Хімічні властивості неметалів

Всі хімічні елементи традиційно поділяють на метали та неметали. Умов­на межа між металами і неметалами в періодичній системі елементів прохо­дить по діагоналі Бор (В)–Астат (At): метали розташовані зліва, а неметали – справа від цієї умовної межі поділу. Різкої межі між металами і немета­ла­ми провести неможливо, тому що окремі елементи, розміщені близько цієї межі (наприклад, Al, Ge, As, Sb, Te Po, At), проявляють окремі властивості як металів, так і неметалів. Прийнято, що із 110 відомих елементів 22 відносять до неметалів (Н, В, С, Si, N, Р, As, О, S, Se, Те, F, Cl, Br, І, At, Не, Ne, Ar, Kr, Хе, Rn: всі вони є елементами головних підгруп), інші 88 – до металів. Традиційний поділ елементів на метали та неметали історично виник із-за того, що прості речовини, утворені атомами елементів-металів при звичайних умовах (20 ºС, атм.тиск) знаходяться в так званому металічному стані і проявляють металічні властивості (високу тепло-і електропровідність, сірий колір, блиск і т.п.), а прості речовини, утворені атомами елементів-неметалів, при звичайних умовах мають низьку теплопровідність та дуже незначну електро­провідність. Всі метали (крім ртуті) при цих умовах є твердими речовинами, а серед неметалів є і тверді речовини (В, С, Si, As, S, Se, Те, І₂, At,), і рідини (Br₂) і гази (Н₂, N₂, О₂, F₂, Cl₂, Не, Ne, Ar, Kr, Хе, Rn). Різноманітним є і забарвлення неметалів.

Розташування неметалів у періодичній системі елементів:

Групова назва неметалів VIII групи – інертні (благородні) гази, VII групи – галогени, VI групи – халькогени.

Загальні властивості елементів зумовлені структурою зовнішнього енергетич­но­го рівня їх атомів. Серед неметалів Н і Не є s-елементами, а всі інші – p-елемен­тами. Нижче в таблиці наведена будова зовнішнього енергетичного рівня атомів елементів-неметалів

* n – № періоду, в якому розташований даний елемент

** елементи ІІ періоду (n=2) не мають d-орбіталі, тому електрони атомів елементів ІІ періоду в збудженому стані не можуть займати d-орбіталь; ці елементи в сполуках не проявляють валентності вищої, ніж 4.

Тільки неспарені (валентні) електрони зовнішнього енергетичного рівня можуть бути використані для утворення хімічного зв’язку. Очевидно, що загальна кількість валентних електронів відповідає номеру групи, в якій розташований елемент, а також максимальному позитивному ступеню його окиснення.. Тому для p-елементів парних груп стійкими є сполуки з парною валентністю, а для p-елементів непарних груп – з непарною (наприклад, для Нітрогену 3, для Фосфору 3 і 5, для Оксигену 2, для Сульфуру 2, 4 і 6, для Фтору 1, для Хлору – 1, 3, 5 і 7). Відмітимо, що у елементів VIІІ групи всі електрони спарені, тому для елементів VIІІ групи не характерне утворення хімічних зв’язків.

Неметали розміщені в правій верхній частині періодичної системи. Оскільки в періодах поступово збільшуються заряди ядер атомів елементів і тому зменшуються атомні радіуси, а в головних підгрупах із збільшенням порядкового номеру елементу атомні радіуси різко зростають, то зрозуміло, що атоми неметалів сильніше притягують зовнішні електрони порівняно з атомами металів. Отже, у неметалів переважають окислювальні властивості, тобто здатність приєднувати електрони. Цей факт добре відображають і числові значення електронегативностей елементів, які є найменшими у елементів-металів, а в неметалів поступово зростають в ряду . Відповідно посилюються і оксилювальні властивості елементів. Отже, найбільш електронегативним елементом є Флуор, а це означає, що атом Флуору може лише приймати електрони при утворенні хімічних зв’язків з атомами інших елементів.

Атом якого-небудь елементу може приймати електрони від атомів елементів, розташованих лівіше від нього ряду електронегативностей (при цьому в утвореній сполуці він буде мати негативну ступінь окиснення), або віддавати свої електрони елементу, розташованому правіше від нього в ряду електронегативностей (при цьому в утвореній сполуці він буде мати позитивну ступінь окиснення). Саме тому існують, наприклад сполуки; ₂, але ₂; ₂₇.

Отже, в періодах із збільшенням порядкового номеру у p-елементів зменшуються радіуси атомів та збільшується кількість електронів на зовнішньому енергетичному рівні. В цьому ж напрямку зліва направо зменшується відновлювальна і посилюється оксилювальна здатність атомів. В групах періодичної системи у p-елементів із збільшенням порядкового номеру помітно посилюються відновлювальні властивості.

