Глава VI. Общие свойства неметаллов

Стремление атомов каждого элемента к устойчивому электронному состоянию ближайшего благородного газа заставляет их при химических взаимодействиях отдавать свои внешние электроны партнеру или присоединять электроны от партнера. В отличие от атомов Ме, которые только отдают электроны, атомы неметаллов (неМе), как правило, могут и присоединять, и отдавать электроны в зависимости от свойств реагента, с которым они взаимодействуют.

Неметаллы

Элементы, атомы которых в химических реакциях обычно присоединяют электроны, но могут их и отдавать, из-за чего атомы неМе в соединениях могут иметь и отрицательную, и положительную степени окисления.

Только атомы фтора, вследствие самой высокой электроотрицательности, всегда присоединяют электроны от другого реагента и поэтому в соединениях всегда имеют отрицательную степень окисления. остальные неметаллы в соединениях могут иметь и отрицательную, и положительную степени окисления:

-1 -1 0 -3 0 +2 +4 +5

OF₂, HF, F₂, NH₃, N₂, NO, NO₂, N₂O₅

-1 0 +1 +3 +5 +7

HCl, Cl₂, HClO, HClO₂, HClO₃, HClO₄

К неМе относятся: водород – s-элемент, и p-элементы IIIА - VIIА групп, расположенные вправо от границы, разделяющей Ме и неМе в периодической таблице. Атомы благородных газов (группа VIIIА) имеют устойчивую электронную конфигурацию внешнего слоя, что обеспечивает им химическую инертность и выделяют их в особую группу, которую нельзя отнести к Ме или неМе.

Максимальная отрицательная степень окисления неМе в соединениях равна номеру группы минус число 8. Эта степень окисления наблюдается в их соединениях с водородом или Ме. Максимальная положительная степень окисления неМе в соединениях обычно равна номеру группы и реализуется в высших оксидах или фторидах. Элементы четных групп, как правило, имеют четные степени окисления, поскольку у них четное число внешних электронов, а элементы нечетных групп – нечетные степени окисления.

Способность атома отдавать или присоединять электроны зависит от числа электронов на его внешнем слое, удаленности этого слоя от ядра и величины заряда ядра. Чем больше электронов во внешнем слое, тем выше способность атомов элементов присоединять электроны. В каждом периоде при движении слева направо атомный радиус элемента уменьшается, при этом увеличивается заряд ядра и число электронов во внешнем слое. Следовательно, способность атомов неметаллов присоединять электроны увеличивается, т.е. возрастают их окислительные свойства, а способность отдавать электроны, наоборот, уменьшается. Соответственно убывают восстановительные свойства.

В пределах одной группы при увеличении заряда ядра атомов элементов, т.е. сверху вниз, число электронов во внешнем слое не изменяется, но увеличивается радиус атома, заряд ядра и число внутренних электронов. В соответствии с этим при движении сверху вниз по группе способность атомов неМе присоединять электроны уменьшается (убывают их окислительные свойства), а отдавать – увеличивается (восстановительные свойства возрастают). Самым активным неМе является фтор.

Активные неМе с активными Ме образуют соединения с ионными связями. Химическая связь в соединениях, образуемых неМе друг с другом, всегда ковалентная. Она может быть одинарной или кратной, полярной и неполярной, трудно или легко поляризуемой. Поляризуемость связи зависит от смещаемости ее общей электронной пары под внешним воздействием. Чем больше различия в величинах электроотрицательности элементов, тем выше полярность связи.

В отличие от Ме, неМе образуют преимущественно кислотные оксиды: CO₂, SiO₂, N₂O₃, NO₂, N₂O₅, P₂O₅, SO₂, SO₃. В то же время некоторые неМе образуют амфотерные оксиды:H₂O, As₂O₃, а некоторые – несолеобразующие оксиды: CO, N₂O, NO.

Водородные соединения неметаллов групп VIА и VIIА проявляют кислотные свойства, за исключением Н₂О, которая является типичным и идеально сбалансированным амфолитом. Сила этих бинарных водородных кислот возрастает вниз по группам из-за повышения поляризуемости их молекул, что связано с увеличением атомного радиуса и заряда ядра соответствующих элементов. Для водородных соединений неметаллов VА группы характерны амфотерные свойства с преобладанием основных свойств. Основность этих соединений обусловлена наличием у неМе достаточно подвижной неподеленной электронной пары. Причем ее подвижность и, следовательно, основность соединения возрастают от AsH₃ к NH₃.

