§ 12. Элементы-неметаллы в периодической системе Д.И. Менделеева и в природе

В процессе изучения химии вы уже ознакомились со многими неметаллическими элементами и их соединениями. Наиболее известные вам неметаллы - водород, кислород и их уникальное соединение - вода. В 8 классе на примере VII группы главной подгруппы периодической системы вы ознакомились с семейством неметаллических элементов - галогенами, с их свойствами. В этом разделе вы получите целостные представления об элементах-неметаллах. Учитывая, что вы имеете некоторый запас знаний о них, умеете использовать периодическую систему Д.И. Менделеева, мы изменим привычный порядок изложения и пойдем в изучении неметаллов не от частного к общему, а, наоборот, от их общих свойств к ознакомлению с их группами, а затем и с конкретными представителями групп неметаллов. Такой подход называют дедуктивным .

Рассмотрим положение элементов-неметаллов в периодической системе. Уточним вначале их место в периодах . Элементы-неметаллы находятся в правом верхнем углу периодической системы, занимая большую часть малых периодов и размещаясь в конце нечетных рядов больших периодов. С увеличением порядковых номеров неметаллические свойства этих элементов усиливаются. Причину следует искать в изменении электронных структур их атомов: с увеличением порядкового номера их внешний электронный слой последовательно увеличивается на один p-электрон, от p 1 до p 6 , за исключением элементов первого периода Н- Не, у которых электроны заполняют лишь ls-орбиталь (табл. 9).

Обратите внимание, что у атомов первых элементов-неметаллов второго периода (В, С, N) число неспаренных p-электронов нарастает, достигая максимума у азота, а затем уменьшается. У неона, завершающего второй период, все электроны внешнего слоя (валентные электроны) спарены. Подобное строение имеют и другие атомы элементов, завершающих периоды (Ar, Кr, Хе, Rn), у которых все S- и р-орбитали внешнего слоя заняты спаренными электронами, образующими устойчивую восьмиэлектронную структуру ns 2 np 6 . При обычных условиях их простые вещества, как правило, не вступают в химические реакции и представляют собой одноатомные газы. Поэтому их часто называют инертными газами или благородными газами. Последнее название более целесообразно, так как известны некоторые соединения этих элементов (например, XeO 4 , RnF 6 и др.).

Итак, элементы-неметаллы расположены в IIIA-VIIIA-группах периодической системы.

Вместе с тем не все A-группы периодической системы состоят из элементов-неметаллов. Их число в главной подгруппе возрастает с увеличением ее номера. Так, в IIIA-группе находится только один элемент-неметалл (бор), в IVA-группе их два (углерод и кремний), в VA-группе - три элемента и т. д. В VIIA-группе уже все элементы - неметаллы. Это известные вам галогены. VTIIA-группу занимают благородные газы. Их также относят к неметаллам.

Проведенный анализ положения элементов-неметаллов в периодической системе Д.И. Менделеева позволяет сделать следующие выводы .

Рассмотрим периодическое изменение некоторых свойств элементов-неметаллов на примере третьего периода (табл. 10).

Для этих элементов характерны газообразные водородные соединения и высшие кислородные соединения кислотного характера. Формы и свойства водородных и высших кислородных соединений зависят от характерных степеней окисления данного элемента.

Анализ свойств элементов-неметаллов по их положению в главных подгруппах.

У всех элементов-неметаллов одной A-группы одинаковое число внешних электронов при разном количестве электронных слоев в атомах. Число электронов внешнего слоя у атомов элементов одной A-группы равно номеру группы, в которой они располагаются. Их числу соответствует и высшая степень окисления элемента в кислородных соединениях, а также форма последних.

Рассмотрим закономерности изменения некоторых свойств элементов- неметаллов на примере уже изученной вами подгруппы галогенов (табл. 11).

Часть I

1. Положение неметаллов (НМ) в Периодической системе.

По диагонали B-At и над ней в 6 группах располагаются неметаллы. Всего из 114 элементов к НМ относят 22.

2. Особенности строения атомов НМ:
1) небольшой радиус атома
2) число электронов на внешнем уровне 4-8.

3. НМ обладают свойством аллотропии – явление существования одного хим. элемента в виде 2 или нескольких простых веществ.

4. Заполните таблицу «Причины аллотропии».

5. НМ – простые вещества и свободные атомы, проявляют и окислительные, и восстановительные свойства.

Заполните таблицу «Химические свойства неметаллов».

