Чем отличается металлы и неметаллы. Разница между металлами и неметаллами

Природа имеет некую цикличность и повторяемость в своих проявлениях. На это обращали внимание и древнегреческие ученые, когда пытались разложить природу вещей на составляющие: стихии, геометрические фигуры и даже атомы. На признаки повторяемости также обращают внимание и ученые современности. Например, Карл Линней на основе фенотипичного сходства смог выстроить систему живых существ.

Долгое время химия как наука оставалась без системы, которая могла бы упорядочить великое множество открытых веществ. Знания древних алхимиков дали богатейший материал для построения такой системы. Многие учёные предпринимали попытки выстроить гармоничную схему, но все попытки оказались тщетными. Так было вплоть до 1869 года, когда великий русский химик Дмитрий Иванович Менделеев представил миру своё детище – периодическую таблицу химических элементов. Говорят, что таблица приснилась учёному. Во сне он увидел, как таблица выстроилась в виде змеи и обвилась вокруг его ног. Достоверность этого факта сомнительна , но как бы то ни было, это был настоящий прорыв в науке.

Менделеев расположил элементы по мере возрастания их атомной массы. Этот принцип актуален и сейчас, правда, сейчас в основе лежит количество протонов и нейтронов в ядре.

Металлы и их отличительные свойства

Все химические элементы можно довольно условно поделить на металлы и неметаллы. Что же их отличает друг от друга? Как отличить металл от неметалла?

Из 118 открытых веществ 94 относят к группе металлов. Группа представлена разнообразными подгруппами:

Какие же признаки являются общими для всех металлов?

1. Все металлы при комнатной температуре являют твёрдыми веществами. Это справедливо для всех элементов, кроме ртути, которая тверда до минус 39 градусов Цельсия. В комнатных условиях ртуть – это жидкость.
2. Большинство из элементов этой группы имеют довольно высокую температуру плавления. Например, Вольфрам плавится при температуре 3410 градусов Цельсия. По этой причине его используют для изготовления нити в лампах накаливания.
3. Все металлы пластичны. Это проявляется в том, что кристаллическая решетка металла позволяет атомам смещаться. В результате металлы могут гнуться без физической деформации, поддаются ковке. Особой пластичностью обладают медь, золото и серебро. Именно поэтому исторически они были первыми металлами, которые обрабатывал человек. Далее он научился обрабатывать железо.
4. Все металлы очень хорошо проводят электричество, что опять же связано со строением металлической кристаллической решетки, имеющей подвижные электроны. Кроме всего прочего, эти элементы очень легко проводят тепло.
5. Ну и, наконец, все металлы имеют характерный, ни с чем не сравнимый металлический блеск. Цвет чаще всего сероватой с голубым отливом. Au, Cu или Cs имеют желтый и красный оттенки.

Не пропустите: механизм образования , конкретные примеры.

Неметаллы

Все неметаллы расположены в правом верхнем углу периодической таблицы по диагонали, которую можно провести от водорода до астата и радона. Кстати говоря, водород при определенных условиях также может проявлять металлические свойства.

Основное отличие от металлов заключается в строении кристаллической решетки. Если у металлов кристаллическая решетка металлическая, то у неметаллов она может быть атомной или молекулярной. Молекулярной решеткой обладают некоторые газы – кислород, хлор, сера, азот. Вещества с атомной решеткой имеют твёрдое агрегатное состояние, относительно высокую температуру плавления.

Физические свойства неметаллов довольно разнообразны, неметаллы могут быть твердыми (йод, углерод, сера, фосфор), жидкими (только бром), газообразными (фтор, хлор, азот, кислород, водород) веществами с абсолютно разнообразным цветом. Агрегатное состояние может меняться под действием температуры.

С химической точки зрения, неметаллы могут выступать в роли окислителей и восстановителей. Неметаллы могут взаимодействовать между собой и с металлами. Кислород, к примеру, со всеми веществами выступает в роли окислителя, а вот с фтором выступает в роли восстановителя.

Аллотропия

Еще одно удивительное свойство неметаллов заключается в явлении, которое назвали аллотропией – видоизменение веществ, приводящее к различным аллотропным модификациям одного и того же химического элемента. С греческого можно перевести слово “аллотропия” как “другое свойство”. Так оно и есть.

Рассмотрим более подробно на примере списка некоторых простых веществ:

Модификации имеют и другие вещества – сера, селен, бор, мышьяк, бор, кремний, сурьма. При различных температурах многие металлы также обладают этими свойствами.

