Химические
свойства неметаллов
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.
Неметаллы как окислители
Окислительные свойства неметаллов
проявляются при их взаимодействии:
· с металлами: 2Na + Cl 2 = 2NaCl;
· с водородом: H 2 + F 2 = 2HF;
· с неметаллами, которые имеют более низкую электроотрицательность: 2Р + 5S = Р 2 S 5 ;
· с некоторыми сложными веществами: 4NH 3 + 5O 2 = 4NO + 6H 2 O,
2FeCl 2 + Cl 2 = 2 FeCl 3 .
Неметаллы как восстановители1. Все неметаллы (кроме фтора) проявляют восстановительные свойства при взаимодействии с кислородом:
S + O 2 = SO 2 , 2H 2 + O 2 = 2H 2 О.
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 (Cl 2 O, ClO 2 , Cl 2 O 2), 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 + 6HNO 3 конц = H 2 SO 4 + 6NO 2 + 2H 2 О .
3. Существуют и такие реакции, в которых один и тот же неметалл является одновременно и окислителем и восстановителем:
Cl 2 + H 2 О = HCl + HClO.
4. Фтор ― самый типичный неметалл, которому нехарактерны восстановительные свойства, т. е. способность отдавать электроны в химических реакциях.
Соединения неметалловНеметаллы могут образовывать соединения с разными внутримолекулярными связями.
Виды соединений неметаллов
Общие формулы водородных соединений по группам периодической системы химических элементов приведены в таблицe :
|
RH 2 |
RH 3 |
RH 4 |
RH 3 |
H 2 R |
||
|
Нелетучие водородные соединения
|
Летучие водородные соединения
|
|||||
С кислородом неметаллы образуют кислотные оксиды. В одних оксидах они проявляют максимальную степень окисления, равную номеру группы (например, SO 2 , N 2 O 5), а других ― более низкую (например, SO 2 , N 2 O 3). Кислотным оксидам соответствуют кислоты, причем из двух кислородных кислот одного неметалла сильнее та, в которой он проявляет более высокую степень окисления. Например, азотная кислота HNO 3 сильнее азотистой HNO 2 , а серная кислота H 2 SO 4 сильнее сернистой H 2 SO 3 .
Характеристики кислородных соединений неметаллов
1. 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.
2. В группах сверху вниз кислотные свойства высших оксидов постепенно ослабевают. Об этом можно судить по свойствам кислот, соответствующих этим оксидам.
3. Возрастание кислотных свойств высших оксидов соответствующих элементов в периодах слева направо объясняется постепенным возрастанием положительного заряда ионов этих элементов.
4. В главных подгруппах периодической системы химических элементов в направлении сверху вниз кислотные свойства высших оксидов неметаллов уменьшаются.
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.
Нахождение неметаллов в природе
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.
Физические свойства неметаллов
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.
Положение неметаллов в Периодической системе Д.И. Менделеева
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.
Получение неметаллов
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
Химические свойства неметаллов
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.
Примеры решения задач
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 |
Взаимодействие с металлами:
2Na + S = Na 2 S
- взаимодействие с водородом (образуются летучие водородные соединения):
H 2 + Cl 2 = 2HCl
- любой неметалл выступает в роли окислителя в реакциях с теми неметаллами, которые имеют более низкое значение электроотрицательности:
2P + 3Cl 2 = 2PCl 3
- взаимодействие со сложными веществами:
CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O
Восстановительные свойства
Взаимодействие с кислородом (исключение – фтор):
4P + 5O 2 = 2P 2 O 5
- взаимодействие со сложными веществами-окислителями:
S + 6HNO 3 = H 2 SO 4 + 6NO2? + 2H 2 O.
При взаимодействии с неметаллами концентрированная серная кислота восстанавливается до SO 2 .
Реакция диспропорционирования
Характерна для активных неметаллов. Протекает в щелочной среде:
3I 2 + 6NaOH = 5NaI + NaIO 3 + 3H 2 O.
