Расположение неметаллов в таблице. Металлы и неметаллы

Положение неметаллов в периодической системе.

Самой первой научной классификацией химических элементов было деление их на металлы и неметаллы. Эта классификация не потеряла своей значимости и в настоящее время.

Из 118 известных на данный момент химических элементов 22 элемента образуют простые вещества, обладающие неметаллическими свойствами.

Неметаллы располагаются в III-VII группах. По физическим свойствам к неметаллам следует отнести также VIIIА группу, или группу благородных газов. Неметаллы образуют p -элементы, а также водород и гелий, являющиеся s -элементами. В длиннопериодной таблице p -элементы, образующие неметаллы, располагаются правее и выше условной границы B-At.

Неметаллы - это химические элементы, для атомов которых характерна способность принимать электроны до завершения внешнего слоя благодаря наличию, как правило, на внешнем электронном слое четырех и более электронов и малому радиусу атомов по сравнению с атомами металлов.

2. Особенности строения атомов неметаллов.

У большинства атомов неметаллов от четырех до восьми валентных электронов во внешнем слое, но у атома водорода - один, у атома гелия - два, а у атома бора - три валентных электрона, небольшой радиус атома (орбитальный радиус меньше 0,1 нм). Поэтому атомы неметаллов стремятся довести недостающие до 8е. Это свойство атомов характеризуется электроотрицательностью. Для атомов неметаллов характерны высокие значения электроотрицательности. Она изменяется в пределах от 2 до 4.

В соответствии с ним неметаллы образуют особый ряд:

Фтор − самый сильный окислитель, его атомы в химических реакциях не способны отдавать электроны, то есть проявлять восстановительные свойства.

У атомов неметаллов преобладают окислительные свойства, то есть способность присоединять электроны. Эту способность характеризует значение электроотрицательности, которая закономерно изменяется в периодах и подгруппах.

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.

Характеристики элементов неметаллов и их соединений закономерно изменяются в группах и периодах.

В периодах (с увеличением порядкового номера, т.е. слева и направо):

· увеличивается заряд ядра,

· увеличивается число внешних электронов,

· уменьшается радиус атомов,

· увеличивается прочность связи электронов с ядром (энергия ионизации),

· увеличивается электроотрицательность,

· усиливаются окислительные свойства простых веществ ("неметалличность") (кроме элементов VIIIA группы),

· ослабевают восстановительные свойства простых веществ ("металличность") (кроме элементов VIIIA группы),

· ослабевает основный характер гидроксидов и соответствующих оксидов,

· возрастает кислотный характер гидроксидов и соответствующих оксидов,

· валентность в соединении с кислородом возрастает от 3 до 7, высшая валентность равна номеру группы.

В группах (с увеличением порядкового номера, т.е. сверху вниз):

· увеличивается заряд ядра,

· увеличивается радиус атомов (только в главных подгруппах),

· уменьшается прочность связи электронов с ядром (энергия ионизации; только в главных подгруппах),

· уменьшается электроотрицательность (только в главных подгруппах),

· ослабевают окислительные свойства простых веществ ("неметалличность"; только в главных подгруппах) (кроме элементов VIIIA группы),

· усиливаются восстановительные свойства простых веществ ("металличность"; только в главных подгруппах) (кроме элементов VIIIA группы),

· возрастает основный характер гидроксидов и соответствующих оксидов (только в главных подгруппах),

· ослабевает кислотный характер гидроксидов и соответствующих оксидов (только в главных подгруппах),

· снижается устойчивость водородных соединений (повышается их восстановительная активность; только в главных подгруппах),

· валентность элементов не изменяется и равна номеру группы.

Вида связи, характерные для неметаллов:

· ионная (КСI) ;

· ковалентная (неполярная − в простых веществах (С1 2)

· полярная − в соединениях неметаллов (SCl 2 ).

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 1s 1), 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 Н 2 − газ. Его молекула, подобно галогенам, двухатомна.

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.

3. Распространённость элементов-неметаллов.

