Неметаллы ― химические элементы, которые образуют простые тела, не обладающие свойствами, характерными для металлов. Качественной характеристикой неметаллов является электроотрицательность.
Электроотрицательность ― это способность поляризовать химическую связь, оттягивать к себе общие электронные пары.
К неметаллам относят 22 элемента.
1-й период
3-й период
4-й период
5-й период
6-й период
Как видно из таблицы, неметаллические элементы в основном расположены в правой верхней части периодической системы.
Строение атомов неметаллов
Характерной особенностью неметаллов является большее (по сравнению с металлами) электронов на внешнем энергетическом уровне их атомов. Это определяет их большую способность к присоединению дополнительных электронов и проявлению более высокой окислительной активности, чем у металлов. Особенно сильные окислительные свойства, т. е. способность присоединять электроны, проявляют неметаллы, находящиеся во 2- и 3-м периодах VI-VII групп. Если сравнить расположение электронов по орбиталям в атомах фтора, хлора и других галогенов, то можно судить об их отличительных свойствах. У атома фтора свободных орбиталей нет. Поэтому атомы фтора могут проявить только I и степень окисления ― 1. Самым сильным окислителем является фтор . В атомах других галогенов, например в атоме хлора, на том же энергетическом уровне имеются свободные d-орбитали. Благодаря этому распаривание электронов может произойти тремя разными путями. В первом случае хлор может проявить степень окисления +3 и образовать хлористую кислоту HClO2, которой соответствуют соли ― , например хлорит калия KClO2. Во втором случае хлор может образовать соединения, в которых хлора +5. К таким соединениям относятся HClO3 и ее ― , например хлорат калия КClO3 (бертолетова ). В третьем случае хлор проявляет степень окисления +7, например в хлорной кислоте HClO4 и в ее солях, ― перхлоратах (в перхлорате калия КClO4).
Строения молекул неметаллов. Физические свойства неметаллов
В газообразном состоянии при комнатной температуре находятся:
· водород ― H2;
· азот ― N2;
· кислород ― O2;
· фтор ― F2;
· радон ― Rn).
В жидком ― бром ― Br.
В твердом:
· бор ― B;
· углерод ― C;
· кремний ― Si;
· фосфор ― P;
· селен ― Se;
· теллур ― Te;
Гораздо богаче у неметаллов и цветов: красный ― у фосфора, бурый ― у брома, желтый ― у серы, желто-зеленый ― у хлора, фиолетовый ― у паров йода и т. д.
Самые типичные неметаллы имеют молекулярное строение, а менее типичные ― немолекулярное. Этим и объясняется отличие их свойств.
Состав и свойства простых веществ – неметаллов
Неметаллы образуют как одноатомные, так и двухатомные молекулы. К одноатомным неметаллам относятся инертные газы, практически не реагирующие даже с самыми активными веществами. расположены в VIII группе периодической системы, а химические формулы соответствующих простых веществ следующие: He, Ne, Ar, Kr, Xe и Rn.
Некоторые неметаллы образуют двухатомные молекулы. Это H2, F2, Cl2, Br2, Cl2 (элементы VII группы периодической системы), а также кислород O2 и азот N2. Из трехатомных молекул состоит газ озон (O3). Для веществ неметаллов, находящихся в твердом состоянии, составить химическую формулу довольно сложно. Атомы углерода в графите соединены друг с другом различным образом. Выделить отдельную молекулу в приведенных структурах затруднительно. При написании химических формул таких веществ, как и в случае с металлами, вводится допущение, что такие вещества состоят только из атомов. , при этом, записываются без индексов: C, Si, S и т. д. Такие простые вещества, как и кислород, имеющие одинаковый качественный состав (оба состоят из одного и же элемента ― кислорода), но различающиеся по числу атомов в молекуле, имеют различные свойства. Так, кислород запаха не имеет, в то время как озон обладает резким запахом, который мы ощущаем во время грозы. Свойства твердых неметаллов, графита и алмаза, имеющих также одинаковый качественный состав, но разное строение, резко отличаются (графит хрупкий, твердый). Таким образом, свойства вещества определяются не только его качественным составом, но и , сколько атомов содержится в молекуле вещества и как они связаны между собой. в виде простых тел находятся в твердом газообразном состоянии (исключая бром ― жидкость). Они не имеют физических свойств, присущих металлам. Твердые неметаллы не обладают характерным для металлов блеском, они обычно хрупки, плохо проводят и тепло (за исключением графита). Кристаллический бор В (как и кристаллический кремний) обладает очень высокой температурой плавления (2075°С) и большой твердостью. Электрическая проводимость бора с повышением температуры сильно увеличивается, что дает возможность широко применять его в полупроводниковой технике. Добавка бора к стали и к сплавам алюминия, меди, никеля и др. улучшает их механические свойства. Бориды (соединения с некоторыми металлами, например с титаном: TiB, TiB2) необходимы при изготовлении деталей реактивных двигателей, лопаток газовых турбин. Как видно из схемы 1, углерод ― С, кремний ― Si, ― В имеют сходное строение и обладают некоторыми общими свойствами. Как простые вещества они встречаются в двух видоизменениях ― в кристаллическом и аморфном. Кристаллические видоизменения этих элементов очень твердые, с высокими температурами плавления. Кристаллический обладает полупроводниковыми свойствами. Все эти элементы образуют соединения с металлами ― , и (CaC2, Al4C3, Fe3C, Mg2Si, TiB, TiB2). Некоторые из них обладают большей твердостью, например Fe3C, TiB. используется для получения ацетилена.
Химические свойства неметаллов
В соответствии с численными значениями относительных электроотрицательностей окислительные неметаллов увеличивается в следующем порядке: Si, B, H, P, C, S, I, N, Cl, O, F.
Неметаллы как окислители
Окислительные свойства неметаллов проявляются при их взаимодействии:
· с металлами: 2Na + Cl2 = 2NaCl;
· с водородом: H2 + F2 = 2HF;
· с неметаллами, которые имеют более низкую электроотрицательность: 2Р + 5S = Р2S5;
· с некоторыми сложными веществами: 4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O,
2FeCl2 + Cl2 = 2 FeCl3.
Неметаллы как восстановители
1. Все неметаллы (кроме фтора) проявляют восстановительные свойства при взаимодействии с кислородом:
S + O2 = SO2, 2H2 + O2 = 2H2О.
Кислород в соединении с фтором может проявлять и положительную степень окисления, т. е. являться восстановителем. Все остальные неметаллы проявляют восстановительные свойства. Так, например, хлор непосредственно с кислородом не соединяется, но косвенным путем можно получить его оксиды (Cl2O, ClO2, Cl2O2), в которых хлор проявляет положительную степень окисления. Азот при высокой температуре непосредственно соединяется с кислородом и проявляет восстановительные свойства. Еще легче с кислородом реагирует сера.
2. Многие неметаллы проявляют восстановительные свойства при взаимодействии со сложными веществами:
ZnO + C = Zn + CO, S + 6HNO3 конц = H2SO4 + 6NO2 + 2H2О.
3. Существуют и такие реакции, в которых и же неметалл является одновременно и окислителем и восстановителем:
Cl2 + H2О = HCl + HClO.
4. Фтор ― самый типичный неметалл, которому нехарактерны восстановительные свойства, т. е. способность отдавать электроны в химических реакциях.
Соединения неметаллов
Неметаллы могут образовывать соединения с разными внутримолекулярными связями.
Виды соединений неметаллов
Общие формулы водородных соединений по группам периодической системы химических элементов приведены в таблицe:
|
Летучие водородные соединения |
В главной подгруппе шестой группы периодической системы элементов . И. Менделеева находятся элементы: кислород (О), сера (S), селен (Se), (Te) и (Po). Эти элементы имеют общее название халькогены, что означает «образующие руды».
В подгруппе халькогенов сверху вниз с увеличением заряда атома закономерно изменяются свойства элементов: уменьшается их неметаллический и усиливаются металлические свойства. Так ― типичный неметалл, а полоний ― металл (радиоактивен).
Серый селен
Производство фотоэлементов и выпрямителей электрического тока
В полупроводниковой технике
Биологическая роль халькогенов
Сера играет важную роль в жизни растений, животных и человека. В животных организмах сера входит в состав почти всех белков, в серосодержащие ― и , а также в состав витамина В1 и гормона инсулина. При недостатке серы у овец замедляется рост шерсти, а у птиц отмечена плохая оперяемость.
Из растений больше всего потребляют серу капуста, салат, шпинат. Богаты серой также стручки гороха и фасоли, редис, репа, лук, хрен, тыква, огурцы; бедны серой и свекла.
