Какие свойства присущи химическим элементам

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