Неметалл

Неметаллы (и металлоиды) в периодической таблице :

•   Металлоид
•   Прочие неметаллы
•   Галоген
•   благородный газ

Металлоиды включены в легенду, поскольку они обычно химически ведут себя как неметаллы и иногда считаются таковыми.
Помимо водорода , в p-блоке находятся неметаллы . Гелий , как элемент s-блока, обычно помещается рядом с водородом и над бериллием. Однако, поскольку это благородный газ, он размещается над неоном (в p-блоке).
Являются ли астатин и теннессин в столбце галогенов и оганессон в столбце благородных газов действительно неметаллами, не подтверждено: есть некоторые теоретические указания на то, что это может не быть.

В химии , A неметалл (или неметалл ) представляет собой химический элемент , который в основном не хватает характеристик металла . Физически неметалл имеет относительно низкую температуру плавления , температуру кипения и плотность . Неметалл , как правило , хрупкий , когда твердое вещества и обычно имеет плохую теплопроводность и электропроводность . Химически неметаллы имеют относительно высокую энергию ионизации , сродство к электрону и электроотрицательность.. Они получают или делятся электронами, когда вступают в реакцию с другими элементами и химическими соединениями . Семнадцать элементов обычно классифицируются как неметаллы: большинство из них - это газы (водород, гелий, азот, кислород, фтор, неон, хлор, аргон, криптон, ксенон и радон); один - жидкость (бром); и некоторые из них - твердые вещества (углерод, фосфор, сера, селен и йод). Металлоиды, такие как бор, кремний и германий, иногда считаются неметаллами.

Неметаллы делятся на две категории, отражающие их относительную склонность к образованию химических соединений: химически активные неметаллы и благородные газы . Реактивные неметаллы различаются по своему неметаллическому характеру. Менее электроотрицательные из них, такие как углерод и сера, в основном обладают неметаллическими свойствами от слабых до умеренно сильных и имеют тенденцию образовывать ковалентные соединения с металлами. Более электроотрицательные из реакционноспособных неметаллов, такие как кислород и фтор, характеризуются более сильными неметаллическими свойствами и склонностью к образованию преимущественно ионных соединений с металлами. Благородные газы отличаются большим сопротивлением образованию соединений с другими элементами.

Различие между категориями не является абсолютным. Перекрытия границ, в том числе с металлоидами, возникают, поскольку внешние элементы в каждой категории демонстрируют или начинают проявлять менее отчетливые, гибридные или нетипичные свойства.

Хотя металлов в пять раз больше, чем неметаллов, два неметалла - водород и гелий - составляют более 99 процентов наблюдаемой Вселенной . ^[1] Другой неметалл, кислород, составляет почти половину земной коры, океанов и атмосферы. ^[2] Живые организмы почти полностью состоят из неметаллов: водорода, кислорода, углерода и азота. ^[3] Неметаллы образуют гораздо больше соединений, чем металлы. ^[4]

Определение и применимые элементы [ править ]

Не существует строгого определения неметалла. В целом, любой элемент, у которого отсутствуют металлические свойства, можно рассматривать как неметалл.

Элементы, обычно классифицируемые как неметаллы, включают один элемент группы 1 ( водород ); один в группе 14 ( углерод ); двое в группе 15 ( азот и фосфор ); три в группе 16 ( кислород , сера и селен ); большая часть группы 17 ( фтор , хлор , бром и йод ); и вся группа 18 (за исключением, возможно, оганесона ).

Поскольку не существует общепринятого определения неметалла, элементы в периодической таблице, где металлы встречаются с неметаллами, непоследовательно классифицируются разными авторами. Элементами, которые иногда также классифицируются как неметаллы, являются металлоиды бор (B), кремний (Si), германий (Ge), мышьяк (As), сурьма (Sb), теллур (Te) и астат (At). ^[5] Неметаллический селен (Se) иногда вместо этого классифицируют как металлоид, особенно в химии окружающей среды . ^[6]

Свойства [ править ]

Неметаллы проявляют большую изменчивость в своих свойствах, чем металлы. ^[7] Эти свойства в значительной степени определяются силой межатомных связей и молекулярными структурами задействованных неметаллов, оба из которых могут изменяться по мере того, как изменяется количество валентных электронов в каждом неметалле. Металлы, напротив, имеют более однородную структуру, и их свойства легче согласовать. ^[8]

Физически они в основном существуют в виде двухатомных или одноатомных газов, а остальные имеют более существенные (открытые) формы, в отличие от металлов, которые почти все твердые и плотно упакованные. В твердом состоянии они имеют субметаллический вид (за исключением серы) и в основном хрупкие , в отличие от металлов, которые блестят и обычно пластичны или податливы ; они обычно имеют меньшую плотность, чем металлы; в основном являются более плохими проводниками тепла и электричества ; и имеют тенденцию иметь значительно более низкие температуры плавления и кипения, чем у металлов.

В химическом отношении неметаллы в основном имеют высокие энергии ионизации , высокое сродство к электрону (азот и благородные газы имеют отрицательное сродство к электрону) и высокие значения электроотрицательности ^{[n 1],} отмечая, что в целом, чем выше энергия ионизации элемента, сродство к электрону и электроотрицательность, тем более неметаллический этот элемент. ^[11] Неметаллы (включая - в ограниченной степени - ксенон и, вероятно, радон) обычно существуют в виде анионов или оксианионов в водном растворе; они обычно образуют ионные или ковалентные соединения в сочетании с металлами (в отличие от металлов, которые в основном образуют сплавы с другими металлами); и имеют кислые оксиды, тогда как обычные оксиды почти всех металлов являются основными.

Химический состав неметаллов усложняется аномалией первого ряда, особенно заметной для водорода, (бора), углерода, азота, кислорода и фтора; и эффект чередования, наблюдаемый в (мышьяке), селене и броме. ^[12] Первая аномалия в ряду в основном возникает из-за электронных конфигураций соответствующих элементов.

Водород известен различными способами образования связей. Чаще всего образует ковалентные связи. ^[13] Он может потерять свой единственный валентный электрон в водном растворе, оставив после себя голый протон с огромной поляризационной силой. Затем он присоединяется к неподеленной электронной паре атома кислорода в молекуле воды, тем самым формируя основу кислотно-щелочной химии. ^[14] При определенных условиях атом водорода в молекуле может образовывать вторую, более слабую связь с атомом или группой атомов в другой молекуле. Такое связывание «помогает придать снежинкам гексагональную симметрию, связывает ДНК в двойную спираль, формирует трехмерные формы белков и даже поднимает температуру кипения воды достаточно высоко, чтобы приготовить приличную чашку чая». ^[15]

От (бора) до неона, поскольку подоболочка 2p не имеет внутреннего аналога и не испытывает эффектов отталкивания электронов, она, следовательно, имеет относительно небольшой радиус, в отличие от подоболочек 3p, 4p и 5p более тяжелых элементов ^[16] (аналогичный эффект наблюдается в элементы 1s, водород и гелий). Следовательно, энергии ионизации и электроотрицательность этих элементов выше, чем можно было бы ожидать, учитывая периодические тенденции. Небольшие атомные радиусы углерода, азота и кислорода облегчают образование тройных или двойных связей. ^[17]Большие атомные радиусы, которые обеспечивают более высокие координационные числа и более низкие электроотрицательности, которые лучше переносят более высокие положительные заряды, более тяжелых неметаллов группы 15–18 означает, что они способны проявлять валентности, отличные от самой низкой для их группы (то есть 3 2, 1 или 0), например, в PCl ₅ , SF ₆ , IF ₇ и XeF ₂ . ^[18] Период четыре элемента сразу после первого ряда переходных металлов, таких как селен и бром, имеют необычно малые атомные радиусы, потому что 3d-электроны не эффективны при экранировании увеличенного ядерного заряда, а меньший размер атома коррелирует с более высокой электроотрицательностью. ^[19]

Категории [ править ]

Сразу слева от большинства неметаллов в периодической таблице находятся металлоиды, такие как бор, кремний и германий, которые обычно ведут себя химически как неметаллы ^[20] и включены сюда для сравнения. В этом смысле их можно рассматривать как наиболее металлические из неметаллических элементов.