Кислород и кремний являются наиболее распространенными элементами, на их долю приходится около 70% массы земной коры. К числу редких элементов относятся йод, селен, теллур и некоторые другие, на их долю приходятся тысячные доли процента массы земной коры. Многие соединения неметаллов являются обязательной составной частью растительных и животных организмов. К элементам-органогенам («рождающие» органические вещества: белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты) относятся: кислород О (на его долю приходится около 60% массы тела человека), С, Н, N, Р и S. В небольших количествах в организмах животных и растений содержатся F, О, I.

Два элемента-неметалла составляют 76% от массы земной коры. Это кислород (49%) и кремний (27%). В атмосфере содержится 0,03% от массы кислорода в земной коре. Неметаллы составляют 98,5% от массы растений, 97,6% от массы тела человека. В состав воздуха, которым мы дышим, входят простые и сложные вещества, также образованные элементами-неметаллами (кислород О 2 , азот, углекислый газ СО 2 , водяные пары Н 2 О 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.

4. Неметаллы − простые вещества. Строение.

В простых веществах атомы неметаллов связаны ковалентной неполярной связью; в благородных газах химических связей нет. Благодаря этому формируется более устойчивая электронная система, чем у изолированных атомов. При этом образуются одинарные (например, в молекулах водорода Н 2 , галогенов Cl 2 , Вг 2), двойные (например, в молекулах кислорода) тройные (например, в молекулах азота) ковалентные связи.

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 галогены − F 2 , Cl 2 , Br 2 , I 2 (элементы VII группы Периодической системы), а также H 2 , N 2 , O 2 . Атомы озона, фосфора, серы - из большего числа атомов (O 3 , Р 4 , S 8), инертных газов – из одного атома (Не,Ne,Ar,Kr).

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.

Самые типичные неметаллы имеют молекулярное строение, а менее типичные – немолекулярное. Этим и объясняется отличие их свойств.

1. Молекулярное строение. У этих неметаллов в твердом состоянии молекулярные кристаллические решетки. В этом случае в каждой молекуле атомы соединены достаточно прочно ковалентной связью, а вот отдельные молекулы друг с другом в кристаллах вещества связаны очень слабо. Поэтому при обычных условиях большинство таких веществ представляют собой газы или твердые вещества с низкими температурами плавления и лишь единственный бром (Вг 2) 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.

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

2. Атомное строение. У этих неметаллов атомные кристаллические решетки, поэтому они обладают большой твердостью и очень высокими температурами плавления.Эти вещества образованы длинными цепями атомов. Из-за большой прочности ковалентных связей они, как правило, имеют высокую твердость, и любые изменения, связанные с разрушением ковалентной 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.

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

Причина большого разнообразия физических свойств неметаллов кроется в различном строении кристаллических решёток этих веществ.

Часть неметаллов имеет атомную кристаллическую решетку . Кристаллы таких веществ состоят из атомов, соединённых между собой прочными ковалентными связями. Такие неметаллы находятся в твёрдом агрегатном состоянии и являются нелетучими. Примерами таких веществ служат алмаз, графит, красный фосфор и кремний.

Модели кристаллических решёток алмаза (слева) и графита. Кристаллы этих аллотропных видоизменений состоят из атомов углерода, соединённых между собой ковалентными связями. Кристаллы графита, в отличие от кристаллов алмаза, сложены из отдельных слоёв, которые располагаются друг по отношению к другу подобно тому, как листы бумаги в книге.

Многие элементы-неметаллы образуют несколько простых веществ − аллотропных модификаций.

Аллотропия – это способность атомов одного химического элемента образовывать несколько простых веществ. а эти простые вещества – аллотропными видоизменениями или модификациями.

Аллотропия может быть связана и с разным составом молекул − различным числом атомов в молекуле (O 2 и O 3), и с разным строением кристаллов. Аллотропные видоизменения, образуемые одним и тем же химическим элементом, существенно отличаются между собой как по строению, так и по свойствам.