Конечно, деление всех простых веществ на группы металлов и неметаллов довольно условно. Это деление облегчает понимание свойств химических веществ, создает иллюзию их разделения на обособленные вещества. Как и все в мире, это деление относительное и зависит от внешних факторов окружающей среды – давления, температуры, света и т.д.

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.

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.

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.

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 кислота H3SO4 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.

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.

Тогда как у неметаллов таких электронов много (5-8). Чистые химические элементы металлов (например, железо... входить несколько элементов-металлов , часто с примесью заметных количеств элементов-неметаллов . Такие вещества...

1. Теоретическое материаловедение. Строение и свойства чистых металлов

   Конспект >> Химия

   Изучающая наиболее важные свойства металлов и неметаллов в зависимости от их... делятся, как известно, на металлы и неметаллы . Металлы расположены в левой части Периодической... как правило 1-2), поэтому металлы , вступая в связь с неметаллами , легко отдают свои...

2. Общая характеристика металлов и сплавов

   Реферат >> Промышленность, производство

   Te - промежуточными между 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 - ...

3. Металлы (5)

   Реферат >> Химия

   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...

Все металлы, кроме ртути, в обычных условиях твердые вещества, характеризующиеся «металлическим» блеском, хорошей тепло- и электропроводимостью, пластичностью. Типичными металлами являются щелочные (литий, натрий, калий, рубидий, цезий) и щелочноземельные (кальций, стронций, барий, магний) металлы.

Неметаллы в обычных условиях находятся в твердом (фосфор, сера, селен, углерод и др.), жидком (бром) и газообразном (кислород, водород, азот и др.) состояниях. Твердые неметаллы отличаются хрупкостью и, как правило, обладают плохой тепло- и электропроводимостью.

Типичными неметаллами являются галогены (фтор, хлор, бром, иод), сера, селен, теллур, азот, фосфор, углерод.

Резкой границы между металлами и неметаллами не существует. Некоторые элементы одновременно совмещают свойства металлов и неметаллов, причем и те и другие свойства у них выражены недостаточно резко. Например, цинк, бериллий, алюминий, хром, олово, свинец в кислой среде проявляют свойства металлов, а в щелочной - неметаллов.

Все наиболее распространенные металлы и неметаллы как твердые, так и жидкие и газообразные, входят в ассортимент химических реактивов. Большинство металлов поступает в продажу в виде порошка, небольших слитков или кусков. Для облегчения работы с ними некоторые металлы переплавляют и выпускают в виде палочек (висмут, кадмий, олово, свинец), гранул (кадмий, свинец, цинк), губки (олово), пыли (цинк, алюминий), листа или ленты (золото, медь), проволоки (алюминий, железо), стружки (железо) и т. п.

Некоторые металлы и неметаллы чрезвычайно легко окисляются на воздухе и поэтому их хранят в определенных условиях . Так, натрий и калий хранят под слоем керосина или другого углеводорода, а белый фосфор - под слоем воды.

Применение. Чистые металлы и неметаллы используют в неорганическом и органическом синтезе для получения химических реактивов и препаратов. Окислением некоторых металлов получают непосредственно окислы этих металлов реактивной чистоты, а растворением их в кислотах - соответствующие соли.

В органическом синтезе металлы находят применение в качестве катализаторов (алюминий, медь, никель, палладий, платина, серебро и др.), при получении металлоорганических соединений и т. д.

Белый фосфор, сера и другие неметаллы служат исходным сырьем для получения чистых кислот и других химических соединений. Бром, хлор, иод используются в органическом синтезе для получения галогенорганических производных, а также для получения некоторых галогенсодержащих кислот и их солей.

Металлы и неметаллы играют известную роль и в аналитической химии. Большая группа металлов - алюминий, железо, цинк, магний, олово, никель - применяются в качестве восстановителей. Натрий используют для определения хлора в органических веществах, при восстановлении и гидрировании многих органических соединений, для глубокой осушки органических жидкостей, для приготовления амальгам и т. д. Бром служит окислителем при аналитических определениях марганца, никеля, хрома, висмута, железа, цианидов, роданидов, мочевины, муравьиной кислоты.

Чистые элементы, такие, как сера, свинец, алюминий, кобальт, медь, никель, олово, палладий, сурьма, цинк, характеризующиеся четкой температурой плавления, используются в термометрии для калибровки термометров и пирометров.

