Неметаллы — простые вещества

Неметаллы — простые вещества
Особенности строения электронных оболочек атомов неметаллов и их
кристаллического строения вы уже рассматривал и. Также вам хорошо
знакомо и явление аллотропии, которое для неметаллов более характерно,
чем для металлов.
Физические свойства неметаллов. Среди физических свойств отметим
лишь то, что хотя по сравнению с металлами неметаллов гораздо меньше, для
них трудно выделить общие признаки. Судите сами: водород, кислород, озон,
фтор, хлор, азот — это газы при обычных условиях, бром — единственная
жидкость, а бор, углерод (во всех аллотропных модификациях), кремний,
сера и фосфор (во всех аллотропных модификациях), селен, теллур, иод,
астат — твердые вещества.
Окраска простых веществ неметаллов охватывает весь спектр: красный
(красный фосфор, красно-бурый бром) (цв. вклейка, рис. 21), желтый (сера),
зеленый (желто-зеленый хлор), фиолетовый (иод) и т.д.
Рис. 21. Бром – легкоиспаряющаяся красно-бурая жидкость.
Температура плавления неметаллов также изменяется в очень широком
интервале от 3800 °С у графита до -210 °С у азота. Эта особенность свойств
неметаллов, как вы знаете, является следствием образования ими двух типов
кристаллических решеток: молекулярной и атомной. (Вспомните особенности
этих решеток и свойства, определяемые ими; приведите примеры.)
На примере галогенов проанализируем изменение физических свойств
неметаллов в зависимости от их положения в Периодической системе (табл.
7.3).
Для неметаллов более характерно явление аллотропии {Вспомните, что
это такое!), чем для металлов. Напомним, что причиной аллотропии
являются: различное число атомов в молекулах (например, аллотропные
модификации кислорода — кислород 02 и озон 03) или разное строение
кристаллических решеток модификаций одного химического элемента
(аллотропные модификации углерода: объемная атомная кристаллическая
решетка алмаза, плоскостная атомная кристаллическая решетка графита, сферическая атомная кристаллическая решетка, напоминающая футбольный
мяч, фуллерена (цв. вклейка, рис. 22) и линейная атомная кристаллическая
решетка карбина).
Рис. 22. Кристаллическая решетка фуллерена напоминает футбольный мяч.
Рассмотрим, например, простые вещества — аллотропные модификации, образованные углеродом.
Необычайная твердость алмаза по особой шкале твердости веществ
(шкале Мооса) оценена в десять баллов. Благодаря высокой твердости алмаз
используют для изготовления буров, сверл, шлифовальных инструментов,
стеклорезов, хотя для большинства это камень ювелиров, которые
используют ограненные алмазы, называемые бриллиантами (цв. вклейка, рис.
23).
Рис. 23. Алмазы украшают императорские короны
Т а б л и ц а 7.3
Физические свойства галогенов
Простое
вещество
Фтор F2
Хлор Сl,
Бром Вr2
Иод I2
Агрегатное
состояние при
обычных
условиях
Температура, °С
Цвет
Газ; не
Светло-желтый
сжижается
при обычной
температуре
Газ;
Желто-зеленый
сжижается
при обычной
температуре
под
давлением
Жидкость
Буроватокоричневый
Твердое
Черно-фиолетовый с
вещество
металлическим
блеском
Запах
плавления
кипения
Резкий,
-220
раздражающ
ий
-188
Резкий,
-101
удушливый
-34
Резкий,
зловонный
Резкий
-7
+58
+ 114
+ 186
Другая аллотропная модификация углерода - графит — несколько
противоречит утверждению о том, что вещества с атомной кристаллической
решеткой обладают высокой твердостью. Мягкость графита обусловлена
слоистой структурой. В кристаллической решетке графита атомы углерода,
лежащие в одной плоскости, прочно связаны в правильные шестиугольники.
Связи между слоями малопрочные, а потому графит мягок. Но, как и алмаз,
он тугоплавок. Из графита готовят электроды, твердые смазки, стержни для
карандашей, замедлители нейтронов в ядерных реакторах.
