Что нужно знать до
Если что-то из этого забылось, начни оттуда — так будет понятнее.
Коротко о главном
Неметаллы — элементы правого верхнего угла таблицы Менделеева, за диагональю бор — астат. У их атомов на внешнем слое 4–7 электронов, поэтому неметаллу проще принять электроны, чем отдать. С металлами и водородом неметаллы — окислители, а с более электроотрицательными неметаллами и сильными окислителями — восстановители.
(электроотрицательность уменьшается слева направо)
Подробное объяснение
Кислород, которым мы дышим, графит в карандаше, сера на спичечной головке и хлор в бассейне совсем не похожи друг на друга. Но все они — неметаллы. Что их объединяет?
Строение атомов
У атомов большинства неметаллов на внешнем электронном слое 4–7 электронов. До устойчивой восьмёрки (октета) не хватает всего 1–4 электронов. Принять их или сделать общими с соседним атомом гораздо проще, чем отдать 4–7 своих. Поэтому неметаллы охотно забирают электроны у металлов. Ещё одна черта — маленький радиус атома: атом неметалла меньше атома металла той же группы и прочнее держит электроны.
Благородные газы (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn) обычно тоже относят к неметаллам, хотя их внешний слой уже заполнен и в реакции они почти не вступают. Иногда их выделяют в отдельную группу.
Место в Периодической системе
Неметаллы стоят в А-группах справа и выше диагонали бор — астат. Водород — особый случай: он в IA-группе, но это неметалл.
Строение простых веществ
Атомы неметалла соединяются друг с другом ковалентными неполярными связями. Дальше возможны два варианта.
- Молекулярное строение. Атомы собираются в небольшие молекулы: \(\mathrm{H_2}\), \(\mathrm{O_2}\), \(\mathrm{N_2}\), \(\mathrm{Cl_2}\), \(\mathrm{O_3}\), \(\mathrm{P_4}\). Молекулы друг к другу притягиваются слабо, поэтому такие вещества — газы, летучая жидкость (бром) или легкоплавкие твёрдые вещества (сера, белый фосфор, иод).
- Немолекулярное строение. Все атомы образца связаны в одну гигантскую частицу — атомная решётка у алмаза и кремния. Такие вещества очень твёрдые, тугоплавкие, нелетучие.
Физические свойства
Неметаллы очень разные, общее у них одно — они не похожи на металлы.
- Почти все — диэлектрики. Исключения: графит хорошо проводит ток, кремний — полупроводник, селен на свету проводит ток гораздо лучше, чем в темноте (на этом работают фотоэлементы).
- Нет металлического блеска (кроме графита, кремния и иода), зато много цветов: хлор жёлто-зелёный, бром бурый, иод чёрно-фиолетовый, сера жёлтая, фосфор бывает белым, красным и чёрным.
Химические свойства: окислитель или восстановитель
Всё решает электроотрицательность. Чем она выше, тем сильнее неметалл притягивает электроны.
Окислительные свойства.
- С металлами неметалл всегда окислитель и получает минимальную (отрицательную) степень окисления: \(\mathrm{Fe + S \xrightarrow{t} FeS}\).
- С водородом большинство неметаллов — окислители, получаются летучие водородные соединения: \(\mathrm{H_2 + Cl_2 \rightarrow 2HCl}\).
- Из двух неметаллов окислитель тот, у кого выше электроотрицательность. Сера с фтором даёт \(\mathrm{SF_6}\) (S +6), с кислородом — \(\mathrm{SO_2}\) (S +4), с хлором — \(\mathrm{SCl_2}\) (S +2): чем слабее окислитель, тем ниже степень окисления второго неметалла.
- Сильные окислители (фтор, кислород, хлор) окисляют и сложные вещества: хлор вытесняет бром из бромидов, \(\mathrm{2KBr + Cl_2 \rightarrow 2KCl + Br_2}\).
Восстановительные свойства.
- С более электроотрицательным неметаллом: \(\mathrm{N_2 + O_2 \rightarrow 2NO}\) — азот восстановитель.
- С сильными окислителями — концентрированными серной и азотной кислотами, бертолетовой солью \(\mathrm{KClO_3}\) (так горит спичка).
- Углерод и водород восстанавливают металлы из оксидов: \(\mathrm{CuO + C \xrightarrow{t} Cu + CO}\).
Бывает, что неметалл в одной реакции и окислитель, и восстановитель: \(\mathrm{Cl_2 + 2KOH \rightarrow KCl + KClO + H_2O}\) — один атом хлора принимает электрон, другой отдаёт.
Как решать задачи
- Расставьте степени окисления всех элементов до и после реакции.