Запишите уравнения реакций, рассмотрите их в свете процессов окисления-восстановления.

6. Дополните таблицу «Состав воздуха».

Часть II

1. Запишите, в каком порядке «выкипают» из жидкого воздуха его основные составные части.
1) азот N2 (tк)=-196 ⁰С
2) аргон Ar (tк)=-186 ⁰С
3) кислород O2 (tк)=-183 ⁰С

2. Молярный объём воздуха имеет массу 29 г. Величина, показывающая, во сколько раз молярная масса любого газа тяжелее М воздуха, называется относительной плотностью этого газа по воздуху и обозначается Dвозд.
Найдите Dвозд для:

3. Какой объём каждого из трёх основных компонентов воздуха можно получить из 500 м3 воздуха?

4. Дополните схему «Роль воздуха в природе и жизни человека».

5. Соотнесите газ, собираемый способом вытеснения воздуха, с расположением сосуда.

6. Выберите явления, которые вызывает присутствие в воздухе его составных частей: 1) случайных; 2) переменных. Из букв, соответствующих правильным ответам, вы составите названия химических элементов – неметаллов:
1) азот; 2) сера.
а) смог – 1
б) парниковый эффект – 2
в) грипп – 1
г) озоновые дыры – 2
д) аллергия на цветение растений – 1
е) туман – 2
ж) кислотные дожди – 1
з) свежесть воздуха в сосновых лесах – 2

СВОЙСТВА ЭЛЕМЕНТОВ И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Все элементы в Периодической системе делят условно на металлы и неметаллы. К неметаллическим элементам относятся:

Не, Nе, Аr, Кr, Хе, Rn, F, С1, Вr, I, Аt, О, S, Sе. Те, N, Р, Аs, С, Si, В, Н

Все остальные элементы считаются металлическими.

Простые вещества (элементы в свободном виде) также подразделяют на металлы и неметаллы, основываясь на их физико-химических свойствах. Так, по физическим свойствам, например по электронной проводимости, бор это неметалл, а медь - металл, хотя и возможны исключения (графит).

В Периодической системе неметаллы - это элементы главных групп (А-групп), начиная с IIIА группы (бор); остальные элементы А-групп и все элементы Б- групп - металлы. В главных группах металлические свойства отчетливее выражены для более тяжелых элементов, причем в 1А-группу входят только металлы, а в VПА и VIIIА группы - только неметаллы.

В главных группах металлические свойства элементов увеличиваются, а неметаллические свойства уменьшаются с возрастанием порядкового номера элемента.

В периодах для элементов главных групп металлические свойства уменьшаются, а неметаллические свойства увеличиваются с возрастанием порядкового номера, элемента.

Отсюда следует, что самый типичный неметаллический элемент - это фтор, самый типичный металлический элемент - это франций.

В Периодической системе отчетливо видны естественные границы, относительно которых наблюдается изменение свойств элементов. 1А группа содержит типичные металлы, элементы VIIIА группы (благородные газы) - типичные неметаллы, промежуточные группы включают неметаллы «вверху» таблицы элементов и металлы «внизу» таблицы элементов. Другая граница между металлами и неметаллами соответствует элементам Ве - А1-Gе - Sb - Ро (диагональная граница). Элементы самой этой границы и примыкающие к ней обладают одновременно и металлическими, и неметаллическими свойствами, этим элементам свойственно амфотерное поведение. Простые вещества этих элементов могут встречаться как в виде металлических, так и неметаллических модификаций (аллотропных форм).

В качестве меры металлического и неметаллического характера элементов можно принять энергию ионизации их атомов. Энергия ионизации - это энергия, которую необходимо затратить для полного удаления одного электрона из атома. Обычно металлы обладают относительно низкой энергией ионизации (496 кДж/моль для Nа, 503 кДж/моль для Ва), а неметаллы - высокой энергией ионизации (1680 кДж/моль для F, 1401 кДж/моль для N). Атомам элементов, проявляющих амфотерное поведение (Ве, А1, Ge, Sb, Ро и др.), отвечают промежуточные значения энергии ионизации (762 кДж/моль для Ge, 833 кДж/моль для Sb), а благородным газам - наивысшие значения (2080 кДж/моль для Nе, 2372 кДж/моль для Не). В пределах группы Периодической системы значения энергии ионизации атомов уменьшаются с возрастанием порядкового номера элемента, т. е. при увеличении размеров атомов. Электроположительные и электроотрицательные элементы. В соответствии со склонностью атомов элементов образовывать положительные и отрицательные одноатомные ионы, различают электроположительные и электроотрицательные элементы.

