Скільки хімічних елементів відносяться до Неметалів*

§ 15. Неметали. Загальна характеристика неметалів

Місце неметалічних елементів у періодичній системі вам відоме (схарактеризуйте його за рисунком 15.1).

Рис. 15.1. 1. Металічні елементи. 2. Елементи, прості речовини яких виявляють властивості, проміжні між металами й неметалами. 3. Неметалічні елементи

Скільки неметалічних елементів у періодичній системі? Ви зможете самостійно відповісти на це запитання, проаналізувавши рисунок 15.1 (зробіть це). Зверніть увагу, що обабіч умовної межі, яка проходить у періодичній системі від Бору до Астату, розташовано хімічні елементи, прості речовини яких виявляють властивості, проміжні між властивостями металів і неметалів.

Цікаво і пізнавально

Яке було співвідношення між кількістю металічних і неметалічних елементів, відомих людству, у Стародавні часи? Золото, срібло, залізо, ртуть, олово, мідь, свинець – сімка металів давнини. Натомість у ті часи було відомо лише два неметали – сірка та вуглець. Свідчення про це збереглися в літературних пам’ятниках давнини – «Лейденському папірусі», «Стокгольмському папірусі», «Природній історії» Гая Плінія-секунда, «Книзі 70» Джабір Ібн Хайяма тощо.

Критерієм металічності або неметалічності простої речовини може бути чимало властивостей. З курсу хімії 7 і 8 класів ви знаєте, що неметали – прості речовини, які не виявляють властивостей металів, а саме: металічного блиску, ковкості, погано проводять тепло, електричний струм. Саме легкість проходження електричного струму крізь просту речовину, тобто її електропровідність, є показником, за яким легко визначити ступінь металічності. Однак трапляються й винятки. Графіт, наприклад, добре проводить електричний струм. Так само як і силіцій, арсен та йод, ця речовина має металічний блиск. Тому складно однозначно класифікувати деякі хімічні елементи на рівні макросвіту – за властивостями утворених ними простих речовин. Тож глибинні причини, які зумовлюють металічні або неметалічні властивості хімічних елементів і простих речовин, шукатимемо на рівні мікросвіту.

Розгляньмо особливості будови атомів неметалічних елементів. Ви, звісно, звернули увагу, що всі неметалічні елементи містяться в головних підгрупах періодичної системи, тобто вони належать до s- і р-елементів (табл. 15.1).

Таблиця 15.1. Будова зовнішнього енергетичного рівня атомів неметалічних елементів

Будова зовнішнього енергетичного рівня

• 1. Визначте, скільки: а) поміж неметалічних елементів – s-елементів; б) електронів міститься на зовнішньому енергетичному рівні в атомах неметалічних елементів. 2. Назвіть неметалічні елементи, на зовнішньому енергетичному рівні атомів яких міститься: а) 1 електрон; б) 2 електрони; в) 3 електрони; г) 8 електронів.

Неметалічні елементи мають порівняно з металічними невеликий (менший за 0,1 нм) атомний радіус (рис. 15.2).

Рис. 15.2. Напрямки зростання радіусів атомів хімічних елементів головних підгруп

Описані особливості будови атомів неметалічних елементів зумовили їхню високу, порівняно з металічними елементами, електронегативність.

Зв’язки в молекулах 1 і кристалах неметалів ковалентні, вільних електронів зазвичай немає, тому ці речовини переважно діелектрики (ізолятори). Щоб узагальнити закономірності зміни властивостей неметалічних елементів зі зростанням їхніх протонних чисел, складімо порівняльну таблицю.

1 Інертні елементи за звичайних умов існують у вигляді окремих атомів.

Таблиця 15.2. Закономірності зміни властивостей неметалічних елементів зі зростанням їхнього протонного числа

Ознака порівняння

Періоди

Групи

Заряди ядер атомів

Кількість електронів на зовнішньому енергетичному рівні

Не змінюється 2

Кількість валентних електронів

Окиснювальні властивості 3

2 За винятком інертних елементів, бо в атомі Гелію два електрони на зовнішньому енергетичному рівні, у решти – по вісім.

3 Окиснювальні властивості інертним елементам не притаманні. Гідроген виявляє окиснювальні властивості в реакціях з металами.

• Заповніть прогалини в таблиці 15.2 (у зошиті), скориставшись рисунками 15.1 та 15.2.