Общая характеристика. Из всех известных в настоящее время элементов около 80% относятся к металлам: s-элементы I и II групп, все d- и f- элементы и ряд p-элементов главных подгрупп периодической системы. Наиболее типичные металлы расположены в начале периодов (кроме первого). Главной особенностью элементов-металлов является наличие у них на внешних энергетических уровнях небольшого числа электронов.(1,2,3).
В природе металлы встречаются как в свободном виде, так и в виде соединений. В свободном виде существуют химически менее активные, трудно окисляющиеся кислородом металлы: платина, золото, серебро, ртуть, медь и др. Все металлы, за исключением ртути, при обычных условиях твердые вещества с характерным блеском, хорошо проводят электрический ток и тепло. Большинство металлов может коваться, тянуться и прокатываться. По цвету, все металлы условно подразделяются на две группы: черные и цветные. По плотности различают металлы легкие (ρ < 5) и тяжелые (ρ > 5). Примером легких металлов служат калий, натрий, кальций,алюминий и др. К тяжелым металлам относятся осмий, олово, свинец, никель, ртуть, золото, платина и т.д. Температура плавления металлов также различна: от -38.9 °С (ртуть) до 3380 °С (вольфрам). Металлы могут отличаться и по твердости: самыми мягкими металлами являются натрий и калий (режутся ножом), а самыми твердыми – никель, вольфрам, хром (последний режет стекло). Тепло и электричество различные металлы проводят неодинаково: лучшим проводником электричества является серебро, худшим – ртуть.
В расплавленном состоянии металлы могут распределяться друг в друге, образуя сплавы. Большинство расплавленных металлов могут смешиваться друг с другом в неограниченных количествах. При смешивании расплавленных металлов происходит либо простое растворение расплавов одного металла в другом, либо металлы вступают в химическое соединение. Чаше всего сплавы представляют собой смеси свободных металлов с их химическими соединениями. В состав сплавов могут входить также и неметаллы (чугун – сплав железа с углеродом). Свойства металлов существенно отличаются от свойств составляющих их элементов.
Известно, что у металлов на внешнем энергетическом уровне (ВЭУ) имеется 1-3 валентных электрона. Поэтому они сравнительно легко отдают свои электроны неметаллам, у которых на ВЭУ 5-7 электронов. Так, металлы непосредственно реагируют с галогенами. Большинство Ме хорошо реагируют с кислородом (исключая золото, платину, серебро), образуя оксиды и пероксиды; взаимодействуют с серой с образованием сульфидов. Щелочные ищелочноземельные металлы легко реагируют с водой с образованием растворимых в ней щелочей. Металлы средней активности реагируют с водой только при нагревании. Малоактивные металлы с водой вообще не реагируют. Большинство металлов растворяется в кислотах. Однако химическая активность различных металлов различна. Она определяется легкостью атомов металла отдавать валентные электроны.
Квантовые числа электрона
Квантовое число n – главное . Оно определяет энергию электрона в атоме водорода и одноэлектронных системах (He +, Li 2+ и т. д.). В этом случае энергия электрона
Орбитальное квантовое числоl характеризует форму орбиталей и принимает значения от 0 до n – 1. Кроме числовых l имеет буквенные обозначения
| l | = | … | |||||
| l | = | s | p | d | f | g | … |
Электроны с одинаковым значением l образуют подуровень.
Квантовое число l определяет квантование орбитального момента количества движения электрона в сферически симметричном кулоновском поле ядра.
Квантовое число m l называют магнитным . Оно определяет пространственное расположение атомной орбитали и принимает целые значения от –l до +l через нуль, то есть 2l + 1 значений. Расположение орбитали характеризуется значением проекции вектора орбитального момента количества движения M z на какую-либо ось координат (обычно осьz ):
Орбитали одного подуровня (l = const) имеют одинаковую энергию. Такое состояние называют вырожденным по энергии . Так p -орбиталь – трехкратно, d – пятикратно, а f – семикратно вырождены.
