Какие свойства характерны для металлов а какие для неметаллов
Из (118) известных на данный момент химических элементов (22) элемента образуют простые вещества, обладающие неметаллическими свойствами. Неметаллических простых веществ намного больше, чем самих неметаллических химических элементов. Причиной тому служит существование явления, называемого аллотропией.
Аллотропия — это способность атомов данного химического элемента образовывать несколько простых веществ, называемых аллотропными видоизменениями, или аллотропными модификациями.
Например, химический элемент кислород (O) образует простое вещество кислород O2, молекула которого состоит из двух атомов, и простое вещество озон O3, молекула которого состоит из трёх атомов данного элемента.
Химический элемент фосфор (P) образует множество аллотропных видоизменений, важнейшими из которых являются красный фосфор и белый фосфор.
Химический элемент углерод (C) образует встречающиеся в природе модификации — алмаз и графит.
Аллотропные видоизменения, образуемые одним и тем же химическим элементом, существенно отличаются между собой как по строению, так и по свойствам.
Аллотропия присуща не всем неметаллических химическим элементам.
Например, водород, азот, элементы (VII)A и (VIII)A групп не имеют аллотропных модификаций, т. е. каждый из упомянутых элементов образует только одно простое вещество.
Кристаллическая решетка неметаллов
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
Другая часть неметаллов имеет молекулярную кристаллическую решетку. 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 вещества молекулярного строения при обычных условиях могут быть газами, жидкостями или легкоплавкими твёрдыми веществами.
Кислород O2, озон O3, азот N2, водород H2, фтор F2, хлор Cl2, бром Br2, иод I2, белый фосфор P4, кристаллическая сера S8 и инертные газы — это всё вещества, кристаллы которых состоят из отдельных молекул (а в случае инертных газов — из отдельных атомов, как бы выполняющих роль молекул).
Модель молекулы серы (слева) и кристалл серы. Кристалл серы состоит из отдельных молекул (S_8)
Физические свойства неметаллов
Свойства неметаллических простых веществ отличаются большим разнообразием. Собственно говоря, их объединяет только то, что они, как правило, не обладают теми физическими свойствами, которые типичны для металлов, т. е. не обладают характерным металлическим блеском, ковкостью, пластичностью, высокой тепло- и электропроводностью.
Агрегатное состояние
Неметаллы при обычных условиях могут быть газообразными, жидкими и твёрдыми веществами.
Газообразными неметаллами являются гелий (He), неон (Ne), аргон (Ar), криптон (Kr), ксенон (Xe) и радон (Rn). Их называют инертными (или благородными) газами. Каждая «молекула» инертного газа состоит только из одного атома.
Такие химические элементы, как водород (H), кислород (O), азот (N), хлор (Cl), фтор (F) образуют газообразные вещества, состоящие из двухатомных молекул, соответственно — H2, O2, N2, Cl2, F2.
Из неметаллических простых веществ при обычных условиях жидкостью является только бром, молекулы которого двухатомны — Br2.
Остальные неметаллические химические элементы при обычных условиях находятся в твёрдом агрегатном состоянии. Например, химический элемент углерод образует такие твёрдые вещества, как алмаз и графит. Твёрдыми являются кристаллическая сера S8, фосфор красный и фосфор белый P4, кристаллический иод I2.
Цвет и блеск
Только некоторые неметаллы в отличие от металлов имеют блеск. Например, кристаллический иод, кремний и графит не похожи на остальные неметаллы — они имеют блеск, несколько напоминающий блеск металлов.
Если для подавляющего большинства металлов характерны серебристо-серый или серебристо-белый цвета, то окраска неметаллов очень разнообразна. Белый цвет имеет белый фосфор, красный — красный фосфор, жёлтый — сера и фтор, красно-бурый — жидкий бром, жёлто-зелёный — хлор, фиолетовый цвет имеют пары иода, синий — жидкий кислород, серый — графит и кремний. Бесцветным является алмаз, окраски не имеют также инертные газы, азот, кислород и водород.
