Неметаллы - особенности строения, классификация и основные свойства

Характеристики и физические свойства

Хотя химических элементов-неметаллов всего 16, они являются настоящими кирпичиками жизни, из них состоят все органические соединения. Ученые выяснили, что земная кора на 76% состоит из кремния и кислорода, а водород является самым распространенным веществом во Вселенной, из него состоят все объекты космоса, а также наше светило.

В растительном и животном мирах неметаллы составляют больше 96% от общей массы и 96,7% от массы человека. Это органогенные элементы, формирующие молекулы белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот. Безусловно, без этих простых веществ привычное существование было бы невозможным.

Основная масса металлов, кроме золота и меди, не обладает цветом, только металлическим блеском. Неметаллы ярко и разнообразно окрашены:

• Фосфор может быть белым, черным или красным;
• Йод всегда фиолетовый с рыжеватым оттенком;
• Бром отличается кирпично-красным насыщенным цветом;
• Фтор в спокойном состоянии оранжевый или желтый;
• Водород, доведенный до жидкого состояния, становится голубым.

Значительное влияние на физические свойства неметаллов оказывают их молекулярное строение и вид кристаллической решетки. Кремний, как и алмаз с атомным кристаллическим строением решетки, обладает большой прочностью и высокой температурой плавления и кипения. Соединения с молекулярной решеткой (йод, сера и фосфор) начинают плавиться и кипеть при довольно низких температурах.

Простые вещества-неметаллы можно разделить на три вида агрегатных состояний: газы, жидкости и твердые вещества. Однако эта классификация будет верной только при стандартных параметрах окружающей среды, при крайне низких или высоких температурах состояние веществ может меняться.

Самую большую группу составляют газообразные неметаллы: кислород, азот, водород, белый фосфор, озон. Они обладают высокой сжимаемостью и расширяемостью, легко смешиваются между собой и заполняют весь объем сосуда. Кислород является сильным окислителем, необходимым для развития жизни на планете, а легко воспламеняющийся белый фосфор быстро образует активные токсичные соединения, поэтому смертельно опасен.

К жидким неметаллам можно отнести только бром — тяжелую темно-бурую вязкую жидкость, обладающую резким и неприятным запахом. Несмотря на то что в природе бром является смертельным ядом, даже его пары вызывают сильное раздражение слизистой и кожных покровов, он присутствует в организме человека, предохраняя от гормональных сбоев.

К твердым веществам относят бор, красный и черный фосфор, мышьяк, кремний, серу, йод и все стабильные аллотропные модификации углерода. В обычном состоянии они являются веществами с прочной атомной кристаллической решеткой, обладают высокой твердостью, но при этом хрупкие, легко слоятся и ломаются.

Интересным примером разных свойств одного и того же неметалла станет сравнение двух разновидностей углерода — алмаза и графита. Утверждение о твердости алмаза имеет научное обоснование — расположение атомов в кристаллической решетке этих веществ настолько различно, что алмаз разрушить практически невозможно, а графит легко ломается и крошится.

Место в периодической системе

В системе химических элементов неметаллы не выделены в отдельную группу. Определить, является ли простое вещество неметаллом, можно, проведя воображаемую диагональную линию от Бора к Астату. В правом верхнем углу останутся неметаллы и инертные газы, а слева внизу -вещества со свойствами металла, а также отдельные подгруппы — лантаноиды и актиноиды. По своим физическим свойствам инертные газы близки к неметаллам, поэтому их часто рассматривают вместе.

Элементы, расположенные возле воображаемой диагонали, обладают двойственным характером и считаются полуметаллами (металлоидами). Список неметаллов в таблице Менделеева зависит от их положения в системе и количества электронов на внешнем слое:

1. Бор (B) имеет всего 3 электрона.
2. Углерод © и кремний (Si) по 4.
3. На внешнем слое азота (N), фосфора (P) и мышьяка (As) находятся 5 электронов.
4. Кислород (O), сера (S), скандий (Se), теллур (Te) — 6 электронов.
5. Фтор (F), хлор (Cl), бром (Br), йод (I) и астат (At) обладают почти завершенным внешним слоем из 7 электронов.