Тепер зрозуміло, як пов’язане розміщення неметалічних елементів у періодичній системі з будовою їхніх атомів. Однак не менш важливо мати уявлення щодо поширення неметалічних елементів у природі. Адже знання про їхній уміст в оболонках Землі та поза її межами, розуміння закономірностей міграції та колообігів потрібні для створення ефективної системи контролю за станом довкілля, запобігання небажаним наслідкам техногенної діяльності людини.

Близько трьох четвертих від маси земної кори припадає на три неметалічні елементи – Оксиген, Силіцій та Гідроген. Сумарна атомна частка цих елементів ще більша й сягає майже 95 %. Натомість Арсен, Селен, Йод і Телур є досить рідкісними елементами.

На відміну від земної кори, «чемпіонами» Усесвіту за вмістом є Гідроген і Гелій (рис. 15.3). Гідроген – головний складник атмосфери зір, зокрема Сонця. Саме від грец. Ήελιος – Сонце – походить і назва Гелію, інертного елемента, жовту лінію якого було виявлено у спектрі сонячної корони. У земній атмосфері найбільші масові частки також у неметалічних елементів – Нітрогену й Оксигену, у ґрунтах – Оксигену та Силіцію, у гідросфері – Оксигену та Гідрогену, у живій природі – Оксигену, Карбону й Гідрогену.

Рис. 15.3. Атомні частки найпоширеніших неметалічних елементів в атмосфері Сонця. Легенда: 1 – Н; 2 – Не; 3 – О; 4 – Ν; 5 – Si; 6 – S; 7 – С

Важливе та перспективне завдання – дослідження біологічної ролі неметалічних елементів у функціонуванні організмів. Шість хімічних елементів – Карбон, Гідроген, Оксиген, Нітроген, Фосфор і Сульфур є основою живих систем. Наприклад, масова частка цих елементів в організмі людини становить 97,4 % (рис. 15.4).

Рис. 15.4. Неметалічні та металічні елементи в організмі людини. Їхні атоми здатні утворювати зв’язки різних типів, що й зумовлює наявність в організмах великого числа найрізноманітніших біомолекул

• Назвіть найважливіші органічні речовини – складники живої клітини.

Знання щодо хімічного складу рослин дуже важливі для забезпечення збалансованого харчування людей. Деякі рослини вибірково вбирають хімічні елементи з ґрунту. Злакові накопичують Силіцій і Фосфор, буряки та чай – Флуор. Бобові, цибуля та часник концентрують у собі Сульфур, а сочевиця – Арсен. Селен «полюбляє» кукурудза, Бор – гречка, буряк, бобові, овочеві й плодово-ягідні культури. Йод накопичується в моркві, буряку, капусті, картоплі тощо. Ці відомості також актуальні для фахівців і фахівчинь з рільництва, щоб раціонально вибирати ґрунти та добрива для різноманітних сільськогосподарських культур. Утім не менш важливо забезпечити збалансоване живлення свійських тварин.

З уроків географії ви знаєте, що Україна має багату мінерально-сировинну базу. Найважливіші природні сполуки неметалічних елементів — складники корисних копалин — та їхні родовища в Україні відомі вам з курсу географії. Поміж цих сполук є прості й складні, органічні та неорганічні речовини (рис. 15.5).

Рис. 15.5. 1. Особливість клесівського бурштину (С40Н64О4) – унікальний жовто-зелений колір з різними зеленкуватими та червонястими відтінками. 2. Граніт Лезниківського родовища має високі декоративні властивості, його використано для оздоблення станції метро «Театральна» (Київ).

Середній хімічний склад граніту: SiO2 68-73 %; Аl2О3 12,0-15,5 %; Na2O 3,0-6,0 %; СаО 1,5-4,0 %; FeO 0,5-3,0 %; Fe2O3 0,5-2,5 %; К2О 0,5-3,0 %; MgO 0,1-1,5 %; ТіО2 0,1-0,6 %

• Визначте: а) найпростішу формулу бурштину; б) масова частка якого з неметалів у бурштині найбільша; в) масова частка якого з хімічних елементів найбільша в граніті.

ПРО ГОЛОВНЕ

• Неметалічні елементи містяться в правій верхній частині періодичної системи.