По химическим свойствам селен и теллур очень похожи на серу, но по физиологическим являются ее антагонистами. Для нормального функционирования организма необходимы очень малые количества селена. Селен положительно влияет на сердечно-сосудистой системы, красных кровяных , повышает иммунные свойства организма. Повышенное количество селена вызывает у животных заболевание, проявляющееся в исхудании и сонливости. Недостаток селена в организме ведет к нарушению работы сердца, органов дыхания, повышается тела и может даже наступить . Существенное влияние селен оказывает на животных. Например, у оленей, которые отличаются высокой остротой зрения, в сетчатке селена содержится в 100 раз больше, чем в других частях тела. В растительном мире много селена содержат все растения. Особенно большое его накапливает растение .
Физиологическая роль теллура для растений, животных и человека изучена меньше, чем селена. Известно, что теллур менее токсичен по сравнению с селеном и соединения теллура в организме быстро восстанавливаются до элементарного теллура, который в свою очередь соединяется с органическими веществами.
В главную подгруппу пятой группы входят азот (N), фосфор (P), мышьяк (As), сурьма (Sb) и (Bi).
Сверху вниз в подгруппе от азота к висмуту неметаллические свойства уменьшаются, а металлические свойства и радиус атомов ― увеличиваются. Азот, фосфор, мышьяк являются неметаллами, а относится к металлам.
Подгруппа азота
|
Сравнительные характеристики |
7 N азот |
15 Р фосфор |
33 As мышьяк |
51 Sb сурьма |
83 Bi висмут |
|||||
|
Электронное строение |
…4f145d106S26p3 |
|||||||||
|
Степень окисления |
1, -2, -3, +1, +2, +3, +4, +5 |
3, +1, +3, +4,+5 |
||||||||
|
Электро - отрицательность |
||||||||||
|
Нахождение в природе |
В свободном состоянии ― в атмосфере (N2 ― ), в связанном ― в составе NaNO3 ― ; КNO3 ― индийская селитра |
Ca3(РО4)2 ― фосфорит, Ca5(РО4)3(ОН) ― гидрооксилапатит, Ca5(РО4)3F ― фторапатит |
||||||||
|
Аллотропические формы при обычных условиях |
Азот (одна форма) |
NH3 + Н2О ↔ NH4ОН ↔ NH4+ + ОН – (гидроксид аммония); РH3 + Н2О ↔ РH4ОН ↔ РH4+ + ОН- (гидроксид фосфония). Биологическая роль азота и фосфора Азот играет исключительно важную роль в жизни растений, поскольку входит в состав аминокислот, белков и хлорофилла, витаминов группы В, ферментов, активизирующих . Поэтому недостаток азота в почве отрицательно сказывается на растениях, и в первую очередь на содержание хлорофилла в листьях, из-за чего они бледнеют. потребляют от 50 до 250 кг азота на 1 гектар площади почвы. Больше всего азота находится в цветах, молодых листьях и плодах. Важнейшим источником азота для растений являются азотные ― это в основном нитрат аммония и сульфат аммония. Следует отметить также особую роль азота как составной части воздуха ― важнейшего компонента живой природы. Ни один из химических элементов не принимает столь активного и многообразного участия в жизненных процессах растительных и животных организмов, как фосфор. Он является составной частью нуклеиновых кислот, входит в состав некоторых ферментов и витаминов. У животных и человека в костях сосредоточено до 90 % фосфора, в мышцах ― до 10 %, в нервной ― около 1 % (в виде неорганических и органических соединений). В мышцах, печени, мозге и других органах находится в виде фосфатидов и фосфорных эфиров. Фосфор принимает участие в мышечных сокращениях и в построении мышечной и костной ткани. Людям, занимающимся умственным трудом, необходимо употреблять повышенное количество фосфора, чтобы не допустить истощения нервных клеток, которые функционируют с повышенной нагрузкой именно при умственном труде. При недостатке фосфора понижается работоспособность, развивается невроз, нарушается двухвалентных германия, олова и свинца GeО, SnО, PbО ― амфотерными оксидами. Высшие оксиды углерода и кремния СО2 и SiO2 являются кислотными оксидами, которым соответствуют гидроксиды, проявляющие слабокислотные свойства ― Н2СО3 и кремниевая кислота Н2SiО3. Амфотерным оксидам ― GeО2, SnО2, PbО2 ― соответствуют амфотерные гидроксиды, причем при переходе от гидроксида германия Ge(ОН)4 к гидроксиду свинца Pb(ОН)4 кислотные свойства ослабляются, а основные усиливаются. Биологическая роль углерода и кремния Соединения углерода являются основой растительных и животных организмов (45 % углерода содержится в растениях и 26 % ― в животных организмах). Характерные биологические свойства проявляют оксид углерода (II) и оксид углерода (IV). Оксид углерода (II) ― очень токсичный газ, так как он прочно соединяется с гемоглобином крови и лишает гемоглобин возможности переносить кислород от легких к капиллярам. При вдыхании СО может получить отравления, возможен даже смертельный . Оксид углерода (IV) особенно важен для растений. В клетках растений (особенно в листьях) в присутствии хлорофилла и действием солнечной энергии происходит глюкозы из углекислого и воды с выделением кислорода. В результате фотосинтеза растения ежегодно связывают 150 млрд. т углерода и 25 млрд. т водорода, и выделяют в атмосферу до 400 млрд. т кислорода. Ученые установили, что растения получают около 25 % СО2 через корневую систему из растворенных в почве карбонатов. Кремний растения используют для построения покровных тканей. Содержащихся в растениях кремний, пропитывая клеточные стенки, делает их более твердыми и устойчивыми к повреждениям насекомыми, предохраняет их от проникновения грибной инфекции. Кремний находится почти во всех тканях животных и человека, особенно им богаты , печень, хрящи. У туберкулезных больных в костях, зубах и хрящах кремния значительно меньше, чем у здоровых людей. При таких заболеваниях, как , Боткина, отмечается уменьшение содержания кремния в крови, а при поражении толстой кишки ― наоборот, увеличение его содержания в крови. |
РЕФЕРАТ
МЕТАЛЛЫ
НЕМЕТАЛЛЫ
МЕТАЛЛЫ
Строение атомов металлов. Положение металлов в периодической системе. Группы металлов.
В настоящее время известно 107 химических элементов, большинство из них - металлы. Последние весьма распространены в природе и встречаются в виде различных соединений в недрах земли, водах рек, озер, морей, океанов, составе тел животных, растений и даже в атмосфере.
По своим свойствам металлы резко отличаются от неметаллов. Впервые это различие металлов и неметаллов определил М. В. Ломоносов. «Металлы, - писал он, - тела твердые, ковкие блестящие».
Причисляя тот или иной элемент к разряду металлов, мы имеем в виду наличие у него определенного комплекса свойств:
1. Плотная кристаллическая структура.
2. Характерный металлический блеск.
3. Высокая теплопроводность и электрическая проводимость.
4. Уменьшение электрической проводимости с ростом температуры.
5. Низкие значения потенциала ионизации, т.е. способность легко отдавать электроны.
6. Ковкость и тягучесть.
7. Способность к образованию сплавов.
Все металлы и сплавы, применяемые в настоящее время в технике, можно разделить на две основные группы. К первой из них относят черные металлы - железо и все его сплавы, в которых оно составляет основную часть. Этими сплавами являются чугуны и стали. В технике часто используют так называемые легированные стали. К ним относятся стали, содержащие хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий, кобальт, титан и другие металлы. Иногда в легированные стали входят 5-6 различных металлов. Методом легирования получают различные ценные стали, обладающие в одних случаях повышенной прочностью, в других - высокой сопротивляемостью к истиранию, в третьих - коррозионной устойчивостью, т.е. способностью не разрушаться под действием внешней среды.
Ко второй группе относят цветные металлы и их сплавы. Они получили такое название потому, что имеют различную окраску. Например, медь светло-красная, никель, олово, серебро - белые, свинец - голубовато-белый, золото -желтое. Из сплавов в практике нашли большое применение: бронза - сплав меди с оловом и другими металлами, латунь - сплав меди с цинком, баббит - сплав олова с сурьмой и медью и др.
Это деление на черные и цветные металлы условно.
Наряду с черными и цветными металлами выделяют еще группу благородных металлов: серебро, золото, платину, рутений и некоторые другие. Они названы так потому, что практически не окисляются на воздухе даже при повышенной температуре и не разрушаются при действии на них растворов кислот и щелочей.
Физические свойства металлов.
С внешней стороны металлы, как известно, характеризуются прежде всего особым «металлическим» блеском, который обусловливается их способностью сильно отражать лучи света. Однако этот блеск наблюдается обыкновенно только в том случае, когда металл образует сплошную компактную массу. Правда, магний и алюминий сохраняют свой блеск, даже будучи превращенными в порошок, но большинство металлов в мелкораздробленном виде имеет черный или темно-серый цвет. Затем типичные металлы обладают высокой тепло- и электропроводностью, причем по способности проводить тепло и ток располагаются в одном и том же порядке: лучшие проводники - серебро и медь, худшие - свинец и ртуть. С повышением температуры электропроводность падает, при понижении температуры, наоборот, увеличивается.