В природе существует очень много повторяющихся последовательностей:

• времена года;
• время суток;
• дни недели…

В середине 19 века Д.И.Менделеев заметил, что химические свойства элементов также имеют определенную последовательность (говорят, что эта идея пришла ему во сне). Итогом чудесных сновидений ученого стала Периодическая таблица химических элементов, в которой Д.И. Менделеев выстроил химические элементы по возрастанию атомной массы. В современной таблице химические элементы выстроены по возрастанию атомного номера элемента (количество протонов в ядре атома).

Атомный номер изображен над символом химического элемента, под символом - его атомная масса (сумма протонов и нейтронов). Обратите внимание, что атомная масса у некоторых элементов является нецелым числом! Помните об изотопах! Атомная масса - это средневзвешенное от всех изотопов элемента, встречающихся в природе в естественных условиях.

Под таблицей расположены лантаноиды и актиноиды.

Металлы, неметаллы, металлоиды

Расположены в Периодической таблице слева от ступенчатой диагональной линии, которая начинается с Бора (В) и заканчивается полонием (Po) (исключение составляют германий (Ge) и сурьма (Sb). Нетрудно заметить, что металлы занимают бОльшую часть Периодической таблицы. Основные свойства металлов: твердые (кроме ртути); блестят; хорошие электро- и теплопроводники; пластичные; ковкие; легко отдают электроны.

Элементы, расположенные справа от ступенчатой диагонали B-Po, называются неметаллами . Свойства неметаллов прямо противоположны свойствам металлов: плохие проводники тепла и электричества; хрупкие; нековкие; непластичные; обычно принимают электроны.

Металлоиды

Между металлами и неметаллами находятся полуметаллы (металлоиды). Для них характерны свойства как металлов, так и неметаллов. Основное применение в промышленности полуметаллы нашли в производстве полупроводников, без которых немыслима ни одна современная микросхема или микропроцессор.

Периоды и группы

Как уже говорилось выше, периодическая таблица состоит из семи периодов. В каждом периоде атомные номера элементов увеличиваются слева направо.

Свойства элементов в периодах изменяются последовательно: так натрий (Na) и магний (Mg), находящиеся в начале третьего периода, отдают электроны (Na отдает один электрон: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 ; Mg отдает два электрона: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2). А вот хлор (Cl), расположенный в конце периода, принимает один элемент: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 .

В группах же, наоборот, все элементы обладают одинаковыми свойствами. Например, в группе IA(1) все элементы, начиная с лития (Li) и заканчивая францием (Fr), отдают один электрон. А все элементы группы VIIA(17), принимают один элемент.

Некоторые группы настолько важны, что получили особые названия. Эти группы рассмотрены ниже.

Группа IA(1) . Атомы элементов этой группы имеют во внешнем электронном слое всего по одному электрону, поэтому легко отдают один электрон.

Наиболее важные щелочные металлы - натрий (Na) и калий (K), поскольку играют важную роль в процессе жизнедеятельности человека и входят в состав солей.

Электронные конфигурации:

• Li - 1s 2 2s 1 ;
• Na - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 ;
• K - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1

Группа IIA(2) . Атомы элементов этой группы имеют во внешнем электронном слое по два электрона, которые также отдают во время химических реакций. Наиболее важный элемент - кальций (Ca) - основа костей и зубов.

Электронные конфигурации:

• Be - 1s 2 2s 2 ;
• Mg - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 ;
• Ca - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2

Группа VIIA(17) . Атомы элементов этой группы обычно получают по одному электрону, т.к. на внешнем электронном слое находится по пять элементов и до "полного комплекта" как раз не хватает одного электрона.

Наиболее известные элементы этой группы: хлор (Cl) - входит в состав соли и хлорной извести; йод (I) - элемент, играющий важную роль в деятельности щитовидной железы человека.

Электронная конфигурация:

• F - 1s 2 2s 2 2p 5 ;
• Cl - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 ;
• Br - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 5

Группа VIII(18). Атомы элементов этой группы имеют полностью "укомплектованный" внешний электронный слой. Поэтому им "не надо" принимать электроны. И отдавать их они "не хотят". Отсюда - элементы этой группы очень "неохотно" вступают в химические реакции. Долгое время считалось, что они вообще не вступают в реакции (отсюда и название "инертный", т.е. "бездействующий"). Но химик Нейл Барлетт открыл, что некоторые из этих газов при определенных условиях все же могут вступать в реакции с другими элементами.

Электронные конфигурации:

• Ne - 1s 2 2s 2 2p 6 ;
• Ar - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 ;
• Kr - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6

Валентные элементы в группах

Нетрудно заметить, что внутри каждой группы элементы похожи друг на друга своими валентными электронами (электроны s и p-орбиталей, расположенных на внешнем энергетическом уровне).