• Обабіч умовної межі, яка в періодичній системі проходить від Бору до Астату, розташовані елементи, що виявляють властивості проміжні між властивостями металічних і неметалічних елементів.

• Неметалічні елементи належать до головних підгруп: Гідроген і Гелій – s-елементи, решта – р-елементи.

• Електронегативність неметалічних елементів значно більша, ніж у металічних.

• Найпоширеніші хімічні елементи: у земній корі – Оксиген, Силіцій, Гідроген; у Всесвіті – Гідроген і Гелій; у земній атмосфері – Нітроген і Оксиген, у ґрунтах – Оксиген і Силіцій, у біосфері – Оксиген та Гідроген, у живій природі – Оксиген, Карбон та Гідроген.

• Карбон, Гідроген, Оксиген, Нітроген, Фосфор і Сульфур є основою живих систем.

• Україна має багату мінерально-сировинну базу природних сполук неметалічних елементів.

Перевірте себе

  • 1. Перетворіть розповідні речення рубрики ПРО ГОЛОВНЕ на питальні. Чи можете ви відповісти на ці запитання без допомоги підручника?

Застосуйте свої знання й уміння

  • 2. Проаналізуйте зміст етикеток вітамінних препаратів, мінеральних вод, харчових продуктів та їжі для домашніх тварин, добрив, гігієнічних і косметичних засобів, інших побутових товарів. Чи є на етикетках відомості про вміст неметалічних елементів? Які із цих елементів є органогенними? Біогенними? Мікро- чи макроелементами? За результатами дослідження підготуйте презентацію.
  • 3. Складіть хронологічну таблицю відкриття неметалічних елементів.
  • 4. Визначте: а) кількість електронів на зовнішньому енергетичному рівні в атомі неметалічного елемента, назва якого лише однією літерою відрізняється від назви протоки між Європою та Азією; б) кількість протонів у ядрі інертного елемента, назва якого складається з імені давньоєгипетського бога Сонця і назви річки; в) на скількох енергетичних рівнях розташовані електрони в атомі неметалічного елемента, з назви якого та скороченого позначення одиниці вимірювання площі земельних угідь можна скласти назву річки; г) до якої групи належить неметалічний елемент, з назви якого та назви ноти можна скласти назву французького міста.
  • 5. З’ясуйте, алхімічні знаки яких неметалічних елементів і мінералів розміщені на: а) гербі Бахмутського району Донецької області; б) прапорі міста Новояворівська Львівської області; в) с. Корначівка Солобковецької сільської територіальної громади Ярмолинецького району Хмельницької області; г) державному гербі Республіки Науру. Складіть для однокласників і однокласниць завдання, використавши здобуту інформацію.
  • 6. Теоретичне тлумачення поширеності хімічних елементів – одне з важливих завдань астрофізики. Висловте та обґрунтуйте припущення, чому Гідроген і Гелій є найпоширенішими елементами в Усесвіті.

Творча майстерня

  • 7. У жовтні 2008 року в Японії вийшла друком інноваційна книжка «Періодична таблиця: Вивчення основ хімії за допомогою “мое”». Вона стала надзвичайно популярною навіть поміж тих, кого не цікавила хімія. У цьому виданні кожний зі 118 елементів представлено як мое (симпатична, приваблива дівчинка) – персонаж японських коміксів манга. Тридцять три ілюстратори працювали під керівництвом викладача хімії, аби «олюднити» хімічні елементи, персоніфікувати унікальну сукупність властивостей кожного з них. Персонажі книжки популярні поміж науковців, оскільки будять уяву і стають темою дружньої інтелектуальної бесіди, а далекі від науки юні прихильники манга й аніме починають бачити світ хімії в новому, привабливому ракурсі. Уявіть себе в ролі такого ілюстратора або ілюстраторки та створіть комікс про один з неметалічних елементів.

§ 15. Загальна характеристика неметалічних елементів та неметалів

• валентні можливості елементів в основному та збудженому станах (§ 3).

Особливості будови електронної оболонки атомів та місце в Періодичній системі

Ви пам’ятаєте, що на початку курсу хімії ми поділяли хімічні елементи на дві групи: металічні та неметалічні. Ця класифікація значною мірою ґрунтується на здатності атомів елементів приймати й віддавати електрони. У хімічних взаємодіях атоми металічних елементів тільки віддають електрони, а неметалічних — прагнуть прийняти електрони, але можуть і віддавати, залежно від того, з якими атомами сполучаються. Порівняно з металічними елементами неметалічних існує значно менше — лише 25 із відомих на сьогодні 118 елементів (мал. 15.1).