Очень важным свойством металлов является их сравнительно легкая механическая деформируемость. Металлы пластичны, они хорошо куются, вытягиваются в проволоку, прокатываются в листы и т.п.
Характерные физические свойства металлов находятся в связи с особенностями их внутренней структуры. Согласно современным воззрениям, кристаллы металлов состоят из положительно заряженных ионов и свободных электронов, отщепившихся от соответствующих атомов. Весь кристалл можно себе представить в виде пространственной решетки, узлы которой заняты ионами, а в промежутках между ионами находятся легкоподвижные электроны. Эти электроны постоянно переходят от одних атомов к другим и вращаются вокруг ядра то одного, то другого атома. Так как электроны не связаны с определенными ионами, то уже под влиянием небольшой разности потенциалов они начинают перемещаться в определенном направлении, т.е. возникает электрический ток.
Наличием свободных электронов обусловливается и высокая теплопроводность металлов. Находясь в непрерывном движении, электроны постоянно сталкиваются с ионами и обмениваются с ними энергией. Поэтому колебания ионов, усилившиеся в данной части металла вследствие нагревания, сейчас же передаются соседним ионам, от них - следующим и т.д., и тепловое состояние металла быстро выравнивается; вся масса металла принимает одинаковую температуру.
По плотности металлы условно подразделяются на две большие группы: легкие металлы, плотность которых не больше 5 г/см 3 , и тяжелые металлы - все остальные. Плотность, а также температуры плавления некоторых металлов приведены в таблице №1.
Таблица №1
Плотность и температура плавления некоторых металлов.
|
Легкие металлы. |
|||
|
Алюминий |
|||
|
Тяжелые металлы |
|||
|
Марганец |
|||
|
Вольфрам |
|||
Частицы металлов, находящихся в твердом и жидком состоянии, связаны особым типом химической связи - так называемой металлической связью. Она определяется одновременным наличием обычных ковалентных связей между нейтральными атомами и кулоновским притяжением между ионами и свободными электронами. Таким образом, металлическая связь является свойством не отдельных частиц, а их агрегатов.
Химические свойства металлов.
Основным химическим свойством металлов является способность их атомов легко отдавать свои валентные электроны и переходить в положительно заряженные ионы. Типичные металлы никогда не присоединяют электронов; их ионы всегда заряжены положительно.
Легко отдавая при химических реакциях свои валентные электроны, типичные металлы являются энергичными восстановителями.
Способность к отдаче электронов проявляется у отдельных металлов далеко не в одинаковой степени. Чем легче металл отдает свои электроны, тем он активнее, тем энергичнее вступает во взаимодействие с другими веществами.
Опустим кусочек цинка в раствор какой-нибудь свинцовой соли. Цинк начинает растворяться, а из раствора выделяется свинец. Реакция выражается уравнением:
Zn + Pb(NO 3) 2 = Pb + Zn(NO 3) 2
Из уравнения следует, что эта реакция является типичной реакцией окисления-восстановления. Сущность ее сводится к тому, что атомы цинка отдают свои валентные электроны ионам двухвалентного свинца, тем самым превращаясь в ионы цинка, а ионы свинца восстанавливаются и выделяются в виде металлического свинца. Если поступить наоборот, то есть погрузить кусочек свинца в раствор цинковой соли, то никакой реакции не произойдет. Это показывает, что цинк более активен, чем свинец, что его атомы легче отдают, а ионы труднее присоединяют электроны, чем атомы и ионы свинца.
Вытеснение одних металлов из их соединений другими металлами впервые было подробно изучено русским ученым Бекетовым, расположившим металлы по их убывающей химической активности в так называемый «вытеснительный ряд». В настоящее время вытеснительный ряд Бекетова носит название ряда напряжений.
В таблице №2 представлены значения стандартных электродных потенциалов некоторых металлов. Символом Me + /Me обозначен металл Me, погруженный в раствор его соли. Стандартные потенциалы электродов, выступающих как восстановители по отношению к водороду, имеют знак «-», а знаком «+» отмечены стандартные потенциалы электродов, являющихся окислителями.
Таблица №2
Стандартные электродные потенциалы металлов.
|
Электрод |
Электрод |
||
Металлы, расположенные в порядке возрастания их стандартных электродных потенциалов, и образуют электрохимический ряд напряжений металлов: Li, Rb, K, Ba, Sr, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb, H, Sb, Bi, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au.
Ряд напряжений характеризует химические свойства металлов:
1. Чем меньше электродный потенциал металла, тем больше его восстановительная способность.
2. Каждый металл способен вытеснять(восстанавливать) из растворов солей те металлы, которые стоят в ряду напряжений после него.
3. Все металлы, имеющие отрицательный стандартный электродный потенциал, то есть находящиеся в ряду напряжений левее водорода, способны вытеснять его из растворов кислот.
Необходимо отметить, что представленный ряд характеризует поведение металлов и их солей только в водных растворах и при комнатной температуре. Кроме того, нужно иметь ввиду, что высокая электрохимическая активность металлов не всегда означает его высокую химическую активность. Например, ряд напряжений начинается литием, тогда как более активные в химическом отношении рубидий и калий находятся правее лития. Это связано с исключительно высокой энергией процесса гидратации ионов лития по сравнению с ионами других щелочных металлов.
Коррозия металлов.
Почти все металлы, приходя в соприкосновение с окружающей их газообразной или жидкой средой, более или менее быстро подвергаются с поверхности разрушению. Причиной его является химическое взаимодействие металлов с находящимися в воздухе газами, а также водой и растворенными в ней веществами.
Всякий процесс химического разрушения металлов под действием окружающей среды называют коррозией.
Проще всего протекает коррозия при соприкосновении металлов с газами. На поверхности металла образуются соответствующие соединения: оксиды, сернистые соединения, основные соли угольной кислоты, которые нередко покрывают поверхность плотным слоем, защищающим металл от дальнейшего воздействия тех же газов.
Иначе обстоит дело при соприкосновении металла с жидкой средой - водой и растворенными в ней веществами. Образующиеся при этом соединения могут растворяться, благодаря чему коррозия распространяется дальше вглубь металла. Кроме того, вода, содержащая растворенные вещества, является проводником электрического тока, вследствие чего постоянно возникают электрохимические процессы, которые являются одним из главных факторов, обуславливающих и ускоряющих коррозию.
Чистые металлы в большинстве случаев почти не подвергаются коррозии. Даже такой металл, как железо, в совершенно чистом виде почти не ржавеет. Но обыкновенные технические металлы всегда содержат различные примеси, что создает благоприятные условия для коррозии.
Убытки, причиняемые коррозией металлов, огромны. Вычислено, например, что вследствие коррозии ежегодно гибнет такое количество стали, которое равно приблизительно четверти всей мировой добычи его за год. Поэтому изучению процессов коррозии и отысканию наилучших средств ее предотвращения уделяется очень много внимания.
Способы борьбы с коррозией чрезвычайно разнообразны. Наиболее простой из них заключается в защите поверхности металла от непосредственного соприкосновения с окружающей средой путем покрытия масляной краской, лаком, эмалью или, наконец, тонким слоем другого металла. Особый интерес с теоретической точки зрения представляет покрытие одного металла другим.
К ним относятся: катодное покрытие, когда защищающий металл стоит в ряду напряжений правее защищающего (типичным примером может служить луженая, то есть покрытая оловом, сталь); анодное покрытие, например, покрытие стали цинком.
Для защиты от коррозии целесообразно покрывать поверхность металла слоем более активного металла, чем слоем менее активного. Однако другие соображения нередко заставляют применять также покрытия из менее активных металлов.
На практике чаще всего приходится принимать меры к защите стали как металла, особенно подверженного коррозии. Кроме цинка, из более активных металлов для этой цели иногда применяют кадмий, действующий подобно цинку. Из менее активных металлов для покрытия стали чаще всего используют олово, медь, никель.
Покрытые никелем стальные изделия имеют красивый вид, чем объясняется широкое распространение никелирования. При повреждении слоя никеля коррозия проходит менее интенсивно, чем при повреждении слоя меди (или олова), так как разность потенциалов для пары никель-железо гораздо меньше, чем для пары медь-железо.
Из других способов борьбы с коррозией существует еще способ протекторов, заключающийся в том, что защищаемый металлический объект приводится в контакт с большой поверхностью более активного металла. Так, в паровые котлы вводят листы цинка, находящиеся в контакте со стенками котла и образующие с ними гальваническую пару.
Понятие о сплавах.
Характерной особенностью металлов является их способность образовывать друг с другом или с неметаллами сплавы. Чтобы получить сплав, смесь металлов обычно подвергают плавлению, а затем охлаждают с различной скоростью, которая определяется природой компонентов и изменением характера их взаимодействия в зависимости от температуры. Иногда сплавы получают спеканием тонких порошков металлов, не прибегая к плавлению (порошковая металлургия). Итак сплавы - это продукты химического взаимодействия металлов.