Основываясь на общих атрибутах, неметаллы можно разделить на две категории: реактивные неметаллы и благородный газ. Металлоиды и две категории неметаллов затем охватывают прогрессию по химической природе от слабо неметаллического до умеренно неметаллического, сильно неметаллического (кислород и четыре неметаллических галогена) и почти инертного. Аналогичные категории встречаются среди металлов в виде слабометаллических ( постпереходные металлы ), умеренно металлических (большинство переходных металлов ), сильно металлических ( щелочные и щелочноземельные металлы , а также лантаноидов и актинидов).) и относительно инертных ( благородные переходные металлы ).

Как и в случае со схемами категоризации в целом, есть некоторые вариации и перекрытия свойств внутри каждой категории и между ними. Один или несколько металлоидов иногда классифицируются как неметаллы. ^[5] Среди реакционноспособных неметаллов углерод, фосфор, селен и йод, граничащие с металлоидами, проявляют некоторый металлический характер, как и водород. Среди благородных газов радон является наиболее металлическим и начинает проявлять некоторое катионное поведение, что необычно для неметалла. ^[21]

Металлоид [ править ]

Семь металлоидов - это бор (B), кремний (Si), германий (Ge), мышьяк (As), сурьма (Sb), теллур (Te) и астат (At). В стандартной периодической таблице они занимают диагональную область в p-блоке, простирающуюся от бора в верхнем левом углу до астата в правом нижнем углу, вдоль разделительной линии между металлами и неметаллами, показанной в некоторых периодических таблицах. Их называют металлоидами в основном из-за их физического сходства с металлами.

Несмотря на то, что каждый из них имеет металлический вид, они хрупкие и хорошо проводят электричество. Бор, кремний, германий, теллур - полупроводники. Мышьяк и сурьма имеют электронную зонную структуру полуметаллов, хотя оба имеют менее стабильные полупроводниковые аллотропы. Было предсказано, что астатин имеет металлическую кристаллическую структуру.

Химически металлоиды обычно ведут себя как (слабые) неметаллы. Они имеют умеренную энергию ионизации, сродство к электрону от низкого до высокого, значения электроотрицательности от умеренного до умеренно сильного окислителя и демонстрируют тенденцию к образованию сплавов с металлами.

Реактивный неметалл [ править ]

Реактивные неметаллы обладают разнообразным набором индивидуальных физических и химических свойств. В периодической таблице они в основном занимают положение между слабо неметаллическими металлоидами слева и благородными газами справа.

Физически пять - твердые тела, одно - жидкость (бром) и пять - газы. Из твердых веществ графитовый углерод, селен и йод имеют металлический вид, тогда как сера S 8 имеет бледно-желтый цвет. Обычный белый фосфор имеет желтовато-белый цвет, но черный аллотроп , который является наиболее стабильной формой фосфора, имеет металлический вид. Бром - жидкость красновато-коричневого цвета. Из газов фтор и хлор окрашены в бледно-желтый и желтовато-зеленый цвета. В электрическом отношении большинство из них являются изоляторами, тогда как графит - это полуметалл, а черный фосфор, селен и йод - полупроводники.

В химическом отношении они, как правило, имеют энергию ионизации от умеренной до высокой, сродство к электрону и значения электроотрицательности и являются относительно сильными окислителями. В совокупности самые высокие значения этих свойств обнаруживаются среди кислорода и неметаллических галогенов. Проявления этого состояния включают основную связь кислорода с повсеместными процессами коррозии и горения, а также внутреннюю коррозионную природу неметаллических галогенов. Все пять неметаллов проявляют тенденцию к образованию преимущественно ионных соединений с металлами, тогда как остальные неметаллы имеют тенденцию образовывать преимущественно ковалентные соединения с металлами.

Благородный газ [ править ]

Шесть неметаллов относятся к категории благородных газов: гелий (He) , неон (Ne) , аргон (Ar) , криптон (Kr) , ксенон (Xe) и радиоактивный радон (Rn) . В периодической таблице они занимают крайний правый столбец. Их называют благородными газами из-за их характерной очень низкой химической активности .

У них очень похожие свойства, все они бесцветны, не имеют запаха и негорючие. Благодаря закрытым валентным оболочкам благородные газы обладают слабыми межатомными силами притяжения, что приводит к очень низким температурам плавления и кипения. ^[22] Вот почему все они являются газами в стандартных условиях , даже те, атомные массы которых больше, чем у многих обычно твердых элементов. ^[23]

В химическом отношении благородные газы имеют относительно высокие энергии ионизации, отрицательное сродство к электрону и относительно высокие электроотрицательности. Соединения благородных газов насчитывают менее полутысячи, причем большинство из них происходит через кислород или фтор в сочетании с криптоном, ксеноном или радоном.

Статус конгенерата благородных газов периода 7, оганессона (Og) , неизвестен - это может быть благородный газ, а может и нет. Первоначально предполагалось, что это будет благородный газ ^[24], но вместо этого он может быть довольно реактивным твердым веществом с аномально низким потенциалом первой ионизации и положительным сродством к электрону из-за релятивистских эффектов . ^[25] С другой стороны, если релятивистские эффекты достигают пика в периоде 7 на элементе 112, коперниций , оганессон может оказаться благородным газом, в конце концов, ^[26]хотя и более реактивный, чем ксенон или радон. Хотя можно было ожидать, что оганессон будет самым металлическим элементом из группы 18, достоверные прогнозы относительно его статуса как металла или неметалла (или металлоида), похоже, отсутствуют.

Альтернативные категории [ править ]

Вместо этого неметаллы иногда разделяют, например, по относительной однородности галогенов; физическая форма; электроотрицательность; молекулярная структура; своеобразная природа водорода; коррозионная природа кислорода галогены; и вариации в этой связи.

На схеме (1) галогены относятся к отдельной категории; астатин классифицируется как неметалл, а не как металлоид; а остальные неметаллы называются прочими неметаллами . ^[27] Если селен считается металлоидом, а не другим неметаллом, полученный набор менее активных неметаллов (H, C, N, P, O, S) иногда вместо этого упоминается или классифицируется как органогены , ^[28] CHON PS элементы ^[29] или биогены . ^{[30] В} совокупности эти шесть неметаллов составляют основную часть жизни на Земле; ^[31] грубая оценка состава биосферы составляет C₁₄₅₀ H ₃₀₀₀ O ₁₄₅₀ N ₁₅ P ₁ S ₁ . ^[32]

В схеме (2) неметаллы можно просто разделить на основе их физических форм при комнатной температуре и давлении. Жидкие неметаллы (бром и газообразные неметаллы) имеют самые высокие значения энергии ионизации и электроотрицательности среди элементов, за исключением водорода, который имеет тенденцию быть аномальным в какой бы категории он ни был отнесен. Твердые неметаллы в совокупности являются наиболее металлическими из всех элементов. неметаллические элементы, кроме металлоидов.

В схеме (3) неметаллы разделены на основе слабой корреляции между электроотрицательностью и окислительной способностью. ^[33] Очень электроотрицательные неметаллы имеют значения электроотрицательности более 2,8; электроотрицательные неметаллы имеют значения от 1,9 до 2,8.

На схеме (4) неметаллы выделены на основе молекулярных структур их наиболее термодинамически стабильных форм в условиях окружающей среды. ^[34] Многоатомные неметаллы образуют структуры или молекулы, в которых каждый атом имеет двух или трех ближайших соседей (C _x , P ₄ , S ₈ , Se _x ); двухатомные неметаллы образуют молекулы, в которых каждый атом имеет одного ближайшего соседа (H ₂ , N ₂ , O ₂ , F ₂ , Cl ₂ , Br ₂ , I ₂ ); и одноатомные благородные газысуществуют как изолированные атомы (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn) без фиксированного ближайшего соседа. Это постепенное уменьшение числа ближайших соседей соответствует (приблизительно) уменьшению металлического характера. Похожая прогрессия наблюдается и с металлами. Металлическое соединение имеет тенденцию вовлекать плотноупакованные центросимметричные структуры с большим количеством ближайших соседей. Постпереходные металлы и металлоиды, расположенные между настоящими металлами и неметаллами, имеют тенденцию иметь более сложные структуры с промежуточным числом ближайших соседей.

В схеме (5) водород помещен сам по себе, поскольку он «так отличается от всех других элементов». ^[35] Остальные неметаллы делятся на неметаллы , галогены и благородные газы , причем безымянная категория отличается тем, что включает неметаллы с относительно прочной межатомной связью, а металлоиды эффективно рассматриваются как третья суперкатегория наряду с металлами и неметаллами.

