Химия. 9 класс. Шиманович И.Е., Василевская Е.И. и др.

В 9-м классе вы будете более подробно рассматривать химию неметаллов, физические и химические свойства образуемых ими простых веществ и важнейших соединений, их применение в жизни и деятельности человека.

Химия. 9 класс. Шиманович И.Е., Василевская Е.И. и др.

 

Описание учебника

Неметаллы
§ 1. Общая характеристика неметаллов
В курсе химии 7-го и 8-го классов вы уже познакомились со многими элементами неметаллами и их соединениями. Наиболее известны неметаллы — водород, кислород и их соединение — вода.
Традиционное деление элементов на металлы и неметаллы исторически возникло из-за того, что простые вещества, образованные атомами элементов металлов, как правило, находятся в твердом состоянии и проявляют металлические свойства (блеск, высокую тепло- и электропроводность, ковкость, пластичность и т. д.), а простые вещества, образованные атомами элементов неметаллов, этими свойствами при обычных условиях не обладают.
Положение в периодической системе
К неметаллам относятся 23 химических элемента из 118 известных на сегодняшний день. Все неметаллы являются элементами главных групп, т. е. А-групп. В периодической системе граница между металлами и неметаллами проходит по ступенчатой линии в направлении от бора В к элементу с атомным номером 118. Элементы, расположенные справа от этой линии в IIIA—VIIIA-группах, являются неметаллами. К ним относится и водород Н, который обычно располагают в IA-группе, но часто его помещают и в VIIА-группу (рис. 1).
Наиболее типичными неметаллами являются 10 элементов: водород Н, кислород О, углерод С, азот N, фосфор Р, сера S, а также галогены — фтор F, хлор Cl, бром Br и иод I. Шесть неметаллов — это так называемые благородные газы: гелий He, неон Ne, аргон Ar, криптон Kr, ксенон Xe, радон Rn.
Элементы, расположенные вдоль условной разграничительной линии: бор В, кремний Si, германий Ge, мышьяк As, селен Se, теллур Te и астат At,
Рис. 1. Положение неметаллов в периодической системе химических элементов
Общая характеристика неметаллов
относятся к неметаллам, но могут проявлять и некоторые металлические свойства. Эти элементы иногда называют полуметаллами.
Электронное строение атомов неметаллов
У атомов большинства неметаллов (кроме водорода, гелия и бора) на внешнем электронном слое (электронной оболочке) находится сравнительно много электронов: от 4 до 8. Число электронов на внешнем электронном слое атомов неметаллов равно численному значению номера А-группы. Например, углерод и кремний, элементы IVA-группы, содержат на внешнем электронном слое по 4 электрона (рис. 2), а азот и фосфор, элементы VA-группы, — по 5 электронов (рис. 3).
Электроотрицательность неметаллов выше электроотрицательности металлов. Электроны внешнего электронного слоя у атомов неметаллов прочно связаны с ядром, поэтому наиболее характерным свойством атомов неметаллов является их способность присоединять электроны для завершения внешнего электронного слоя. Это соответствует более устойчивому восьмиэлектронному состоянию атомов неметаллов. Если обозначить атом химического элемента буквой Э, то процесс присоединения электронов можно записать так:
При взаимодействии с атомами металлов и водорода атомы неметаллов обычно выступают в качестве окислителей (т. е. присоединяют электроны). При этом образуются соединения, в которых неметаллы проявляют отрицательную степень окисления. Например, в сульфиде железа(П)
Максимальная положительная степень окисления атома неметалла обычно численно равна номеру А-группы, в которой он находится в периодической системе (за исключением кислорода и фтора). Например, у углерода и кремния — +4 (CO2, SiF4), у азота и фосфора — +5 (N2O5, PCl5), у хлора — +7 (Cl2O7) и т. д. Сера, являясь элементом VIA-группы, может проявлять максимальную положительную степень окисления +6 (SF6, SO3).
Некоторые неметаллы проявляют несколько положительных степеней окисления. Например, азот, кроме максимальной (+5), может проявлять степени окисления +1, +2, +3 и +4 (N2O, NO, N2O3, NO2), а хлор, кроме степени окисления +7, — еще и +1, +3, +5 (Cl2O, ClF3, ClF5).
Минимальная отрицательная степень окисления атома неметалла равна разности: численное значение номера А-группы — 8. У азота и фосфора минимальная отрицательная степень окисления равна —3 (Na3N, Mg3P2), у атомов галогенов—1 (KCl), у серы—2 (H2S).
Неметаллы в природе