Кристаллическая структура сплавов во многом подобна чистым металлам, которые, взаимодействуя друг с другом при плавлении и последующей кристаллизации, образуют: а) химические соединения, называемые интерметаллидами; б) твердые растворы; в) механическую смесь кристаллов компонентов.
Тот или иной тип взаимодействия определяется соотношением энергии взаимодействия разнородных и однородных частиц системы, то есть соотношением энергий взаимодействия атомов в чистых металлах и сплавах.
Современная техника использует огромное число сплавов, причем в подавляющем большинстве случаев они состоят не из двух, а из трех, четырех и большего числа металлов. Интересно, что свойства сплавов часто резко отличаются от свойств индивидуальных металлов, которыми они образованы. Так, сплав, содержащий 50% висмута, 25% свинца, 12,5% олова и 12,5% кадмия, плавится всего при 60,5 градусах Цельсия, в то время как компоненты сплава имеют соответственно температуры плавления 271, 327, 232 и 321 градус Цельсия. Твердость оловянной бронзы (90% меди и 10% олова) втрое больше, чем у чистой меди, а коэффициент линейного расширения сплавов железа и никеля в 10 раз меньше, чем у чистых компонентов.
Однако некоторые примеси ухудшают качество металлов и сплавов. Известно, например, что чугун (сплав железа и углерода) не обладает той прочностью и твердостью, которые характерны для стали. Помимо углерода, на свойства стали влияют добавки серы и фосфора, увеличивающие ее хрупкость.
Среди свойств сплавов наиболее важными для практического применения являются жаропрочность, коррозионная стойкость, механическая прочность и др. Для авиации большое значение имеют легкие сплавы на основе магния, титана или алюминия, для металлообрабатывающей промышленности - специальные сплавы, содержащие вольфрам, кобальт, никель. В электронной технике применяют сплавы, основным компонентом которых является медь. Сверхмощные магниты удалось получить, используя продукты взаимодействия кобальта, самария и других редкоземельных элементов, а сверхпроводящие при низких температурах сплавы - на основе интерметаллидов, образуемых ниобием с оловом и др.
Способы получения металлов.
Огромное большинство металлов находится в природе в виде соединений с другими элементами.
Только немногие металлы встречаются в свободном состоянии, и тогда они называются самородными. Золото и платина встречаются почти исключительно в самородном виде, серебро и медь - отчасти в самородном виде; иногда попадаются также самородные ртуть, олово и некоторые другие металлы.
Добывание золота и платины производится или посредством механического отделения их от той породы, в которой они заключены, например промывкой воды, или путем извлечения их из породы различными реагентами с последующим выделением металла из раствора. Все остальные металлы добываются химической переработкой их природных соединений.
Минералы и горные породы, содержащие соединения металлов и пригодные для получения этих металлов заводским путем, носят название руд. Главными рудами являются оксиды, сульфиды и карбонаты металлов.
Важнейший способ получения металлов из руд основан на восстановлении их оксидов углем.
Если, например, смешать красную медную руду (куприт) Cu 2 O с углем и подвергнуть сильному накаливанию, то уголь, восстанавливая медь, превратится в оксид углерода(II), а медь выделится в расплавленном состоянии:
Cu 2 O + C = 2Cu + CO
Подобным же образом производится выплавка чугуна их железных руд, получение олова из оловянного камня SnO 2 и восстановление других металлов из оксидов.
При переработке сернистых руд сначала переводят сернистые соединения в кислородные путем обжигания в особых печах, а затем уже восстанавливают полученные оксиды углем. Например:
2ZnS + 3O 2 = 2ZnO + 2SO 2
ZnO + C = Zn + CO
В тех случаях, когда руда представляет собой соль угольной кислоты, ее можно непосредственно восстанавливать углем, как и оксиды, так как при нагревании карбонаты распадаются на оксид металла и двуокись углерода. Например:
ZnCO 3 = ZnO + CO 2
Обычно руды, кроме химического соединения данного металла, содержат еще много примесей в виде песка, глины, известняка, которые очень трудно плавятся. Чтобы облегчить выплавку металла, к руде примешивают различные вещества, образующие с примесями легкоплавкие соединения - шлаки. Такие вещества называются флюсами. Если примесь состоит из известняка, то в качестве флюса употребляют песок, образующий с известняком силикат кальция. Наоборот, в случае большого количества песка флюсом служит известняк.
Во многих рудах количество примесей (пустой породы) так велико, что непосредственная выплавка металлов из этих руд является экономически невыгодной. Такие руды предварительно «обогащают», то есть удаляют из них часть примесей. Особенно широким распространением пользуется флотационный способ обогащения руд (флотация), основанный на различной смачиваемости чистой руды и пустой породы.
Техника флотационного способа очень проста и в основном сводится к следующему. Руду, состоящую, например, из сернистого металла и силикатной пустой породы, тонко измельчают и заливают в больших чанах водой. К воде прибавляют какое-нибудь малополярное органическое вещество, способствующее образованию устойчивой пены при взбалтывании воды, и небольшое количество специального реагента, так называемого «коллектора», который хорошо адсорбируется поверхностью флотируемого минерала и делает ее неспособной смачиваться водой. После этого через смесь снизу пропускают сильную струю воздуха, перемешивающую руду с водой и прибавленными веществами, причем пузырьки воздуха окружаются тонкими масляными пленками и образуют пену. В процессе перемешивания частицы флотируемого минерала покрываются слоем адсорбированных молекул коллектора, прилипают к пузырькам продуваемого воздуха, поднимаются вместе с ними кверху и остаются в пене; частицы же пустой породы, смачивающиеся водой, оседают на дно. Пену собирают и отжимают, получая руду с значительно большим содержанием металла.
Для восстановления некоторых металлов из их оксидов применяют вместо угля водород, кремний, алюминий, магний и другие элементы.
Процесс восстановления металла из его оксида с помощью другого металла называется металлотермией. Если, в частности, в качестве восстановителя применяется алюминий, то процесс носит название алюминотермии.
Очень важным способом получения металлов является также электролиз. Некоторые наиболее активные металлы получаются исключительно путем электролиза, так как все другие средства оказываются недостаточно энергичными для восстановления их ионов.
НЕМЕТАЛЛЫ
Положение неметаллических элементов в периодической системе химических элементов. Нахождение в природе. Общие химический и физические свойства.
Неметаллических элементов по сравнению к металлическими элементами относительно немного. Их размещение в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева отражено в таблице №1.
|
Размещение неметаллических элементов в периодической системе по группам |
||||||||
|
VIII (благородные газы) |
||||||||
Таблица №1.
Как видно из таблицы №1 неметаллические элементы в основном расположены в правой верхней части периодической системы. Так как в периодах слева направо у атомов элементов увеличивается заряды ядер и уменьшаются атомные радиусы, а в группах сверху вниз атомные радиусы также возрастают, то понятно, почему атому неметаллов сильнее, чем атомы металлов, притягивают наружные электроны. В связи с этим у неметаллов преобладают окислительные свойства. Особенно сильные окислительные свойства, т.е. способность присоединять электроны, проявляют неметаллы, находящиеся во 2-ом и 3-м периодах VI-VII групп. Самым сильным окислителем является фтор. В соответствии с численными значениями относительных электроотрицательностей окислительные способности неметаллов увеличивается в следующем порядке:
Si, B, H, P, C, S, I, N, Cl, O, F.
Следовательно, энергичнее всего взаимодействует с водородом и металлами фтор:
H3 + F2 2HF
Менее энергично реагирует кислород:
2H3 +O2 2H3 О
Фтор - самый типичный неметалл, которому нехарактерны восстановительные свойства, т.е. способность отдавать электроны в химических реакциях.
Кислород же, судя по его соединениям с фтором, может проявлять и положительную степень окисления, т.е. являться восстановителем.
Все остальные неметаллы проявляют восстановительные свойства. Причем эти свойства постепенно возрастают от кислорода к кремнию: O, Cl, N, I, S, C, P, H, B, Si. Так, например, хлор непосредственно с кислородом не соединяется, но косвенным путем можно получить его оксиды (Cl2 O, ClO2 , Cl2O2), в которых хлор проявляет положительную степень окисления. Азот при высокой температуре непосредственно соединяется с кислородом и, следовательно, проявляет восстановительные свойства. Еще легче с кислородом реагирует сера: она проявляет и окислительные свойства.
Перейдем к рассмотрению строения молекул неметаллов. Неметаллы образуют как одноатомные, так и двухатомные молекулы.
К одноатомным неметаллам относятся инертные газы, практически не реагирующие даже с самыми активными веществами. Инертные газы расположены в VIII группе Периодической системы, а химические формулы соответствующих простых веществ следующие: He, Ne, Ar, Kr, Xe и Rn.