Схема (6) представляет собой вариант схемы 5, в которой C, N, O, P, S, Se классифицируются как углерод и другие неметаллы (без выделения). ^[36]

В схеме (7) неметаллы разделены на четыре класса, которые дополняют четырехкратное разделение металлов, при этом благородные металлы рассматриваются как подмножество переходных металлов . В металлоидах рассматриваются как химически слабые неметаллы, по способу , аналогичных их химически слабым пограничные металлических аналогам. ^[37]

На схеме (8) водород снова помещен сам по себе из-за его уникальности. Остальные неметаллы делятся на металлоиды, неметаллы (называемые «типичными неметаллами»), галогены и благородные газы. Поскольку металлоиды примыкают к постпереходным или «бедным» металлам, их можно переименовать в «бедные неметаллы». ^[38]

Схема (9) представляет собой вариант схемы 8, в которой металлоиды обозначены как полупроводники (с Po рассматривается как постпереходный металл), а C, N, O, P, S, Se отнесены к категории других неметаллов. ^[39]

Схема (10) относится к 1844 году, когда благородные газы еще не были известны. H, C, N и O были сгруппированы вместе ввиду их присутствия в живых существах. P, S и Se были охарактеризованы как твердые; летучее при средней температуре от 100 градусов до красного каления; и горючие и легковоспламеняющиеся. ^[40]

Сравнение свойств [ править ]

Характеристики и другие свойства металлоидов, химически активных неметаллов и благородных газов приведены в следующей таблице. Металлоиды были включены в связи с их неметаллическим химическим составом. Физические свойства перечислены в произвольном порядке для простоты определения; химические свойства варьируются от общих к конкретным, а затем к описательным.

* Объемный астатин имеет металлическую гранецентрированную кубическую структуру.
† Водород также может образовывать сплавоподобные гидриды.

Свойства неметаллов (и металлоидов) по группам [ править ]

В этом разделе используются следующие сокращения: AR Allred-Rochow ; Координационный номер CN ; и твердость MH Moh

Группа 1 [ править ]

Водород представляет собой двухатомный газ без цвета, запаха и сравнительно инертной реакции с плотностью 8,988 × 10 ^-5  г / см ³ и примерно в 14 раз легче воздуха. Он конденсируется в бесцветную жидкость -252,879 ° C и замерзает в ледяное или снежное твердое вещество при -259,16 ° C. Твердая форма имеет гексагональную кристаллическую структуру, мягкая и легко измельчается. Водород - изолятор во всех его формах. Он имеет высокую энергию ионизации (1312,0 кДж / моль), умеренное сродство к электрону (73 кДж / моль) и умеренную электроотрицательность (2,2). Водород - плохой окислитель (H ₂ + 2 e ^- → 2H ^-= –2,25 В при pH 0). Его химия, большая часть которой основана на его тенденции приобретать электронную конфигурацию благородного газа гелия, в значительной степени ковалентна по своей природе, при этом следует отметить, что он может образовывать ионные гидриды с сильно электроположительными металлами и сплавоподобные гидриды с некоторыми переходными металлами. Обычный оксид водорода ( H 2 O ) представляет собой нейтральный оксид. ^{[n 4]}

Группа 13 [ править ]

Бор - это блестящее, труднореакционноспособное твердое вещество с плотностью 2,34 г / см ³ (сравните алюминий 2,70), твердое ( MH 9,3) и хрупкое. Он плавится при 2076 ° C (для стали ~ 1370 ° C) и кипит при 3927 ° C. Бор имеет сложную ромбоэдрическую кристаллическую структуру (CN 5+). Это полупроводник с шириной запрещенной зоны около 1,56 эВ. Бор имеет умеренную энергию ионизации (800,6 кДж / моль), низкое сродство к электрону (27 кДж / моль) и умеренную электроотрицательность (2,04). Поскольку он является металлоидом, его химический состав по своей природе неметаллический. Бор - плохой окислитель (B ₁₂  + 3 e → BH ₃= –0,15 В при pH 0). Хотя он ковалентно связывается почти со всеми своими соединениями, он может образовывать интерметаллические соединения и сплавы с переходными металлами состава M _n B, если n > 2. Обычный оксид бора ( B 2 O 3 ) является слабокислотным.

Группа 14 [ править ]

Углерод (как графит, его наиболее термодинамически стабильная форма) представляет собой блестящее и сравнительно инертное твердое вещество с плотностью 2,267 г / см ³ , мягкое (MH 0,5) и хрупкое. Он сублимируется в пар при температуре 3642 ° C. Углерод имеет гексагональную кристаллическую структуру (CN 3). В направлении своих плоскостей это полуметалл с электропроводностью, превышающей проводимость некоторых металлов, и ведет себя как полупроводник в направлении, перпендикулярном его плоскостям. Он имеет высокую энергию ионизации (1086,5 кДж / моль), умеренное сродство к электрону (122 кДж / моль) и высокую электроотрицательность (2,55). Углерод - плохой окислитель (C + 4 e ^- → CH ₄= 0,13 В при pH 0). Его химический состав в значительной степени ковалентен по своей природе, при этом следует отметить, что он может образовывать солевые карбиды с сильно электроположительными металлами. Обычный оксид углерода ( CO 2 ) представляет собой кислый оксид средней силы.

Кремний представляет собой относительно инертное твердое вещество металлического вида с плотностью 2,3290 г / см ³ , твердое (MH 6,5) и хрупкое. Он плавится при 1414 ° C (для стали ~ 1370 ° C) и кипит при 3265 ° C. Кремний имеет кубическую структуру алмаза (CN 4). Это полупроводник с шириной запрещенной зоны около 1,11 эВ. Кремний имеет умеренную энергию ионизации (786,5 кДж / моль), умеренное сродство к электрону (134 кДж / моль) и умеренную электроотрицательность (1,9). Это плохой окислитель (Si + 4 e → Si ₄ = –0,147 при pH 0). Как металлоид химический состав кремния в значительной степени ковалентен по природе, следует отметить, что он может образовывать сплавы с такими металлами, как железо и медь. Обычный оксид кремния ( SiO 2 ) слабокислый.

Германий представляет собой блестящее, в основном инертное серо-белое твердое вещество с плотностью 5,323 г / см ³ (примерно две трети плотности железа), твердое (MH 6,0) и хрупкое. Он плавится при 938,25 ° C (для серебра 961,78 ° C) и кипит при 2833 ° C. Германий имеет кубическую структуру алмаза (CN 4). Это полупроводник с шириной запрещенной зоны около 0,67 эВ. Германий имеет умеренную энергию ионизации (762 кДж / моль), умеренное сродство к электрону (119 кДж / моль) и умеренную электроотрицательность (2,01). Это плохой окислитель (Ge + 4 e → GeH ₄= –0,294 при pH 0). Как металлоид химический состав германия в значительной степени ковалентен по своей природе, следует отметить, что он может образовывать сплавы с такими металлами, как алюминий и золото. Большинство сплавов германия с металлами не обладают металлической или полуметаллической проводимостью. Обычный оксид германия ( GeO 2 ) амфотерный.

Группа 15 [ править ]

Азот - это бесцветный, без запаха и относительно инертный двухатомный газ с плотностью 1,251 × 10 ^-3  г / см ³ (немного тяжелее воздуха). Он конденсируется в бесцветную жидкость при −195,795 ° C и замерзает в ледяное или снежное твердое вещество при −210,00 ° C. Твердая форма (плотность 0,85 г / см ³; ср. литий 0,534) имеет гексагональную кристаллическую структуру, мягкий и легко измельчается. Азот - изолятор во всех его формах. Он имеет высокую энергию ионизации (1402,3 кДж / моль), низкое сродство к электрону (–6,75 кДж / моль) и высокую электроотрицательность (3,04). Последнее свойство проявляется в способности азота образовывать обычно прочные водородные связи и в его предпочтении образовывать комплексы с металлами, имеющими низкую электроотрицательность, малые катионные радиусы и часто высокие заряды (+3 или более). Азот - плохой окислитель (N ₂ + 6 e ^- → 2NH ₃ = -0,057 В при pH 0). Только когда он находится в положительной степени окисления, то есть в сочетании с кислородом или фтором, его соединения являются хорошими окислителями, например, 2NO ₃ ^-→ N ₂ = 1,25 В. Его химический состав в значительной степени ковалентен по природе; образование аниона энергетически невыгодно из-за сильного межэлектронного отталкивания, связанного с наличием трех неспаренных электронов на его внешней валентной оболочке, отсюда его отрицательное сродство к электрону. Обычный оксид азота ( NO ) слабокислый. Многие соединения азота менее стабильны, чем двухатомный азот, поэтому атомы азота в соединениях стремятся рекомбинировать, если это возможно, и высвобождают энергию и газообразный азот в процессе, который можно использовать во взрывоопасных целях.