Граничные поверхности s -, p -, d -, f - орбиталей показаны на рис. 2.1.
s -Орбитали сферически симметричны для любого n и отличаются друг от друга только размером сферы. Их максимально симметричная форма обусловлена тем, что при l = 0 и μ l = 0.
p -Орбитали существуют при n ≥ 2 и l = 1, поэтому возможны три варианта ориентации в пространстве: m l = –1, 0, +1. Все p-орбитали обладают узловой плоскостью, делящей орбиталь на две области, поэтому граничные поверхности имеют форму гантелей, ориентированных в пространстве под углом 90° друг относительно друга. Осями симметрии для них являются координатные оси, которые обозначаются p x , p y , p z .
d -Орбитали определяются квантовым числом l = 2 (n ≥ 3), при котором m l = –2, –1, 0, +1, +2, то есть характеризуются пятью вариантами ориентации в пространстве. d -Орбитали, ориентированные лопастями по осям координат, обозначаются d z ² и d x ²–y ², а ориентированные лопастями по биссектрисам координатных углов – d xy , d yz , d xz .
Семь f -орбиталей , соответствующих l = 3 (n ≥ 4), изображаются в виде граничных поверхностей, приведенных на рис. 2.1.
Квантовые числа n , l и m l не полностью характеризуют состояние электрона в атоме. Экспериментально установленно, что электрон имеет еще одно свойство – спин. Упрощенно спин можно представить как вращение электрона вокруг собственной оси. Спиновое квантовое числоm s имеет только два значения m s = ±1/2, представляющие собой две проекции углового момента электрона на выделенную ось. Электроны с разными m s обозначаются стрелками, направленными вверх и вниз .
В многоэлектронных атомах, как и в атоме водорода, состояние электрона определяется значениями тех же четырех квантовых чисел, однако в этом случае электрон находится не только в поле ядра, но и в поле других электронов. Поэтому энергия в многоэлектронных атомах определяется не только главным, но и орбитальным квантовым числом, а вернее их суммой: энергия атомных орбиталей возрастает по мере увеличения суммы n + l ; при одинаковой сумме сначала заполняется уровень с меньшим n и большим l . Энергия атомных орбиталей возрастает согласно ряду
| 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s ≈ 3d < 4p < 5s ≈ 4d < 5p < 6s ≈ 4f ≈ 5d < 6p < 7s ≈ 5f ≈ 6d < 7p . |
Итак, четыре квантовых числа описывают состояние электрона в атоме и характеризуют энергию электрона, его спин, форму электронного облака и его ориентацию в пространстве. При переходе атома из одного состояния в другое происходит перестройка электронного облака, то есть изменяются значения квантовых чисел, что сопровождается поглощением или испусканием атомом квантов энергии.
Современная формулировка периодического закона
такова:
«свойства химических элементов (т.е. свойства и форма образуемых ими соединений) находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов химических элементов».
Таблица Менделеева
Периодическая таблица Менделеева состоит из 8 групп и 7 периодов.
Вертикальные столбцы таблицы называют группами . Элементы, внутри каждой группы, обладают сходными химическими и физическими свойствами. Это объясняется тем, что элементы одной группы имеют сходные электронные конфигурации внешнего слоя, число электронов на котором равно номеру группы. При этом группа разделяется на главные и побочные подгруппы .
В Главные подгруппы входят элементы, у которых валентные электроны располагаются на внешних ns- и np- подуровнях. В Побочные подгруппы входят элементы, у которых валентные электроны располагаются на внешнем ns- подуровне и внутреннем (n - 1) d- подуровне (или (n - 2) f- подуровне).
Все элементы в периодической таблице , в зависимости от того, на каком подуровне (s-, p-, d- или f-) находятся валентные электроны классифицируются на: s- элементы (элементы главной подгруппы I и II групп), p- элементы (элементы главных подгрупп III - VII групп), d- элементы (элементы побочных подгрупп), f- элементы (лантаноиды, актиноиды).
Высшая валентность элемента (за исключением O, F, элементов подгруппы меди и восьмой группы) равна номеру группы, в которой он находится.