Некоторые неметаллы образуют двухатомные молекулы. Это H3, F2, Cl2, Br2, I2 (элементы VII группы Периодической системы), а также кислород O2 и азот N2. Из трехатомных молекул состоит газ озон (O3).
Для веществ неметаллов, находящихся в твердом состоянии, составить химическую формулу довольно сложно. Атомы углерода в графите соединены друг с другом различным образом. Выделить отдельную молекулу в приведенных структурах затруднительно. При написании химических формул таких веществ, как и в случае с металлами, вводится допущение, что такие вещества состоят только из атомов. Химические формулы, при этом, записываются без индексов - C, Si, S и т.д.
Такие простые вещества, как озон и кислород, имеющие одинаковый качественный состав (оба состоят из одного и того же элемента - кислорода), но различающиеся по числу атомов в молекуле, имеют различные свойства. Так, кислород запаха не имеет, в то время как озон обладает резким запахом, который мы ощущаем во время грозы. Свойства твердых неметаллов, графита и алмаза, имеющих также одинаковый качественный состав, но разное строение, резко отличаются (графит хрупкий, алмаз твердый). Таким образом, свойства вещества определяются не только его качественным составом, но и тем, сколько атомов содержится в молекуле вещества и как они связаны между собой.
Неметаллы в виде простых тел находятся в твердом или газообразном состоянии (исключая бром - жидкость). Они не имеют физических свойств, присущих металлам. Твердые неметаллы не обладают характерным для металлов блеском, они обычно хрупки, плохо проводят электрический ток и тепло (за исключением графита).
Общие химические свойства неметаллов.
Оксиды неметаллов относят к кислотным оксидам, которым соответствуют кислоты. С водородом неметаллы образуют газообразные соединения (например HCl, H3S, NH4). Водные растворы некоторых из них (например, галогеноводородов) - сильные кислоты. С металлами типичные неметаллы дают соединения с ионной связью (например, NaCl). Неметаллы могут при определенных условиях между собой реагировать, образуя соединения с ковалентной полярной (H3O, HCl) и неполярной связями (CO2).
С водородом неметаллы образуют летучие соединения, как, например, фтороводород HF, сероводород H3S, аммиак NH4, метан CH5. При растворении в воде водородные соединения галогенов, серы, селена и теллура образуют кислоты той же формулы, что и сами водородные соединения: HF, HCl, HCl, HBr, HI, H3S, H3Se, H3Te.
При растворении в воде аммиака образуются аммиачная вода, обычно обозначаемая формулой NH5OH и называемая гидроксидом аммония. Ее также обозначают формулой NH4 H3O и называют гидратом аммиака.
С кислородом неметаллы образуют кислотные оксиды. В одних оксидах они проявляют максимальную степень окисления, равную номеру группы (например, SO2, N2O5), а других - более низкую (например, SO2, N2O3). Кислотным оксидам соответствуют кислоты, причем из двух кислородных кислот одного неметалла сильнее та, в которой он проявляет более высокую степень окисления. Например, азотная кислота HNO3 сильнее азотистой HNO2, а серная кислотаH3SO4 сильнее сернистой H3SO3.
Строение и свойства простых веществ - неметаллов.
Самые типичные неметаллы имеют молекулярное строение, а менее типичные - немолекулярное. Этим и объясняется отличие их свойств. Наглядно это отражено в схеме №2.
|
Простые вещества |
|
|
С немолекулярным строением |
С молекулярным строением |
|
C, B, Si |
F 2 , O 2 , Cl 2 , Br 2 , N 2 , I 2 , S 8 |
|
У этих неметаллов атомные кристаллические решетки , поэтому они обладают большой твердостью и очень высокими температурами плавления. |
У этих неметаллов в твердом состоянии молекулярные кристаллические решетки . При обычных условиях это газы, жидкости или твердые вещества с низкими температурами плавления. |
Таблица №2
Кристаллический бор В (как и кристаллический кремний) обладает очень высокой температурой плавления (2075°С) и большой твердостью. Электрическая проводимость бора с повышением температуры сильно увеличивается, что дает возможность широко применять его в полупроводниковой технике. Добавка бора к стали и к сплавам алюминия, меди, никеля и др. улучшает их механические свойства.
Бориды (соединения бора с некоторыми металлами, например с титаном: TiB, TiB2) необходимы при изготовлении деталей реактивных двигателей, лопаток газовых турбин.
Как видно из схемы №2, углерод С, кремний Si, бор В имеют сходное строение и обладают некоторыми общими свойствами. Как простые вещества они встречаются в двух видоизменениях - в кристаллическом и аморфном. Кристаллические видоизменения этих элементов очень твердые, с высокими температурами плавления. Кристаллический кремний обладает полупроводниковыми свойствами.
Все эти элементы образуют соединения с металлами - карбиды, силициды и бориды (CaC2, Al4C3, Fe3C, Mg2Si, TiB, TiB2). Некоторые из них обладают большей твердостью, например Fe3C, TiB. Карбид кальция используется для получения ацетилена.
Если сравнить расположение электронов по орбиталям ф атомах фтора, хлора и других галогенов, то можно судить и об их отличительных свойствах. У атома фтора свободных орбиталей нет. Поэтому атомы фтора могут проявить только валентность I и степень окисления - 1. В атомах других галогенов, например в атоме хлора, на том же энергетическом уровне имеются свободные d-орбитали. Благодаря этому распаривание электронов может произойти тремя разными путями.
В первом случае хлор может проявить степень окисления +3 и образовать хлористую кислоту HClO2, которой соответствуют соли - хлориты, например хлорит калия KClO2.
Во втором случае хлор может образовать соединения, в которых степень окисления хлора +5. К таким соединениям относятся хлороноватая кислота HClO3 и ее соли - хлораты, например хлорат калия КClO3 (бертолетова соль).
В третьем случае хлор проявляет степень окисления +7, например в хлорной кислоте HClO4 и в ее солях - перхлоратах, например в перхлорате калия КClO4.
Кислородные и водородные соединения неметаллов. Краткая характеристика их свойств.
С кислородом неметаллы образуют кислотные оксиды. В одних оксидах они проявляют максимальную степень окисления, равную номеру группы (например, SO2, N2O5), а других - более низкую (например, SO2, N2O3). Кислотным оксидам соответствуют кислоты, причем из двух кислородных кислот одного неметалла сильнее та, в которой он проявляет более высокую степень окисления. Например, азотная кислота HNO3 сильнее азотистой HNO2, а серная кислота H3SO4 сильнее сернистой H3SO3.
Характеристики кислородных соединений неметалов:
Свойства высших оксидов (т.е. оксидов, в состав которых входит элемент данной группы с высшей степенью окисления) в периодах слева направо постепенно изменяются от основных к кислотным.
В группах сверху вниз кислотные свойства высших оксидов постепенно ослабевают. Об этом можно судить по свойствам кислот, соответствующих этим оксидам.
Возрастание кислотных свойств высших оксидов соответствующих элементов в периодах слева направо объясняется постепенным возрастанием положительного заряда ионов этих элементов.
В главных подгруппах периодической системы химических элементов в направлении сверху вниз кислотные свойства высших оксидов неметаллов уменьшаются.
Общие формулы водородных соединений по группам периодической системы химических элементов приведены в таблице №3.
Таблица №3.
С металлами водород образует (за некоторым исключением) нелетучие соединения, которые являются твердыми веществами немолекулярного строения. Поэтому их температуры плавления сравнительно высоки.
С неметаллами водород образует летучие соединения молекулярного строения. В обычных условиях это газы или летучие жидкости.
В периодах слева направо кислотные свойства летучих водородных соединений неметаллов в водных растворах усиливается. Это объясняется тем, что ионы кислорода имеют свободные электронные пары, а ионы водорода - свободную орбиталь, то происходит процесс, котроый выглядит следующим образом:
H3O + HF H4O + F
Фтороводород в водном растворе отщепляет положительные ионы водорода, т.е. проявляет кислотные свойства. Этому процессу способствует и другое обстоятельство: ион кислорода имеет неподеленную электронную пару, а ион водорода - свободную орбиталь, благодаря чему образуется донорно-акцепторная связь.
При растворении аммиака в воде происходит противоположный процесс. А так как ионы азота имеют неподеленную электронную пару, а ионы водорода - свободную орбиталь, возникает дополнительная связь и образуются ионы аммония NH5+ и гидроксид-ионы ОН-. В результате раствор приобретает основные свойства. Этот процесс можно выразить формулой:
H3O + NH4 NH5 + OH
Молекулы аммиака в водном растворе присоединяют положительные ионы водорода, т.е. аммиак проявляет основные свойства.