В то же время NH₃, PH₃ и особенно AsH₃ одновременно проявляют свойства кислот, образуя с Ме соли: нитриды (Li₃N), фосфиды (Ca₃P₂) и арсениды (Na₃As, Zn₃As₂). Водородные соединения углерода (СН₄) и кремния (SiH₄) практически не проявляют ни кислотных, ни основных свойств.

Неметаллы отличаются от Ме и физическими свойствами. Большинство неметаллов не проводят электрический ток и имеют низкую теплопроводность. При обычных условиях простые вещества неметаллов: водород Н₂, азот N₂, кислород О₂, фтор F₂, хлор Cl₂ – являются газами, бром Br₂ – жидкостью, остальные неМе – твердыми веществами.

Многие неМе имеют разные аллотропные формы, отличающиеся друг от друга молекулярной структурой. Молекула обычного кислорода О₂ – двухатомна, а озона О₃ – трехатомна. Твердые неМе часто имеют несколько аллотропных форм, различающихся типом кристаллической решетки и физическими свойствами. Например, сера имеет три формы: ромбическую, моноклинную и пластическую (каучукоподобную); фосфор – три: белый, красный и черный; углерод – четыре: графит, алмаз, фуллерен и карбин. Химические свойства аллотропных модификаций одного и того же элемента подобны, но отличаю интенсивностью проявления этих свойств.

Водород

Электронное строение 1s¹, неметалл, для которого более характерны свойства восстановителя, чем окислителя. Поэтому атом водорода в химических реакциях обычно, подобно атомам щелочных Ме, отдает свой единственный электрон, образуя катион Н⁺ (протон). Однако он может, подобно атомам галогенов, также присоединять один электрон от партнера с образованием аниона Н^- (гидрид-ион). Поэтому водород в периодической системе часто помещают в IА группу ив VIIА.

У водорода три изотопа, которые отличаются друг от друга числом нейтронов в ядрах их атомов: ¹Н – протий (легкий водород) не имеет нейтрона, ²Н или D – дейтерий(тяжелый водород) имеет один нейтрон и ³Н или Т – тритий (сверхтяжелый водород) имеет два нейтрона. Тритий радиоактивен.

Молекула водорода двухатомна – Н₂. Вследствие неполярности и большой прочности молекулы Н₂ водород при обычных условиях взаимодействует только с активными неметаллами: фтором, хлором, бромом и кислородом, которые легко, особенно на свету, образуют радикалы:

Н₂ + F₂ = 2HF; H₂ + Cl₂ + квант света = 2HCl; 2H₂ + O₂ = 2H₂O(на свету)

Эти реакции протекают по цепному механизму, с большим выделением теплоты и могут сопровождаться взрывом.

Реакции взаимодействия водорода с менее активными неметаллами происходят при нагревании и в присутствии катализаторов:

Н₂ + S = H₂S; 3H₂ + N₂ = 2NH₃ (катализатор Fe)

Водород при высоких температурах способен восстанавливать:

- некоторые Ме и неМе из их оксидов:

CuO + H₂ = Cu + H₂O; SO₂ + 2H₂ = S + 2H₂O

- высшие оксиды до низших:

CO₂ + H₂ = CO + H₂O; Fe₂O₃ + H₂ = 2FeO + H₂O.

При взаимодействии водорода с активными (щелочными или щелочноземельными) Ме он проявляет свойства окислителя, т.е. принимает электроны, образуя гидрид-анион Н^- входящий в состав солеобразных гидридов этих Ме:

2Na + H₂ = 2NaH (гидрид натрия); Ca + H₂ = CaH₂ (гидрид кальция)

Гидриды Ме, содержащие водород в степени окисления -1, являются чрезвычайно сильными восстановителями и активно взаимодействуют даже с таким слабым окислителем как вода:

NaH + H₂O = NaOH + H₂↑