Мал. 15.1. Неметалічні елементи в Періодичній системі (довгий варіант): голубий — напівметалічні, жовтий — неметалічні, коричневий — інертні

Усі ці 25 неметалічних елементів відрізняються за властивостями. Так, сім із них — Бор, Силіцій, Германій, Арсен, Стибій, Телур, Астат — за рекомендацією IUPAC називають напівметалічними, оскільки їм притаманні певні властивості металічних елементів: утворені ними прості речовини мають металічний блиск і, хоча й невеликою мірою, але проводять електричний струм, а деякі з них витісняють водень із кислот або утворюють катіони.

Елементи VIIIA групи є інертними, електронна оболонка їхніх атомів стабільна, вони не прагнуть приймати чи віддавати електрони. Хоча для важких інертних елементів відомі сполуки, наприклад KrF2 та XeO3.

З усіх неметалічних елементів тільки два — Гідроген і Гелій — є s-елементами, усі інші — p-елементи. В інертних p-елементів на зовнішньому енергетичному рівні — октет електронів. Чим ближче певний елемент розташований до інертного, тим сильніше його атоми прагнуть приймати електрони, а отже, тим сильніше виражені неметалічні й окисні властивості.

Поширеність неметалічних елементів у природі

У природі трапляються атоми всіх неметалічних елементів, окрім Оганессона, що одержаний штучно під час ядерних реакцій.

У Всесвіті з усієї кількості атомів 93 % припадає на атоми Гідрогену, 6,9 % — на атоми Гелію. Отже, неметалічні елементи — найпоширеніші у Всесвіті (мал. 15.2, а).

Можна також упевнено говорити, що і на нашій планеті «панують» неметалічні елементи. Основні компоненти повітря — азот N2, кисень O2, аргон Ar, водяна пара H2O, вуглекислий газ CO2 тощо — утворені саме неметалічними елементами. Отже, атмосфера Землі складається тільки з неметалічних елементів (мал. 15.2, б).

Неметалічні елементи також переважають у літосфері (мал. 15.2, в): майже половина її маси — це сполуки Оксигену, а чверть — Силіцію. До тих 14 %, що припадають на інші елементи земної кори, разом із металічними елементами належать також усі інші неметалічні елементи у складі різних сполук.

Мал. 15.2. Поширеність неметалічних елементів у природі

Світовий океан на 96,5 % складається з води (сполука двох неметалічних елементів), усе інше припадає на солі, у складі яких також багато неметалічних елементів: Хлор (хлорид-іони), Бром (бромід-іони), Сульфур (у складі сульфат-іонів), Карбон (у складі карбонат- та гідрогенкарбонат-іонів), Оксиген тощо.

Неметали. Явище алотропії

Неметалічні елементи утворюють прості речовини — неметали. Для всіх неметалів характерні атомні або молекулярні кристалічні ґратки, зокрема, й для простих речовин, утворених напівметалічними елементами. Попри те, що цим речовинам притаманна електропровідність, атоми в них сполучені ковалентними зв’язками й утворюють атомні кристалічні ґратки.

Будова речовин зумовлює більшість фізичних властивостей, спільних для неметалів:

• мають переважно невисокі температури плавлення та кипіння, тому неметали за звичайних умов газуваті (водень, фтор, інертні гази тощо), рідкі (бром) або легкоплавкі тверді речовини;

• не проводять електричний струм (за винятком напівметалів, що є напівпровідниками);

• у твердому агрегатному стані крихкі та непластичні;

• багато неметалів мають характерне забарвлення (окрім напівметалів, що мають металічний блиск).

Хоча відомо 25 неметалічних елементів, простих речовин-неметалів існує значно більше. Це зумовлено тим, що атоми одного хімічного елемента можуть утворювати дві або більше простих речовин, різних за будовою та властивостями. Це явище називають алотропією, а прості речовини — алотропними модифікаціями:

• Алотропні модифікації — це прості речовини, утворені атомами одного хімічного елемента.