Фосфор в его наиболее термодинамически стабильной черной форме представляет собой блестящее и сравнительно инертное твердое вещество с плотностью 2,69 г / см ³ , мягкое (MH 2,0) и хлопьевидное вещество. Он возгоняется при 620 ° C. Черный фосфор имеет ромбическую кристаллическую структуру (CN 3). Это полупроводник с шириной запрещенной зоны 0,3 эВ. Он имеет высокую энергию ионизации (1086,5 кДж / моль), умеренное сродство к электрону (72 кДж / моль) и умеренную электроотрицательность (2,19). По сравнению с азотом фосфор обычно образует слабые водородные связи и предпочитает образовывать комплексы с металлами, имеющими высокую электроотрицательность, большие катионные радиусы и часто низкие заряды (обычно +1 или +2. Фосфор является плохим окислителем (P ₄ + 3 e ^- → PH ₃^- = -0,046 В при pH 0 для белой формы, -0,088 В для красной). Его химический состав в значительной степени ковалентен по природе, при этом следует отметить, что он может образовывать солеподобные фосфиды с высоко электроположительными металлами. По сравнению с азотом у электронов больше места на фосфоре, что снижает их взаимное отталкивание и приводит к образованию анионов, требующих меньше энергии. Обычный оксид фосфора ( P 2 O 5 ) представляет собой кислый оксид средней силы.

При оценке периодичности свойств элементов необходимо иметь в виду, что указанные свойства фосфора, как правило, относятся к его наименее стабильной белой форме, а не, как в случае со всеми другими элементами, к наиболее стабильной форме. Белый фосфор - наиболее распространенный, промышленно важный и легко воспроизводимый аллотроп. По этим причинам это стандартное состояние элемента. Как ни парадоксально, это также термодинамически наименее стабильная, а также самая летучая и реакционная форма. Он постепенно превращается в красный фосфор. Это преобразование ускоряется светом и теплом, и образцы белого фосфора почти всегда содержат немного красного фосфора и, соответственно, выглядят желтыми. По этой причине белый фосфор, который является состаренным или загрязненным по другой причине, также называют желтым фосфором. Под воздействием кислородабелый фосфор светится в темноте с очень слабым зеленым и синим оттенком. Легковоспламеняющийся и пирофорный (самовоспламеняющийся) при контакте с воздухом. Белый фосфор имеет плотность 1,823 г / см.³ , мягкий (MH 0,5), как воск, податлив и режется ножом. Плавится при 44,15 ° C и при быстром нагревании закипает при 280,5 ° C; в остальном он остается твердым и превращается в фиолетовый фосфор при 550 ° C. Он имеет объемно-центрированную кубическую структуру, аналогичную структуре марганца, с элементарной ячейкой, содержащей 58 молекул P ₄ . Это изолятор с шириной запрещенной зоны около 3,7 эВ.

Мышьяк - это твердое вещество серого цвета с металлическим оттенком, которое устойчиво на сухом воздухе, но на влажном воздухе образует золотисто-бронзовую патину, которая темнеет при дальнейшем воздействии. Он имеет плотность 5,727 г / см ³ , хрупкий и умеренно твердый (MH 3,5; больше, чем у алюминия; меньше, чем у железа). Мышьяк возгоняется при 615 ° C. Он имеет ромбоэдрическую многоатомную кристаллическую структуру (CN 3). Мышьяк - это полуметалл с электропроводностью около 3,9 × 10 ⁴ См • см ^-1 и перекрытием полос 0,5 эВ. Он имеет умеренную энергию ионизации (947 кДж / моль), умеренное сродство к электрону (79 кДж / моль) и умеренную электроотрицательность (2,18). Мышьяк - плохой окислитель (As + 3e → AsH ₃= –0,22 при pH 0). Как металлоид, его химический состав в значительной степени ковалентен по своей природе, учитывая, что он может образовывать хрупкие сплавы с металлами и имеет обширную металлоорганическую химию. Большинство сплавов мышьяка с металлами не обладают металлической или полуметаллической проводимостью. Обычный оксид мышьяка ( As 2 O 3 ) является кислым, но слабоамфотерным.

Сурьма - это серебристо-белое твердое вещество с голубым оттенком и блестящим блеском. Устойчив на воздухе и влаге при комнатной температуре. Сурьма имеет плотность 6,697 г / см ³ и является умеренно твердой (MH 3,0; примерно такая же, как у меди). Он имеет ромбоэдрическую кристаллическую структуру (CN 3). Сурьма плавится при 630,63 ° C и кипит при 1635 ° C. Это полуметалл с электропроводностью около 3,1 × 10 ⁴  См • см ^-1 и перекрытием полос 0,16 эВ. Сурьма имеет умеренную энергию ионизации (834 кДж / моль), умеренное сродство к электрону (101 кДж / моль) и умеренную электроотрицательность (2,05). Это плохой окислитель (Sb + 3e → SbH ₃= –0,51 при pH 0). Как металлоид, его химический состав в значительной степени ковалентен по своей природе, при этом следует отметить, что он может образовывать сплавы с одним или несколькими металлами, такими как алюминий, железо, никель , медь, цинк, олово, свинец и висмут, и имеет обширную металлоорганическую химию. Большинство сплавов сурьмы с металлами обладают металлической или полуметаллической проводимостью. Обычный оксид сурьмы ( Sb 2 O 3 ) амфотерный.

Группа 16 [ править ]

Кислород - это бесцветный двухатомный газ без запаха и с непредсказуемой реакционной способностью с плотностью газа 1,429 × 10 ^-3  г / см ³ (незначительно тяжелее воздуха). Обычно он не реагирует при комнатной температуре. Таким образом, металлический натрий будет «сохранять свой металлический блеск в течение нескольких дней в присутствии абсолютно сухого воздуха и даже может плавиться (т.пл. 97,82 ° C) в присутствии сухого кислорода без воспламенения». ^[48] С другой стороны, кислород может реагировать со многими неорганическими и органическими соединениями либо спонтанно, либо при правильных условиях ^[49] (например, пламя или искра) [или ультрафиолетовый свет?]. Он конденсируется в бледно-голубую жидкость -182,962 ° C и замерзает в светло-голубое твердое вещество при -218,79 ° C. Твердая форма (плотность 0,0763 г / см ³) имеет кубическую кристаллическую структуру, мягкий и легко измельчаемый. Кислород - изолятор во всех его формах. Он имеет высокую энергию ионизации (1313,9 кДж / моль), умеренно высокое сродство к электрону (141 кДж / моль) и высокую электроотрицательность (3,44). Кислород - сильный окислитель (O ₂ + 4 e → 2H ₂ O = 1,23 В при pH 0). Оксиды металлов в основном имеют ионную природу. ^[50]

Сера - это ярко-желтое твердое вещество с умеренной реакционной способностью ^[51] . Он имеет плотность 2,07 г / см ^3, мягкий (MH 2,0) и хрупкий. Он плавится до светло-желтой жидкости 95,3 ° C и кипит при 444,6 ° C. Содержание серы на Земле в десять раз меньше кислорода. Он имеет ромбическую многоатомную (CN 2) кристаллическую структуру и является хрупким. Сера - это изолятор с шириной запрещенной зоны 2,6 эВ и фотопроводник, что означает, что его электрическая проводимость увеличивается в миллион раз при освещении. Сера имеет умеренную энергию ионизации (999,6 кДж / моль), высокое сродство к электрону (200 кДж / моль) и высокую электроотрицательность (2,58). Это плохой окислитель (S ₈ + 2 e ^- → H ₂S = 0,14 В при pH 0). Химический состав серы в значительной степени ковалентен по своей природе, при этом следует отметить, что она может образовывать ионные сульфиды с высоко электроположительными металлами. Обычный оксид серы (SO 3 ) сильно кислый.

