Неметали — особливості будови, класифікація, властивості

З моменту створення періодичної таблиці заведено розділяти хімічні елементи на метали і неметали. Хоча ця порівняльна градація і умовна, існують елементи, які в певних умовах дають нетипові реакції – алюміній може вступати в реакцію з лугом, а германій починає проводити електричний струм.

Неметали – це елементи, що утворюють у вільному стані прості речовини без властивостей і зовнішніх ознак металів.

Вони не мають загальних фізичних властивостей, крім низької тепло- та електропровідності.

Характеристики та фізичні властивості нематалів

Хоча хімічних елементів-неметалів всього 16, вони є справжніми цеглинками життя, з них складаються всі органічні сполуки. Вчені з’ясували, що земна кора на 76% складається з кремнію і кисню, а водень є найпоширенішою речовиною у Всесвіті – з нього складаються всі об’єкти космосу, а також Сонце.

У рослинному і тваринному світах неметали становлять понад 96% від загальної маси і 96,7% від маси людини. Це органогенні елементи, що формують молекули:

• білків;
• жирів;
• вуглеводів;
• нуклеїнових кислот.

Безумовно, без цих простих речовин звичне існування життя було б неможливим.

Основна маса металів, крім золота і міді, не має кольору, метали мають тільки металічний блиск.

А от неметали яскраві і кольорові, наприклад:

• фосфор може бути білим, чорним або червоним;
• йод завжди фіолетовий з рудуватим відтінком;
• бром відрізняється цегляно-червоним насиченим кольором;
• фтор в спокійному стані помаранчевий або жовтий;
• водень, доведений до рідкого стану, стає блакитним.

Значний вплив на фізичні властивості неметалів створює їх молекулярна будова і вид кристалічної ґратки. Кремній, як і алмаз з атомною кристалічною будовою ґратки, володіє великою міцністю і високою температурою плавлення та кипіння. Сполуки з молекулярною ґраткою (йод, сірка і фосфор) починають плавитися і кипіти при досить низьких температурах.

Прості речовини-неметали можна розділити на три види агрегатних станів: гази, рідини і тверді речовини. Однак ця класифікація буде вірною тільки при стандартних параметрах навколишнього середовища, при вкрай низьких або високих температурах стан речовин може змінюватися.

Найбільшу групу складають газоподібні неметали:

• кисень;
• азот;
• водень;
• білий фосфор;
• озон.

Вони мають високу стискаємість і розширюваністю, легко змішуються між собою і заповнюють весь об’єм судини. Кисень є сильним окислювачем, необхідним для розвитку життя на планеті, а легкозаймистий білий фосфор швидко утворює активні токсичні сполуки, тому він смертельно небезпечний.

До рідких неметалів можна віднести тільки бром – важку темно-буру в’язку рідину, що володіє різким і неприємним запахом. Попри те що в природі бром є смертельною отрутою, навіть його пари викликають сильне подразнення слизової і шкірних покривів, він присутній в організмі людини, оберігаючи організм від гормональних збоїв.

До твердих речовин відносять:

• бор;
• червоний і чорний фосфор;
• миш’як;
• кремній;
• сірка;
• йод;
• всі стабільні алотропні модифікації вуглецю.

У звичайному стані вони є речовинами з міцною атомними кристалічними ґратами, мають високу твердість, але при цьому крихкі, легко шаруються і ламаються.

Цікавим прикладом різних властивостей одного і того ж неметалу стане порівняння двох різновидів вуглецю — алмазу і графіту. Твердження про твердість алмазу має наукове обґрунтування – розташування атомів в кристалічній ґратці цих речовин настільки різне, що алмаз зруйнувати практично неможливо, а графіт легко ламається і кришиться.

Місце в періодичній системі

В системі хімічних елементів неметали не виділені в окрему групу. Визначити, чи є проста речовина неметалом, можна, провівши уявну діагональну лінію від бору до астату. У правому верхньому куті залишаться неметали і інертні гази, а зліва внизу – речовини з властивостями металу, а також окремі підгрупи — лантаноїди і актиноїди.

За своїми фізичними властивостями інертні гази близькі до неметалів, тому їх часто розглядають разом.