Атомы электроотрицательных элементов обладают высоким сродством к электрону. Атомы таких элементов очень прочно удерживают собственные электроны и имеют тенденцию принимать дополнительные электроны в химических реакциях. Атомы электроположительных элементов обладают низким сродством к электрону. Атомы таких элементов слабо удерживают собственные электроны и имеют тенденцию терять эти электроны в химических реакциях.

Самыми электроположительными элементами являются типичные металлы (элементы 1А группы), а самыми электроотрицательными элементами - типичные неметаллы (элементы VПА группы).

Электроположительный характер элементов увеличивается при переходе сверху вниз в пределах главных групп я уменьшается при переходе слева направо в пределах периодов. Электроотрицательный характер элементов уменьшается при переходе сверху вниз в пределах главных групп и увеличивается при переходе слева направо в пределах периодов.

В результате изучения данной главы студент должен: знать

• положение неметаллов в периодической системе;
• биологическую роль неметаллов;
• применение неметаллов в медицине и фармации; уметь
• характеризовать особенности строения атомов неметаллических элементов;
• описывать важнейшие способы получения неметаллов;
• проводить реакции обнаружения основных соединений неметаллов; владеть
• навыками написания электронных конфигураций и электронных структур атомов-неметаллов;
• навыками составления уравнений реакций, характеризующих химические свойства неметаллов, а также их водородных и кислородных соединений.

При изучении структуры периодической системы и расположения в ней химических элементов легко заметить, что металлические элементы отделены от неметаллов условной диагональной линией, проходящей от бора к астату. Наиболее типичные неметаллы занимают верхнюю правую часть таблицы и по периодам распределяются следующим образом: в первом периоде - два (Н, Не); во втором - шесть (В, С, N, О, F, Ne); в третьем - пять (Si, Р, S, С1, Аг); в четвертом - четыре (As, Se, Вг, Кг); в пятом - три (Те, I, Хе); в шестом - два (At, Rn).

Экспериментальные исследования, полученные в Объединенном институте ядерных исследований (Дубна), указывают на то, что 118-й элемент имеет восьмиэлектрониую наружую оболочку, но отличается от благородных газов тем, что это металл.

Неметаллы располагаются в 13-18-й группах, и электронные конфигурации их наружных оболочек от В к Ne изменяются в последовательности ns 2 np ] -» ns 2 np 6 , т.е. неметаллы 13-18-й групп относятся к элементам р- семейства (рис. 12.1).

Чем правее расположен неметалл, тем выше энергия ионизации, тем больше его сродство к электрону. Поэтому атомы неметаллов проявляют тенденцию к формированию электронной оболочки с конфигурацией благородного газа, что реализуется возрастающей слева направо способностью к присоединению электронов. Внутри групп эти закономерности проявляются снизу вверх, поэтому наиболее электроотрицательным элементом является фтор.

Рис. 12.1.

У неметаллов степень окисления в водородных соединениях может быть определена по разности (Г - 18), где Г - номер группы, в которой располагается данный неметалл. Следовательно, каждый атом неметалла может соединяться с (18 - Г) атомами водорода. Так, один атом углерода (14-я группа) может соединиться с четырьмя атомами водорода, поскольку степень окисления углерода равна (14 - 18) = - 4. Высшая положительная степень окисления неметаллов обычно равна +(Г - 10). Например, степень окисления хлора в НСЮ 4 равна +7.

Семь неметаллических элементов существуют в виде двухатомных молекул: пять из них при нормальных условиях представляют собой газы - водород, азот, кислород, фтор и хлор; бром - жидкость, а иод - кристаллическое вещество, способное возгоняться, не плавясь.

Остальные неметаллы при нормальных условиях образуют кристаллы с различной структурой (например, углерод в виде алмаза) или являются газообразными (благородные газы).

Неметаллические элементы в природе встречаются главным образом в виде соединений, что объясняется их высокой химической активностью. Кислород, азот, сера, углерод и благородные газы встречаются в виде простых веществ.

Обобщая физические свойства неметаллов, следует отметить, что они не имеют характерного блеска и различно окрашены; в кристаллическом состоянии отличаются структурой и прочностью кристаллов; плохо проводят теплоту и электрический ток.

Оксиды большинства неметаллов являются ковалентными соединениями и по своим химическим свойствам относятся к кислотным оксидам.

