Підручник з Хімії (рівень стандарту). 11 клас. Григорович - Нова програма

ТЕМА 4. НЕОРГАНІЧНІ РЕЧОВИНИ І ЇХНІ ВЛАСТИВОСТІ

§ 15. Загальна характеристика неметалічних елементів та неметалів

Пригадайте:

• будову електронних оболонок атомів (§ 2);

• валентні можливості елементів в основному та збудженому станах (§ 3).

Особливості будови електронної оболонки атомів та місце в Періодичній системі

Ви пам'ятаєте, що на початку курсу хімії ми поділяли хімічні елементи на дві групи: металічні та неметалічні. Ця класифікація значною мірою ґрунтується на здатності атомів елементів приймати й віддавати електрони. У хімічних взаємодіях атоми металічних елементів тільки віддають електрони, а неметалічних — прагнуть прийняти електрони, але можуть і віддавати, залежно від того, з якими атомами сполучаються. Порівняно з металічними елементами неметалічних існує значно менше — лише 25 із відомих на сьогодні 118 елементів (мал. 15.1).

Мал. 15.1. Неметалічні елементи в Періодичній системі (довгий варіант): голубий — напівметалічні, жовтий — неметалічні, коричневий — інертні

Усі ці 25 неметалічних елементів відрізняються за властивостями. Так, сім із них — Бор, Силіцій, Германій, Арсен, Стибій, Телур, Астат — за рекомендацією IUPAC називають напівметалічними, оскільки їм притаманні певні властивості металічних елементів: утворені ними прості речовини мають металічний блиск і, хоча й невеликою мірою, але проводять електричний струм, а деякі з них витісняють водень із кислот або утворюють катіони.

Елементи VIIIA групи є інертними, електронна оболонка їхніх атомів стабільна, вони не прагнуть приймати чи віддавати електрони. Хоча для важких інертних елементів відомі сполуки, наприклад KrF2 та XeO3.

З усіх неметалічних елементів тільки два — Гідроген і Гелій — є s-елементами, усі інші — p-елементи. В інертних p-елементів на зовнішньому енергетичному рівні — октет електронів. Чим ближче певний елемент розташований до інертного, тим сильніше його атоми прагнуть приймати електрони, а отже, тим сильніше виражені неметалічні й окисні властивості.

Поширеність неметалічних елементів у природі

У природі трапляються атоми всіх неметалічних елементів, окрім Оганессона, що одержаний штучно під час ядерних реакцій.

У Всесвіті з усієї кількості атомів 93 % припадає на атоми Гідрогену, 6,9 % — на атоми Гелію. Отже, неметалічні елементи — найпоширеніші у Всесвіті (мал. 15.2, а).

Можна також упевнено говорити, що і на нашій планеті «панують» неметалічні елементи. Основні компоненти повітря — азот N2, кисень O2, аргон Ar, водяна пара H2O, вуглекислий газ CO2 тощо — утворені саме неметалічними елементами. Отже, атмосфера Землі складається тільки з неметалічних елементів (мал. 15.2, б).

Неметалічні елементи також переважають у літосфері (мал. 15.2, в): майже половина її маси — це сполуки Оксигену, а чверть — Силіцію. До тих 14 %, що припадають на інші елементи земної кори, разом із металічними елементами належать також усі інші неметалічні елементи у складі різних сполук.

Мал. 15.2. Поширеність неметалічних елементів у природі

Світовий океан на 96,5 % складається з води (сполука двох неметалічних елементів), усе інше припадає на солі, у складі яких також багато неметалічних елементів: Хлор (хлорид-іони), Бром (бромід-іони), Сульфур (у складі сульфат-іонів), Карбон (у складі карбонат- та гідрогенкарбонат-іонів), Оксиген тощо.

Неметали. Явище алотропії

Неметалічні елементи утворюють прості речовини — неметали. Для всіх неметалів характерні атомні або молекулярні кристалічні ґратки, зокрема, й для простих речовин, утворених напівметалічними елементами. Попри те, що цим речовинам притаманна електропровідність, атоми в них сполучені ковалентними зв'язками й утворюють атомні кристалічні ґратки.

Будова речовин зумовлює більшість фізичних властивостей, спільних для неметалів:

• мають переважно невисокі температури плавлення та кипіння, тому неметали за звичайних умов газуваті (водень, фтор, інертні гази тощо), рідкі (бром) або легкоплавкі тверді речовини;

• не проводять електричний струм (за винятком напівметалів, що є напівпровідниками);

• у твердому агрегатному стані крихкі та непластичні;

• багато неметалів мають характерне забарвлення (окрім напівметалів, що мають металічний блиск).

Хоча відомо 25 неметалічних елементів, простих речовин-неметалів існує значно більше. Це зумовлено тим, що атоми одного хімічного елемента можуть утворювати дві або більше простих речовин, різних за будовою та властивостями. Це явище називають алотропією, а прості речовини — алотропними модифікаціями:

Алотропні модифікації — це прості речовини, утворені атомами одного хімічного елемента.