Красный фосфор | Белый фосфор |
Бром | Хлор |
Иод | Алмаз |
Неметаллы могут находиться в твёрдом, жидком и газообразном агрегатных состояниях.
Запах
Некоторые неметаллы имеют запах. Например, резкий удушливый запах имеют озон O3, фтор F2 (при попадании в органы дыхания практически моментально разрушает ткани), хлор Cl2, бром Br2 и иод I2.
Пластичность
Неметаллы в твёрдом агрегатном состоянии не обладают пластичностью. Они являются хрупкими.
Электро- и теплопроводность
Неметаллы, за исключением графита, плохо проводят тепло и практически не проводят электрический ток (являются диэлектриками).
Все химические элементы условно можно разделить на неметаллы и металлы. Знаете ли вы, по каким признакам они отличаются? Как определить их положение в таблице химических элементов? На эти и другие вопросы вы найдете ответы в нашей статье.
Положение неметаллов и металлов: таблица Менделеева
По внешним признакам и физическим свойствам не всегда можно выяснить, к какой группе относится химический элемент. Свойства металлов и неметаллов можно определить по расположению в периодической таблице.
Для этого нужно зрительно провести диагональ от бора до астата, от 5 до 85 номера. В правом верхнем углу будут преимущественно находиться неметаллы. Их в таблице меньшинство, всего 22 элемента. Металлы находятся в правой части периодической таблицы наверху — в основном в I, II и III группах.
Энергетический уровень
Отличия неметаллов и металлов первоначально обусловлены строением их атомов. Начнем с количества электронов на внешнем энергетическом уровне. У атомов металлов оно варьирует от одного до трех. Как правило, они обладают большим радиусом, поэтому атомы металлов достаточно легко отдают наружные электроны, так как имеют сильные восстановительные свойства.
У неметаллов число электронов на внешнем уровне больше. Это объясняет их окислительную активность. Неметаллы присоединяют недостающие электроны, полностью заполняя энергетический уровень. Самые сильные окислительные свойства проявляют неметаллы второго и третьего периода VI-VII групп.
Заполненный энергетический уровень содержит 8 электронов. Самой большой окислительной способностью обладают галогены с валентностью I. Среди них лидирует фтор, так как у этого элемента нет свободных орбиталей.
Строение металлов и неметаллов: кристаллические решетки
Физические свойства веществ определяются порядком расположения элементарных частиц. Если условно соединить их воображаемыми линиями, то получится структура, которая называется кристаллической решеткой. В ее узлах могут находиться разные структуры: атомы, молекулы или заряженные частицы — ионы.
У некоторых неметаллов формируется атомная кристаллическая решетка, частицы которой соединены ковалентными связями. Вещества с таким строением твердые и нелетучие. К примеру, фосфор, кремний и графит.
В молекулярной кристаллической решетке связь между элементарными частицами слабее. Обычно подобные неметаллы находятся в жидком или газообразном агрегатном состоянии, но в некоторых случаях — это твердые легкоплавкие неметаллы.
В любом образце металла часть атомов теряет наружные электроны. При этом они превращаются в положительно заряженные частицы — катионы. Последние снова соединяются с электронами, образуя нейтрально заряженные частицы — в металлической решетке одновременно находятся катионы, электроны и атомы.
Физические свойства
Начнем с агрегатного состояния. Традиционно принято считать, что все металлы — твердые вещества. Исключением является только ртуть, тягучая жидкость серебристого цвета. Ее пары являются контаминантом — токсичным веществом, вызывающим отравление организма.
Еще одна характерная черта — металлический блеск, который объясняется тем, что поверхность металла отражает световые лучи. Еще одна важная особенность — электро- и теплопроводность. Это свойство обусловлено наличием в металлических решетках свободных электронов, которые в электрическом поле начинают двигаться направленно. Лучше всех проводит тепло и ток ртуть, наименьшими показателями обладает серебро.