Несмотря на относительно небольшое число элементов неметаллов, их массовая доля в земной коре составляет почти 80 %, а во Вселенной достигает 99 % (в основном за счет водорода Н и гелия Не).
Живая материя также состоит в основном из соединений элементов неметаллов: углерода С, кислорода О, водорода Н, азота N, фосфора Р и серы S. Эти элементы часто называют органогенными, т. е. образующими живые организмы. Массовая доля органогенных элементов в животных и растительных организмах превышает 95 %. Многие другие элементы неметаллы, несмотря на их незначительное содержание в живых организмах, также относятся к жизненно необходимым, например: селен Se, бром Br, иод I.
В последние годы учеными установлено, что селен, масса которого в организме человека около 15 мг, оберегает клетки от вредного действия ультрафиолетового и радиоактивного облучения, способствует укреплению иммунной системы. Природными накопителями селена являются грибы (рис. 5). Например, лисички, опята и маслята содержат селен массой от 2 мг до 7 мг на 1 кг сухой массы, значительно больше этого элемента содержится в ядовитых грибах (бледной поганке, мухоморе). По мнению ученых, большие концентрации селена в грибах являются условием огромной скорости их роста: ведь грибы растут буквально на глазах. Однако следует помнить, что употребление продуктов, содержащих селен в количествах, больших 5 мг на 1 кг пищи, приводит к острому отравлению организма человека.
В природе неметаллы встречаются как в виде простых веществ (N2, O2 и др.), так и в виде сложных органических и неорганических соединений.
Большая часть неорганических веществ, содержащих неметаллы, входит в состав минералов и горных пород в виде оксидов (SiO2, Fe2O3 и др.), сульфидов (ZnS, FeS2 и др.), хлоридов (KCl, NaCl и др.), солей кислородсодержащих кислот — сульфатов, карбонатов, силикатов, фосфатов и др.
Все неметаллы являются элементами главных групп, т. е. А-групп, периодической системы.
Атомы неметаллов могут проявлять как отрицательные, так и положительные степени окисления.
Максимальная положительная степень окисления атома неметалла обычно численно равна номеру А-группы в периодической системе элементов.
Минимальная отрицательная степень окисления атома неметалла равна разности: численное значение номера А-группы — 8. Вопросы и задания
1. Рассмотрите положение неметаллов в периодической системе химических элементов. Можно ли провести точную границу между металлами и неметаллами?
2. Составьте электронные схемы атомов кислорода и аргона.
3. Какие степени окисления могут проявлять неметаллы в своих соединениях? Определите степень окисления хлора в соединениях: KCl, Cl2O7, KClO3; азота — в соединениях: NH3, N2O, KNO3.
4. Определите степени окисления атомов неметаллов в указанных соединениях: AlBr3, Na2O, MgI2, P2O5, H2Se, SF6, PCl3, CaH2.
5. Укажите максимальную положительную и минимальную отрицательную степени окисления следующих неметаллов: P, Se, Br. Составьте формулы кислородных и водородных соединений неметаллов в этих степенях окисления.
6. Какие из неметаллов чаще всего встречаются: а) во Вселенной; б) в земной коре; в) в живых организмах?
7. В виде каких соединений неметаллы входят в состав минералов и горных пород?
8. Среди приведенных уравнений выберите уравнения окислительно-восстановительных реакций, укажите окислитель и восстановитель, а также составьте схемы перехода электронов от восстановителя к окислителю:
а) CaO + CO2 = CaCO3;
б) 3H2 + N2 = 2NH3;
в) 2SO2 + O2 = 2SO3.
9. Рассчитайте массу воды, образующейся при взрыве смеси водорода массой 2 г и кислорода массой 12 г.
§ 2. Простые вещества неметаллы
Химические элементы неметаллы образуют простые вещества молекулярного строения (например, O2, N2, S8, благородные газы) и немолекулярного строения (например, углерод в виде алмаза и графита).
Простые вещества неметаллы характеризуются большим разнообразием как физических, так и химических свойств.
Физические свойства
Вы уже знаете, что при обычных условиях кислород и водород — газообразные вещества, состоящие из двухатомных молекул О2 и Н2. Газообразными веществами являются также азот N2, фтор F2 и хлор Cl2. Простые вещества элементов VIIIA-группы состоят из одноатомных молекул и тоже представляют собой газы: He, Ne, Ar и др.
Единственной жидкостью при обычных условиях среди простых веществ неметаллов является бром Br2 (рис. 6). Все остальные неметаллы — твердые вещества, существующие в виде атомных кристаллов (бор B, кремний Si) или в виде молекулярных кристаллов (иод I2 (рис. 7), фосфор P4, сера S8).