Селен представляет собой металлическое твердое вещество с умеренной реакционной способностью ^[51] с плотностью 4,81 г / см ^3, мягкое (MH 2,0) и хрупкое. Он плавится при 221 ° C до черной жидкости и кипит при 685 ° C до темно-желтого пара. Селен имеет гексагональную многоатомную (CN 2) кристаллическую структуру. Это полупроводник с шириной запрещенной зоны 1,7 эВ и фотопроводником, что означает, что его электрическая проводимость увеличивается в миллион раз при освещении. Селен имеет умеренную энергию ионизации (941,0 кДж / моль), высокое сродство к электрону (195 кДж / моль) и высокую электроотрицательность (2,55). Это плохой окислитель (Se + 2 e ^- → H ₂Se = -0,082 В при pH 0). Химия селена в значительной степени ковалентна по своей природе, при этом следует отметить, что он может образовывать ионные селениды с высоко электроположительными металлами. Обычный оксид селена (SeO 3 ) сильно кислый.

Теллур - это серебристо-белое, умеренно реактивное, ^[51] блестящее твердое вещество, которое имеет плотность 6,24 г / см ^3, мягкое (MH 2,25) и хрупкое. Это самый мягкий из общепризнанных металлоидов. Теллур реагирует с кипящей водой или когда он только что осажден даже при 50 ° C, с образованием диоксида и водорода: Te + 2 H ₂ O → TeO ₂ + 2 H ₂ . Он имеет температуру плавления 450 ° C и температуру кипения 988 ° C. Теллур имеет многоатомную (CN 2) гексагональную кристаллическую структуру. Это полупроводник с шириной запрещенной зоны от 0,32 до 0,38 эВ. Теллур имеет умеренную энергию ионизации (869,3 кДж / моль), высокое сродство к электрону (190 кДж / моль) и умеренную электроотрицательность (2,1). Это плохой окислитель (Te + 2e ^- → H ₂ Te = -0,45 В при pH 0). Химия теллура в значительной степени ковалентна по своей природе, при этом следует отметить, что он имеет обширную металлоорганическую химию и что многие теллуриды можно рассматривать как металлические сплавы. Обычный оксид теллура (TeO 2 ) амфотерный.

Группа 17 [ править ]

Фтор - чрезвычайно токсичный и реактивный двухатомный газ бледно-желтого цвета, который с плотностью газа 1,696 × 10 ^-3  г / см ³ примерно на 40% тяжелее воздуха. Его чрезвычайная реакционная способность такова, что он не выделялся (посредством электролиза) до 1886 года и не выделялся химически до 1986 года. О его существовании в несоединенном состоянии в природе впервые сообщалось в 2012 году, но это вызывает споры. Фтор конденсируется в бледно-желтую жидкость при -188,11 ° C и замерзает в бесцветное твердое вещество ^[48] при -219,67 ° C. Твердая форма (плотность 1,7 г / см ⁻³) имеет кубическую кристаллическую структуру, мягкий и легко измельчаемый. Фтор - изолятор во всех его формах. Он имеет высокую энергию ионизации (1681 кДж / моль), высокое сродство к электрону (328 кДж / моль) и высокую электроотрицательность (3,98). Фтор - мощный окислитель (F ₂ + 2 e → 2HF = 2,87 В при pH 0); «даже вода в виде пара загорится в атмосфере фтора». ^[52] Фториды металлов обычно имеют ионную природу.

Хлор - это раздражающий зелено-желтый двухатомный газ, который чрезвычайно реактивен и имеет газовую плотность 3,2 × 10 ^-3  г / см ³ (примерно в 2,5 раза тяжелее воздуха). Он конденсируется при -34,04 ° C в жидкость янтарного цвета и замерзает при -101,5 ° C в желтое кристаллическое твердое вещество. Твердая форма (плотность 1,9 г / см ^-3 ) имеет ромбическую кристаллическую структуру, мягкая и легко измельчается. Хлор - изолятор во всех его формах. Он имеет высокую энергию ионизации (1251,2 кДж / моль), высокое сродство к электрону (349 кДж / моль; выше, чем у фтора) и высокую электроотрицательность (3,16). Хлор - сильный окислитель (Cl ₂ + 2 e→ 2HCl = 1,36 В при pH 0). Хлориды металлов в основном имеют ионную природу. Обычный оксид хлора (Cl ₂ O ₇ ) очень кислый.

Бром - это двухатомная жидкость темно-коричневого цвета, обладающая высокой реакционной способностью и плотностью 3,1028 г / см ³ . Он кипит при 58,8 ° C и затвердевает при -7,3 ° C до оранжевого кристаллического твердого вещества (плотность 4,05 г / см ^-3 ). Это единственный элемент, кроме ртути, который, как известно, является жидкостью при комнатной температуре. Твердая форма, такая как хлор, имеет ромбическую кристаллическую структуру, мягкая и легко измельчается. Бром - изолятор во всех его формах. Он имеет высокую энергию ионизации (1139,9 кДж / моль), высокое сродство к электрону (324 кДж / моль) и высокую электроотрицательность (2,96). Бром - сильный окислитель (Br ₂ + 2 e → 2HBr = 1,07 В при pH 0). Бромиды металлов в основном имеют ионную природу. Нестабильный оксид брома обыкновенный(Br 2 O 5 ) сильно кислый.

Йод, самый редкий из неметаллических галогенов, представляет собой твердое вещество металлического вида, обладающее средней реакционной способностью и имеющее плотность 4,933 г / см ³ . Он плавится при 113,7 ° C до коричневой жидкости и кипит при 184,3 ° C до пара фиолетового цвета. Он имеет ромбическую кристаллическую структуру с чешуйчатым внешним видом. Йод является полупроводником в направлении его плоскостей, с шириной запрещенной зоны около 1,3 эВ и проводимостью 1,7 × 10 ^-8 См • см ^-1.при комнатной температуре. Это больше, чем у селена, но ниже, чем у бора, наименее электропроводящего из известных металлоидов. Йод является изолятором в направлении, перпендикулярном его плоскостям. Он имеет высокую энергию ионизации (1008,4 кДж / моль), высокое сродство к электрону (295 кДж / моль) и высокую электроотрицательность (2,66). Йод - умеренно сильный окислитель (I ₂ + 2 e → 2I ^- = 0,53 В при pH 0). Иодиды металлов имеют преимущественно ионную природу. Единственный стабильный оксид йода (I 2 O 5 ) сильно кислый.

Группа 18 [ править ]

Гелий имеет плотность 1,785 × 10 ^-4  г / см ³ (сравните с воздухом 1,225 × 10 ^-3  г / см ³ ), сжижается при -268,928 ° C и не может затвердеть при нормальном давлении. У него самая низкая температура кипения из всех элементов. Жидкий гелий обладает сверхтекучестью, сверхпроводимостью и почти нулевой вязкостью; его теплопроводность выше, чем у любого другого известного вещества (более чем в 1000 раз больше, чем у меди). Гелий может затвердеть только при −272,20 ° C и давлении 2,5 МПа. Он имеет очень высокую энергию ионизации (2372,3 кДж / моль), низкое сродство к электрону (по оценкам - 50 кДж / моль) и высокую электроотрицательность (4,16 χSpec). Нормальные соединения гелия до сих пор не синтезированы.

Неон имеет плотность 9,002 × 10 ^-4  г / см ³ , сжижается при -245,95 ° C и затвердевает при -248,45 ° C. У него самый узкий жидкий диапазон среди всех элементов, а в жидкой форме он имеет холодопроизводительность в 40 раз больше, чем у жидкого гелия, и в три раза, чем у жидкого водорода. Неон имеет очень высокую энергию ионизации (2080,7 кДж / моль), низкое сродство к электрону (по оценкам -120 кДж / моль) и очень высокую электроотрицательность (4,787 χSpec). Это наименее реактивный из благородных газов; нормальных соединений неона пока не синтезировано.

Аргон имеет плотность 1,784 × 10 ^-3  г / см ³ , сжижается при -185,848 ° C и затвердевает при -189,34 ° C. Хотя он не токсичен, он на 38% плотнее воздуха и поэтому считается опасным удушающим средством в закрытых помещениях. Его трудно обнаружить, потому что (как и все благородные газы) он не имеет цвета, запаха и вкуса. Аргон имеет высокую энергию ионизации (1520,6 кДж / моль), низкое сродство к электрону (оценено на уровне -96 кДж / моль) и высокую электроотрицательность (3,242 χSpec). Одно промежуточное соединение аргона , Ar ₁ C _60, является стабильным твердым веществом при комнатной температуре.