Металлическая связь обусловливает ковкость и пластичность. По этим показателям лидирует золото, из которого можно раскатать лист толщиной в человеческий волос.
Чаще всего физические свойства металлов и неметаллов противоположны. Так, последние характеризуются невысокими показателями электро- и теплопроводности, отсутствием металлического блеска. При обычных условиях неметаллы находятся в газообразном или жидком состоянии, а твердые всегда хрупкие и легкоплавкие, что объясняется молекулярным строением неметаллов. Алмаз, красный фосфор и кремний — тугоплавкие и нелетучие, это вещества с немолекулярным строением.
Что такое полуметаллы
В периодической таблице между металлами и неметаллами находится ряд химических элементов, которые занимают промежуточное положение. Их называют полуметаллами. Атомы полуметаллов связаны ковалентной химической связью.
Эти вещества совмещают признаки металлов и неметаллов. К примеру, сурьма является кристаллическим веществом серебристо-белого цвета и вступает в реакцию с кислотами, образуя соли — типичные металлические свойства. С другой стороны, сурьма — очень хрупкое вещество, которое не поддается ковке, а измельчить его можно даже вручную.
Итак, типичные неметаллы и металлы обладают противоположными свойствами, но деление это достаточно условно, поскольку ряд веществ сочетает в себе и те и другие признаки.
Все химические элементы разделяют на металлы и неметаллы в зависимости от строения и свойств их атомов. Также на
металлы и неметаллы классифицируют образуемые элементами простые вещества, исходя из их физических и химических свойств.
В Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева неметаллы расположены по диагонали: бор – астат и над ней в главных подгруппах.
Для атомов металлов характерны сравнительно большие радиусы и небольшое число электронов на внешнем уровне от 1 до 3 (исключение: германий, олово свинец – 4;
сурьма и висмут — 5; полоний — 6 электронов).
Атомам неметаллов, наоборот, свойственны небольшие радиусы атомов и число электронов на внешнем уровне от 4 до 8 (исключение бор, у него таких электронов –
три).
Отсюда стремление атомов металлов к отдаче внешних электронов, т.е. восстановительные свойства, а для атомов неметаллов – стремление к приему недостающих до
устойчивого восьмиэлектронного уровня электронов, т.е. окислительные свойства.
В металлах – металлическая связь и металлическая кристаллическая решетка. В узлах решетки находятся положительно заряженные ионы металлов, связанные
посредством обобществленных внешних электронов, принадлежащих всему кристаллу.
Это обуславливает все важнейшие физические свойства металлов: металлический блеск, электро- и теплопроводность, пластичность (способность изменять форму под
внешним воздействием) и некоторые другие, характерные для этого класса простых веществ.
Металлы I группы главной подгруппы называют щелочными металлами.
Металлы II группы: кальций, стронций, барий – щелочноземельными.
В химических реакциях металлы проявляют только восстановительные свойства, т.е. их атомы отдают электроны, образуя в результате положительные
ионы.
1. Взаимодействуют с неметаллами:
а) кислородом (с образованием оксидов)
Щелочные и щелочноземельные металлы окисляются легко при обычных условиях, поэтому их хранят под слоем вазелинового масла или керосина.
4Li + O2 = 2Li2O
2Ca + O2 = 2CaO
Обратите внимание: при взаимодействии натрия – образуется пероксид, калия — надпероксид
2Na + O2 = Na2O2, К + О2 = КО2
а оксиды получают прокаливанием пероксида с соответствующими металлом:
2Na + Na2O2 = 2Na2O
Железо, цинк, медь и другие менее активные металлы медленно окисляются на воздухе и активно при нагревании.
