С чем реагируют простые вещества неметаллы. Неметаллы. Химические свойства. Примеры решения задач

CaCO 3 = CaO + CO 2

Найдем массу чистого (без примесей) карбоната кальция:

m(CaCO 3) = m(limestone) × (1-ω admixture)

m(CaCO 3) = 500 × (1-0,2) = 400 г

Найдем количество вещества CaCO 3:

v(CaCO 3) = m(CaCO 3) / M(CaCO 3)

v(CaCO 3) = 400/ 100 = 4 моль

Согласно уравнению

v(CaCO 3) = v(CO 2) = 4 моль

Тогда объем углекислого газа

Неметаллы – химические элементы, которые имеют типичные неметаллические свойства и располагаются в правом верхнем углу Периодической системы. Какие же свойства присущи этим элементам, и с чем реагируют неметаллы?

Неметаллы: общая характеристика

Неметаллы отличаются от металлов тем, что на внешнем энергетическом уровне они имеют большее количество электронов. Поэтому их окислительные свойства выражены сильнее, чем у металлов. Неметаллы характеризуются высокими значениями электроотрицательности и высокий восстановительный потенциал.

К неметаллам относятся химические элементы, которые находятся в газообразном, жидком или твердом агрегатном состоянии. Так, например, азот, кислород, фтор, хлор, водород – газы; йод, сера, фосфор – твердые; бром – жидкость (при комнатной температуре). Всего существует 22 неметалла.

Рис. 1. Неметаллы – газы, твердые, жидкости.

С увеличением заряда ядра атома наблюдается закономерность изменения свойств химических элементов от металлических к неметаллическим.

Химические свойства неметаллов

Водородные свойства неметаллов в основном являются летучими соединениями, которые в водных растворах имеют кислотный характер. Они имеют молекулярные структуры, а также ковалентную полярную связь. Некоторые, например, вода, аммиак или фтороводород образуют водородные связи. Соединения образуются при непосредственном взаимодействии неметаллов с водородом. Пример:

S+H 2 =H 2 S (до 350 градусов равновесие смещено вправо)

Все водородные соединения имеют восстановительные свойства, причем их восстановительная сила возрастает справа налево по периоду и сверху вниз в группе. Так, сероводород сгорает при большом количестве кислорода:

2H 2 S+3O 3 =2SO 2 +2H 2 O+1158 кДж.

Окисление может идти по другому пути. Так, уже на воздухе водный раствор сероводорода мутнеет в результате образования серы:

H 2 S+3O 2 =2S+2H 2 O

Соединения неметаллов с кислородом, как правило, являются кислотными оксидами, которым соответствуют кислородосодержащие кислоты (оксокислоты). Структура оксидов типичных неметаллов молекулярная.

Чем выше степень окисления неметалла, тем сильнее соответствующая кислородосодержащая кислота. Так, хлор непосредственно не взаимодействует с кислородом, однако образует ряд оксокислот, которым соответствуют оксиды, ангидриды этих кислот.

Наиболее известны такие соли этих кислот, как хлорная известь CaOCl 2 (смешанная соль хлорноватистой и хлороводородной кислот), бертолетова соль KClO 3 (хлорат калия).

Азот в оксидах проявляет положительные степени окисления +1, +2, +3, +4, +5. Первые два оксида N 2 O и NO – несолеобразующие и являются газами. N 2 O 3 (оксид азота III) – является ангидридом азотистой кислоты HNO 2 . Оксид азота IV – бурый газ NO 2 – газ, который хорошо растворяется в воде, образуя при этом две кислоты. Этот процесс можно выразить уравнением:

2NO 2 +H 2 O=HNO 3 (азотная кислота)+HNO 2 (азотистая кислота) – окислительно-восстановительная реакция диспропорционирования

Рис. 2. Азотистая кислота.

Ангидрид азотной кислоты N 2 O 5 – белое кристаллическое вещество, которое легко растворяется в воде. Пример:

N 2 O 5 +H 2 O=2HNO 3

Соли азотной кислоты называются селитрами, они растворимы в воде. Соли калия, кальция, натрия используют для получения азотных удобрений.

Фосфор образует оксиды, проявляя степени окисления +3 и +5. Наиболее устойчивый оксид – фосфорный ангидрид P 2 O 5 , образующий молекулярную решетку, в узлах которой находятся димеры P 4 O 10 . Соли ортофосфорной кислоты применяются в качестве фосфорных удобрений, например, аммофос NH 4 H 2 PO 4 (дигидрофосфат аммония).