Если химические свойства металлов характеризуются как восстановительные, то для неметаллов характерны и восстановительные, и
окислительные свойства. Способность неметаллов проявлять те или иные
свойства определяется их положением в ряду электроотрицательности:
F, О, Сl, N. Вr, S, С, Н
Электроотрицательность уменьшается
Окислительные свойства неметаллов. Понятно, что наиболее ярко
окислительные свойства проявляются в реакциях с металлами. Например,
даже малоактивная ртуть при обычных условиях легко связывается с серой:
S0 + Нg0 = Нg+2S –2
Эта реакция используется для сбора пролитой ртути. (Ртуть чрезвычайно
ядовита.) Процесс называют демеркуризацией (в старые времена каждый
металл считался представителем того или иного небесного тела на Земле;
ртуть связывали с Меркурием).
Аналогично, окислительные свойства неметаллы проявляют и по
отношению к водороду. (Почему!) Многие реакции синтеза водородных
соединений неметаллов, в частности аммиака, имеют большое практическое
значение:
2N–3Н
3Н +
На примере водорода можно убедиться, что неметаллы (ведь водород
тоже неметалл) способны проявлять и восстановительные свойства, все
зависит от положения неметалла в ряду электроотрицательности; например:
2Р 0 + 3С
= 2Р+3Сl '
и далее:
Р+3С
+С
= Р+5Сl
Восстановительные свойства неметаллов. На основании значений
электроотрицательности можно предположить, что по отношению к фтору и
кислороду остальные неметаллы всегда будут проявлять восстановительные
свойства. Наиболее известны и значимы реакции горения неметаллов с
участием кислорода:
S 0 + O = S+4O
Эта реакция (цв. вклейка, рис. 24) является первой стадией процесса
получения серной кислоты из серы (цв. вклейка, рис. 25). (Напишите
уравнения реакций для двух остальных стадий получения серной кислоты.)
Рис.24. Сера – ценное химическое сырье
Рис.25. При горении серы образуется диоксид SO2 , который изменяет окраску
влажной лакмусовой бумажки.
Аналогично, горение фосфора — это первая стадия получения чистой
фосфорной кислоты:
4Р 0 + 5O = 2Р O
Восстановительные свойства неметаллы проявляют также в реакциях со
сложными веществами — сильными окислителями. Например, реакция серы
и фосфора с бертолетовой солью лежит в основе процесса зажигания
обыкновенной спички:
3S 0 + 2КСl+5O3 = 2КСl–1 + 3S+4O2
Окислительно-восстановительные свойства галогенов характеризуются
своеобразным рядом активности: F2 > Сl2 > Вr2 > I2; например:
Сl + 2КВr–1 =2КСl–1 + Вr
Вr + 2КI–1 = 2КВr –1 + I20
Фтор, как и щелочные металлы, для реакций с растворами солей
непригоден, так как реагирует с водой — вода горит во фторе. (Напишите
уравнение реакции.)
Вопросы
Какими особенностями строения отличаются атомы и кристаллы
неметаллов? Как их строение определяет свойства этого класса веществ?
Какими свойствами — окислительными или восстановительными,
характеризуются неметаллы?
Охарактеризуйте понятие электроотрицательность. Сравните ряд
электроотрицательности неметаллов с рядом напряжений металлов.
Охарактеризуйте понятие аллотропия. Какими причинами она обусловлена? Сравните аллотропные модификации кислорода. Расскажите об
аллотропии углерода.
Какие аллотропные модификации олова вы знаете? Как аллотропия
олова доказывает относительность деления простых веществ на металлы и
неметаллы?
Охарактеризуйте окислительные свойства неметаллов. Напишите
уравнения реакций. Каким кристаллическим строением и свойствами будут
обладать продукты реакций металлов с неметаллами? Приведите примеры.
Охарактеризуйте восстановительные свойства неметаллов, напишите
уравнения реакций. Каким кристаллическим строением и свойствами будут
обладать летучие водородные соединения неметаллов?
Напишите уравнения реакций взаимодействия красного фосфора с
бертолетовой солью. Рассмотрите окислительно-восстановительные процессы.
Составьте уравнение реакции взаимодействия фосфора с азотной
кислотой, которую описывает следующая схема:
Р + НNO3 + Н2O → Н3РO4 + NO
Назовите
азота.
области применения
серы,
фосфора, хлора,
углерода,