается, и притяжение электронов обычно усиливается. Поэтому электроотрицательность и неметаллические свойства возрастают в ряду C < N < O < F.
3. Это сравнение относится к общей периодической тенденции и способности атомов притягивать общую электронную пару. Оно не означает, что простые вещества этих элементов имеют одинаковое строение или что все их реакции можно описать только одним правилом.

Ответ: наиболее выраженные неметаллические свойства и наибольшую электроотрицательность в ряду имеет F, наименьшие — C.

Типичные ошибки

Считать все неметаллы газами — неверно: среди них есть жидкий бром и твёрдые сера и углерод. Ошибка возникает, потому что несколько знакомых неметаллов, например кислород и азот, действительно являются газами. Проверяйте агрегатное состояние конкретного простого вещества при указанных условиях, а не переносите свойство отдельных примеров на всю группу.

Отождествлять химический элемент и простое вещество — значит смешивать вид атомов с веществом, состоящим из этих атомов. Такое смешение появляется из-за того, что в быту одно название часто используют для обоих понятий. Для проверки спросите себя: речь идёт о типе атомов или о конкретном веществе с определённым составом и строением? У кислорода-элемента есть простые вещества O₂ и O₃.

Утверждение, что неметаллы только принимают электроны, не учитывает образование ковалентных связей. В таком случае путают реакции с металлами и поведение неметаллов во всех соединениях. Проверьте состав вещества: между неметаллами часто возникают общие электронные пары, а степень окисления зависит от электроотрицательности партнёров.

Считать аллотропные модификации разными элементами — значит не учитывать, что их атомы имеют одинаковый заряд ядра. Различия в свойствах ошибочно принимают за доказательство разного элементного состава. Чтобы проверить себя, сравните состав: алмаз и графит состоят из атомов углерода, а кислород и озон — из атомов кислорода; различается их строение.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома, электронных оболочках и расположении элементов в периодической системе. Они помогают объяснить, почему атомы принимают электроны или образуют общие пары. Понятия электроотрицательности, степени окисления и ковалентной связи позволяют разбирать формулы и предсказывать направление смещения электронной плотности.

Эти знания пригодятся при изучении свойств отдельных неметаллов, кислот и оксидов, а также при составлении уравнений окислительно-восстановительных реакций. Сравнивая степени окисления элемента в реагентах и продуктах, можно определить, менялось ли его состояние. Понимание строения помогает связать формулу вещества с его свойствами, но не заменяет изучения конкретных реакций.

Что запомнить

• Неметаллические свойства в периоде обычно усиливаются слева направо.
• Неметаллы отличаются разнообразием строения и физических свойств.
• Многие неметаллы образуют несколько аллотропных модификаций.
• В соединениях неметаллы могут иметь разные степени окисления.
• Неметаллы образуют оксиды, кислородсодержащие кислоты и водородные соединения.