Лекция 3. Неметаллы

1. Общая характеристика элементов-неметаллов

Химических элементов-неметаллов всего 16, но два из них, кислород и кремний составляют 76% от массы земной коры. Неметаллы составляют 98,5 % от массы растений и 97,6 % от массы человека. Из углерода, водорода, кислорода, серы, фосфора и азота состоят все важнейшие органические вещества, они являются элементами жизни. Водород и гелий – основные элементы Вселенной из них состоят все космические объекты, включая наше Солнце. Без соединений неметаллов невозможно представить нашу жизнь, особенно если вспомнить, что жизненно важное химическое соединение – вода – состоит из водорода и кислорода.

Неметаллы – это химические элементы, атомы которых принимают электроны для завершения внешнего энергетического уровня, образуя при этом отрицательно заряженные ионы.

Практически все неметаллы имеют сравнительно малые радиусы и большое число электронов на внешнем энергетическом уровне от 4 до 7, для них характерны высокие значения электроотрицательности и окислительные свойства.

1.1. Положение элементов-неметаллов в Периодической системе химических элементов Менделеева

Если в Периодической системе провести диагональ от бора к астату, то справа вверх по диагонали будут находиться элементы-неметаллы, а слева снизу – металлы, к ним же относятся элементы всех побочных подгрупп, лантаноиды и актиноиды. Элементы, расположенные вблизи диагонали, например, бериллий, алюминий, титан, германий, сурьма, обладают двойственным характером и относятся к металлоидам. Элементы-неметаллы: s-элемент – водород; р-элементы 13 группы – бор; 14 группы – углерод и кремний; 15 группы – азот, фосфор и мышьяк, 16 группы – кислород, сера, селен и теллур и все элементы 17 группы – фтор, хлор, бром, йод и астат. Элементы 18 группы – инертные газы, занимают особое положение, они имеют полностью завершенный внешний электронный слой и занимают промежуточное положение между металлами и неметаллами. Их иногда относят к неметаллам, но формально, по физическим признакам.

1.2. Электронное строение элементов-неметаллов

Практически все элементы-неметаллы на внешнем энергетическом уровне имеют большое число электронов – от 4 до 7. Элемент бор – аналог алюминия, у него всего 3 электрона на внешнем энергетическом уровне, но он имеет малый радиус, прочно удерживает свои электроны и имеет свойства неметалла. Особо отметим электронное строение водорода. Это s-элемент, но он довольно легко принимает один электрон, образует гидрид-ион и проявляет окислительные свойства металла.

Электронные конфигурации валентных электронов элементов-неметаллов приведены в таблице:

1.3. Закономерности в изменении свойств элементов-неметаллов

Рассмотрим некоторые закономерности в изменении свойств элементов-неметаллов, принадлежащих одному периоду и одной группе на основании строения их атомов.

В периоде:

Заряд ядра увеличивается,

Радиус атома уменьшается,

Число электронов на внешнем энергетическом уровне увеличивается,

Электроотрицательность увеличивается,

Окислительные свойства усиливаются,

Неметаллические свойства усиливаются.

В группе:

Заряд ядра увеличивается,

Радиус атома увеличивается,

Число электронов на внешнем энергетическом уровне не изменяется,

Электроотрицательность уменьшается,

Окислительные свойства ослабевают,

Неметаллические свойства ослабевают.

Таким образом, чем правее и выше стоит элемент в Периодической системе, тем ярче выражены его неметаллические свойства.

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.

Все известные на сегодняшний день химические элементы имеют общий "дом" - периодическую систему. Однако располагаются они там не как придется, а в строгом порядке, определенной последовательности. Одним из главных критериев, по которым классифицируются все атомы, являются характеристики.

Неметаллов и представителей металлических элементов - это основа, на которой базируется не только их разделение в пределах таблицы, но и области применения человеком. Познакомимся ближе с неметаллами и их характеристикой.

Положение в периодической системе

Если рассмотреть систему химических элементов в целом, то можно определить место положения неметаллов так:

1. Верхний правый угол.
2. Выше условной граничной диагонали от бора до астата.
3. Главные подгруппы с IV-VIII группу.