Для элементов главных и побочных подгрупп одинаковыми являются формулы высших оксидов (и их гидратов). В главных подгруппах состав водородных соединений являются одинаковыми, для элементов, находящихся в этой группе. Твердые гидриды образуют элементы главных подгрупп I - III групп, а IV - VII групп образуют а газообразные водородные соединения. Водородные соединения типа ЭН 4 – нейтральнее соединения, ЭН 3 – основания, Н 2 Э и НЭ - кислоты.
Горизонтальные ряды таблицы называют периодами . Элементы в периодах отличаются между собой, но общее у них то, что последние электроны находятся на одном энергетическом уровне (главное квантовое число n - одинаково).
Первый период отличается от других тем, что там находятся всего 2 элемента: водород H и гелий He.
Во втором периоде находятся 8 элементов (Li - Ne). Литий Li – щелочной металл начинает период, а замыкает его благородный газ неон Ne.
В третьем периоде, также как и во втором находятся 8 элементов (Na - Ar). Начинает период щелочной металл натрий Na, а замыкает его благородный газ аргон Ar.
В четвёртом периоде находятся 18 элементов (K - Kr) – Менделеев его обозначил как первый большой период. Начинается он также с щелочного металла Калий, а заканчивается инертным газом криптон Kr. В состав больших периодов входят переходные элементы (Sc - Zn) - d- элементы.
В пятом периоде, аналогично четвертому находятся 18 элементов (Rb - Xe) и структура его сходна с четвёртым. Начинается он также с щелочного металла рубидий Rb, а заканчивается инертным газом ксенон Xe. В состав больших периодов входят переходные элементы (Y - Cd) - d- элементы.
Шестой период состоит из 32 элементов (Cs - Rn). Кроме 10 d -элементов (La, Hf - Hg) в нем находится ряд из 14 f -элементов(лантаноиды)- Ce - Lu
Седьмой период не закончен. Он начинается с Франций Fr, можно предположить, что он будет содержать, также как и шестой период, 32 элемента. Но найдено пока только 24 (до элемента с Z = 110). Сюда входят 14 f -элементов, которые относятся к актиноидам.
Периодический закон
Менделеев дал следующую формулировку Периодического закона: «свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса».
Существует четыре основных периодических закономерности:
Правило октета
утверждает, что все элементы стремятся приобрести или потерять электрон, чтобы иметь восьмиэлектронную конфигурацию ближайшего благородного газа. Т.к. внешние s- и p-орбитали благородных газов полностью заполнены, то они являются самыми стабильными элементами.
Энергия ионизации
– это количество энергии, необходимое для отрыва электрона от атома. Согласно правилу октета, при движении по периодической таблице слева направо для отрыва электрона требуется больше энергии. Поэтому элементы с левой стороны таблицы стремятся потерять электрон, а с правой стороны – его приобрести. Самая высокая энергия ионизации у инертных газов. Энергия ионизации уменьшается при движении вниз по группе, т.к. у электронов низких энергетических уровней есть способность отталкивать электроны с более высоких энергетических уровней. Это явление названо эффектом экранирования
. Благодаря этому эффекту внешние электроны мене прочно связаны с ядром. Двигаясь по периоду энергия ионизации плавно увеличивается слева направо.
Сродство к электрону – изменение энергии при приобретении дополнительного электрона атомом вещества в газообразном состоянии. При движении по группе вниз сродство к электрону становится менее отрицательным вследствие эффекта экранирования.
атомный радиус. За радиус свободного атома принимают положение главного максимума плотности внешних электронных оболочек. Это так называемый орбитальный радиус . При изучении строения молекул и кристаллов атомы и ионы можно рассматривать как имеющие некий эффективный радиус, зависящий от типа химической связи. Если рассматривать только относительные величины атомных радиусов, то легко обнаружить периодичность их зависимости от номера элемента.
В периодах орбитальные атомные радиусы по мере увеличения заряда ядра Z в общем монотонно уменьшаются из-за роста степени взаимодействия внешних электронов с ядром.
В подгруппах радиусы в основном увеличиваются из-за возрастания числа электронных оболочек.