Таблица расположения неметаллов

Лекция 24

Неметаллы.

План лекции:

Неметаллы – простые вещества

Положение неметаллов в периодической системе

Число элементов-неметаллов значительно меньше, чем элементов-металлов Типичными неметаллическими свойствами обладают десять химических элементов (Н, С, N, Р, О, S, F, Cl, Br, I). Шесть элементов, которые обычно относят к неметаллам, проявляют двойственные (и металлические, и неметаллические) свойства (В, Si, As, Se, Те, At). И еще 6 элементов в последнее время стали включать в список неметаллов. Это так называе­мые благородные (или инертные) газы (Не, Ne, Аг, Кг, Хе, Rn). Итак, 22 из известных химических эле­ментов принято относить к неметаллам.

Элементы, проявляющие неметаллические свойства в периодической системе располагаются выше диагонали бор-астат (рис. 26).

Атомы большинства неметаллов, в отличие от ато­мов металлов, на внешнем электронном слое имеют боль­шое число электронов - от 4 до 8. Исключение состав­ляют атомы водорода, гелия, бора, которые имеют на внешнем уровне 1, 2 и 3 электрона соответственно.

Среди неметаллов только два элемента - водород (1s 1) и гелий (1s 2) относятся к s-семейству, все остальные при­надлежат к р -семейству.

Атомы типичных неметаллов (A) характеризуются высокой электроотрицательностью и большим сродством к электрону, что обусловливает их способность образо­вывать отрицательно заряженные ионы с электронными конфигурациями соответствующих инертных газов:

А 0 + nê → А n -

Эти ионы входят в состав ионных соединений неме­таллов с типичными металлами. Отрицательные степени окисления неметаллы имеют также в ковалентных соединениях с другими менее элек­троотрицательными неметаллами (в частности, с водоро­дом).

Атомы неметаллов в ковалентных соединениях с бо­лее электроотрицательными неметаллами (в частности, с кислородом) имеют положительные степени окисления. Высшая положительная степень окисления неметалла , как правило, равна номеру группы , в которой он нахо­дится.

Неметаллы – простые вещества

Несмотря на небольшое число элементов-неметаллов, их роль и значение как на Земле, так и в космосе огром­ны. 99% массы Солнца и других звезд составляют неме­таллы водород и гелий. Воздушная оболочка Земли со­стоит из атомов неметаллов - азота, кислорода и благо­родных газов. Гидросфера Земли образована одним из важнейших для жизни веществ - водой, молекулы ко­торой состоят из неметаллов водорода и кислорода. В живой материи главенствуют 6 неметаллов - углерод, кислород, водород, азот, фосфор, сера.

При обычных условиях вещества-неметаллы суще­ствуют в разных агрегатных состояниях:

1) газы: водород Н 2 , кислород О 2 , азот N 2 , фтор F 2 , хлор С1 2 , инертные газы: Не, Ne, Ar, Кг, Хе, Rn

2) жидкости: бром Вг 2

3) твердые вещества йод I 2 , углерод С, кремний Si, сера S, фосфор Р и др.

Семь элементов-неметаллов образуют простые веще­ства, существующие в виде двухатомных молекул Э 2 (водород Н 2 , кислород О 2 , азот N 2, фтор F 2 , хлор С1 2 , бром Вг 2, йод I 2) .

Так как в кристаллической решетке неметаллов между атомами нет свободных электронов, они отличаются по физическим свойствам от металлов:

¾ не имеют блеска;

¾ хрупкие, имеют различную твердость;

¾ плохо проводят тепло и электричество.

Твердые вещества-неметаллы в воде практически не­растворимы; газообразные О 2 , N 2 , Н 2 и галогены облада­ют очень малой растворимостью в воде.

Для ряда неметаллов характерна аллотропия - явление су­ществование одного элемента в виде нескольких простых веществ. Аллотропные модификации извес­тны для кислорода (кислород О 2 и озон О 3), серы (ромбичес­кая, моноклинная и пластическая), фосфора (белый, крас­ный и черный), углерода (графит, алмаз и карбин и др.), крем­ния (кристаллический и аморфный).

Химические свойства неметаллов

По химической активности неметаллы существенно различаются между собой. Так, азот и благородные газы, в химические реакции вступают только при очень жестких условиях (высокое давление и температура, наличие катализатора).