Теперь рассмотрим, почему водородное соединение фтора - фтороводород HF - в водном растворе является кислотой, но более слабой, чем хлороводородная. Это объясняется тем, что радиусы ионов фтора значительно меньше, чем ионов хлора. Поэтому ионы фтора гораздо сильнее притягивают к себе ионы водорода, чем ионы хлора. В связи с этим степень диссоциации фтороводородной кислоты значительно меньше, чем соляной кислоты, т.е. фтороводородная кислота слабее соляной кислоты.
Из приведенных примеров можно сделать следующие общие выводы:
В периодах слева направо у ионов элементов положительный заряд увеличивается. В связи с этим кислотные свойства летучих водородных соединений элементов в водных растворах усиливаются.
В группах сверху вниз отрицательно заряженные анионы все слабее притягивают положительно заряженные ионы водорода Н+. В связи с этим облегчается процесс отщепления ионов водорода Н+ и кислотные свойства водородных соединений увеличиваются.
Водородные соединения неметаллов, обладающие в водных растворах кислотными свойствами, реагируют со щелочами. Водородные же соединения неметаллов, обладающие в водных растворах основными свойствами, реагируют с кислотами.
Окислительная активность водородных соединений неметаллов в группах сверху вниз сильно увеличивается. Например, окислить фтор из водородного соединения HF химическим путем нельзя, окислить же хлор из водородного соединения HCl можно различными окислителями. Это объясняется тем, что в группах сверху вниз резко возрастают атомные радиусы, в связи с чем отдача электронов облегчается.
металлами и неметаллами , иногда их называют полуметаллами... 85) относятся к металлам , а правее - в основном, к неметаллам . Эта граница недостаточно четко... . КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ Общее свойство металлов и сплавов - ...
Восстановления их ионов. Химические свойства металлов I. Реакции с неметаллами 1) С кислородом: 2Mg0 + O2 2Mg ... . Железо является достаточно хим.активным металлом . Взаимодействие с неметаллами . При нагревание железо реагирует...
Неметаллы в природе. В природе встречаются самородные неметаллы N2 и O2 (в воздухе), сера (в земной коре), но чаще неметаллы в природе находятся в химически связанном виде. В первую очередь это вода и растворённые в ней соли, затем минералы и горные породы (например различные силикаты, алюмосиликаты, фосфаты, бораты, сульфаты и карбонаты). По распространенности в земной коре неметаллы занимают самые различные места: от трех самых распространенных элементов (O, Si, H) до весьма редких (As, Se, I, Te).
Слайд 3 из презентации «Химия неметаллов» . Размер архива с презентацией 1449 КБ.«Химия неметаллов» - Химическое строение и свойства металлов и неметаллов. Аллотропия углерода. Положение металлов в Периодической системе химических элементов. Презентация урока по химии для 9 класса. Неметаллы в природе. Неметаллы. Красный фосфор. Тема: НЕМЕТАЛЛЫ. Кислород. М. Аллотропия. Физические свойста неметаллов. Алмаз. К неметаллам относятся также водород Н и инертные газы. Общая характеристика и свойства неметаллов.
«Неметаллы» - РЯД ЭЛЕКТРООТРИЦАТЕЛЬНОСТИ НЕМЕТАЛЛОВ. Твердое Углерод кремний. Чем объясняется разнообразие агрегатного состояния неметаллов. Решетка) Красный фосфор – белый фосфор (строение молекулы Р2 и Р4). Как вы думаете, в таблице больше металлов или неметаллов? Тест. Неметаллы. Примеры: Алмаз – графит (крист. Химия 9 класс Учитель Кулешова С.Е. Жидкое Бром. Аллотропия. Назовите самые активные и сильные неметаллы. Кислород О2 и Озон О3. Агрегатное состояние. Газообразное Кислород, водород. Физические свойства.
«Галогены химия» - Биологическая роль хлора. Результаты исследования. Ферменты становятся активными в кислой среде при 37-38 °С. Результаты исследования распространение в природе. Участвует в образовании соляной кислоты, обмене веществ, построении тканей. Выводы и рекомендации. Биологическая роль брома. Растворение бромида натрия в воде Жёлтый осадок AgBr?. Цели и задачи. Результаты исследования открытие галогенов. Перспективы проекта. 2011 год, с.Петропавловское.
«Алкадиены химия» - Алкадиены с изолированными двойными связями. Центральный атом С-Sp3-гибридизация. Урок химии в 9 классе Учитель: Дворничена Л.В. Актуализация ранее полученных знаний. Схема строения аллена. Алкадиены: строение,номенклатура,гомологи,изомерия. Игра. Крайний атом С-Sp2-гибридизация. Алкадиены с кумулированным расположением двойных связей. Номенклатура алкадиенов. Сопряженные алкадиены.
«Химическое равновесие» - Задание 2: Написать кинетические уравнения для химических реакций. Необратимые. Изменение прямой и обратной скорости реакции в процессе установления химического равновесия. Химическое равновесие. Vпр=Vобр. Задание 1: Написать факторы, влияющие на скорость химических реакций. I вариант hcl + O2?H2O + cl2. Химические реакции. II вариант H2S + SO2 ? S + H2O. Обратимые.
«Характеристика металлов» - Применение металлов в жизни человека. Свойства металлов. Общая характеристика. Хорошая электропроводность. Общая характеристика металлов. Нахождение металлов в природе. Разновидность металлов. Другие металлы коррозируют, но не ржавеют. Металлы составляют одну из основ цивилизации на планете Земля. Ржавление и коррозия металлов. Металлы. Содержание работы: Из медицинских препаратов, содержащих благородных металлов, наиболее распространены ляпис, протаргол и др.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Неметаллы – химические элементы, атомы которых принимают электроны для завершения внешнего энергетического уровня, образуя при этом отрицательно заряженные ионы. Электронная конфигурация валентных электронов неметаллов в общем виде — ns 2 np 1−5 Исключение составляют водород (1s 1) и гелий (1s 2), которые тоже рассматривают как неметаллы.
Неметаллы обычно обладают большим спектром степеней окисления в своих соединениях. Большее число электронов на внешнем энергетическом уровне по сравнению с металлами определяет их большую способность к присоединению электронов и проявлению высокой окислительной активности.
Неметаллы находятся в земной коре (в большинстве своем кислород и кремний — 76 % от массы земной коры а также As, Se, I, Te, но в очень незначительных количествах), в воздухе (азот и кислород) , в составе растительной массы (98,5 % — углерод, водород, кислород, сера, фосфор и азот), а также в основе массы человека (97,6 % — — углерод, водород, кислород, сера, фосфор и азот). Водород и гелий – входят в состав космических объектов, включая Солнце. Чаще всего в природе неметаллы встречаются в виде соединений.
Фтор, хлор, кислород, азот, водород и инертные газы представляют собой газообразные вещества, йод, астат, сера, селен, теллур, фосфор, мышьяк, углерод, кремний, бор –твёрдые вещества; бром -жидкость.
Если в Периодической системе мысленно провести диагональ от бериллия к астату, то в правом верхнем углу таблицы будут находиться элементы-неметаллы. Среди неметаллов есть s-элемент – водород; р-элементы бор; углерод, кремний; азот, фосфор, мышьяк, кислород, сера, селен, теллур, галогены и астат. Элементы VIII группы – инертные (благородные) газы, которые имеют полностью завершенный внешний энергетический уровень и их нельзя отнести ни к металлам, ни к неметаллам.
Неметаллы обладают высокими значениями сродства к электрону, электроотрицательность и окислительно-восстановительный потенциал.
Многообразие неметаллов породило многообразие способов их получения, так водород получают, как лабораторными способами, например, взаимодействием металлов с кислотами (1), так и промышленными способами, например, конверсией метана (2).
Zn +2HCl = ZnCl 2 + H 2
CH 4 + H 2 O = CO + 3H 2 (температура 900 С)
Получение галогенов осуществляют в основном, путем окисления галогеноводородных кислот:
MnO 2 +4HCl = MnCl 2 + Cl 2 + 2H 2 O
K 2 Cr 2 O 7 +14HCl= 3Cl 2 + 2KCl +2CrCl 3 +7H 2 O
2KMnO 4 +16HCl = 2 MnCl 2 +5Cl 2 +8H 2 O+ 2KCl
Для получения кислорода используют реакции термического разложения сложных веществ:
2KMnO 4 = K 2 MnO 4 + MnO 2 +O 2
4K 2 Cr 2 O 7 = 4K 2 CrO 4 +2Cr 2 O 3 +3O 2
Серу получают неполным окислением сероводорода (1) или по реакции Вакенродера (2):
H 2 S + O 2 =2S +2H 2 O (1)
2H 2 S + SO 2 =3S↓ +2H 2 O (2)
Для получения азота используют реакцию разложения нитрита аммония:
NaNO 2 +NH 4 Cl = N 2 + NaCl +2H 2 O
Основной способ получения фосфора – из фосфата кальция:
Ca 3 (PO 4) 2 +3SiO 2 +5C = 3CaSiO 3 +5CO +2P
Основные химические свойства неметаллов (общие для всех) – это:
— взаимодействие с металлами
2Na + Cl 2 = 2NaCl
6Li + N 2 = 2Li 3 N
2Ca + O 2 = 2CaO
— взаимодействие с другими неметаллами
3H 2 + N 2 = 2NH 3
H 2 + Br 2 = 2HBr
4P + 5O 2 = 2P 2 O 5
2F 2 + O 2 = 2OF 2
S + 3F 2 = SF 6 ,
C + 2Cl 2 = CCl 4
Каждый неметалл обладает специфическими химическими свойствами, характерными только для него, которые подробно рассматривают при изучении каждого неметалла в отдельности.
