14. Общие свойства неметаллов

Определения и обозначения

Неметаллы — химические элементы, атомы которых обычно способны принимать электроны и образовывать отрицательные ионы или ковалентные связи. Проще говоря, такие атомы часто стремятся заполнить внешний электронный слой или поделиться электронами с другим атомом. Это определение помогает объяснить, почему неметаллы по-разному взаимодействуют с металлами и друг с другом.

Простые вещества-неметаллы — вещества, состоящие из атомов одного неметаллического элемента. Например, O₂ образован только атомами кислорода, а молекула воды содержит также атомы водорода и является сложным веществом. Различие важно: элемент характеризует вид атомов, а свойства простого вещества зависят ещё и от того, как эти атомы соединены.

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением и свойствами. Так, атомы углерода образуют алмаз и графит, а атомы кислорода — O₂ и O₃. Понятие нужно, чтобы понимать, почему вещества одного элемента могут быть твёрдыми, мягкими или по-разному реагировать.

Электроотрицательность — способность атома притягивать к себе общие электронные пары в химической связи. Чем она выше, тем сильнее атом притягивает участвующие в связи электроны. Сравнение электроотрицательности помогает предсказать, куда сместится электронная плотность и какой атом будет принимать электроны в реакции.

Как это устроено

Неметаллы находятся главным образом в правой верхней части периодической системы, хотя водород расположен отдельно вверху слева. У атомов неметаллов внешний электронный слой обычно заполнен не полностью, но на нём уже есть несколько электронов. Чтобы получить устойчивую внешнюю оболочку, им зачастую проще принять недостающие электроны или образовать общие электронные пары, чем отдать все свои внешние электроны.

Из-за такого строения атомы неметаллов обычно сильно притягивают электроны, то есть обладают высокой электроотрицательностью. Поэтому в реакциях с металлами неметаллы часто принимают электроны, а металл их отдаёт. Простые вещества-неметаллы в целом проявляют восстановительные свойства слабее, чем металлы, однако это не означает, что они могут быть только окислителями: в реакции с более сильным окислителем неметалл способен отдать электроны.

Физические свойства определяются тем, как частицы связаны и расположены. Многие неметаллы состоят из отдельных молекул, между которыми действуют сравнительно слабые притяжения, поэтому при обычных условиях часть из них — газы. Другие образуют твёрдые молекулярные или пространственные структуры; твёрдые неметаллы часто хрупкие, не имеют металлического блеска и плохо проводят ток и тепло. Существуют исключения: например, графит проводит электрический ток, а бром при обычных условиях — жидкость.

Между атомами неметаллов обычно возникают ковалентные связи: атомы образуют общие электронные пары, потому что обоим участникам выгодно притягивать эти электроны. С металлами неметаллы часто образуют соединения, в которых металл отдаёт электроны, а неметалл принимает их; такие вещества называют ионными. Поэтому в реакции магния с кислородом кислород принимает электроны и выступает окислителем.

В периоде слева направо заряд ядра растёт, а электроны добавляются на тот же внешний слой, поэтому притяжение к ним обычно усиливается. Способность принимать электроны и электроотрицательность в целом возрастают, а металлические свойства ослабевают. Высшая степень окисления многих элементов главных подгрупп связана с номером группы, но правило имеет исключения, в частности для кислорода и фтора. Одновременно высшие оксиды в периоде обычно меняют характер от основных через амфотерные к кислотным.

Общие свойства неметаллов

Таблица показывает общие тенденции, а не набор правил без исключений. При чтении разделяйте свойства атома-элемента и свойства простого вещества, состоящего из его атомов. Примеры в последнем столбце помогают увидеть, где обобщение требует уточнения.

Разбор задач

Задача 1

Распределите вещества O₂, Fe, S₈, Cl₂, Cu и C по группам: металлы и неметаллы; укажите агрегатное состояние и одно физическое свойство каждого неметалла. Сначала определим элементы, из которых состоят вещества: O, S, Cl и C — неметаллы, Fe и Cu — металлы. Затем опишем именно простые вещества неметаллов, а не атомы элементов.

1. К металлам относятся Fe и Cu; к неметаллам — O₂, S₈, Cl₂ и C.
2. При обычных условиях O₂ и Cl₂ — газы, S₈ и C — твёрдые вещества.
3. Кислород не имеет цвета и запаха; хлор — жёлто-зелёный газ; сера — хрупкое твёрдое вещество; углерод в виде графита мягкий и проводит ток.