Наиболее химически активными неметаллами явля­ются галогены, водород и кислород. Сера, фосфор, а осо­бенно углерод и кремний реакционноспособны только при повышенных температурах.

Неметаллы в химических реакциях проявляют и окис­лительные, и восстановительные свойства. Наиболее высокая окислительная способность характерна для га­логенов и кислорода. У таких неметаллов, как водород, углерод, кремний, преобладают восстановительные свой­ства.

I. Окислительные свойства неметаллов:

1. Взаимодействие с металлами. При этом образуются бинарные соединения: с кислородом – оксиды, с водородом – гидриды, азотом – нитриды, галогенами – галогениды и т.д.:

2Cu + O 2 → 2CuO

2Fe + 3Cl 2 → 2FeCl 3

2. Взаимодействие с водородом. Неметаллы выступают в качестве окислителей и в реакциях с водородом, образуя при этом летучие водородные соеди­нения:

Н 2 + С1 2 → 2НС1

N 2 + 3Н 2 → t, p, кат. 2NH 3

3. Взаимодействие с неметаллами. Неметаллы проявляют окислительные свойства также в реакциях с менее электроотрицательными неметаллами:

2Р + 5С1 2 → 2РС1 5 ;

С + 2S → CS 2 .

4. Взаимодействие со сложными веществами. Окислительные свойства неметаллов могут проявляться и в реакциях со сложными веществами. Например, вода го­рит в атмосфере фтора:

2F 2 + 2Н 2 О → 4HF + О 2 .

II. Восстановительные свойства неметаллов

1. Взаимодействие с неметаллами . Восстановительные свойства неметаллы могут проявлять по отношению к неметаллам с большей электроотрицатель­ностью, и в первую очередь по отношению к фтору и кисло­роду:

4Р + 5О 2 → 2Р 2 О 5 ;

N 2 + О 2 → 2NO

2. Взаимодействие со сложными веществами. Некоторые неметаллы могут являться восстановителя­ми, что позволяет применять их в металлургическом произ­водстве:

С + ZnO → Zn + СО;

5Н 2 + V 2 О 5 → 2V + 5Н 2 О.

SiО 2 + 2С → Si + 2СО.

Восстановительные свойства неметаллы проявляют при взаимодействии со сложными веществами - сильными окис­лителями, например:

3S + 2КСlO 3 → 3SO 2 + 2КС1;

6Р + 5КСlO 3 → ЗР 2 O 5 + 5КС1.

С + 2H 2 SО 4 → СО 2 + 2SО 2 + 2Н 2 О;

3Р + 5HNО 3 + 2Н 2 О → ЗН 3 РО 4 + 5NO.

Общие способы получения неметаллов

Некоторые неметаллы встречаются в природе в свободном состоянии: это сера, кислород, азот, благородные газы. В первую очередь простые вещества - не­металлы входят в состав воздуха.

Большие количества газообразных кислорода и азота получают ректификацией воздуха (разделением).

Наиболее активные неме­таллы - галогены - получа­ют электролизом расплавов или растворов из соедине­ний. В промышленности с помощью электролиза в больших количествах получают одновременно три важнейших про­дукта: ближайший аналог фтора - хлор, водород и гидро­ксид натрия. В качестве электролита используют раствор хлори­да натрия, подаваемый в электролизер сверху.

Более подробно способы получения неметаллов будут рассмотрены далее, в соответствующих лекциях.

Тема № 3. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕМЕТАЛЛОВ

План

1. Основные химические свойства неметаллов.

2.Оксиды неметаллических элементов.

3.Распространение неметаллических элементов в природе.

4.Применение неметаллов.

1. Основные химические свойства неметаллов

Неметаллы (за исключением инертных газов) химически активные вещества.

В реакциях с металлами атомы неметаллических элементов присоединяют электроны, а в реакциях с неметаллами образуют совместные электронные пары.

Узнать, к какому атому смещаются общие электронные пары, помогает ряд электроотрицательности:

F, O, N, Cl, Br, I, S, C, Se, H, P, As, B, Si

электроотрицательность уменьшается

1. Взаимодействие неметаллов с металлами :

2Mg + O 2 = 2MgO (магний оксид)

6Li + N 2 = 2Li 3 N (литий нитрид)

2Al + 3Cl 2 = 2AlCl 3 (алюминий хлорид)

Ca + H 2 = CaH 2 (кальций гидрид)

Fe + S = FeS (ферум (II) сульфид )

При взаимодействии неметаллов с металлами образуются бинарные соединения с ионной химической связью.

