§ 53. Сравнительные характеристики металлов и неметаллов, соединений металлов и неметаллов

Определения и обозначения

Металл — химический элемент, атомы которого в типичных реакциях отдают электроны. Это связано с тем, что у многих металлов на внешнем уровне немного электронов, а простые вещества часто имеют металлическую связь и характерные свойства: проводят ток и тепло, блестят, деформируются без разрушения. Определение помогает понять, почему металлический элемент обычно образует положительно заряженные ионы.

Неметалл — химический элемент, атомы которого обычно принимают электроны или образуют общие электронные пары. Так проявляется стремление атомов заполнить внешний электронный уровень; в простых веществах неметаллов встречаются молекулы и атомные структуры. Их физические свойства разнообразны, поэтому понятие не означает один общий вид или агрегатное состояние вещества.

Оксид металла — бинарное соединение металла с кислородом, то есть вещество из двух химических элементов, один из которых — кислород. Оксид может быть основным, амфотерным или, реже, проявлять иные свойства; это зависит от металла и его степени окисления. По этому понятию можно начать прогнозировать реакции, но для точного вывода нужно учитывать конкретный состав.

Оксид неметалла — бинарное соединение неметалла с кислородом. Многие такие оксиды являются кислотными и соответствуют кислотам, например SO₃ — серной кислоте H₂SO₄. Однако связь с кислотой не означает, что оксид уже является кислотой: это разные классы веществ с разным составом.

Как это устроено

Положение элемента в Периодической системе связано со строением его атома, а строение — со способностью вступать в реакции. Слева направо в периоде обычно возрастает число электронов на внешнем уровне и усиливается притяжение к ядру, поэтому отдавать электроны становится труднее. В группе сверху вниз внешний электрон в среднем дальше от ядра и слабее удерживается, поэтому металлические свойства часто усиливаются. Эти закономерности позволяют предположить, какое поведение элемента вероятнее, но не заменяют рассмотрение конкретной реакции.

Физические свойства простых веществ объясняются их строением и типом связи. В металлической решётке подвижные электроны обеспечивают электропроводность и теплопроводность, а слои частиц могут смещаться, не разрушая вещество, — отсюда пластичность и ковкость. Для неметаллов нет единого типа строения: одни состоят из молекул, другие образуют атомные кристаллические решётки. Поэтому неметаллы могут быть газами, жидкостью или твёрдыми веществами, а свойства вроде блеска не служат безошибочным признаком.

По периодам и группам меняются не только свойства простых веществ, но и характер соединений элементов. Металлы в типичных реакциях выступают восстановителями: отдавая электроны, они сами окисляются, то есть повышают степень окисления. Неметаллы могут принимать электроны и выступать окислителями, но некоторые из них также отдают электроны — всё зависит от второго реагента и условий. Поэтому окислительно-восстановительную роль определяют по изменению степеней окисления в уравнении, а не только по названию элемента.

Оксиды сравнивают по кислотно-основному характеру. Для многих металлов характерны основные оксиды, а для многих неметаллов — кислотные; некоторые оксиды металлов, например ZnO и Al₂O₃, амфотерны и проявляют свойства в реакциях и с кислотами, и со щелочами. Существуют и исключения из типичного деления, поскольку значение имеет также степень окисления элемента. Кислотный оксид — не обязательно оксид неметалла, а принадлежность оксида к металлу сама по себе не доказывает его основный характер.

Связь оксидов с гидроксидами помогает предсказывать реакции. Основным оксидам часто соответствуют основания, а кислотным — кислоты; например, SO₃ с водой образует H₂SO₄. Некоторые оксиды с водой не реагируют, поэтому соответствующий гидроксид нельзя получить таким простым способом. Амфотерные соединения взаимодействуют и с кислотами, и со щелочами: в каждом случае образуются соль и вода либо другие продукты, зависящие от условий.

Сравнительная характеристика металлов, неметаллов и их соединений

Используйте таблицу как набор типичных закономерностей, а не как правило без исключений. Сначала определите состав и строение вещества, затем проверьте характерные свойства и возможные реакции. Для окислительно-восстановительных процессов отдельно сравните степени окисления до и после реакции.

Разбор задач

Задача 1. Для оксидов Na₂O и SO₃ определите, какой из них относится к оксидам металла, а какой — к оксидам неметалла; укажите характер каждого оксида.