Деякі хімічні елементі утворюють лише одну просту речовину, наприклад, галогени та інертні гази. Але більшість елементів у природі утворюють кілька алотропних модифікацій. Найпоширеніші алотропні модифікації неметалічних елементів ми розглянемо в наступних параграфах.

Хімічні властивості неметалів

1. Окисні властивості. Атоми неметалічних елементів прагнуть прийняти електрони для отримання октету електронів на зовнішньому енергетичному рівні. Отже, найбільш характерними для неметалів є окисні властивості, які найсильніше виражені в галогенів.

Один із галогенів — фтор — найсильніший окисник серед усіх речовин:

• фтор окиснює навіть малоактивні метали:

• в атмосфері фтору згоряють органічні речовини:

• в атмосфері фтору горить навіть вода:

• під час нагрівання фтор окиснює й інертні гази:

В інших неметалів окисні властивості не такі сильні. Неметали зі слабкими окисними властивостями, наприклад водень та вуглець, виявляють окисні властивості в реакціях із металами:

2. Відновні властивості. Атоми неметалічних елементів можуть також віддавати електрони, якщо взаємодіють із сильнішим окисником. Найпоширеніші відновники серед неметалів — водень і вуглець. Їх використовують для добування металів з оксидів:

2CuO + C = 2Cu + CO2↑

Також неметали виявляють відновні властивості в реакціях з іншими неметалами, які є активнішими окисниками:

Леткі сполуки неметалічних елементів із Гідрогеном

Багато хімічних елементів утворюють сполуки з Гідрогеном. Але характерною особливістю неметалічних елементів є те, що їхні сполуки з Гідрогеном леткі, тож вони мають молекулярні кристалічні ґратки і за звичайних умов перебувають у рідкому (вода та гідроген флуорид) або газуватому агрегатному стані.

Водні розчини більшості летких сполук неметалічних елементів із Гідрогеном — це кислоти, амоніак і фосфін у водному розчині є слабкими основами, а інші не виявляють кислотно-основні властивості (мал. 15.3).

Мал. 15.3. Леткі сполуки неметалічних елементів із Гідрогеном. Кольором позначено кислотно-основний характер їх водних розчинів: голубий — не виявляють кислотно-основні властивості, жовтий — виявляють основні властивості, коричневий — виявляють кислотні властивості

Лінгвістична задача

Грецькою allos означає «інший», а tropos — «поворот» або «властивість». Поясніть значення терміна «алотропні модифікації».

Ключова ідея

Неметалічні елементи — найпоширеніші в природі. Їхні атоми прагнуть приймати електрони до утворення октету електронів на зовнішньому енергетичному рівні, унаслідок чого для них більш характерні окисні властивості.

Контрольні запитання

200. Схарактеризуйте місце неметалічних елементів у Періодичній системі та особливості будови електронних оболонок їхніх атомів.

201. Які елементи називають напівметалічними? Чому вони звуться саме так?

202. Схарактеризуйте поширеність неметалічних елементів у Всесвіті, повітрі, Світовому океані й земній корі.

203. Схарактеризуйте загальні фізичні та хімічні властивості неметалів.

204. Дайте визначення термінів «алотропія» та «алотропні модифікації».

205. Які речовини називають леткими сполуками з Гідрогеном? Наведіть приклади.

Завдання для засвоєння матеріалу

206. Використовуючи значення електронегативностей (див. Періодичну систему на форзаці), визначте тип хімічного зв’язку в летких сполуках із Гідрогеном.

207. Схарактеризуйте окисні властивості неметалів на прикладі хлору та відновні властивості неметалів на прикладі вуглецю. Складіть відповідні рівняння хімічних реакцій.

Завдання з розвитку критичного мислення

208. У додаткових джерелах інформації знайдіть відповіді на такі запитання:

— Чому можливе існування кількох алотропних модифікацій одного хімічного елемента?

— Чому деякі хімічні елементи утворюють лише одну речовину, а інші — декілька?

209. Чому, на вашу думку, на малюнку 15.2 не наведено формул летких сполук із Гідрогеном неметалічних елементів 1, 7 та 8 періодів, а також VIIIA групи?

210. Температура плавлення аргону -189,4 °С, а радіус його атомів 0,191 нм. У ксенону температура плавлення -111,8 °С і атомний радіус 0,218 нм. Чи можливо передбачити температуру плавлення та атомний радіус криптону? Порівняйте передбачені вами величини з довідковими.

Related Posts