2 . Взаимодействие неметаллов с кислородом :

С + О 2 = СО 2 (карбон (IV) оксид)

S + O 2 = SO 2 (c ульфур (IV) оксид )

Продуктами взаимодействия неметаллов с кислородом являются бинарные соединения с ковалентной полярной связью – оксиды , в которых кислород имеет степень окисления - 2.

3. Взаимодействие неметаллов с водородом :

H 2 + Cl 2 = 2HCl (гидроген хлорид или хлороводород)

H 2 + S = H 2 S (гидроген сульфид или сероводород)

При взаимодействии неметаллов с водородом образуются летучие (газообразные или жидкие) бинарные соединения с ковалентной полярной связью.

4. Взаимодействие неметаллов с другими неметаллами :

С + 2S = CS 2 (карбон (IV) сульфид)

Si + 2Cl 2 = SiCl 4 (силиций (IV) хлорид)

Продуктами взаимодействия двух неметаллов являются вещества с различным агрегатным состоянием, которые имеют ковалентный тип химической связи.

1. Оксиды неметаллических элементов

Оксиды неметаллических элементов делят на:

а) солеобразующие (их большинство) и

б) несолеобразующие (СО, NO, N 2 O, H 2 O).

Среди оксидов есть газообразные вещества (СО, СО 2 , SO 2 ), твердые вещества (Р 2 О 5 ), жидкости (H 2 O, Сl 2 O 7 ).

Во всех без исключения оксидах атомы неметаллических элементов, соединенные с Оксигеном, имеют положительные степени окисления.

Большинство оксидов неметаллических элементов кислотные . Они взаимодействуют:

• с водой с образованием кислот,
• с основными и амфотерными оксидами с образованием солей,
• с основаниями и амфотерными гидроксидами с образованием солей и воды.

1. Распространение неметаллических элементов в природе

Неметаллы более распространены в природе, чем металлы.

В состав воздуха входят: азот, кислород, инертные газы.

Месторождения самородной серы в Прикарпатье – одни из крупнейших в мире.

Промышленным месторождением графита в Украине является Завальевское месторождение, сырье которого использует Мариупольский графитовый комбинат.

В Житомирской области, на Волыни обнаружены залежи пород, которые могут содержать алмазы, однако промышленные месторождения пока еще не открыты.

Атомы неметаллических элементов образуют различные сложные вещества, среди которых доминируют оксиды, соли.

1. Применение неметаллов

Кислород:

Процессы дыхания,

Горение,

Обмен веществ и энергии,

Производство металлов.

Водород:

Производство аммиака,

Хлоридной кислоты,

Метанола,

Превращение жидких жиров в твердые,

Сварка и резка тугоплавких металлов,

Восстановление металлов из руд.

Сера:

Получение сульфатной кислоты,

Изготовление резины из каучука,

Производство спичек,

Черного пороха,

Изготовление лекарственных препаратов.

Бор:

Составляющая нейтронопоглощающих материалов ядерных реакторов,

Защита поверхностей стальных изделий от коррозии,

В полупроводниковой технике,

Изготовление преобразователей тепловой энергии в электрическую.

Азот:

Газообразный:

Для производства аммиака,

Для создания инертной среды при сварке металлов,

В вакуумных установках,

Электрических лампах,

Жидкий :

В качестве хладагента в морозильных установках,

Медицине.

Фосфор:

Белый - для производства красного фосфора,

Красный - для производства спичек.

Кремний:

В электронике и электротехнике для изготовления:

Схем,

Диодов,

Транзисторов,

Фотоэлементов,

Для изготовления сплавов.

Хлор:

Производство хлоридной кислоты,

Органических растворителей,

Лекарств,

Мономеров для производства пластмасс,

Отбеливателей,

Как дезинфицирующее средство.

Углерод:

Алмаз:

Изготовление инструментов для бурения и резки,

Абразивный материал,

Ювелирные украшения,

Графит:

Литейное, металлургическое, радиотехническое производство,

Изготовление аккумуляторов,

В нефтегазодобывающей промышленности для буровых работ,

Изготовление антикоррозионных покрытий,

Замазок, уменьшающих силу трения,

Адсорбция.