Очевидно, что количество их явно уступает таковому у металлов. По численному соотношению это будет примерно 25/85. Однако данный факт нисколько не уменьшает их значимости и важности. При этом физические свойства неметаллов гораздо более разнообразные, чем таковые у их "оппонентов".

Разновидности простых соединений неметаллов

Определяют несколько основных категорий, к которым относятся все известные рассматриваемые элементы. Физические свойства - неметаллов - позволяют разделить их на:

• твердые;
• газообразные;
• жидкие.

При этом есть и особая группа элементов - благородные газы. По своим характеристикам они не относятся ни к одной из обозначенных категорий.

Газообразные неметаллы

Таковых достаточно много. К ним относятся такие простые вещества, как:

• кислород;
• азот;
• галогены хлор и фтор;
• водород;
• белый фосфор;
• озон.

Однако такое возможно при условии стандартных параметров окружающей среды. Кристаллическая решетка этих представителей - молекулярная, тип химической связи в молекулах - ковалентная неполярная. Физические свойства группы схожи. Они обладают:

• сжимаемостью;
• способностью безграничного смешения между собой;
• расширяемостью;
• заполняют весь объем сосуда.

Среди приведенных веществ ядовитыми являются два - хлор и Очень опасные, удушающие соединения. При этом хлор - желто-зеленый газ, фосфор - белый, легко воспламеняющийся на воздухе.

Кислород и озон - хорошие окислители. Первый - постоянный компонент воздуха, необходимый для жизни большинства организмов. Второй образуется после грозы при действии электрических разрядов молнии на кислород воздуха. Имеет приятный запах свежести.

Жидкие неметаллы

Физические свойства неметаллов этой группы можно описать, дав характеристику всего лишь одному веществу - брому. Поскольку только он является жидкостью при обычных условиях среди всех представителей рассматриваемой группы элементов.

Это темно-бурая жидкость, достаточно тяжелая, которая является сильнейшим ядом. Даже пары брома способны вызывать сложные, не заживающие долгое время язвы на руках. Запах его очень неприятный, за что элемент и получил свое название (в переводе bromos - зловонный).

По своим химическим характеристикам бром является окислителем для металлов и восстановителем для более сильных неметаллов, чем он сам.

Несмотря на такие особенности, ионы брома обязательно должны присутствовать в организме человека. Без него возникают заболевания, связанные с гормональными нарушениями.

Твердые представители

К простым веществам этой категории относится большинство неметаллов. Это:

• все углерода;
• красный и черный фосфор;
• сера;
• кремний;
• мышьяк;
• одна из модификаций олова.

Все они имеют достаточно твердые, но хрупкие вещества. Черный фосфор - жирное на ощупь сухое соединение. Красный же - пастообразная масса.

Самым твердым из всех обозначенных веществ является алмаз - разновидность углерода. Физические и химические свойства неметаллов данной группы очень разные, так как в таблице располагаются некоторые из них далеко друг от друга. Значит, степени окисления, проявляемая химическая активность, характер соединений - все эти показатели будут варьироваться.

Интересным неметаллом в твердом состоянии является йод. Его кристаллы блестят на срезе, проявляя тем самым схожесть с металлами. Это не удивительно, ведь он располагается практически на границе с ними. Также есть у этого вещества особое свойство - сублимация. При нагревании йод переходит в газообразное состояние, минуя жидкое. Пары его имеют ярко-фиолетовую насыщенную окраску.

Физические свойства неметаллов: таблица

Чтобы проще обозначить, что собой представляют неметаллы, лучше выстроить обобщающую таблицу. Она покажет, в чем заключаются общие физические свойства неметаллов, а в чем проявляются их различия.

Очевидно, что в физических свойствах неметаллов больше преобладают различия, нежели сходства. Если для металлов можно выделить несколько характеристик, под которые будет подпадать каждый из них, то для рассмотренных нами элементов такое невозможно.