Ответ: металлы — Fe, Cu; неметаллы — O₂, S₈, Cl₂, C. Свойства углерода зависят от аллотропной формы: например, алмаз твёрдый, а графит мягкий.

Задача 2

Составьте уравнения реакций магния с кислородом и хлором и определите окислитель. Магний — металл, который отдаёт два электрона и образует Mg²⁺. Кислород и хлор принимают электроны, поэтому в этих реакциях они являются окислителями.

1. Составляем формулы продуктов по зарядам иона магния и типичным степеням окисления: MgO и MgCl₂.
2. Уравниваем число атомов: 2Mg + O₂ → 2MgO.
3. Для хлора записываем: Mg + Cl₂ → MgCl₂.
4. Проверяем переход электронов: магний окисляется, а O₂ и Cl₂ восстанавливаются, принимая электроны.

Ответ: 2Mg + O₂ → 2MgO; Mg + Cl₂ → MgCl₂. Окислители — кислород и хлор, потому что в каждой реакции их атомы принимают электроны от магния.

Задача 3

Сравните способность атомов Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl принимать электроны и объясните изменение свойств их высших оксидов. Все эти элементы находятся в третьем периоде, поэтому при движении слева направо число электронов на внешнем уровне растёт, а притяжение электронов к ядру обычно усиливается. Вместе с этим уменьшаются металлические свойства и возрастает неметаллический характер.

1. Располагаем элементы в порядке Na → Mg → Al → Si → P → S → Cl.
2. Способность принимать электроны в целом возрастает к хлору; натрий и магний преимущественно отдают электроны, а хлор принимает их охотнее.
3. Характер высших оксидов меняется от основных у Na и Mg через амфотерный у Al к кислотным у неметаллов.

Ответ: в третьем периоде способность принимать электроны в общем усиливается слева направо. Высшие оксиды последовательно меняют характер от основного к кислотному, что связано с ослаблением металлических и усилением неметаллических свойств.

Типичные ошибки

Ошибка: считать все неметаллы газами или веществами с низкой плотностью. Такое мнение появляется, если запомнить несколько знакомых газов и распространить их свойства на всю группу. Проверьте агрегатное состояние конкретного вещества: сера и углерод твёрдые, а бром — жидкий; значит, единого состояния у неметаллов нет.

Ошибка: отождествлять химический элемент и простое вещество. Например, говорят, что кислород — это только газ O₂, хотя атомы кислорода входят и в состав многих сложных веществ. Чтобы проверить себя, спросите: речь о виде атомов или о веществе с определённым составом и строением?

Ошибка: называть неметаллы только окислителями. Обычно они принимают электроны в реакциях с металлами, поэтому легко запомнить только эту роль. Но в реакции с более сильным окислителем неметалл может отдать электроны; определяйте роль по изменению степеней окисления, а не только по названию элемента.

Ошибка: считать кислотными все оксиды неметаллов без исключения. Характер оксида зависит от самого элемента и его степени окисления, поэтому механическое правило даёт неверные выводы. Проверяйте конкретный оксид и учитывайте, что бывают исключения, а у некоторых элементов характер оксидов меняется с ростом степени окисления.

Связь с другими темами

Для объяснения свойств неметаллов нужно знать строение атома, электронные оболочки и периодический закон. Валентность и степень окисления помогают составлять формулы соединений и разбирать перенос электронов в реакции.

Эти знания пригодятся при изучении окислительно-восстановительных реакций и химических свойств кислорода, серы, азота, фосфора и галогенов. Общие закономерности позволяют сравнивать элементы и заранее предполагать их поведение.

Оксиды неметаллов связаны с темами кислот и солей, а также с проблемой загрязнения атмосферы. Например, понимание свойств оксидов помогает объяснить образование кислотных дождей и их влияние на окружающую среду.

Что запомнить

• Неметаллы расположены преимущественно в правой верхней части периодической системы.
• Атомы неметаллов обычно стремятся принять электроны или образовать общие электронные пары.
• Большинство простых веществ-неметаллов плохо проводят электрический ток и тепло.
• С металлами неметаллы обычно образуют ионные соединения, а между собой — ковалентные.
• Высшая степень окисления неметалла часто связана с номером группы, но у этого правила есть исключения.
• Оксиды большинства неметаллов имеют кислотный характер.
• Один элемент-неметалл может образовывать несколько аллотропных простых веществ.