- Найдите неметалл, который понижает степень окисления, — это окислитель; повышает — восстановитель.
- Составьте электронный баланс: число отданных и принятых электронов должно совпасть.
- Перенесите множители в уравнение как коэффициенты, доуравняйте остальные атомы, проверьте по кислороду.
- В расчётной задаче найдите \(n = m/M\) или \(n = V/V_m\) (\(V_m = 22{,}4\) л/моль), перейдите по коэффициентам к нужному веществу и обратно к массе или объёму.
Разобранные примеры
Роль водорода и хлора в реакции
Водород сгорает в хлоре. Запишите уравнение, расставьте степени окисления и определите окислитель и восстановитель.
Хлор электроотрицательнее водорода, поэтому он принимает электроны: степень окисления падает с 0 до −1. Водород отдаёт электроны и повышает степень окисления до +1.
Углерод и концентрированная азотная кислота
При нагревании угля с концентрированной азотной кислотой образуются углекислый газ, бурый газ NO₂ и вода. Составьте уравнение методом электронного баланса.
Углерод повышает степень окисления с 0 до +4, азот понижает с +5 до +4.
Водород: слева 4, справа \(2 \cdot 2 = 4\). Кислород: слева 12, справа \(2 + 8 + 2 = 12\). Углерод — восстановитель, азотная кислота — окислитель.
Сжигание серы с примесями
Сожгли 20 г серы, содержащей 4 % негорючих примесей. Какой объём сернистого газа (н. у.) получился?
- \(m = 20\) г
- \(w(\text{прим.}) = 4\%\)
- \(V(\mathrm{SO_2})\)
В кислороде сера горит до оксида серы(IV), а не (VI):
По уравнению \(n(\mathrm{SO_2}) = n(\mathrm{S}) = 0{,}6\) моль, \(V = 0{,}6 \cdot 22{,}4 = 13{,}44\) л.
Типичные ошибки
Неметалл бывает окислителем только по отношению к менее электроотрицательным партнёрам. В паре с фтором, кислородом или концентрированной кислотой сера, углерод, азот и даже хлор отдают электроны.
Сравнивайте электроотрицательность партнёров (ряд F, O, N, Cl, Br, S, C, H) и смотрите на степени окисления: повысилась — восстановитель, понизилась — окислитель.
При горении серы в кислороде получается только оксид серы(IV) \(\mathrm{SO_2}\). До \(\mathrm{SO_3}\) его окисляют отдельно, с катализатором — это вторая стадия производства серной кислоты.
\(\mathrm{S + O_2 \rightarrow SO_2}\), затем \(\mathrm{2SO_2 + O_2 \rightleftarrows 2SO_3}\) (катализатор, нагревание).
Это правило с исключениями: графит хорошо проводит ток, кремний — полупроводник, у графита, кремния и иода есть металлический блеск.
Говорите «большинство неметаллов» и помните исключения — их часто спрашивают в тестах.
Проверь себя
Ответь на вопросы — после каждого ответа появится пояснение.
-
Какой из неметаллов хорошо проводит электрический ток?
Показать ответ
Ответ: Б) Графит
Графит — исключение среди неметаллов, из-за слоистого строения кристалла он хорошо проводит ток. Сера, фосфор и алмаз — диэлектрики.
-
У каких простых веществ атомная (немолекулярная) кристаллическая решётка?
Правильных ответов несколько.
Показать ответ
Ответ: А) Алмаз; Б) Кристаллический кремний
В алмазе и кремнии каждый атом прочно связан с соседями, это гигантские частицы. Иод \(\mathrm{I_2}\) и белый фосфор \(\mathrm{P_4}\) состоят из молекул — их решётка молекулярная.
-
Какую роль играет сера в реакции \(\mathrm{S + H_2 \rightarrow H_2S}\)?
Показать ответ
Ответ: А) Окислитель
Сера электроотрицательнее водорода, она принимает электроны и переходит из степени окисления 0 в −2, значит, это окислитель.
-
Сколько электронов на внешнем энергетическом уровне атома фосфора?
Показать ответ
Ответ: 5
Фосфор стоит в VA-группе, номер А-группы равен числу внешних электронов — их 5.
-
В каком ряду неметаллы расположены по уменьшению электроотрицательности?
Показать ответ
Ответ: А) F, O, N, Cl
Самый электроотрицательный элемент — фтор, дальше кислород, азот и хлор. Остальные ряды идут в обратном или перепутанном порядке.
Результат:
Задачи для тренировки
От простых к сложным. Подсказку, решение и ответ открывай, только когда попробовал сам.
Из перечня Na, P, Ca, Br, Al, Se, Mg, N выпишите неметаллы. Чем их атомы отличаются от атомов металлов?