Криптон имеет плотность 3,749 × 10 ^-3  г / см ³ , сжижается при -153,415 ° C и затвердевает при -157,37 ° C. Он имеет высокую энергию ионизации (1350,8 кДж / моль), низкое сродство к электрону (по оценкам - 60 кДж / моль) и высокую электроотрицательность (2,966 χSpec). Криптон может реагировать с фтором с образованием дифторида KrF ₂ . Реакция KrF
₂с B (OTeF
₅)
₃образует нестабильное соединение Kr (OTeF
₅)
₂, содержащий криптон- кислородную связь.

Ксенон имеет плотность 5,894 × 10 ^-3  г / см ³ , сжижается при -161,4 ° C и затвердевает при -165,051 ° C. Он нетоксичен и принадлежит к избранной группе веществ, которые проникают через гематоэнцефалический барьер , вызывая легкую или полную хирургическую анестезию при вдыхании в высоких концентрациях с кислородом. Ксенон имеет высокую энергию ионизации (1170,4 кДж / моль), низкое сродство к электрону (по оценкам -80 кДж / моль) и высокую электроотрицательность (2,582 χSpec). Он образует относительно большое количество соединений , в основном содержащих фтор или кислород. Необычно содержащий ион ксенона является tetraxenonogold (II) , катиона, AuXe²⁺
₄, содержащий связи Xe – Au. Этот ион находится в соединении AuXe
₄(Сб
₂F
₁₁)
₂, и примечателен наличием прямых химических связей между двумя заведомо инертными атомами, ксеноном и золотом , причем ксенон действует как лиганд переходного металла. Состав Xe
₂Sb
₂F
₁₁содержит связь Xe-Xe, самую длинную из известных связей элемент-элемент (308,71 пм = 3,0871 Å ). Самый распространенный оксид ксенона ( XeO 3 ) - сильно кислый.

Радон, который является радиоактивным, имеет плотность 9,73 × 10 ^-3  г / см ³ , сжижается при -61,7 ° C и затвердевает при -71 ° C. Он имеет высокую энергию ионизации (1037 кДж / моль), низкое сродство к электрону (по оценкам - 70 кДж / моль) и высокую электроотрицательность (2,60 χSpec). Единственными подтвержденными соединениями радона, который является самым редким из благородных газов, встречающихся в природе, являются дифторид RnF ₂ и триоксид RnO ₃ . Сообщалось, что радон способен образовывать простой катион Rn ²⁺ в растворе фторида галогена, что является весьма необычным поведением для неметалла и, к тому же, благородного газа. Ожидается, что триоксид радона (RnO ₃ ) будет кислым.

Оганессон, самый тяжелый элемент в таблице Менделеева, был синтезирован совсем недавно. Из-за короткого периода полураспада его химические свойства еще не исследованы. Ожидается, что из-за значительной релятивистской дестабилизации орбиталей 7p _3/2 он будет значительно реактивным и вести себя более аналогично элементам группы 14, поскольку фактически имеет четыре валентных электрона вне ядра псевдоблагородного газа. Ожидается, что его температура кипения будет около 80 ± 30 ° C, так что это, вероятно, не благородный газ и не газ; в жидком виде он должен иметь плотность около 5 г / см ^3.. Ожидается, что он будет иметь едва положительное сродство к электрону (оценивается как 5 кДж / моль) и умеренную энергию ионизации около 860 кДж / моль, что довольно мало для неметалла и близко к таковым для металлоидов теллура и астата. Ожидается, что фториды оганессона OgF ₂ и OgF ₄ будут проявлять значительный ионный характер, что позволяет предположить, что оганессон может обладать по крайней мере начальными металлическими свойствами. Оксиды оганессона, OgO и OgO ₂ , предположительно являются амфотерными.

Межсекторальные отношения [ править ]

Некоторые пары неметаллов показывают дополнительные отношения, помимо тех, которые связаны с членством в группе.

H и C. Водород в группе 1 и углерод в группе 14 демонстрируют некоторое внешнее сходство. ^[53] К ним относятся близость энергий ионизации, сродства к электрону и значений электроотрицательности; наполовину заполненные валентные оболочки; и корреляции между химическим составом связей H – H и C – H.

H и N. Оба являются относительно инертными бесцветными двухатомными газами со сравнительно высокими энергиями ионизации (1312,0 и 1402,3 кДж / моль), каждый из которых имеет полувалентные подоболочки, 1s и 2p соответственно. Подобно реакционноспособному азиду N ₃ ^- анион, межэлектронное отталкивание в H ^- гидрид-анионе (с его единичным зарядом ядра) делает ионные гидриды высоко реактивными. В отличие от неметаллов, эти два элемента известны в катионных формах. В воде «катион» H ⁺ существует в виде иона H ₁₃ O ₆ ⁺ с делокализованным протоном в центральной группе OHO. ^[54] Азот образует катион N ₅ ⁺ пентазения; насыпные количества соли N ₅⁺ SbF ₆ ^- можно приготовить. По совпадению, катион аммония NH ₄ ⁺ во многих отношениях ведет себя как анион щелочного металла. ^[55]

C и P. Углерод и фосфор представляют собой пример менее известной диагональной связи, особенно в органической химии. «Захватывающее» доказательство этой связи было предоставлено в 1987 году с синтезом ферроценоподобной молекулы, в которой шесть атомов углерода были заменены атомами фосфора. ^[55] Дополнительной иллюстрацией этой темы является «необычайное» сходство между низкокоординированными соединениями фосфора и ненасыщенными углеродными соединениями, а также соответствующие исследования в области химии фосфорорганических соединений. ^[56] В 2020 году первое соединение, содержащее три атома углерода и один фосфор, расположенные в тетраэдре, три- трет- бутилфосфаттраэдран, (PC ₃ ) (C ₄ H ₉) ₃ был синтезирован. Хотя простой полностью углеродный тетраэдран (CH) ₄ никогда не выделяли, фосфор был выбран в свете его способности образовывать тетраэдрические молекулы и сходства некоторых его свойств со свойствами углерода. ^[57]

C и N. С азотом углерод образует обширный ряд нитридных соединений, включая соединения с высокими отношениями N: C и с простыми структурами (CN ₁₂ ); цепочечный (например, C ₆ N ₂ ); графитовый (связанные звенья C ₆ N ₇ ); фуллереновый (C ₄₈ N ₁₂ ) или полимерный ( звенья C ₃ N ₃ ). Большинство соединений, приготовленных на сегодняшний день, также содержат некоторое количество водорода. ^[58]

N и P. Как и азот, химический состав фосфора основан на ковалентной связи; два неметалла редко образуют анионы. Несмотря на то, что они находятся в одной группе и состав некоторых из их соединений похож друг на друга, индивидуальный химический состав азота и фосфора сильно различается. ^[59] При этом два элемента образуют обширную серию фосфорно-азотных соединений, имеющих цепную, кольцевую и клеточную структуры; повторяющаяся единица P – N в этих структурах имеет сильное сходство с повторяющейся единицей S – N, обнаруживаемой в широком диапазоне соединений сера-азот, обсуждаемых далее. ^[60]

N и S. Азот и сера имеют менее известную диагональную взаимосвязь, проявляющуюся в одинаковых плотностях заряда и электроотрицательности (последние идентичны, если подсчитываются только p- электроны; см. Hinze and Jaffe 1962), особенно когда сера связана с электроном. -отводная группа. Они способны образовывать обширную серию, казалось бы, взаимозаменяемых нитридов серы, самый известный из которых, полимерный нитрид серы, является металлическим, и сверхпроводником ниже 0,26 К. Ароматическая природа иона S ₃ N ₂ ²⁺ , в частности, служит «образцом» подобия электронных энергий двух неметаллов. ^[55]

N и O. Азот и кислород составляют основные части воздуха. Они оба становятся токсичными под давлением, таким образом, азотным наркозом; кислородный наркоз. Они охотно реагируют друг на друга. Азот образует несколько оксидов, включая закись азота, N ₂ O, в которой азот находится в степени окисления +1; оксид азота NO, в котором он находится в состоянии +2; и диоксид азота NO ₂ , в котором он находится в состоянии +4.