Деякі хімічні елементі утворюють лише одну просту речовину, наприклад, галогени та інертні гази. Але більшість елементів у природі утворюють кілька алотропних модифікацій. Найпоширеніші алотропні модифікації неметалічних елементів ми розглянемо в наступних параграфах.

Хімічні властивості неметалів

1. Окисні властивості. Атоми неметалічних елементів прагнуть прийняти електрони для отримання октету електронів на зовнішньому енергетичному рівні. Отже, найбільш характерними для неметалів є окисні властивості, які найсильніше виражені в галогенів.

Один із галогенів — фтор — найсильніший окисник серед усіх речовин:

• фтор окиснює навіть малоактивні метали:

• в атмосфері фтору згоряють органічні речовини:

CH4 + 4F2 = CF4 + 4HF

• в атмосфері фтору горить навіть вода:

2H2O + 2F2 = 4HF↑ + O2

• під час нагрівання фтор окиснює й інертні гази:

В інших неметалів окисні властивості не такі сильні. Неметали зі слабкими окисними властивостями, наприклад водень та вуглець, виявляють окисні властивості в реакціях із металами:

2Na + H2 = 2NaH

Ca + 2C = CaC2

2. Відновні властивості. Атоми неметалічних елементів можуть також віддавати електрони, якщо взаємодіють із сильнішим окисником. Найпоширеніші відновники серед неметалів — водень і вуглець. Їх використовують для добування металів з оксидів:

Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O

2CuO + C = 2Cu + CO2

Також неметали виявляють відновні властивості в реакціях з іншими неметалами, які є активнішими окисниками:

2H2 +O2 = 2H2O

2P + 3Cl2 = 2PCl3

Леткі сполуки неметалічних елементів із Гідрогеном

Багато хімічних елементів утворюють сполуки з Гідрогеном. Але характерною особливістю неметалічних елементів є те, що їхні сполуки з Гідрогеном леткі, тож вони мають молекулярні кристалічні ґратки і за звичайних умов перебувають у рідкому (вода та гідроген флуорид) або газуватому агрегатному стані.

Водні розчини більшості летких сполук неметалічних елементів із Гідрогеном — це кислоти, амоніак і фосфін у водному розчині є слабкими основами, а інші не виявляють кислотно-основні властивості (мал. 15.3).

Мал. 15.3. Леткі сполуки неметалічних елементів із Гідрогеном. Кольором позначено кислотно-основний характер їх водних розчинів: голубий — не виявляють кислотно-основні властивості, жовтий — виявляють основні властивості, коричневий — виявляють кислотні властивості

Лінгвістична задача

Грецькою allos означає «інший», а tropos — «поворот» або «властивість». Поясніть значення терміна «алотропні модифікації».

Ключова ідея

Неметалічні елементи — найпоширеніші в природі. Їхні атоми прагнуть приймати електрони до утворення октету електронів на зовнішньому енергетичному рівні, унаслідок чого для них більш характерні окисні властивості.

Контрольні запитання

200. Схарактеризуйте місце неметалічних елементів у Періодичній системі та особливості будови електронних оболонок їхніх атомів.

201. Які елементи називають напівметалічними? Чому вони звуться саме так?

202. Схарактеризуйте поширеність неметалічних елементів у Всесвіті, повітрі, Світовому океані й земній корі.

203. Схарактеризуйте загальні фізичні та хімічні властивості неметалів.

204. Дайте визначення термінів «алотропія» та «алотропні модифікації».

205. Які речовини називають леткими сполуками з Гідрогеном? Наведіть приклади.

Завдання для засвоєння матеріалу

206. Використовуючи значення електронегативностей (див. Періодичну систему на форзаці), визначте тип хімічного зв'язку в летких сполуках із Гідрогеном.

207. Схарактеризуйте окисні властивості неметалів на прикладі хлору та відновні властивості неметалів на прикладі вуглецю. Складіть відповідні рівняння хімічних реакцій.

Завдання з розвитку критичного мислення

208. У додаткових джерелах інформації знайдіть відповіді на такі запитання:

— Чому можливе існування кількох алотропних модифікацій одного хімічного елемента?

— Чому деякі хімічні елементи утворюють лише одну речовину, а інші — декілька?

209. Чому, на вашу думку, на малюнку 15.2 не наведено формул летких сполук із Гідрогеном неметалічних елементів 1, 7 та 8 періодів, а також VIIIA групи?

210. Температура плавлення аргону -189,4 °С, а радіус його атомів 0,191 нм. У ксенону температура плавлення -111,8 °С і атомний радіус 0,218 нм. Чи можливо передбачити температуру плавлення та атомний радіус криптону? Порівняйте передбачені вами величини з довідковими.