Елементи, розташовані біля уявної діагоналі, мають двоїстий характер і вважаються напівметалами (металоїдами). Список неметалів в таблиці Менделєєва залежить від їх положення в системі і кількості електронів на зовнішньому шарі:

• Бор (B) має всього 3 електрони.
• Вуглець і кремній (Si) по 4.
• На зовнішньому шарі азоту (N), фосфору (P) і миш’яку (As) знаходяться 5 електронів.
• Кисень (O), сірка (S), скандій (Se), телур (Te) — 6 електронів.
• Фтор (F), хлор (Cl), бром (Br), йод (I) і астат (At) мають майже завершеним зовнішнім шаром з 7 електронів.

Окремо знаходяться водень і гелій, розташовані в лівому і правому верхньому кутку таблиці. Це пояснюється унікальністю атома водню, що має всього 1 електрон на зовнішньому шарі. Причому водень може однаково добре проявляти властивості як відновника, віддаючи його, так і окислювача, приймаючи додатковий електрон.

Хімічні особливості неметалів

Для більшості елементів цієї групи характерна здатність вступати у швидкі окислювально-відновні реакції, це забезпечують особливості будови атомів неметалів. Їх атоми містять велику кількість електронів (4-8) на зовнішньому електронному рівні і здатні приймати додаткові електрони для його стійкої конфігурації. Завдяки цьому утворюються негативно заряджені іони, що збільшують заряд ядра, атом стискається, а його радіус зменшується.

Ці процеси послаблюють відновні властивості неметалів, а окислювальна здатність і електронегативність збільшуються.

Деякі неметали, наприклад, бром, є окислювачем для більшості металів, але при цьому він виступає відновником для сильніших неметалів.

Хімічні властивості неметалів, що проявляються, їх активність, можливі ступені окислення і характер одержуваних сполук можуть варіюватися в залежності від їх місця в періодичній системі і поточного агрегатного стану.

Взаємодія з іншими речовинами

Кожен неметал володіє специфічними властивостями, характерними тільки для нього, які детально розглядаються при вивченні неорганічної хімії. Загальними властивостями є здатність реагувати з металами, воднем і киснем.

При взаємодії з металами більшість неметалів виступають окислювачами і в утворених бінарних з’єднаннях проявляють негативний ступінь окислення:

• При реакції активних металів з воднем утворюються тверді нелеткі гідриди. Такі неметали як кремній, фосфор і бор взагалі нездатні на з’єднання з воднем.
• Реакції металів і неметалів з хлором утворюють хлориди. Багато металів (наприклад, залізо) при реакції з хлором починають горіти, утворюючи сполуки, що належать до класу солей. При цьому хлорид неметалу ніколи не буде сіллю.
• Взаємодія з киснем дає оксиди, які поділяють на пероксиди і надпероксиди.
• Зв’язок з сіркою утворює сульфіди. При цьому для отримання формули сульфіду алюмінію (Al₂S₃) речовини потрібно нагріти, а для сульфіду натрію (Na₂S) досить простого механічного перемішування.
• Для неметалів нехарактерна взаємодія з водою і кислотами.

Неметали можуть вступати в реакції між собою, при цьому більш електронегативний елемент буде грати роль окислювача, а менш негативний стане відновником.

Отримання та застосування неметалів

Деякі елементи зустрічаються в природі у вільному вигляді, тому їх можна виділити з сумішей або очистити фізичним методом. Фтор, хлор, бром і йод зустрічаються тільки у вигляді сполук, тому потрібні речовини отримують методом хімічних реакцій:

• Хлор отримують методом електролізу хлориду натрію;
• Кремній – методом прожарювання в промислових печах суміші піску з коксом;
• Фосфор відновлюють з фосфату кальцію, добуваючи його з апатиту і фосфориту;
• Селен і телур є залишковими продуктами виробництва сірчаної кислоти;
• Найважче виробляти миш’як, для цього застосовується складний ланцюг хімічних реакцій кисню і вуглецю з миш’яковистим колчеданом;
• Для отримання азоту, кисню і інертного газу аргону використовують дистиляцію рідкого повітря, яке попередньо піддають впливу підвищеного тиску і низьких температур.

У земних умовах водень зустрічається тільки у зв’язаному стані у вигляді водневих сполук, тому для його виділення використовують різні хімічні методи, в основному, парову конверсію метану або природного газу.

Враховуючи різноманітні властивості неметалів, вони знаходять застосування в більшості галузей нашого життя:

• медицині;
• піротехніці;
• сільському господарстві;
• харчовій промисловості;
• для підготовки високих температур.

Для дезінфекції води використовують хлор і озон, медицина неможлива без йоду і активованого вугілля (вуглець), рідкий азот застосовують в косметології, а сірка допомагає боротися з хворобами рослин.