При получении неметаллических элементов в виде простых веществ исходят прежде всего от их химической активности. Общее в этих методах заключается в том, что в большинстве случаев в их основе лежат окислительно-восстановительные реакции.

Химическая активность неметаллов варьирует в широких пределах.

За исключением благородных газов, неметаллы образуют летучие водородные соединения, которые получают либо прямым взаимодействием простых веществ, либо косвенным путем:

Устойчивость водородных соединений внутри групп сверху вниз ослабевает. В периодах слева направо усиливаются кислотные свойства водородных соединений: здесь наиболее выраженные кислотные свойства характерны для соответствующего галогенводорода.

Неметаллы образуют соединения с кислородом, подавляющее большинство которых (кроме OF 2) относится к кислотным оксидам. Оксиды, в которых неметаллический элемент находится в более низкой положительной степени окисления, проявляют как окислительные, так и восстановительные свойства:

Если в оксидах неметаллический элемент находится в высшей степени окисления, то он проявляет только (!) окислительные свойства:

Оксидам неметаллов соответствуют оксокислоты, свойства которых зависят от степени окисления характеристических атомов.

Если характеристический атом находится в низшей положительной степени окисления, то такие кислоты - слабые электролиты; для них характерны как окислительные, так и восстановительные свойства (например: HN0 2 ; H 2 S0 3 ; Н 3 Р0 3 ; НСЮ 2). Если же характеристический атом находится в состоянии наивысшей степени окисления, то такие кислоты являются

окислителями (например: HN0 3 ; H 2 S0 4 ; НСЮ 4).

Неметаллы одной группы, находясь в одинаковой степени окисления, образуют оксокислоты, сила которых убывает по мере увеличения заряда ядра. Так, в группе галогенов в ряду ПСЮ 3 - НВгО э - НЮ 3 наиболее слабой кислотой является НЮ 3 , наиболее сильной - НСЮ 3 .

Аналогичная зависимость прослеживается и для неметаллов 14-16-й групп.

В пределах периодов слева направо сила оксокислот возрастает:

Таким образом неметаллы взаимодействуют между собой, с металлами, кислотами, щелочами. Эти взаимодействия студентам предлагается разобрать в качестве самостоятельной работы.

Неметаллических элементов в периодической системе - 22, и они располагаются в 13-18-й группах.

На внешнем энергетическом уровне эти элементы содержат 4-8 электронов (исключение составляет бор, у которого три электрона).

Они характеризуются различными агрегатными состояниями - от газообразного до кристаллического. Для некоторых (углерод, фосфор, кислород, сера и др.) характерно явление аллотропии. Неметаллические элементы, находящиеся в твердом состоянии, являются преимущественно аморфными; для большинства из них характерны низкие значения теплопроводности и электрической проводимости. За исключением гелия и неона остальные неметаллы образуют оксиды и гидроксиды, большинство из которых проявляют кислотные свойства.

Как правило, они характеризуются высокой электроотрицательностью и являются активными окислителями.

Вопросы и задания

• 1. Перечислите неметаллические элементы, укажите их положение в периодической системе элементов Д. И. Менделеева.
• 2. Почему с увеличением номера периода число неметаллических элементов убывает? Ответ обоснуйте в соответствии со строением атома.
• 3. На примере неметаллов второго периода объясните закономерности изменения строения наружных электронных оболочек.
• 4. Какие закономерности наблюдаются в изменениях свойств неметаллов, относящихся к третьему периоду?
• 5. Как изменяются окислительные свойства неметаллов внутри периода и внутри группы? Ответ подтвердите конкретными примерами.
• 6. Известно, что внутри периода с увеличением заряда ядра возрастает высшая степень окисления. Исходя из этого выпишите формулы высших кислородных кислот неметаллов третьего периода и сопоставьте их окислительные свойства.
• 7. Для неметаллов второго периода напишите формулы возможных оксидов и охарактеризуйте их свойства в виде соответствующих уравнений реакций.
• 8. Перечислите неметаллы, которые в виде простых веществ представлены двухатомными молекулами. Объясните их строение и охарактеризуйте реакционную способность.
• 9. Напишите формулы каждого из перечисленных ниже соединений и укажите степень окисления неметаллов - характеристических атомов: азотистая кислота, сульфид железа, хлорат калия, перйодат натрия, фосфат кальция, гидрокарбонат натрия.
• 10. Существует ли взаимосвязь между электроотрицателыюстыо элемента и степенью окисления? Ответ обоснуйте на конкретных примерах.