Многие оксиды азота чрезвычайно летучие; они являются основными источниками загрязнения атмосферы. Закись азота, также известная как веселящий газ, иногда используется как анестетик; при вдыхании вызывает легкую истерию. Оксид азота быстро реагирует с кислородом с образованием коричневого диоксида азота, промежуточного продукта при производстве азотной кислоты и мощного окислителя, используемого в химических процессах и ракетном топливе.

В более общем смысле азот напоминает кислород с его высокой электроотрицательностью и сопутствующей способностью к образованию водородных связей и способностью образовывать координационные комплексы, отдавая свои неподеленные пары электронов. Есть некоторые параллели между химией аммиака NH ₃ и воды H ₂ O. Например, способность обоих соединений быть пронатированным с образованием NH ₄ ⁺ и H ₃ O ⁺ или депротонированием с образованием NH ₂ ^- и OH ^- , при этом все они могут быть выделены в твердые соединения.

O и S. Кислород и сера легко реагируют друг с другом, образуя низшие оксиды серы (S _n O, S ₇ O ₂ и S ₆ O ₂ ); монооксид серы (SO) и его димер, диоксид серы (S ₂ O ₂ ); диоксид серы (SO ₂ ); триоксид серы (SO ₃ ); высшие оксиды серы (SO ₃ и SO ₄ и их полимерные конденсаты); и монооксид дисеры (S ₂ O). При сжигании угля и / или нефти в промышленности и на электростанциях образуется диоксид серы (SO ₂ ), который реагирует с атмосферной водой и кислородом с образованием серной кислоты (H₂ SO ₄ ) и сернистой кислоты (H ₂ SO ₃ ). Эти кислоты являются компонентами кислотных дождей, снижая pH почвы и пресноводных водоемов, что иногда приводит к значительному ущербу окружающей среде и химическому выветриванию статуй и сооружений. В большинстве кислородсодержащих органических молекул атомы кислорода могут быть заменены атомами серы.

O и Cl. «Реакции хлорирования имеют много общего с реакциями окисления. Они, как правило, не ограничиваются термодинамическим равновесием и часто переходят к полному хлорированию. Эти реакции часто сильно экзотермичны. Хлор, как и кислород, образует легковоспламеняющиеся смеси с органическими соединениями». ^[61]

O и F. Фтор и кислород имеют общую способность часто вызывать самые высокие степени окисления среди элементов.

P и S (Se). Фосфор реагирует с серой и селеном (и кислородом) с образованием большого количества соединений. Эти соединения характеризуются структурными аналогами, производными от тетраэдра белого фосфора P ₄ . ^[62]

S и Se Общие черты серы и селена очевидны. Например, селен содержится в сульфидных рудах металлов, где он частично замещает серу; оба элемента являются фотопроводниками - их электропроводность увеличивается на шесть порядков при воздействии света. ^[63]

Я и Кси. Химический состав йода в его степенях окисления +1, +3, +5 и +7 аналогичен химическому составу ксенона в непосредственно более высокой степени окисления.

Аллотропы [ править ]

Многие неметаллы имеют менее стабильные аллотропы с неметаллическими или металлическими свойствами. Графит, стандартное состояние углерода, имеет блестящий вид и является довольно хорошим проводником электричества. Алмазный аллотроп углерода явно неметаллический, однако он полупрозрачный и имеет относительно низкую электропроводность. Углерод также известен в нескольких других аллотропных формах, включая полупроводниковый бакминстерфуллерен (C ₆₀ ). Азот может образовывать газообразный тетраназот (N ₄ ), нестабильную многоатомную молекулу со временем жизни около одной микросекунды. ^[64] Кислород - двухатомная молекула в стандартном состоянии; он также существует в виде озона (O ₃), нестабильный неметаллический аллотроп с периодом полураспада около получаса. ^[65] Фосфор, уникально, существует в нескольких аллотропных формах, которые более стабильны, чем его стандартное состояние как белый фосфор (P ₄ ). В красных и черных аллотропы, вероятно , самые известные; оба являются полупроводниками. Фосфор также известен как дифосфор (P ₂ ), нестабильный двухатомный аллотроп. ^[66] Сера имеет больше аллотропов, чем любой другой элемент; ^[67] все это, за исключением пластичной серы (метастабильная пластичная смесь аллотропов) ^[68]обладают неметаллическими свойствами. Селен имеет несколько неметаллических аллотропов, каждый из которых гораздо менее электропроводен, чем его стандартное состояние серого «металлического» селена. ^[69] Йод также известен в полупроводниковой аморфной форме. ^[70] При достаточно высоких давлениях чуть более половины неметаллов, начиная с фосфора при 1,7 ГПа, ^[71] , как было обнаружено, образуют металлические аллотропы.

Большинство металлоидов, как и менее электроотрицательные неметаллы, образуют аллотропы. Бор известен в нескольких кристаллических и аморфных формах . Об открытии квазисферической аллотропной молекулы боросферен (B ₄₀ ) было объявлено в июле 2014 года. В последнее время кремний был известен только в его кристаллической и аморфной формах. Силицен , двумерный аллотроп кремния с гексагональной сотовой структурой, подобной структуре графена , наблюдался в 2010 году. Синтез орторомбического аллотропа Si ₂₄, впоследствии сообщалось в 2014 г. При давлении ~ 10–11 ГПа германий переходит в металлическую фазу с такой же тетрагональной структурой, что и олово; при декомпрессии - и в зависимости от скорости сброса давления - металлический германий образует серию аллотропов, которые метастабильны в условиях окружающей среды. Германий также образует аналог графена, германен . Мышьяк и сурьма образуют несколько хорошо известных аллотропов (желтый, серый и черный). Теллур известен только в кристаллической и аморфной формах; Астатин не имеет аллотропов.

Изобилие и добыча [ править ]

По оценкам, водород и гелий составляют примерно 99 процентов всего обычного вещества во Вселенной. Считается, что менее пяти процентов Вселенной состоит из обычной материи, представленной звездами, планетами и живыми существами. Баланс состоит из темной энергии и темной материи , которые в настоящее время плохо изучены. ^[72]

Водород, углерод, азот и кислород составляют основную часть атмосферы, океанов, коры и биосферы Земли; остальные неметаллы имеют содержание 0,5 процента или меньше. Для сравнения: 35% корки состоит из металлов: натрия , магния , алюминия , калия и железа ; вместе с металлоидом, кремнием . Все другие металлы и металлоиды имеют содержание в коре, океанах или биосфере не более 0,2 процента. ^[73]

Неметаллы и металлоиды в их элементарных формах извлекаются из: ^[74] рассола : Cl, Br, I; жидкий воздух : N, O, Ne, Ar, Kr, Xe; минералы : B ( боратные минералы ); C (уголь; алмаз; графит); F ( флюорит ); Si ( кремнезем ) P (фосфаты); Sb ( антимонит , тетраэдрит ); I (в йодате натрия NaIO ₃ и йодиде натрия NaI); природный газ : H, He, S; и из руд в качестве побочных продуктов переработки: Ge (цинковые руды); As (медные и свинцовые руды); Se, Te (медные руды); и Rn (урансодержащие руды). Астатин производится в ничтожных количествах при облучении висмута.

Общие приложения [ править ]

О распространенных и специальных применениях отдельных неметаллов см. В основной статье по каждому элементу.

У неметаллов нет универсального или почти универсального применения. Это не относится к металлам, большинство из которых имеет структурное применение; ни металлоиды, типичное применение которых распространяется (например) на оксидные стекла, легирующие компоненты и полупроводники.

Совместное применение различных подмножеств неметаллов вместо этого охватывает их присутствие или конкретное использование в областях криогеники и хладагентов : H, He, N, O, F и Ne; удобрения : H, N, P, S, Cl (как микроэлемент) и Se; предметы домашнего обихода : H (основной компонент воды), He (воздушные шары для вечеринок), C (в карандашах, как графит), N ( пивные примочки ), O (в виде перекиси в моющих средствах), F (в виде фторида в зубной пасте), Ne (освещение), P (спички), S (уход за садом), Cl (компонент отбеливателя), Ar (изолированные окна), Se (стекло; солнечные элементы), Br (в виде бромида, для очистки воды из спа), Kr ( энергосберегающие люминесцентные лампы), I (в растворах антисептиков), Xe (в плазменном ТВдисплейные ячейки, технология, впоследствии замененная недорогими OLED-дисплеями ), в то время как Rn также иногда встречается, но затем как нежелательный, потенциально опасный загрязнитель внутри помещений; ^[76] промышленные кислоты : C, N, F, P, S и Cl; заменители инертного воздуха : N, Ne, S (в гексафториде серы SF ₆ ), Ar, Kr и Xe; лазеры и освещение : He, C (в углекислотных лазерах, CO ₂ ), N, O (в химическом кислородно-йодном лазере ), F (в фтороводородном лазере , HF), Ne, S (в серной лампе ), Ar, Kr и Xe; и медицина и фармацевтика : He, O, F, Cl, Br, I, Xe и Rn.