3Fe + 2O2 = Fe3O4 (смесь двух оксидов: FeO и Fe2O3)
2Zn + O2 = 2ZnO
2Cu + O2 = 2CuO
Золото и платиновые металлы не окисляются кислородом воздуха ни при каких условиях.
б) водородом (с образованием гидридов)
2Na + H2 = 2NaH
Ca + H2 = CaH2
в) хлором (с образованием хлоридов)
2K + Cl2 = 2KCl
Mg + Cl2 = MgCl2
2Al + 3Cl2 =2AlCl3
Обратите внимание: при взаимодействии железа образуется хлорид железа (III):
2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3
г) серой (с образованием сульфидов)
2Na + S = Na2S
Hg + S = HgS
2Al + 3S = Al2S3
Обратите внимание: при взаимодействии железа образуется сульфид железа (II):
Fe + S = FeS
д) азотом (с образованием нитридов)
6K + N2 = 2K3N
3Mg + N2 = Mg3N2
2Al + N2 = 2AlN
2. Взаимодействуют со сложными веществами:
Необходимо помнить, что по восстановительной способности металлы расположены в ряд, который называют электрохимическим рядом напряжений или активности
металлов (вытеснительный ряд Бекетова Н.Н.):
Li, K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Co, Ni, Sn, Pb, (H2), Cu, Hg, Ag, Au, Pt
а) водой
Металлы, расположенные в ряду до магния, при обычных условиях вытесняют водород из воды, образуя растворимые основания – щелочи.
2Na + 2H2O = 2NaOH + H2↑
Ba + H2O = Ba(OH) 2 + H2↑
Магний взаимодействует с водой при кипячении.
Mg + 2H2O = Mg(OH) 2 + H2↑
Алюминий при удалении оксидной пленки бурно реагирует с водой.
2Al + 6H2O = 2Al(OH) 3 + 3H2↑
Остальные металлы, стоящие в ряду до водорода, при определенных условиях тоже могут вступать в реакцию с водой с выделением водорода и образованием
оксидов.
3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2↑
б) растворами кислот
(Кроме концентрированной серной кислоты и азотной кислоты любой концентрации. См. раздел «Окислительно-восстановительные реакции».)
Обратите внимание: не используют для проведения реакций нерастворимую кремниевую кислоту
Металлы, стоящие в ряду до магния и активно реагирующие с водой, не используют для проведения таких реакций.
Металлы, стоящие в ряду от магния до водорода, вытесняют водород из кислот.
Mg + 2HCl = MgCl2 + H2↑
Обратите внимание: образуются соли двухвалентного железа.
Fe + H2SO4(разб.) = FeSO4 + H2↑
Образование нерастворимой соли препятствует протеканию реакции. Например, свинец практически не реагирует с раствором серной кислоты из-за образования на
поверхности нерастворимого сульфата свинца.
Металлы, стоящие в ряду после водорода, НЕ вытесняют водород.
в) растворами солей
Металлы, стоящие в ряду до магния и активно реагирующие с водой, не используют для проведения таких реакций.
Для остальных металлов выполняется правило:
Каждый металл вытесняет из растворов солей другие металлы, расположенные в ряду правее него, и сам может быть вытеснен металлами, расположенными левее
него.
Cu + HgCl2 = Hg + CuCl2
Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu
Как и в случае с растворами кислот, образование нерастворимой соли препятствует протеканию реакции.
г) растворами щелочей
Взаимодействуют металлы, гидроксиды которых амфотерны.
Zn + 2NaOH + 2H2O = Na2 [Zn(OH) 4] + H2↑
2Al + 2KOH + 6H2O = 2K[Al(OH) 4] + 3H2↑
д) с органическими веществами
Щелочные металлы со спиртами и фенолом.