У s - и p -элементов изменение радиусов как в периодах, так и в подгруппах более ярко, чем у d - и f -элементов, поскольку d - и f -электроны внутренние. Уменьшение радиусов у d - и f-элементов в периодах называется d - и f -сжатием . Следствием f -сжатия является то, что атомные радиусы электронных аналогов d -элементов пятого и шестого периодов практически одинаковы
Энергией ионизации атома I называется количество энергии, необходимое для отрыва электрона от невозбужденного атома или иона.
Энергия ионизации I выражается в кДж∙моль –1 или эВ∙атом –1 . Значение I в электронвольтах численно равно потенциалу ионизации, выраженному в вольтах, поскольку E = e - ·I .
Э + – e – = Э + , ΔH = I 1 – первый потенциал ионизации; Э – e – = Э 2+ , ΔH = I 2 – второй потенциал ионизации и т.д. I 1 < I 2 < I 3 < I 4 ...
Энергия ионизации определяет характер и прочность химической связи и восстановительные свойства элементов.
Энергия сродства к электрону. Другой важной в химии характеристикой атома является энергия сродства к электрону – энергия, выделяющаяся при присоединении электрона к нейтральному атому. Чем больше электронное сродство, тем более сильным окислителем является данный элемент. Экспериментальное определение энергии сродства к электрону E значительно сложнее, чем определение энергии ионизации. Величины E (в эВ) для некоторых атомов приведены ниже:
Немонотонность изменения сродства к электрону в периоде также обусловлена сравнительной устойчивостью полностью и наполовину заполненных подоболочек. Самый сильный из всех элементарных окислителей – фтор (он обладает и самым малым атомным радиусом из всех элементов VII группы).
Отметим, что в отличие от ионизации присоединение двух и более электронов энергетически затруднено, и многозарядные одноатомные отрицательные ионы в свободном состоянии не существуют.
Окислительной способностью не обладают нейтральные атомы с устойчивыми конфигурациями s 2 и s 2 p 6 и переходные элементы. У остальных элементов в таблице Менделеева окислительная способность нейтральных атомов повышается слева направо и снизу вверх.
В периодах электроотрицательность растет, а в группах уменьшается с ростом Z , то есть растет от Cs к F по диагонали периодической системы. Это обстоятельство до некоторой степени определяет диагональное сходство элементов.
В главных и побочных подгруппах свойства элементов меняются немонотонно, что обусловлено так называемой вторичной периодичностью , связанной с влиянием d - и f -электронных слоев.
Из анализа периодичности геометрических и энергетических параметров атомов следует, что периодическим законом можно пользоваться для определения физико-химических констант, предсказывать изменение радиусов, энергий ионизации и сродства к электрону, и, следовательно, кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства их соединений.
Ковалентная связь – наиболее общий вид химической связи, возникающий за счет обобществления электронной пары посредством обменного механизма , когда каждый из взаимодействующих атомов поставляет по одному электрону, или по донорно-акцепторному механизму , если электронная пара передается в общее пользование одним атомом (донором) другому атому (акцептору) (рис. 3.2).
Классический пример неполярной ковалентной связи (разность электроотрицательностей равна нулю) наблюдается у гомоядерных молекул: H–H, F–F. Энергия двухэлектронной двухцентровой связи лежит в пределах 200–2000 кДж∙моль –1 .
При образовании гетероатомной ковалентной связи электронная пара смещена к более электроотрицательному атому, что делает такую связь полярной. Ионность полярной связи в процентах вычисляется по эмпирическому соотношению 16(χ A – χ B) + 3,5(χ A – χ B) 2 , где χ A и χ B – электроотрицательности атомов А и В молекулы АВ. Кроме поляризуемости ковалентная связь обладает свойством насыщаемости – способностью атома образовывать столько ковалентных связей, сколько у него имеется энергетически доступных атомных орбиталей. О третьем свойстве ковалентной связи – направленности – речь пойдет ниже (см. метод валентных связей).