У щелочных металлов - по 1 валентному электрону:

• Li - 1s 2 2s 1 ;
• Na - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 ;
• K - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1

У щелочноземельных металлов - по 2 валентных электрона:

• Be - 1s 2 2s 2 ;
• Mg - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 ;
• Ca - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2

У галогенов - по 7 валентных электронов:

• F - 1s 2 2s 2 2p 5 ;
• Cl - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 ;
• Br - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 5

У инертных газов - по 8 валентных электронов:

• Ne - 1s 2 2s 2 2p 6 ;
• Ar - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 ;
• Kr - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6

Дополнительную информацию см. в статье Валентность и в Таблице электронных конфигураций атомов химических элементов по периодам .

Обратим теперь свое внимание на элементы, расположенные в группах с символов В . Они расположены в центре периодической таблицы и называются переходными металлами .

Отличительной особенностью этих элементов является присутствие в атомах электронов, заполняющих d-орбитали :

1. Sc - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 1 ;
2. Ti - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 2

Отдельно от основной таблицы расположены лантаноиды и актиноиды - это, так называемые, внутренние переходные металлы . В атомах этих элементов электроны заполняют f-орбитали :

1. Ce - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 4d 10 5s 2 5p 6 4f 1 5d 1 6s 2 ;
2. Th - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 4d 10 5s 2 5p 6 4f 14 5d 10 6s 2 6p 6 6d 2 7s 2

Всем известно, что металлы легко отличить от неметаллов характерным ярким серебристым или золотистым цветом, блеском их поверхности. Металлы пластичны, их куют, прокатывают, штампуют. Кроме того, металлы хорошо проводят тепло и электрический ток. Это так называемые физические свойства металлов. Есть у них и химические свойства. Окислы металлов обладают щелочными свойствами, и при соединении с водой они образуют щелочные растворы. Окислы неметаллов имеют кислотные свойства и, соединяясь с водой, образуют кислоты.

Все это было хорошо известно еще более 200 лет тому назад во времена Ломоносова, Лавуазье. А вот причины такого различия свойств металлов и неметаллов были найдены значительно позже, после того как было открыто электронное строение атомов. Напомним, что электрон был открыт лишь в 1895 году.

Электронное строение металлов . Каждому элементу Д. И. Менделеев еще в 1869 году приписал определенный атомный номер и поместил его в периодическую систему с этим номером, ничего еще не зная об электронах. Позже выяснилось, что номер элемента точно совпадает с числом электронов, вращающихся по нескольким орбитам. По наиболее близкой к ядру орбите вращаются обычно два электрона. По второй орбите, более удаленной от ядра, могут вращаться восемь электронов. Третья, еще более удаленная от ядра орбита, может вместить до 18 электронов. Если номер орбиты обозначить буквой n, а число электронов, которые она вмещает, через N, то количество электронов, несущихся на каждой орбите, можно выразить главным квантовым числом: N=2n 2 .

Возьмем, например, такой металл как алюминий. Его атомный номер 13 в таблице Менделеева. Это значит, что вокруг его ядра вращаются по разным орбитам 13 электронов. По первой орбите (n= 1) число электронов N окажется равным двум (N = 2). По второй орбите (n = 2) число электронов будет равно 8 (N = 2·2 2 = 8). По третьей орбите будут вращаться все остальные электроны и их окажется 13-(2 + 8)= 3. Это в то время, как третья орбита могла бы вместить 18 электронов. Выходит, что третья, наружная орбита у алюминия недоукомплектована. Три электрона, вращающихся по ней, наиболее удалены от ядра и поэтому наименее прочно связаны с ним. Они могут легко оторваться от своего ядра и перейти к соседнему атому.

Неукомплектованные орбиты . Выяснилось, что у всех металлов наружные электронные орбиты оказались недоукомплектованными. По ним вращаются, как правило, один, два, три и в редких случаях - четыре электрона. В то же время у неметаллов наружные электронные орбиты, наоборот, полностью или почти полностью укомплектованы.

Переходом наружных электронов от одних атомов к другим и было объяснено явление электрического тока. Числом электронов на наружной орбите было объяснено свойство валентности металлов. Электронное строение атомов дало ключ к объяснению таких явлений, как ферромагнетизм, полиморфизм, потенциал ионизации. Все эти вопросы получили отражение в разработанной советскими физиками теории металлического состояния.