Многие неметаллы обладают характерной для них окраской: графит — серо-черной, бром — красно-бурой, сера — желтой, хлор — желто-зеленой, иод — фиолетово-черной и т. д.
В широком интервале изменяются и другие физические свойства неметаллов. Так, температура плавления графита составляет 3850 °С, а у гелия она равна —272 °С. Высокие температуры плавления характерны для простых веществ, существующих в виде атомных кристаллов (C, Si), а низкие — для веществ, существующих в твердом состоянии в виде молекулярных кристаллов (O2, N2).
Плотность газообразных неметаллов различна: от самой маленькой (0,09 г/дм3) у водорода Н2 до 9,73 г/дм3 у радона Rn.
Й Радиоактивный газ радон Rn используют в медицинской практике для лечения опорно-двигательного аппарата, сердечных и нервных заболеваний. Применение такого газа, естественно, происходит при жестком контроле со стороны медицинского персонала. В то же время в популярной и экологической литературе часто упоминается «радоновая проблема». Она связана с достаточно высоким уровнем облучения, которое человек рискует получить от радона, выделяющегося через разломы земной коры.
Твердые неметаллы также достаточно сильно различаются по плотности: от самого легкого фосфора P (1,82 г/см3) до самого тяжелого теллура Te (6,24 г/см3). Обратите внимание на то, что плотность газов обычно выражается в граммах на кубический дециметр (г/дм3), в то время как плотность твердых веществ — в граммах на кубический сантиметр (г/см3).
Различаются неметаллы и по электропроводности: большинство из них — изоляторы. Простое вещество углерода — графит — является хорошим проводником электрического тока. Кремний Si, селен Se и теллур Te обладают полупроводниковыми свойствами.
Аллотропия
Химический элемент кислород в природе существует в виде двух простых веществ — кислорода O2 и озона O3. Разный состав, а следовательно и разное строение молекул обусловливают и различные свойства этих веществ. Например, кислород O2 — газ без цвета и запаха, а озон O3 — газ светло-голубого
цвета с резким характерным запахом. Они различаются также температурами плавления и кипения, реакционной способностью.
В природе озон образуется при грозовых разрядах и при окислении смолы хвойных деревьев. Большая часть озона находится в верхних слоях атмосферы, образуя озоновый слой, который защищает живые организмы на Земле от губительного жесткого ультрафиолетового излучения Солнца (рис. 8).
Й Небольшие количества озона в воздухе оказывают целебное действие на людей с заболеваниями легких. Однако сильное обогащение воздуха озоном может стать опасным для здоровья: увеличение содержания озона в воздухе выше предельно допустимой концентрации приводит к появлению головных болей, раздражению дыхательных путей и глаз, а затем к ослаблению сердечной деятельности. Источниками озона являются работающие приборы, в которых происходит высоковольтный электрический разряд — копировальные установки (ксероксы) и лазерные принтеры, а также источники ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Поэтому помещения, в которых находятся такие приборы, необходимо часто проветривать.
Химический элемент углерод в природе существует преимущественно в виде двух простых веществ — алмаза и графита. Эти простые вещества отличаются строением своих кристаллических решеток и, как следствие этого, свойствами. Графит (рис. 9) — мягкое серо-черное вещество, а алмаз — прозрачный кристалл, самое твердое природное вещество (рис. 10). Графит, как вам уже известно, хорошо проводит электрический ток, а алмаз является изолятором.
Рис. 8. Схема разрушения озонового слоя Земли
Многие элементы существуют в виде нескольких простых веществ, например сера S, фосфор P и др. Всего на 118 химических элементов приходится более 400 простых веществ.
Существование элементов в виде нескольких простых веществ называется аллотропией (от греч. аллотропия — другое свойство), а сами такие простые вещества — аллотропными модификациями.
Химические свойства
Простые вещества неметаллы существенно различаются между собой по химической активности. Наибольшую химическую активность проявляют галогены и кислород. Сера, фосфор, а особенно углерод и кремний вступают в химические реакции, как правило, только при повышенных температурах. Большинство реакций неметаллов относится к окислительно-восстановительным реакциям.

Химия. 9 класс. Шиманович И.Е., Василевская Е.И. и др.