ПРИМЕР 1
| Задание | Осуществите ряд превращений S→H 2 S→SO 2 →SO 3 →H 2 SO 4 |
| Решение | S + H 2 = H 2 S
2H 2 S + 3O 2 = 2SO 2 + 2H 2 O 2SO 2 + O 2 = 2SO 3 SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4 |
Это определение оставляет в стороне элементы VIII группы главной подгруппы - инертные или благородные газы, атомы которых имеют завершенный внешний электронный слой. Электронная конфигурация атомов этих элементов такова, что их нельзя отнести ни к металлам, ни к неметаллам. Они являются теми объектами, которые в естественной системе четко разделяют элементы на металлы и неметаллы, занимая между ними пограничное положение. Инертные или благородные газы («благородство» выражается в инертности) иногда относят к неметаллам, но чисто формально, по физическим признакам. Эти вещества сохраняют газообразное состояние вплоть до очень низких температур.
Инертность в химическом отношении у этих элементов относительна. Для ксенона и криптона известны соединения с фтором и кислородом . Несомненно, в образовании этих соединений инертные газы выступали в роли восстановителей.
Из определения неметаллов следует, что для их атомов характерны высокие значения электроотрнцательности. Оиа изменяется в пределах от 2 до 4. Неметаллы - это элементы главных подгрупп, преимущественно р элементы, исключение составляет водород - s-элемент.
Все элементы-неметаллы (кроме водорода) занимают в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева верхний правый угол, образуя треугольник, вершиной которого является фтор.
Однако следует особо остановиться на двойственном положении водорода в Периодической системе: в I и VII группах главных подгрупп. Это не случайно. С одной стороны, атом водорода, подобно атомам щелочных металлов , имеет на внешнем (и единственном для него) электронном слое один электрон (электронная конфигурация 1s1), который он способен отдавать, проявляя свойства восстановителя.
В большинстве своих соединений водород, как и щелочные металлы, проявляет степень окисления +1, Но отдача электрона атомом водорода происходит труднее, чем у атомов щелочных металлов. С другой стороны, атому водорода, как и атомам галогенов, для завершения внешнего электронного слоя недостает одного электрона, поэтому атом водорода может принимать один электрон, проявляя свойства окислителя и характерную для галогена степень окисления -1 в гидридах - соединениях с металлами, подобных соединениям металлов с галогенами - галогенидам. Но присоединение одного электрона к атому водорода происходит труднее, чем у галогенов.
При обычных условиях водород Н2 - газ. Его молекула, подобно галогенам , двухатомна.
У атомов неметаллов преобладают окислительные свойства, то есть способность присоединять электроны. Эту способность характеризует значение электроотрицательности, которая закономерно изменяется в периодах и подгруппах (рис. 47).
Фтор - самый сильный окислитель, его атомы в химических реакциях не способны отдавать электроны, то есть проявлять восстановительные свойства.
Конфигурация внешнего электронного слоя
Другие неметаллы могут проявлять восстановительные свойства, хотя и в значительно более слабой степени по сравнению с металлами; в периодах и подгруппах их восстановительная способность изменяется в обратном порядке по сравнению с окислительной.
Химических элементов-неметаллов всего 161 Совсем немного, если учесть, что известно 114 элементов. Два элемента-неметалла составляют 76% от массы земной коры. Это кислород (49%) и кремний (27%). В атмосфере всодержнтся 0,03% от массы кислорода в земной коре. Неметаллы составляют 98,5% от массы растений, 97,6% от массы тела человека. Шесть неметаллов - С, Н, О, N, Р и S - биогенные элементы, которые образуют важнейшие органические вещества живой клетки: белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты. В состав воздуха, которым мы дышим, входят простые и сложные вещества, также образованные элемента ми-неметаллами (кислород О2, азот, углекислый газ СО2, водяные пары Н2О и др.).
Водород - главный элемент Вселенной. Многие космические объекты (газовые облака, звезды, в том числе и Солнце) более чем наполовину состоят из водорода. На Земле его, включая атмосферу, гидросферу и литосферу, только 0,88%. Но это по массе, а атомная масса водорода очень мала. Поэтому небольшое содержание его только кажущееся, и из каждых 100 атомов на Земле 17 - атомы водорода.
В простых веществах атомы неметаллов связаны кова-лентнон неполярной связью. Благодаря этому формируется более устойчивая электронная система, чем у изолированных атомов. При этом образуются одинарные (например, в молекулах водорода Н2, галогенов Ки, Вг2), двойные (например, в молекулах серы тронные (например, в молекулах азота ковалентные связи.
Как вам уже известно, простые вещества-неметаллы могут иметь:
1. Молекулярное строение. При обычных условиях большинство таких веществ представляют собой газы или твердые вещества и лишь единственный бром (Вг2) является жидкостью. Все эти вещества молекулярного строения, поэтому летучи. В твердом состоянии они легкоплавки из-за слабого межмолекулярвого взаимодействия, удерживающего их молекулы в кристалле, и способны к возгонке.
2. Атомное строение. Эти вещества образованы длинными цепями атомов. Из-за большой прочности ковалентных связей они, как правило, имеют высокую твердость, и любые изменения, связанные с разрушением ко-валентной связи в их кристаллах (плавление, испарение), совершаются с большой затратой энергии. Многие такие вещества имеют высокие температуры плавления и кипения, а летучесть их весьма мала. (На рисунке 47 подчеркнуты символы тех элементов-неметаллов, которые образуют только атомные кристаллические решетки.)
Многие элементы-неметаллы образуют несколько простых веществ - аллотропных модификаций. Как вы помните, это свойство атомов называют аллотропией. Аллотропия может быть связана и с разным составом молекул, и с разным строением кристаллов. Аллотропными модификациями углерода являются графит, алмаз, карбин, фуллерен (рис. 48).
Элементы-неметаллы, обладающие свойством аллотропии, обозначены на рисунке 47 звездочкой. Так что простых веществ-неметаллов гораздо больше, чем химических элементов- неметаллов.
Вы знаете, что дли большинства металлов, за редким исключением (золото , медь и некоторые другие), характерна серебристо-белая окраска. А вот у простых веществ-неметаллов гамма цветов значительно разнообразнее.
Несмотря на большие различия в физических свойствах неметаллов, все-таки нужно отметить и некоторые их общие черты. Все газообразные вещества, жидкий бром, а также типичные ковалентные кристаллы - диэлектрики, так как все внешние электроны их атомов использованы для образования химических связей. Кристаллы непластичны, и любая дефор-мация вызывает разрушение ковалентных связей. Большинство неметаллов не имеют металлического блеска.
Как мы уже отмечали, для атомов неметаллов, а следовательно, и для образованных ими простых веществ характерны как окислительные, так и восстановительные свойства.
1. Окислительные свойства неметаллов проявляются в первую очередь при их взаимодействии с металлами (как вы знаете, металлы всегда восстановители):
Окислительные свойства хлора Сl2 выражены сильнее, чем у серы, поэтому и металл Ре, который имеет в соединениях устойчивые степени окислеиия +2 b +3. окисляется им до более высокой степени окисления.
2. Большинство неметаллов проявляют окислительные свойства при взаимодействии с водородом. В результате образуются летучие водородные соединения.
3. Любой неметалл выступает в роли окислителя в реакциях с теми неметаллами, которые имеют более низкое значение элек-троотрицател ьности:
Электроотрицательность серы больше, чем у фосфора, поэтому она здесь проявляет окислительные свойства.
Электроотрицательность фтора больше, чем у всех остальных химических элементов, поэтому он проявляет свойства окислителя.
Фтор самый сильный окислитель из неметаллов, проявляет в реакциях только окислительные свойства.
4. Окислительные свойства неметаллы проявляют и в реакциях с некоторыми сложными веществами. Не только кислород, но и другие неметаллы также могут быть окислителями в реакциях со сложными веществами -неорганическими и органическими.
Сильный окислитель хлор Сl2 окисляет хлорид железа (II) в хлорид железа(III).
Вы помните, конечно, качественную реакцию на непредельные соединении - обесцвечивание бромной воды.