Ионная связь – частный случай ковалентной, когда образовавшаяся электронная пара полностью принадлежит более электроотрицательному атому, становящемуся анионом. Основой для выделения этой связи в отдельный тип служит то обстоятельство, что соединения с такой связью можно описывать в электростатическом приближении, считая ионную связь обусловленной притяжением положительных и отрицательных ионов. Взаимодействие ионов противоположного знака не зависит от направления, а кулоновские силы не обладают свойством насыщености. Поэтому каждый ион в ионном соединении притягивает такое число ионов противоположного знака, чтобы образовалась кристаллическая решетка ионного типа. В ионном кристалле нет молекул. Каждый ион окружен определенным числом ионов другого знака (координационное число иона). Ионные пары могут существовать в газообразном состоянии в виде полярных молекул. В газообразном состоянии NaCl имеет дипольный момент~3∙10 –29 Кл∙м, что соответствует смещению 0,8 заряда электрона на длину связи 0,236 нм от Na к Cl, т. е. Na 0,8+ Cl 0,8– .
Металлическая связь возникает в результате частичной делокализации валентных электронов, которые достаточно свободно движутся в решетке металлов, электростатически взаимодействуя с положительно заряженными ионами. Силы связи не локализованы и не направлены, а делокализированные электроны обусловливают высокую тепло- и электропроводность.
Водородная связь . Ее образование обусловленно тем, что в результате сильного смещения электронной пары к электроотрицательному атому атом водорода, обладающий эффективным положительным зарядом, может взаимодействовать с другим электроотрицательным атомом (F, O, N, реже Cl, Br, S). Энергия такого электростатического взаимодействия составляет 20–100 кДж∙моль –1 . Водородные связи могут быть внутри- и межмолекулярными . Внутримолекулярная водородная связь образуется, например, в ацетилацетоне и сопровождается замыканием цикла (рис. 3.3).
Молекулы карбоновых кислот в неполярных растворителях димеризуются за счет двух межмолекулярных водородных связей (рис. 3.4).
Исключительно важную роль водородная связь играет в биологических макромолекулах, таких неорганических соединениях как H 2 O, H 2 F 2 , NH 3 . За счет водородных связей вода характеризуется столь высокими по сравнению с H 2 Э (Э = S, Se, Te) температурами плавления и кипения. Если бы водородные связи отсутствовали, то вода плавилась бы при –100 °С, а кипела при –80 °С.
Ван-дер-ваальсова (межмолекулярная) связь – наиболее универсальный вид межмолекулярной связи, обусловлен дисперсионными силами (индуцированный диполь – индуцированный диполь), индукционным взаимодействием (постоянный диполь – индуцированный диполь) и ориентационным взаимодействием (постоянный диполь – постоянный диполь). Энергия ван-дер-ваальсовой связи меньше водородной и составляет 2–20 кДж∙моль –1 .
КОВАЛЕНТНАЯ СВЯЗЬ
Осуществляется за счет электронной пары, принадлежащей обоим атомам. Различают обменный и донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи.
1) Обменный механизм . Каждый атом дает по одному неспаренному электрону в общую электронную пару:
2) Донорно-акцепторный механизм . Один атом (донор) предоставляет электронную пару, а другой атом (акцептор) предоставляет для этой пары свободную орбиталь;
Два атома могут обобществлять неcколько пар электронов. В этом случае говорят о кратных связях:
Если электронная плотность расположена симметрично между атомами, ковалентная связь называется неполярной .
Если электронная плотность смещена в сторону одного из атомов, то ковалентная связь называется полярной .
Полярность связи тем больше, чем больше разность электроотрицательностей атомов.
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
| Группа | I | III | IV | V | VI | VII | VIII |
| Первый период | H | He | |||||
| Второй период | B | C | N | O | F | Ne | |
| Третий период | Si | P | S | Cl | Ar | ||
| Четвертый период | As | Se | Br | Kr | |||
| Пятый период | Te | I | Xe | ||||
| Шестой период | At | Rn |
Неметаллы - это элементы, значительно отличающиеся физическими и химическими свойствами от металлов. Подробно объяснить причину их различий смогли только в конце XIX века, после открытия электронного строения атома. В чем же особенность неметаллов? Какие качества характерны дня них? Давайте разберемся.