Неметали в сполуках проявляють як найнижчий негативний ступінь окиснення (наприклад, в сполуках з Н), так і найвищого позитивного ступеня окиснення (наприклад, в оксидах та гідроксидах), а також проміжкові ступенів окиснення (в якості сполук з проміжковим ступенем окиснення, рівним 0, можна розглядати і прості речовини).

Атоми одного й того ж елементу, сполучаючись між собою з утворенням простих речовин, проявляють ступінь окиснення, рівний 0. Властивості цих речовин дуже різноманітні, і класифікувати їх можна на основі видів хімічного зв’язку і типів кристалічної структури. Основні типи кристалічних структур простих речовин, утворених p-елементами, визначаються розташуванням останніх в таблиці Менделєєва і виявляють періодичний характер, що видно із таблиці зміни типів кристалічних решіток простих речовин, наведеній нижче. Речовини з атомними кристалічними решітками (C, B, Si) мають велику твердість, дуже високу температуру плавлення (> 2000 °С) та проявляють напівпровідникові властивості (їх електропро­від­ність залежить від температури). Речовини молекулярної будови за звичайних умов – гази (Н₂, F₂, O₂, Cl₂, Br₂, N₂), рідини (Br₂) або тверді речовини з низькими температурами плавлення (I₂, S, Р). У твердому стані всі вони мають молекулярні кристалічні решітки.

Прості речовини елементів VIІІ групи є сукупностями їх атомів (Ne, Ar, Kr, Xe, Rn), вони при звичайних умовах газоподібні, а в конденсованому стані утворюють ковалентні кристали, які вже при незначному нагріванні легко плавляться, а потім із рідкого стану переходять в газоподібний.

В залежності від алотропних видозмін при звичайних умовах забарвлення простих речовин може бути різним, проте сірка завжди жовтого кольору, бром – буро-червоного, хлор – зеленого, фтор – жовто-зеленого, йод – темно-фіолетового, водень, кисень та азот є безбарвними газами.

F₂, O₂ та O₃, N₂ як прості речовини найбільш електронегативних елементів вступають у хімічні реакції тільки в якості окисників. Інші прості речовини неметалів можуть виступати в окисно-відновних реакціях як в ролі окисників, так і в ролі відновників в залежності від того, з яким по силі окисником чи відновником вступає дана речовина в хімічну реакцію. Тому можна відмітити наступні реакції, характерні для неметалів:

1) Неметали можуть вступати у взаємодію з металами (при безпосередньому контакті за звичайних умов або при певних умовах, зокрема, при підвищеній температурі). Загальна закономірність таких взаємодій полягає в тому, що чим більша різниця у значеннях електронегативності між металом і неметалом, тим активніше відбувається ця взаємодія. Сполуки утворюються за рахунок того, що метал віддає свої валентні електрони неметалу, тобто в процесі реакції неметал – окисник, а метал – відновник. При цьому утворюються відповідні бінарні сполуки іонного типу, в яких неметал має властивий йому негативний ступінь окиснення.

2) Неметали можуть вступати у взаємодію між собою. Оскільки різниця у значеннях електронегативності між двома різними неметалами не надто велика, то безпосередньо (напряму) між собою взаємодіють не всі неметали навіть при підвище­ному тиску та температурі, окремі взаємодії відбуваються при наявності каталізаторів, дуже часто реакції є оборотніми. В результаті взаємодії утворюються бінарні сполуки (зв’язок ковалентний, в тій чи іншій мірі полярний), в яких більш електронегативний елемент має властивий йому негативний ступінь окислення, а менш електронегативний – позитивний ступінь окислення. Електронегативність елементів зростає в ряду .

1) Неметали здатні вступати у взаємодію не тільки з простими, але і з складними речовинами, причому характер таких взаємодій різний в залежності від окислювальної (відновної) здатності неметалу.

Інші окисно-відновні взаємодії неметалів:

Одні прості речовини, утворені атомами неметалів знаходяться в природі у вільному вигляді (кисень, азот, алмаз, графіт, самородна сірка), інші отримують із їх сполук, використовуючи різні відновники. Вибір методу одержання залежить від місця розташування і виду сполуки елементу в корисних копалинах, від економічних обставин, від необхідної кількості речовини, яку необхідно отримати (в лабораторії, в промисловості).

Всі прості неметалічні речовини можна одержати із сполук, що містять елемент простої речовини, двома загальними методами – методом розкладу та методом витіснення.

Окремі неметали знаходяться в поовітрі в вільному вигляді (інертні гази, кисень, азот). Тому ці гази одержують шляхом зрідження повітря з послідуючим відбором фракцій газів (вони мають різні температури кипіння) при його нагріванні.