Адсорбция – способность некоторых веществ (в частности углерода) удерживать на своей поверхности частицы других веществ (газа или растворенного вещества).

На адсорбционной способности углерода базируется его использование в медицине в лечебных целях – это таблетки или капсулы активированного угля. Их применяют внутрь при отравлении.

Чтобы вернуть адсорбенту способность к адсорбции и изъять адсорбированное вещество, достаточно нагрева.

Адсорбционную способность углерода использовал М.Д. Зелинский в изобретенном им в 1915 угольном противогазе – средстве индивидуальной защиты органов дыхания, лица и глаз человека от воздействия вредных веществ. В 1916 было налажено промышленный выпуск противогазов, что спасло жизнь сотен тысяч солдат во время Первой мировой войны. Усовершенствованный противогаз применяется и сейчас.

Домашнее задание

Напишите реакции взаимодействия: а) кремния с кислородом; б) кремния с водородом; в) цинка с хлором; г) фосфора с хлором. Назовите полученные соединения.

I. Элементы. Неметаллы образуют p -элементы, а также водород и гелий, являющиеся s -элементами. В длиннопериодной таблице p -элементы, образующие неметаллы, располагаются правее и выше условной границы B - At.

II. Атомы. Атомы неметаллов маленькие (орбитальный радиус меньше 0,1 нм). У большинства из них от четырех до восьми валентных электронов (они же внешние), но у атома водорода - один, у атома гелия - два, а у атома бора - три валентных электрона. Атомы неметаллов сравнительно легко присоединяют чужие электроны (но не более трех). Склонностью отдавать электроны атомы неметаллов не обладают.

У атомов элементов-неметаллов в периоде с увеличением порядкового номера

• заряд ядра увеличивается;
• радиусы атомов уменьшаются;
• число электронов на внешнем слое увеличивается;
• число валентных электронов увеличивается;
• электроотрицательность увеличивается;
• окислительные (неметаллические) свойства усиливаются (кроме элементов VIIIA группы).

У атомов элементов-неметаллов в подгруппе (в длиннопериодной таблице - в группе) с увеличением порядкового номера

• заряд ядра увеличивается;
• радиус атома увеличивается;
• электроотрицательность уменьшается;
• число валентных электронов не изменяется;
• число внешних электронов не изменяется (за исключением водорода и гелия);
• окислительные (неметаллические) свойства ослабевают (кроме элементов VIIIA группы).

III. Простые вещества. Большинство неметаллов - простые вещества, в которых атомы связаны ковалентными связями; в благородных газах химических связей нет. Среди неметаллов есть как молекулярные, так и немолекулярные вещества. Все это приводит к тому, что физических свойств, характерных для всех неметаллов, нет.

Молекулярные неметаллы: H 2 , N 2 , P 4 (белый фосфор), As 4 , O 2 , O 3 , S 8 , F 2 , Cl 2 , Br 2 , I 2 . К ним же можно отнести и благородные газы (He, Ne, Ar, Kr, Kx, Rn), атомы которых являются как бы "одноатомными молекулами".

При комнатной температуре водород, азот, кислород, озон, фтор и хлор - газы; бром - жидкость; фосфор, мышьяк, сера и йод - твердые вещества.

Немолекулярные неметаллы: B (несколько аллотропных модификаций), C(графит), C(алмаз), Si, Ge, P(красный), P(черный), As, Se, Te. Все они твердые вещества, кремний, германий, селен и некоторые другие обладают полупроводниковыми свойствами.

IV. Химические свойства. Характерными для большинства неметаллов являются окислительные свойства. Как окислители они реагируют с металлами:

Со сложными веществами:

Все он газы за исключением воды. Вещества, выделенные жирным шрифтом, в водном растворе - сильные кислоты.

В группе с увеличением порядкового номера их устойчивость снижается, а восстановительная активность возрастает.

В периоде с увеличением порядкового номера усиливаются кислотные свойства их растворов, в группе эти свойства ослабевают.

VI. Оксиды и гидроксиды. Все оксиды неметаллов относятся к кислотным или несолеобразующим. Несолеобразующие оксиды: CO, SiO, N 2 O, NO.

Высшим оксидам неметаллов соответствуют следующие кислоты (сильные кислоты выделены жирным шрифтом)

В периоде с возрастанием порядкового номера сила высших кислот увеличивается. В группах выраженной зависимости нет.