3. Распространённость элементов-неметаллов.
Кислород и кремний являются наиболее распространенными элементами, на их долю приходится около 70% массы земной коры. К числу редких элементов относятся йод, селен, теллур и некоторые другие, на их долю приходятся тысячные доли процента массы земной коры. Многие соединения неметаллов являются обязательной составной частью растительных и животных организмов. К элементам-органогенам («рождающие» органические вещества: белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты) относятся: кислород О (на его долю приходится около 60% массы тела человека), С, Н, N, Р и S. В небольших количествах в организмах животных и растений содержатся F, О, I.
Два элемента-неметалла составляют 76% от массы земной коры. Это кислород (49%) и кремний (27%). В атмосфере содержится 0,03% от массы кислорода в земной коре. Неметаллы составляют 98,5% от массы растений, 97,6% от массы тела человека. В состав воздуха, которым мы дышим, входят простые и сложные вещества, также образованные элементами-неметаллами (кислород О2, азот, углекислый газ СО2, водяные пары Н2О и др.).
Водород − главный элемент Вселенной. Многие космические объекты (газовые облака, звезды, в том числе и Солнце) более чем наполовину состоят из водорода. На Земле его, включая атмосферу, гидросферу и литосферу, только 0,88%. Но это по массе, а атомная масса водорода очень мала. Поэтому небольшое содержание его только кажущееся, и из каждых 100 атомов на Земле 17 − атомы водорода.
4. Неметаллы − простые вещества. Строение.
В простых веществах атомы неметаллов связаны ковалентной неполярной связью; в благородных газах химических связей нет. Благодаря этому формируется более устойчивая электронная система, чем у изолированных атомов. При этом образуются одинарные (например, в молекулах водорода Н2, галогенов Cl2, Вг2), двойные (например, в молекулах кислорода) тройные (например, в молекулах азота) ковалентные связи.
Перейдем к рассмотрению строения молекул неметаллов. Неметаллы образуют как одноатомные, так и двухатомные молекулы.
К одноатомным неметаллам относятся инертные газы, практически не реагирующие даже с самыми активными веществами. Инертные газы расположены в VIII группе Периодической системы, а химические формулы соответствующих простых веществ следующие: He, Ne, Ar, Kr, Xe и Rn.
Некоторые неметаллы образуют двухатомные молекулы. Это галогены − F2, Cl2, Br2, I2 (элементы VII группы Периодической системы), а также H2, N2, O2. Атомы озона, фосфора, серы — из большего числа атомов (O3, Р4, S8), инертных газов – из одного атома (Не,Ne,Ar,Kr).
Для веществ неметаллов, находящихся в твердом состоянии, составить химическую формулу довольно сложно. Атомы углерода в графите соединены друг с другом различным образом. Выделить отдельную молекулу в приведенных структурах затруднительно. При написании химических формул таких веществ, как и в случае с металлами, вводится допущение, что такие вещества состоят только из атомов. Химические формулы, при этом, записываются без индексов - C, Si, S и т.д.
Самые типичные неметаллы имеют молекулярное строение, а менее типичные – немолекулярное. Этим и объясняется отличие их свойств.
1. Молекулярное строение. У этих неметаллов в твердом состоянии молекулярные кристаллические решетки. В этом случае в каждой молекуле атомы соединены достаточно прочно ковалентной связью, а вот отдельные молекулы друг с другом в кристаллах вещества связаны очень слабо. Поэтому при обычных условиях большинство таких веществ представляют собой газы или твердые вещества с низкими температурами плавления и лишь единственный бром (Вг2) является жидкостью. Все эти вещества молекулярного строения, поэтому летучи. В твердом состоянии они легкоплавки из-за слабого межмолекулярвого взаимодействия, удерживающего их молекулы в кристалле, и способны к возгонке.
Молекулярные неметаллы: H2, N2, P4 (белый фосфор), As4, O2, O3, S8, F2, Cl2, I2. К ним же можно отнести и благородные газы (He, Ne, Ar, Kr, Kx, Rn), атомы которых являются как бы "одноатомными молекулами".
2. Атомное строение. У этих неметаллов атомные кристаллические решетки, поэтому они обладают большой твердостью и очень высокими температурами плавления. Эти вещества образованы длинными цепями атомов. Из-за большой прочности ковалентных связей они, как правило, имеют высокую твердость, и любые изменения, связанные с разрушением ковалентной связи в их кристаллах (плавление, испарение), совершаются с большой затратой энергии. Многие такие вещества имеют высокие температуры плавления и кипения, а летучесть их весьма мала.
Немолекулярные неметаллы: B (несколько аллотропных модификаций), C(графит), C(алмаз), Si, Ge, P(красный), P(черный), As, Se, Te. Все они твердые вещества, кремний, германий, селен и некоторые другие обладают полупроводниковыми свойствами.
Причина большого разнообразия физических свойств неметаллов кроется в различном строении кристаллических решёток этих веществ.
Часть неметаллов имеет атомную кристаллическую решетку. Кристаллы таких веществ состоят из атомов, соединённых между собой прочными ковалентными связями. Такие неметаллы находятся в твёрдом агрегатном состоянии и являются нелетучими. Примерами таких веществ служат алмаз, графит, красный фосфор и кремний.
Модели кристаллических решёток алмаза (слева) и графита. Кристаллы этих аллотропных видоизменений состоят из атомов углерода, соединённых между собой ковалентными связями. Кристаллы графита, в отличие от кристаллов алмаза, сложены из отдельных слоёв, которые располагаются друг по отношению к другу подобно тому, как листы бумаги в книге.
Многие элементы-неметаллы образуют несколько простых веществ − аллотропных модификаций.
Аллотропия – это способность атомов одного химического элемента образовывать несколько простых веществ. а эти простые вещества – аллотропными видоизменениями или модификациями.
Аллотропия может быть связана и с разным составом молекул − различным числом атомов в молекуле (O2 и O3), и с разным строением кристаллов. Аллотропные видоизменения, образуемые одним и тем же химическим элементом, существенно отличаются между собой как по строению, так и по свойствам.
Явление аллотропии для неметаллов более характерно, чем для металлов.
Аллотропия является причиной того, что неметаллических простых веществ намного больше, чем самих неметаллических химических элементов.
Например, химический элемент кислород O образует простое вещество кислород O2, молекула которого состоит из двух атомов, и простое вещество озон O3, молекула которого состоит из трёх атомов данного элемента. Эти простые вещества, имеющие одинаковый качественный состав, но различающиеся по числу атомов в молекуле, имеют различные свойства. Так, кислород запаха не имеет, в то время как озон обладает резким запахом, который мы ощущаем во время грозы. Свойства твердых неметаллов, графита и алмаза, имеющих также одинаковый качественный состав, но разное строение, резко отличаются (графит хрупкий, алмаз твердый). Таким образом, свойства вещества определяются не только его качественным составом, но и тем, сколько атомов содержится в молекуле вещества и как они связаны между собой.
Химический элемент фосфор P образует множество аллотропных видоизменений, важнейшими из которых являются красный фосфор и белый фосфор.
Аллотропными модификациями элемента углерода являются графит, алмаз, карбин, фуллерен (рис. 48).
Аллотропия присуща не всем неметаллических химическим элементам. Например, водород, азот, элементы VIIA и VIIIA групп не имеют аллотропных модификаций, т.е. каждый из упомянутых элементов образует только одно простое вещество.