Общая характеристика неметаллов

Строение атомов неметаллов, положение в периодической системе, аллотропия, окислительно-восстановительная двойственность

Положение неметаллов в периодической системе

К неметаллам относят элементы, расположенные в правой верхней части периодической системы — выше и правее условной диагонали от бора к астату (сама диагональ образована элементами-полуметаллами: B, Si, Ge, As, Sb, Te). Всего неметаллических элементов немного — около 22, включая благородные газы, — но именно они образуют подавляющее большинство химических соединений живой и неживой природы: вода, углекислый газ, все органические вещества построены из атомов неметаллов (H, C, N, O чаще всего).

К типичным неметаллам относят: водород H, элементы VIIIA группы (благородные газы He–Rn), элементы VIIA группы — галогены (F, Cl, Br, I, At), элементы VIA группы (O, S, Se, Te), элементы VA группы (N, P, As частично), а также C, Si, B. Чем правее и выше расположен элемент в периодической системе (за исключением благородных газов и водорода), тем ярче выражены его неметаллические свойства; наиболее сильный неметалл — фтор.

Строение атомов неметаллов

Атомы неметаллов имеют на внешнем энергетическом уровне от 4 до 8 электронов (кроме H, He, B), то есть внешняя оболочка близка к завершению. Именно поэтому атомы неметаллов стремятся не отдавать, а присоединять электроны, достраивая внешний уровень до устойчивой восьмиэлектронной конфигурации благородного газа. Число электронов, которое атому неметалла недостаёт до завершения уровня, равно числу электронов, которые он способен принять, образуя отрицательный ион или ковалентные связи.

В отличие от металлов, у атомов неметаллов небольшой радиус и высокие значения энергии ионизации и электроотрицательности, поэтому неметаллы почти никогда не образуют простые катионы. В периоде слева направо неметаллические свойства усиливаются (растёт заряд ядра при том же числе электронных слоёв, атом сжимается, электроотрицательность растёт), а в группе сверху вниз — ослабевают (растёт число электронных слоёв, увеличивается радиус атома, электроотрицательность падает).

Электроотрицательность и характер химической связи

Электроотрицательность — способность атома в молекуле притягивать к себе общую электронную пару. Самый электроотрицательный элемент — фтор (F). При взаимодействии двух неметаллов между собой образуется ковалентная полярная (при разных элементах) или ковалентная неполярная (при одинаковых элементах, например в молекулах O₂, N₂, Cl₂) связь. При взаимодействии типичного металла с неметаллом (особенно с сильно электроотрицательным, как кислород или галогены) образуется ионная связь — электроны практически полностью переходят к более электроотрицательному атому неметалла, который превращается в анион.

Аллотропия неметаллов

Многие неметаллы способны существовать в виде нескольких простых веществ разного строения, состоящих из атомов одного элемента, — это явление называют аллотропией, а сами простые вещества — аллотропными модификациями. Причина аллотропии — разное число атомов в молекуле (например, O₂ и O₃) либо разный тип кристаллической решётки (например, алмаз и графит у углерода).

Элемент	Аллотропные модификации	Причина различий
`Кислород`	`O₂ (дикислород), O₃ (озон)`	`разное число атомов в молекуле`
`Углерод`	`алмаз, графит, карбин, фуллерены`	`разное строение кристаллической решётки`
`Фосфор`	`белый P₄, красный Pₙ, чёрный`	`разное строение молекул и решётки`
`Сера`	`ромбическая S₈, пластическая Sₙ`	`разное строение молекул и решётки`

Аллотропные модификации одного и того же элемента могут сильно различаться по физическим свойствам (твёрдости, цвету, электропроводности) и по химической активности: так, белый фосфор химически гораздо активнее и значительно более ядовит, чем красный, а озон O₃ — гораздо более сильный окислитель, чем обычный кислород O₂.

Простые вещества-неметаллы: строение и физические свойства

В отличие от металлов, для неметаллов характерны молекулярные (O₂, N₂, галогены, белый фосфор, S₈) либо атомные ковалентные (алмаз, кремний, красный фосфор, бор) кристаллические решётки. Вещества с молекулярной решёткой обычно летучи, имеют низкие температуры плавления и кипения, не проводят электрический ток (газы H₂, N₂, O₂, галогены; твёрдые вещества S₈, P₄, I₂). Вещества с атомной решёткой (алмаз, кристаллический кремний, красный фосфор), напротив, тугоплавки и очень твёрды, поскольку разрушение решётки требует разрыва прочных ковалентных связей по всему кристаллу.

Окислительно-восстановительная двойственность неметаллов

Главная особенность неметаллов как простых веществ — окислительно-восстановительная двойственность: почти любой неметалл способен выступать и окислителем (принимая электроны от менее электроотрицательного партнёра), и восстановителем (отдавая электроны более электроотрицательному партнёру), в зависимости от того, с чем он реагирует. Исключение — фтор, который является только окислителем, поскольку это самый электроотрицательный элемент периодической системы и не имеет партнёров, способных отнять у него электроны.