1. В Na₂O входит натрий, а в SO₃ — сера. По Периодической системе натрий — металл, сера — неметалл.
2. Na₂O — оксид металла, для натрия характерен основный оксид. SO₃ — оксид неметалла и кислотный оксид, соответствующий серной кислоте.

Ответ: Na₂O — основной оксид металла; SO₃ — кислотный оксид неметалла.

Задача 2. Составьте уравнения реакций MgO с HCl и SO₃ с NaOH; назовите тип каждого оксида.

1. MgO — основной оксид. Основный оксид реагирует с кислотой с образованием соли и воды: MgO + HCl → MgCl₂ + H₂O. В MgCl₂ два атома хлора, поэтому перед HCl ставим коэффициент 2.
2. SO₃ — кислотный оксид. Он реагирует со щёлочью с образованием соли и воды: SO₃ + NaOH → Na₂SO₄ + H₂O. Для двух атомов натрия ставим 2 перед NaOH; число атомов всех элементов теперь совпадает.

Ответ: MgO + 2HCl → MgCl₂ + H₂O; SO₃ + 2NaOH → Na₂SO₄ + H₂O. MgO — основной, SO₃ — кислотный оксид.

Задача 3. Рассмотрите реакции ZnO с HCl и NaOH. Составьте уравнения и объясните, почему ZnO отличается от типичного основного оксида металла.

1. В реакции с кислотой ZnO ведёт себя как основной оксид: ZnO + 2HCl → ZnCl₂ + H₂O.
2. В реакции со щёлочью он проявляет кислотные свойства. При сплавлении уравнение можно записать так: ZnO + 2NaOH → Na₂ZnO₂ + H₂O.
3. Реакция с обоими типами реагентов указывает на амфотерность. Следовательно, одного факта, что цинк — металл, недостаточно, чтобы назвать его оксид основным.

Ответ: ZnO — амфотерный оксид; он реагирует и с кислотой, и со щёлочью. Продукты реакции со щёлочью и условия зависят от способа проведения реакции.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что металлы всегда только отдают электроны, а неметаллы только принимают. Так думают, потому что это типичное направление реакций; однако роль частицы зависит от партнёра и условий. Проверяйте себя по степеням окисления: если они изменились, установите, кто отдал, а кто принял электроны.

Ошибка — приписывать всем металлам или неметаллам свойства одного знакомого вещества. Например, большинство металлов твёрдые, но ртуть жидкая; неметаллы бывают газами и твёрдыми телами. Причина ошибки — обобщение по привычному примеру; проверяйте агрегатное состояние, проводимость и другие свойства конкретного простого вещества.

Ошибка — объявлять любой оксид металла основным, а любой оксид неметалла кислотным. Это упрощение опирается на частую закономерность, но не учитывает амфотерные оксиды и исключения. Проверяйте характер вещества по реакциям: амфотерный оксид способен взаимодействовать и с кислотой, и со щёлочью.

Ошибка — смешивать свойства элемента, простого вещества и соединения. Металлический характер элемента не означает, что каждое его соединение основное: например, ZnO амфотерен. Различайте атом элемента, простое вещество из его атомов и соединение с другими элементами; затем определяйте свойства конкретного вещества по составу и реакциям.

Связь с другими темами

Для сравнения металлов и неметаллов нужны знания о строении атома, электронных конфигурациях внешнего уровня и периодическом изменении свойств элементов. В объяснении типов веществ пригодятся представления о химической связи, степенях окисления и классификации оксидов, кислот и оснований. Уравнения реакций позволяют проверить предположение о свойствах вещества и проследить перенос электронов. Эти связи понадобятся при изучении химических свойств элементов и их соединений, амфотерности и способов получения веществ.

Что запомнить

• Металлические и неметаллические свойства связаны со строением атомов и положением элемента в Периодической системе.
• Металлы обычно проводят электрический ток и тепло, но у физических свойств есть исключения.
• Для многих металлов характерны основные оксиды, а для многих неметаллов — кислотные.
• Оксиды некоторых металлов амфотерны и реагируют как с кислотами, так и со щелочами.
• Свойства соединения нельзя определять только по тому, металл или неметалл входит в его состав.
• Состав и свойства продуктов реакции зависят от реагентов и условий.