Отдельно находятся водород и гелий, расположенные в левом и правом верхнем углу таблицы. Это объясняется уникальностью атома водорода, имеющего всего 1 электрон на внешнем слое. Причем водород может одинаково хорошо проявлять свойства как восстановителя, отдавая его, так и окислителя, принимая дополнительный электрон.

Химические особенности

Для большинства элементов этой группы характерна способность вступать в быстрые окислительно-восстановительные реакции, это обеспечивают особенности строения атомов неметаллов. Их атомы содержат большое количество электронов (4−8) на внешнем электронном уровне и способны принимать дополнительные для его устойчивой конфигурации. Благодаря этому образуются отрицательно заряженные ионы, увеличивающие заряд ядра, атом сжимается, а его радиус уменьшается.

Эти процессы ослабляют восстановительные свойства неметаллов, а окислительная способность и электроотрицательность увеличиваются. Некоторые, например, бром, являются окислителем для большинства металлов, но при этом выступают восстановителем для более сильных неметаллов.

Проявляемые химические свойства неметаллов, их активность, возможные степени окисления и характер получаемых соединений могут варьироваться в зависимости от их места в периодической системе и текущего агрегатного состояния.

Взаимодействие с другими веществами

Каждый неметалл обладает специфическими свойствами, характерными только для него, которые подробно рассматриваются при изучении неорганической химии. Общими свойствами является способность реагировать с металлами, водородом и кислородом.

При взаимодействии с металлами большинство неметаллов выступают окислителями и в образующихся бинарных соединениях проявляют отрицательную степень окисления:

1. При реакции активных металлов с водородом образуются твердые нелетучие гидриды. Такие неметаллы как кремний, фосфор и бор вообще неспособны на соединения с водородом.
2. Реакции металлов и неметаллов с хлором образуют хлориды. Многие металлы (например, железо) при реакции с хлором начинают гореть, образуя соединения, относящиеся к классу солей. При этом хлорид неметалла никогда не будет солью.
3. Взаимодействие с кислородом дает оксиды, которые разделяют на пероксиды и надпероксиды.
4. Связь с серой образует сульфиды. При этом для получения формулы сульфида алюминия (Al2S3) вещества нужно нагреть, а для сульфида натрия (Na2S) достаточно простого механического перемешивания.
5. Для неметаллов нехарактерно взаимодействие с водой и кислотами.

Неметаллы могут вступать в реакции между собой, при этом более электроотрицательный элемент будет играть роль окислителя, а менее отрицательный станет восстановителем.

Получение и применение

Некоторые элементы встречаются в природе в свободном виде, поэтому их можно выделить из смесей или очистить физическим методом. Фтор, хлор, бром и йод встречаются только в виде соединений, поэтому нужные вещества получают методом химических реакций:

1. Хлор получают методом электролиза хлорида натрия;
2. Кремний — методом прокаливания в промышленных печах смеси песка с коксом;
3. Фосфор восстанавливают из фосфата кальция, добывая его из апатита и фосфорита;
4. Селен и теллур являются остаточными продуктами производства серной кислоты;
5. Труднее всего производить мышьяк, для этого применяется сложная цепь химических реакций кислорода и углерода с мышьяковистым колчеданом;
6. Для получения азота, кислорода и инертного газа аргона используют дистилляцию жидкого воздуха, который предварительно подвергают воздействию повышенного давления и низких температур.

В земных условиях водород встречается только в связанном состоянии в виде водородных соединений, поэтому для его выделения используют различные химические методы, в основном паровую конверсию метана или природного газа.

Учитывая разнообразные свойства неметаллов, они находят применение в большинстве отраслей нашей жизни: медицине, пиротехнике, сельском хозяйстве, пищевой промышленности и для подготовки высоких температур. Для дезинфекции воды используют хлор и озон, медицина невозможна без йода и активированного угля (углерод), жидкий азот применяют в косметологии, а сера помогает бороться с болезнями растений.