При рассмотрении реакции неметаллов друг с другом мы уже отмечали, что в зависимости от значений их электроотрицательности одни из них проявляет свойства окислителя, а другой - свойства восстановителя.
1. По отношению к фтору все неметаллы (даже кислород) проявляют восстановительные свойства.
2. Разумеется, неметаллы, кроме фтора, служит восстановителями при взаимодействии с кислородом:
8 Многие неметеллы могут выступать в роли восстановителя в реакциях со сложными веществами окислителями:
Существуют и такие реакции, в которых один и тот же неметалл является одновременно и окислителем, в восстановителем, это реакции самоокисления-самовосстановления.
Итак, подведем итоги! Большинство неметаллов могут выступал в химических реакциях как в роли окислителя, так и в роли восстановителя (восстановительные свойства не присущи одному только фтору).
Общим свойством всех неметаллов является образование летучих водородных соединений, в большинстве которых неметалл имеет низшую степень окисления .
Известно, что наиболее просто эти соединения можно получить непосредственно взаимодействием неметаллв е водородом, то есть синтезом.
Вм водородные соединении неметаллов обдоэоьаны коналентны-ми полярными свялямн, имеют молекулярное строение и при обычных условиях является газами, кроме воды (жидкость). Лла водородных соединений неметаллов характерно рвалнчное отношение к воде. Метай и енлан в ней практмческя нерастворимы. Аммиак при расстворении в воде образует слябое основание - гидрат аммиака.
Кроме рассмотренных свойств, водородные соединения неметаллов в окислительно-восстановительных реакциях всегда проявляют свойства восстановителен, ведь в них неметалл имеет низшую степень окисления.
В оксидах неметаллов связь между атомами ковалентная полярная. Среди оксидов молекулярного строения есть газообразные, жидкие (летучие), твердые (летучие).
Оксиды неметаллов делят на две группы: несолеобразующие и голеобразующие. При растворении кислотных оксидов в воде образуются гидраты оксидов - гидроксиды, по своему характеру являющиеся кислотами. Кислоты и кислотные оксиды в результате химических реакций образуют соли, в которых неметалл сохраняет степень окисления.
Оксиды и соответствующие им гидроксиды - кислоты, в которых неметалл проявляет степень окисления, равную номеру группы, то есть высшее ее значение, называют высшими. При рассмотрении Периодического закона мы уже характеризовали их состав и свойства.
усиление кислотных свойств оксидов и шдронепдоп В пределах одной главной подгруппы, например, VI группы действует следующая закономерность изменения свойств высших оксидов и гидроксидов.
Если неметалл образует два или более кислотных оксидов, а значит, и соответствующих кислородсодержащих кислот, то их кислотные свойства усиливаются с увеличением степени оксиления неметалла.
Оксиды и кислоты, в которых неметалл имеет высшую степень окисления, могут чроявлять только окислительные свойства.
Оксиды и кислоты, где неметалл имеет промежуточную степень окисления, могут проявлять и окислительные, и восстановительные свойства.
1. К каким электронным семействам откосят элементы-неметаллы?
2. Какие элементы-неметаллы являются биогенными?
3. Какие факторы определяют валентные возможности ато-ыов неметаллов? Рассмотрите их на примере атомов кислорода и серы.
4. Почему одни неметаллы при обычных условиях - газы, другие - твердые тугоплавкие вещества?
5. Приведите примеры простых веществ-неметаллов, существующих при обычных условиях в разном агрегатном состоянии: а) газообразном, б) жидком, в) твердом.
6. Составьте уравнения окислительно-восстановительных реакций с участием неметаллов. Какие свойство (окислительные или восстановительные) проявляют в этих реакциях неметаллы?
По какой причине очень сильно различаются температуры кипения воды и сероводорода, но близки между собой температуры кипения серо- и селеноводорода?
7. Почему метан устойчив на воздухе, а силен на воздухе самовозгорается: фтороводород устойчив к нагреванию, иодо-водород уже при слабом нагревании разлагается на иод и водород?
8. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие переходы:
9. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие переходы:
12. Через раствор, содержащий 10 г едкого натра, пропустили 20 г сероводорода. Какая соль и в какой количестве получится?
Ответ: 0.25 моль NaHS.
14. При обработке 30 г известняка соляной кислотой получилось 11 г углекислого газа. Какова массовая доля карбоната кальция в природном известняке? Ответ: 83.3%.
15. Применяемая в медицине йодная настойкп является 51% ным раствором кристаллического иода в этиловом спирте. Какой объем спирта, плотность которого 0.8 г/мл. требуется для приготовления 250 г такого раствора?
Ответ: 297 мл.
16. Смесь кремния, графита и карбоната кальция.массой 34 г обработали раствором гидроксида натрия п получили 22.4 л газа (н. у.). При обработке такой порции смеси соляной кислотой получили 2.24 л газа (н. у.). Определите массовый состав смеси.
Ответ: 14 г 81: 10 г С; 10 г СаСО2.
17. Газообразный аммиак объемом 2.24 л (н. у.) поглощен 20 г раствора фосфорной кислоты с массовой долей 49%. Какая соль образовалась, какова ее масса?
Ответ: 11,5г
19. Какой объем аммиака требуется для получения 6,3 т азотной кислоты, считая потери в производстве равными 5%?
Ответ: 2352 м3.
20. Из природного газа объемом 300 л (н. у.) с объемной долей метана в газе 96% получили ацетилен. Определите его объем, если выход продукта 65%.
Ответ: 93.6 л.
21. Определите структурную формулу углеводорода с плотностью паров по воздуху 1,862 и массовой долей углерода 88,9%. Известно, что углеводород взаимодействует с аммиачным раствором оксида серебра.
Неметаллы в жизни человека играют огромную роль, так как без них невозможна жизнь не только человека, но и других живых организмов. Ведь благодаря таким неметаллическим элементам, как кислород, углерод, водород и азот, образуются аминокислоты, из которых затем образуются белки, без чего не может существовать все живое на Земле.
Давайте внимательно рассмотрим картинку внизу, на которой представлены основные неметаллы:
А теперь давайте рассмотрим некоторые неметаллы более подробно и узнаем их значение, которое они играют в жизни человека и в его организме.
Полноценная жизнь человека зависит от воздуха, которым он дышит, а в воздухе содержатся неметаллы и соединения между ними. Обеспечением важнейших функций нашего организма, занимается кислород, а азот и другие газообразные вещества его разбавляют, и тем самым защищают наши дыхательные пути. Ведь, с курса биологий вам уже известно, что все защитные функции организма тесно связаны с наличием кислорода.
От проникновения губительного УФ излучения, на защиту нашего организма становиться озон.
Такой необходимый микроэлемент, как сера, в организме человека выступает в роли минерала красоты, так как благодаря ней, кожа, ногти и волосы, будут оставаться здоровыми. Также, не стоит забывать, что сера принимает участие в формировании хрящевой и костных тканей, помогает улучшить работу суставов, укрепляет нашу мышечную ткань и выполняет еще много других функций, которые очень важны для здоровья человека.
Анионы хлора также играют важную биологическую роль для человека, так как принимают участие в активизации некоторых ферментов. С их помощью поддерживается благоприятная среда в желудке и поддерживается осмотическое давление. Хлор, как правило, попадает в организм человека, благодаря поваренной соли при приеме пищи.
Помимо важных качеств, которые неметаллы оказывают на человеческий организм, и другие живые организмы, эти вещества применяют и в других различных отраслях.
Водород
Такая разновидность неметаллов, как водород, широко применяется в химической промышленности. Его используют для синтеза аммиака, метанола, хлороводорода, а также для гидрогенизации жиров. Также, не обойтись без участия водорода, в качестве восстановителя и при производстве многих металлов и их соединений.
Широко применяется водород и в медицине. При обработке ран и для остановки мелких кровотечений используют трех процентный раствор перекиси водорода.
Хлор
Для производства соляной кислоты, каучука, винилхлорида, пластмасс, а также и многих органических веществ, применяют хлор. Его используют в таких промышленностях, как текстильная и бумажная, в качестве отбеливающего средства. На бытовом уровне, хлор незаменим для обеззараживания питьевой воды, так как, обладая окислительными свойствами, он имеет сильное дезинфицирующее действие. Такими же свойствами обладают и хлорная вода, и известь.
В медицинских целях, как правило, в качестве физраствора, используется хлорид натрия. На его основе производят многие водорастворимые лекарства.
Сера
Такой неметалл, как сера, используют для производства серной кислоты, пороха, спичек. Также он применяется при вулканизации каучука. Ее применяют в производстве красителей и люминофоров. А коллоидная сера необходима в медицине.
Сера нашла применение и в сельском хозяйстве. Ее используют, как фунгицид, для борьбы с различными вредителями.
В синтезе полимерных материалов, а также для изготовления различных медицинских препаратов, широкое применение получили и такие неметаллы, как йод и бром.
