Неметали і їхні властивості

• Загальні властивості неметалів

• Гідроген

Неметалеві елементи — це ряд р-елементів VII, VI, V, IV груп, Бор — елемент III групи та Гідроген — s-елемент І групи періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва. Атоми неметалевих елементів мають на зовнішньому енергетичному рів­ні чотири електрони і більше (у Гідрогену — один, у Бору — три). Неметалеві елементи утворюють прості речовини — не­метали.

1. Неметали є окисниками. Найсильнішим окисником є Флюор. З типовими металами неметали утворюють сполуки з іонним зв'язком, а з неметалами — сполуки з ковалентним зв'язком. Оксиди і гідроксиди неметалевих елементів виявляють кислотні властивості. Що вище позитивний ступінь окиснення атома, то сильніше виявляються кислотні властивості його оксиду або гідроксиду. Так, сульфатна кислота Н₂SO₄ сильніше, ніж сульфітна кислота Н₂SO₃. З Гідрогеном неметали утворюють леткі сполуки: НF, Н₂S, NH₃, СН₄.

2. При звичайних умовах неметали водень, фтор, хлор, ки­сень, азот — це газоподібні речовини, бром — рідина, а інші — тверді речовини. Активні неметалеві елементи зустрічаються в природі у вигляді сполук (NаСl, N₂, Са₃(РO₄)₂ тощо). Менш ак­тивні зустрічаються й у вільному стані (С, S тощо). Одержують неметали електролізом розчинів і розплавів сполук, а також окисненням більш активними окисниками.

Гідроген

Гідроген — s-елемент. Атом Гідрогену має електронну фор­мулу 1s1. При одних умовах атом Гідрогену виявляє металеві властивості (виконує роль відновника — віддає електрон), при інших — неметалеві (виконує роль окисника — приймає елек­трон). За властивостями він більш подібний до р-елементів сьо­мої групи, ніж до s-елементів першої групи. Через це Гідроген умовно розташовують і в сьомій групі періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва. Елемент Гідроген утворює просту речо­вину водень — неметал, молекула якого двохатомна Н₂.

1. Перебування в природі. Гідроген зустрічається в сполу­ках: у воді, органічних речовинах. Вміст Гідрогену в земній корі становить 0,15% її маси. У природі Гідроген зустрічається у вигляді двох ізотопів — протію ₁¹Н (99,98%) і дейтерію ₁²Н (0,02%). Через це звичайна вода містить невелику кількість важкої води. Третій ізотоп водню — тритій ₁³Н — радіоактив­ний. Його період напіврозпаду становить 12,5 років.

2. Одержання водню. Гідроген у лабораторії можна одер­жати:

1) взаємодією активного металу з розчинами мінераль­них кислот:

Zn + Н₂SO₄ = Н₂↑ + ZnSO₄;

2) взаємодією з лугами металів, що утворюють амфотерні гідроксиди:

2А1 + 2NаОН + + 6Н₂O = 2Nа[А1(ОН)₄] + 3Н₂↑;

3) електролізом води.

У промис­ловості водень одержують:

1) відновленням водяної пари мета­лами або коксом при високій температурі:

3Fе + 4Н₂O = Fe₃O₄ + 4Н₂↑,

С + Н₂O = СО↑ + Н₂↑;

2) електролізом водних розчинів хлоридів активних металів;

3) конверсією (перетворенням) ме­тану СН₄ з водяною парою:

СН₄↑ + 2Н₂O = СO₂↑ + 4Н₂↑

Реакція проходить у присутності нікелевого каталізатора при 1300°С. Цей метод дає змогу використовувати природні гази й одержу­вати найдешевший водень.

3. Фізичні властивості водню. Водень — це найлегший газ без кольору, смаку і запаху, легше повітря в 14,5 рази. Малорозчинний у воді (в1л води при 20 °С розчиняється 18 мл водню). При температурі -253 °С переходить у рідкий стан, а при -259 °Ствердне.

4. Хімічні властивості.

4.1. Атом Гідрогену має один електрон. Позитивний іон Н⁺ — це протон. Гідроген у сполуках може виявляти ступені окиснення +1 і -1: Н⁰ - e = Н⁺ - 1317 кДж, Н⁰ + e = Н^- + 66,9 кДж. Атомарний водень активніше молекулярного. Утворю­вання молекули водню є екзотермічною реакцією: Н_(г) + Н_(г) = Н_2(г) + 436кДж.

4.2. Водень горить у кисні з виділенням великої кількості
теплоти. Температура воднево-кисневого полум'я сягає 3000°C.
Суміш двох об'ємів водню й одного об'єму кисню вибухонебез­печна і називається гримучим газом. При горінні водню в кисні
як і при вибуху гримучої суміші, утворюється вода:

2Н₂↑+О₂↑= 2Н₂O.

4.3. З багатьма неметалами водень утворює газоподібні
сполуки типу ЕН₄, ЕН₃, ЕН₂, ЕН. При нагріванні водень взаємо­діє з лугами і лужноземельними металами, утворюючи білі
тверді речовини — гідриди металів (LiН, NаН, КН, СаН₂ та ін.).
У цих сполуках метал має позитивний ступінь окиснення,
Гідроген — негативний. Гідриди активних металів є солями.
Вони піддаються повному гідролізу: КН + Н₂O = КОН + Н₂↑.
Пальник, що працює на атомарному водні, створює температу­ру вище 4000° С. Висока температура зумовлена перебігом екзо­термічної реакції утворювання молекули водню з атомів.

4.4. Водень виявляє відновлювальні й окисні властивості. При нагріванні водень відновлює багато металів з їхніх оксидів:

СuО + Н₂↑ = Сu+ Н₂O. У цій реакції водень відновник, віддає один електрон (молекула водню — два електрони): Н⁰₂ — 2е = 2Н⁺, Сu²⁺ + 2е = Сu⁰. При утворюванні гідридів металів водень виконує роль окисника. Аніон Н^- активний відновник. Гідриди використовують як сильні відновники, а також для одержання водню.

5. Застосування. Водень використовують для промисло­вого одержання деяких металів (германію, галію, цирконію, вольфраму, гафнію) з їхніх оксидів, аміаку NH₃, хлоридної кис­лоти НС1, метилового спирту СН₃ОН і багатьох інших речовин. Застосовують водень для одержання високих температур, кис­нево-водневим полум'ям ріжуть і зварюють метали. Дейтерій і тритій застосовують в атомній енергетиці.