Подсказка
Найдите элементы в таблице и посмотрите, по какую сторону от диагонали бор — астат они стоят.
Решение
Неметаллы — \(\mathrm{P}\), \(\mathrm{Br}\), \(\mathrm{Se}\), \(\mathrm{N}\): все они в А-группах справа и выше диагонали бор — астат.
У их атомов на внешнем слое 5–7 электронов (у P и N — 5, у Se — 6, у Br — 7), а у Na, Mg, Ca, Al — 1–3. Кроме того, атом неметалла меньше атома металла того же периода. Поэтому неметаллу проще принять электроны, чем отдать.
Ответ
Алюминиевый порошок нагрели с серой. Запишите уравнение реакции и укажите, какую роль в ней играет сера.
Подсказка
В реакции с металлом неметалл принимает электроны и получает минимальную степень окисления.
Решение
Атомы алюминия отдают по 3 электрона, атомы серы принимают по 2. Сера понижает степень окисления с 0 до −2 — она окислитель, алюминий — восстановитель. Получается сульфид алюминия.
Ответ
Какой объём водорода (н. у.) потребуется, чтобы получить из азота 6,8 г аммиака?
Подсказка
Сначала найдите количество вещества аммиака, затем по коэффициентам — водорода.
Решение
\(M(\mathrm{NH_3}) = 14 + 3 = 17\) г/моль, \(n(\mathrm{NH_3}) = \dfrac{6{,}8}{17} = 0{,}4\) моль. По уравнению на 2 моль аммиака нужно 3 моль водорода: \(n(\mathrm{H_2}) = 0{,}4 \cdot \dfrac{3}{2} = 0{,}6\) моль. \(V(\mathrm{H_2}) = 0{,}6 \cdot 22{,}4 = 13{,}44\) л.
Ответ
Через раствор, содержащий избыток бромида калия, пропустили 3,36 л хлора (н. у.). Какая масса брома выделилась?
Подсказка
Хлор электроотрицательнее брома и вытесняет его из бромида.
Решение
\(n(\mathrm{Cl_2}) = \dfrac{3{,}36}{22{,}4} = 0{,}15\) моль. По уравнению \(n(\mathrm{Br_2}) = n(\mathrm{Cl_2}) = 0{,}15\) моль. \(M(\mathrm{Br_2}) = 160\) г/моль, \(m = 0{,}15 \cdot 160 = 24\) г.
Ответ
Уголь массой 5 г, содержащий 4 % негорючих примесей, нагрели с избытком концентрированной серной кислоты. Какой общий объём газов (н. у.) выделился? Водяной пар не учитывайте.
Подсказка
Углерод здесь восстановитель, сера из +6 переходит в +4. Газов два — CO₂ и SO₂.
Решение
Масса углерода: \(m(\mathrm{C}) = 5 \cdot 0{,}96 = 4{,}8\) г, \(n(\mathrm{C}) = \dfrac{4{,}8}{12} = 0{,}4\) моль. По уравнению \(n(\mathrm{CO_2}) = 0{,}4\) моль, \(n(\mathrm{SO_2}) = 0{,}8\) моль, всего \(1{,}2\) моль газов. \(V = 1{,}2 \cdot 22{,}4 = 26{,}88\) л.
Ответ
Фосфор окисляется концентрированной азотной кислотой до фосфорной кислоты, при этом выделяется бурый газ NO₂. Составьте уравнение методом электронного баланса, укажите окислитель и восстановитель.
Подсказка
Фосфор меняет степень окисления с 0 на +5, азот — с +5 на +4.
Решение
Схема: \(\mathrm{\overset{0}{P} + H\overset{+5}{N}O_3 \rightarrow H_3\overset{+5}{P}O_4 + \overset{+4}{N}O_2 + H_2O}\).
Электронный баланс:
Ответ
Для родителя
Как объяснить за 5 минут. Покажите карандаш (графит), спичку (сера и фосфор) и вспомните про кислород в воздухе — всё это неметаллы, и они очень разные. Объясните главную идею: атому неметалла не хватает до «полного комплекта» 1–4 электронов, поэтому он их забирает у металлов. Но если рядом «жадина» сильнее (фтор, кислород), неметалл сам отдаёт электроны.
Вопросы для проверки понимания: 1) Где в таблице Менделеева неметаллы? 2) Почему в реакции с железом сера — окислитель, а с кислородом — восстановитель? 3) Какой неметалл проводит ток?
На что обратить внимание. Ребёнок должен уметь расставить степени окисления и по ним назвать окислитель и восстановитель, а не угадывать роль по названию вещества. Проверьте, что уравнения уравнены — особенно электронный баланс.