Неметаллы - это что?
Подход к разделению элементов на металлы и неметаллы давно существует в научной среде. К первым в периодической таблице Менделеева обычно относят 94 элемента. Неметаллы Менделеева включают 22 элемента. В они занимают верхний правый угол.
В свободном виде неметаллы - это простые вещества, главной чертой которых является отсутствие характерных металлических свойств. Они могут находиться во всех агрегатных состояниях. Так, йод, фосфор, сера, углерод встречаются в виде твердых веществ. Газообразное состояние характерно для кислорода, азота, фтора и т. д. Жидкостью является только бром.
В природе элементы неметаллы могут существовать как в виде простых веществ, так и в виде соединений. В несвязанном виде встречаются сера, азот, кислород. В соединениях они образуют бораты, фосфаты и т. д. В таком виде они присутствуют в минералах, воде, горных породах.
Отличие от металлов
Неметаллы - это элементы, отличающиеся от металлов внешним видом, строением и химическими свойствами. Они обладают большим числом неспаренных электронов на внешнем уровне, а значит, более активны в окислительных реакциях и легче присоединяют к себе дополнительные электроны.
Характерное различие между элементами наблюдается в строении кристаллической решетки. У металлов она металлическая. У неметаллов она может быть двух видов: атомная и молекулярная. Атомная решетка придает веществам твердость и повышает температуру плавления, она свойственна кремнию, бору, германию. Молекулярной решеткой обладают хлор, сера, кислород. Она придает им летучесть и небольшую твердость.
Внутреннее строение элементов определяет их физические свойства. Металлы имеют характерный блеск, хорошую проводимость тока и тепла. Они твердые, пластичные, поддаются ковке, имеют небольшой цветовой диапазон (черный, оттенки серого, иногда желтоватый цвет).
Неметаллы - это жидкие, газообразные или не обладающие блеском и ковкостью. Их цвета сильно варьируются и могут быть красными, черными, серыми, желтыми и т. д. Почти все неметаллы плохо проводят ток (кроме углерода) и тепло (кроме черного фосфора и углерода).
Химические свойства неметаллов
В химических реакциях неметаллы могут исполнять роль как окислителей, так и восстановителей. При взаимодействии с металлами они принимают на себя электроны, проявляя таким образом окислительные свойства.
Взаимодействуя с другими неметаллами, они ведут себя по-разному. В таких реакциях менее электроотрицательный элемент проявляет себя как восстановитель, более электроотрицательный выступает окислителем.
С кислородом почти все (кроме фтора) неметаллы проявляют себя восстановителями. При взаимодействии с водородом многие являются окислителями, образуя впоследствии летучие соединения.
Часть элементов неметаллов обладает способностью образовывать несколько простых веществ или модификаций. Это явление называется аллотропией. Например, углерод существует в форме графита, алмаза, карбина и других модификаций. У кислорода их две - озон и собственно кислород. Фосфор бывает красный, черный, белый и металлический.
Неметаллы в природе
В разном количестве неметаллы находятся повсюду. Они входят в состав земной коры, являются частью атмосферы, гидросферы, присутствуют во Вселенной и в живых организмах. В космическом пространстве самыми распространенными являются водород и гелий.
В пределах Земли ситуация совсем иная. Наиболее важные составляющие земной коры - кислород и кремний. Они составляют больше 75 % от её массы. А вот наименьшее количество приходится на йод и бром.
В составе морской воды на кислород приходится 85,80 %, а на водород - 10,67 %. Её состав также включает хлор, серу, бор, бром, углерод, фтор и кремний. В составе атмосферы первенство принадлежит азоту (78 %) и кислороду (21 %).
Неметаллы, такие как углерод, водород, фосфор, сера, кислород и азот, представляют собой важные органические вещества. Они поддерживают жизненную активность всех живых существ на нашей планете, в том числе и людей.