2C2H5OH + 2Na = 2C2H5ONa + H2↑
2C6H5OH + 2Na = 2C6H5ONa + H2↑
Металлы участвуют в реакциях с галогеналканами, которые используют для получения низших циклоалканов и для синтезов, в ходе которых происходит усложнение
углеродного скелета молекулы (реакция А.Вюрца):
CH2Cl-CH2-CH2Cl + Zn = C3H6(циклопропан) + ZnCl2
2CH2Cl + 2Na = C2H6(этан) + 2NaCl
В простых веществах атомы неметаллов связаны ковалентной неполярной связью. При этом образуются одинарные (в молекулах H2, F2,
Cl2, Br2, I2), двойные (в молекулах О2), тройные (в молекулах N2) ковалентные связи.
1. молекулярное
При обычных условиях большинство таких веществ представляют собой газы (Н2, N2, O2, O3, F2,
Cl2) или твердые вещества (I2, P4, S8) и лишь единственный бром (Br2) является жидкостью. Все эти вещества молекулярного строения, поэтому
летучи. В твердом состоянии они легкоплавки из-за слабого межмолекулярного взаимодействия, удерживающего их молекулы в кристалле, и способны к возгонке.
2. атомное
Эти вещества образованы кристаллами, в узлах которых находятся атомы: (Bn, Сn, Sin, Gen, Sen, Ten). 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.
Многие элементы – неметаллы образуют несколько простых веществ – аллотропных модификаций. Аллотропия может быть связана с разным составом молекул: кислород
О2 и озон О3 и с разным строением кристаллов: аллотропными модификациями углерода являются графит, алмаз, карбин, фуллерен. Элементы – неметаллы, имеющие аллотропные
модификации: углерод, кремний, фосфор, мышьяк, кислород, сера, селен, теллур.
У атомов неметаллов преобладают окислительные свойства, то есть способность присоединять электроны. Эту способность характеризует значение
электроотрицательности. В ряду неметаллов
At, B, Te, H, As, I, Si, P, Se, C, S, Br, Cl, N, O, F
электроотрицательность возрастает и усиливаются окислительные свойства.
Отсюда следует, что для простых веществ – неметаллов будут характерны как окислительные, так и восстановительные свойства, за исключением фтора – самого
сильного окислителя.
1. Окислительные свойства
а) в реакциях с металлами (металлы всегда восстановители)
2Na + S = Na2S (сульфид натрия)
3Mg + N2 = Mg3N2 (нитрид магния)
б) в реакциях с неметаллами, расположенными левее данного, то есть с меньшим значением электроотрицательности. Например, при взаимодействии фосфора и серы
окислителем будет сера, так как фосфор имеет меньшее значение электроотрицательности:
2P + 5S = P2S5 (сульфид фосфора V)
Большинство неметаллов будут окислителями в реакциях с водородом:
H2 + S = H2S
H2 + Cl2 = 2HCl
3H2 + N2 = 2NH3
в) в реакциях с некоторыми сложными веществами
Окислитель – кислород, реакции горения
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O
2SO2 + O2 = 2SO3
Окислитель – хлор
2FeCl2 + Cl2 = 2FeCl3
2KI + Cl2 = 2KCl + I2
CH4 + Cl2 = CH3Cl + HCl
Ch2=CH2 + Br2 = CH2Br-CH2Br
2. Восстановительные свойства
а) в реакциях с фтором
S + 3F2 = SF6
H2 + F2 = 2HF
Si + 2F2 = SiF4
б) в реакциях с кислородом (кроме фтора)
S + O2 = SO2
N2 + O2 = 2NO
4P + 5O2 = 2P2O5
C + O2 = CO2
в) в реакциях со сложными веществами – окислителями
H2 + CuO = Cu + H2O
6P + 5KClO3 = 5KCl + 3P2O5
C + 4HNO3 = CO2 + 4NO2 + 2H2O
H2C=O + H2 = CH3OH
3. Реакции диспропорционирования: один и тот же неметалл является и окислителем и восстановителем
Cl2 + H2O = HCl + HClO
3Cl2 + 6KOH = 5KCl + KClO3 + 3H2O