Так, сера в реакции с металлом выступает окислителем, понижая степень окисления до −2, а в реакции с кислородом — восстановителем, повышая степень окисления до +4 или +6:

$F e + S \to F e S (S^{0} \to S^{- 2}, в о с с т а н о в и т е л ь F e о т д а ё т э л е к т р о н ы с е р е - о к и с л и т е л ю)$

$S + O_{2} \to {S O}_{2} (S^{0} \to S^{+ 4}, с е р а — в о с с т а н о в и т е л ь, к и с л о р о д — о к и с л и т е л ь)$

Неметаллы как окислители

В роли окислителей неметаллы реагируют с металлами и с менее электроотрицательными неметаллами (в первую очередь с водородом), принимая электроны и понижая степень окисления до значения, равного номеру группы минус восемь (для главных подгрупп):

$2 N a + {C l}_{2} \to 2 N a C l$

$H_{2} + {C l}_{2} \to 2 H C l$

Окислительная способность неметаллов в группе убывает сверху вниз, а в периоде растёт слева направо; самые сильные окислители среди неметаллов — фтор, кислород, хлор, азот (в основном по убыванию).

Неметаллы как восстановители

В роли восстановителей неметаллы реагируют с более электроотрицательными элементами — прежде всего с кислородом и фтором, отдавая электроны и повышая свою степень окисления до положительных значений (максимум — до номера группы, то есть высшей степени окисления):

$C + O_{2} \to {C O}_{2}$

$N_{2} + O_{2} \to 2 N O (т о л ь к о п р и о ч е н ь в ы с о к о й т е м п е р а т у р е, н а п р и м е р в э л е к т р и ч е с к о м р а з р я д е)$

Кислород (кроме реакций со фтором) всегда выступает окислителем, поскольку уступает по электроотрицательности только фтору.

Водородные соединения неметаллов

Неметаллы образуют с водородом летучие водородные соединения состава от ЭH₄ (IVA группа) до ЭH (VIIA группа) — формула летучего водородного соединения определяется положением элемента в группе. Эти соединения, как правило, ковалентны, многие из них при растворении в воде проявляют кислотные свойства (HCl, H₂S) либо, наоборот, основные (NH₃); чем выше электроотрицательность неметалла и чем прочнее полярность связи Э–H, тем сильнее выражены кислотные свойства водородного соединения в водном растворе.

Высшие оксиды и соответствующие им кислоты

Большинство неметаллов образует высший оксид, в котором степень окисления неметалла равна номеру группы (Cl₂O₇, SO₃, N₂O₅, P₂O₅, CO₂, SiO₂). Этим высшим оксидам соответствуют кислородсодержащие кислоты, которые получают (для растворимых оксидов) непосредственным взаимодействием оксида с водой:

${S O}_{3} + H_{2} O \to H_{2} {S O}_{4}$

$N_{2} O_{5} + H_{2} O \to {2 H N O}_{3}$

Общая закономерность: чем выше степень окисления неметалла в кислоте и чем выше его электроотрицательность, тем сильнее кислотные свойства соответствующей кислоты (например, HClO₄ — гораздо более сильная кислота, чем HClO).

Пример 1: определение степени окисления и типа реакции

Условие. Определите степени окисления серы во всех веществах уравнения реакции и укажите, какое вещество является окислителем, а какое — восстановителем: S + 6HNO₃(конц.) → H₂SO₄ + 6NO₂↑ + 2H₂O.

Решение. В простом веществе S степень окисления серы равна 0. В серной кислоте H₂SO₄ степень окисления серы +6 (кислород −2, водород +1, сумма зарядов равна нулю: +1·2 + x + (−2)·4 = 0, откуда x = +6). Значит, сера повышает степень окисления от 0 до +6, то есть отдаёт 6 электронов и является восстановителем. Азот в HNO₃ имеет степень окисления +5, а в NO₂ — +4, то есть понижает степень окисления, принимая 1 электрон на атом, — азотная кислота выступает окислителем. Этот пример хорошо иллюстрирует окислительно-восстановительную двойственность серы: в реакции с металлами она была бы окислителем, а здесь, встретив более сильный окислитель — концентрированную азотную кислоту, — сера сама становится восстановителем.

Ответ: сера — восстановитель (S⁰ → S⁺⁶), азот кислоты — окислитель (N⁺⁵ → N⁺⁴).

Типичные ошибки

Частая ошибка — считать, что данный неметалл всегда одинаково ведёт себя в реакциях, то есть либо всегда окислитель, либо всегда восстановитель; на деле роль неметалла определяется партнёром по реакции, и только фтор всегда выступает окислителем. Также нередко путают направление изменения неметаллических свойств в периодической системе (в периоде они растут слева направо, в группе — убывают сверху вниз, что противоположно изменению металлических свойств). Ещё одна ошибка — не учитывать аллотропию и считать, что все модификации одного элемента одинаково активны химически, хотя, например, белый фосфор несравнимо активнее и опаснее красного.

Краткий словарь терминов

Неметаллы — химические элементы (и образованные ими простые вещества), атомы которых обладают высокой электроотрицательностью и склонны присоединять электроны.

Электроотрицательность — способность атома в молекуле притягивать к себе общую электронную пару химической связи.

Аллотропия — способность химического элемента образовывать несколько простых веществ разного строения (аллотропных модификаций).

Окислительно-восстановительная двойственность — способность вещества в зависимости от партнёра по реакции выступать и окислителем, и восстановителем.

Летучее водородное соединение — соединение неметалла с водородом, обычно газообразное при обычных условиях (например, NH₃, H₂S, HCl).

Заключение

Неметаллы образуют сравнительно небольшую, но чрезвычайно важную группу химических элементов, атомы которых стремятся принимать электроны, завершая внешний энергетический уровень. Их отличают высокая электроотрицательность, разнообразие аллотропных модификаций и способность проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства в зависимости от партнёра по реакции. В следующих темах мы подробно рассмотрим отдельные группы неметаллов — начиная с самого простого из элементов, водорода.