Количество соединений, образованных неметаллами, огромно. ^[77] Первые девять мест в таблице «20 лучших» элементов, наиболее часто встречающихся в 8 427 300 соединениях, согласно реестру Chemical Abstracts Service за июль 1987 г., были заняты неметаллами. Водород, углерод, кислород и азот были обнаружены в большинстве (более 64%) соединений. Кремний, металлоид, оказался на 10-м месте. Металлом с наивысшим рейтингом (частота встречаемости 2,3%) было железо, занимающее 11 место. ^[78]

Открытие [ править ]

Античность: C, S, (Sb) [ править ]

Углерод, сера и сурьма были известны еще в древности . Самое раннее известное использование древесного угля датируется примерно 3750 годом до нашей эры. В египтяне и шумеры использовали его для восстановления меди , цинка и олова руд в производстве бронзы . Алмазы, вероятно, были известны еще с 2500 г. до н. Э. Первые настоящие химические анализы были сделаны в 18 веке; Лавуазье признал углерод как элемент в 1789 году. Сера использовалась до 2500 г. до н. Э .; он был признан элементом Антуана Лавуазье в 1777 году. Сурьма использовалась одновременно с серой; Лувр держит вазу возрастом 5000 лет, сделанную из почти чистой сурьмы.

13 век: (As) [ править ]

Считается, что Альберт Великий (Альберт Великий, 1193–1280) был первым, кто изолировал этот элемент от соединения в 1250 году, нагревая мыло вместе с трисульфидом мышьяка . Если так, то это был первый элемент, который был открыт химическим путем.

17 век: P [ править ]

Фосфор был получен из мочи Хеннигом Брандом в 1669 году.

18 век: H, O, N, (Te), Cl [ править ]

Водород: Кавендиш в 1766 году первым отличил водород от других газов, хотя Парацельс около 1500 года, Роберт Бойль (1670) и Джозеф Пристли (?) Наблюдали его образование в результате реакции сильных кислот с металлами. Лавуазье назвал его в 1793 году. Кислород: Карл Вильгельм Шееле получил кислород путем нагревания оксида ртути и нитратов в 1771 году, но не публиковал свои открытия до 1777 года. Пристли также подготовил этот новый «воздух» к 1774 году, но только Лавуазье признал его истинным. элемент; он назвал его в 1777 году. Азот: Резерфорд открыл азот, когда учился вЭдинбургский университет . Он показал, что воздух, которым дышали животные, после удаления выдыхаемого углекислого газа больше не мог зажечь свечу. Шееле, Генри Кавендиш и Пристли также изучали этот элемент примерно в то же время; Лавуазье назвал его в 1775 или 1776 году. Теллур: В 1783 году Франц-Йозеф Мюллер фон Рейхенштейн , который тогда работал австрийским главным инспектором рудников в Трансильвании, пришел к выводу, что новый элемент присутствует в золотой руде из рудников в Златне. , недалеко от сегодняшнего города Алба Юлия, Румыния. В 1789 году венгерский ученый Пал Китаибель независимо обнаружил этот элемент в руде из Дойч-Пльзена, которая считалась серебристой.молибденит , но позже он отдал должное Мюллеру. В 1798 году он был назван Мартином Генрихом Клапротом , который ранее выделил его из минерала калаверита . Хлор: В 1774 году Шееле получил хлор из соляной кислоты, но думал, что это оксид . Только в 1808 году Хэмфри Дэви признал его как стихию.

Начало 19 века: (B) I, Se, (Si), Br [ править ]

Бор был идентифицирован сэром Хамфри Дэви в 1808 году, но не был выделен в чистом виде до 1909 года американским химиком Иезекилем Вайнтраубом. Йод был открыт в 1811 году Куртуа из пепла морских водорослей. Селен: В 1817 году, когда Берцелиус и Йохан Готлиб Ган работали со свинцом, они обнаружили вещество, похожее на теллур. После дополнительных исследований Берцелиус пришел к выводу, что это новый элемент, связанный с серой и теллуром. Поскольку теллур был назван в честь Земли, Берцелиус назвал новый элемент «селеном» в честь Луны . Кремний: в 1823 году Берцелиусполучали аморфный кремний восстановлением фторосиликата калия расплавленным металлическим калием. Бром: Балард и Гмелин открыли бром осенью 1825 года и опубликовали свои результаты в следующем году.

Конец 19 века: He, F, (Ge), Ar, Kr, Ne, Xe [ править ]

Гелий: В 1868 году Янссен и Локьер независимо друг от друга наблюдали желтую линию в солнечном спектре, которая не соответствовала ни одному другому элементу. В 1895 году, примерно в одно и то же время, Рамзи, Клив и Ланглет независимо друг от друга наблюдали гелий, заключенный в клевите . Фтор: Андре-Мари Ампер предсказал элемент, аналогичный хлору, который можно получить из плавиковой кислоты , и между 1812 и 1886 годами многие исследователи пытались получить его. В конце концов, фтор был выделен Муассаном в 1886 году . Германий: В середине 1885 года на руднике недалеко от Фрайберга, Саксония , был обнаружен новый минерал.был обнаружен и назван аргиродитом из-за содержания в нем серебра . Химик Клеменс Винклер проанализировал этот новый минерал, который оказался комбинацией серебра, серы и нового элемента, германия, который он смог выделить в 1886 году. Аргон: лорд Рэлей и Рамзи открыли аргон в 1894 году, сравнив молекулярные свойства. массы азота, приготовленного сжижением из воздуха, и азота, приготовленного химическим способом. Это был первый выделенный благородный газ. Криптон, неон и ксенон: в 1898 году, в течение трех недель, Рамзи и Траверс последовательно отделили криптон, неон и ксенон от жидкого аргона, используя разницу в их точках кипения.

20 век: Rn, (At) [ править ]

В 1898 году Фридрих Эрнст Дорн открыл радиоактивный газ, образовавшийся в результате радиоактивного распада радия; Рамзи и Роберт Уайтлоу-Грей впоследствии выделили радон в 1910 году. Астатин был синтезирован в 1940 году Дейлом Р. Корсоном , Кеннетом Россом Маккензи и Эмилио Сегре . Они бомбардировали висмут-209 с альфа - частиц в циклотроне , чтобы произвести, после испускания двух нейтронов, астатина-211.

Заметки [ править ]

Ссылки [ править ]

Источники данных [ править ]

Если не указано иное, значения точек плавления, кипения, плотности, кристаллической структуры, энергии ионизации, сродства к электрону и электроотрицательности взяты из Справочника по физике и химии CRC; ^[79] стандартные электродные потенциалы взяты из компиляции 1989 года Стивена Братша. ^[80]

Цитаты [ править ]

Библиография [ править ]

Монографии [ править ]

• Бейли Г. Х. 1918, Учебник по химии, Часть 1: Неметаллы, 4-е изд., У. Бриггс (редактор), University Tutorial Press, Лондон
• Эмсли Дж. 1971, Неорганическая химия неметаллов , Methuen Educational, Лондон, ISBN 0423861204 
• Джонсон Р. К. 1966, Введение в описательную химию: избранные неметаллы, их свойства и поведение , В. А. Бенджамин, Нью-Йорк.
• Веселый В.Л. 1966, Химия неметаллов , Прентис-Холл, Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси.
• Powell P & Timms PL 1974, Химия неметаллов , Chapman & Hall, Лондон, ISBN 0470695706 
• Шервин E и Уэстон GJ 1966, химия неметаллических элементов , Pergamon Press, Oxford
• Steudel R 1977, Химия неметаллов: с введением в атомную структуру и химические связи , английское издание ФК Наход и Дж. Дж. Цукерман, Берлин, Вальтер де Грюйтер , ISBN 3110048825 

Внешние ссылки [ править ]

• СМИ, связанные с неметаллами на Викискладе?