Неметаллы в периодической системе

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 ns²np^] —" ns²np⁶, т. е. неметаллы 13—18-й групп относятся к элементам р-семейства (рис. 22.1).

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. 22.1. Свойства неметаллов

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 НСЮ₄ 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 OF₂) 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: HN0₂; H₂S0₃; Н₃Р0₃; НСЮ₂). Если же характеристический атом находится в состоянии наивысшей степени окисления, то такие кислоты являются.

+5 +6 +7.

окислителями (например: HN0₃; H₂S0₄; НСЮ₄).

Неметаллы одной группы, находясь в одинаковой степени окисления, образуют оксокислоты, сила которых убывает по мере увеличения заряда ядра. Так, в группе галогенов в ряду ПСЮ₃ — НВгО_э — НЮ₃ наиболее слабой кислотой является НЮ₃, наиболее сильной — НСЮ₃.

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 (см. также параграф 3.6).

Резюме

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 электроотрицательностью элемента и степенью окисления? Ответ обоснуйте на конкретных примерах.