Лекция Металлы и неметаллы

Металлы и неметаллы.

Основные термины и понятия темы.

1. Металлы - (лат. metallum от др.-греч. metallon — шахта, рудник) — группа химических элементов, обладающих в виде простых веществ при нормальных условиях характерными металлическими свойствами, такими как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность, ковкость и характерный металлический блеск.

2. Электрохимический ряд активности металлов (ряд напряжений, ряд (вытеснения) Бекетова, ряд стандартных электродных потенциалов) — последовательность, в которой металлы расположены в порядке увеличения их стандартных электрохимических потенциалов E⁰, отвечающих полуреакции восстановления катиона металла: Meⁿ⁺: Meⁿ⁺ + nē → Me⁰. Ряд напряжений характеризует сравнительную активность металлов в окислительно-восстановительных реакциях в водных растворах.

3. Неметаллы - это химические элементы, которые образуют в свободном состоянии простые вещества, не обладающие физическими и химическими свойствам металлов.

МЕТАЛЛЫ.

  Из известных к настоящему времени 118 элементов к металлам и металлоидам относятся 96 элементов, тогда как к неметаллам относят всего 22 элемента.

  Нахождение в природе.

  Большая часть металлов присутствует в природе в виде руд и соединений. Они образуют оксиды, сульфиды, карбонаты и другие химические соединения. Для получения чистых металлов и дальнейшего их применения необходимо выделить их из руд и провести очистку. При необходимости проводят легирование и другую обработку металлов. Изучением этого занимается наука металлургия. Металлургия различает руды чёрных металлов (на основе железа) и цветных (в их состав не входит железо, всего около 70 химических элементов). Золото, серебро и платина относятся также к драгоценным (благородным) металлам. Кроме того, в малых количествах они присутствуют в морской воде и в живых организмах (играя при этом важную роль).

  Известно, что организм человека на 3 % состоит из металлов. Больше всего в организме кальция (в костях) и натрия, выступающего в роли электролита в межклеточной жидкости и цитоплазме. Магний накапливается в мышцах и нервной системе, медь - в печени, железо - в крови.

  Основные физические свойства металлов.

• Твердость.  Все металлы (кроме ртути) при нормальных условиях находятся в твёрдом состоянии, однако обладают различной твёрдостью.

• Температура плавления. Температуры плавления чистых металлов лежат в диапазоне от −39°C (ртуть) до 3410°C (вольфрам). Температура плавления большинства металлов (за исключением щелочных) высока, однако некоторые металлы, например, олово и свинец, могут расплавиться на обычной электрической или газовой плите.

• Плотность. В зависимости от плотности, металлы делят на лёгкие (плотность 0,53 ÷ 5 г/см³) и тяжёлые (5 ÷ 22,5 г/см³). Самым лёгким металлом является литий (плотность 0,53 г/см³). Самый тяжёлый металл в настоящее время назвать невозможно, так как плотности осмия и иридия - двух самых тяжёлых металлов -  почти равны (около 22,6 г/см³ - ровно в два раза выше плотности свинца), а вычислить их точную плотность крайне сложно: для этого нужно полностью очистить металлы, ведь любые примеси снижают их плотность. 

• Пластичность. Большинство металлов пластичны, то есть металлическую проволоку можно согнуть, и она не сломается. Это происходит из-за смещения слоёв атомов металлов без разрыва связи между ними. Самыми пластичными являются золото, серебро и медь. Из золота можно изготовить фольгу толщиной 0,003 мм, которую используют для золочения изделий. Однако не все металлы пластичны. Проволока из цинка или олова хрустит при сгибании; марганец и висмут при деформации вообще почти не сгибаются, а сразу ломаются. Пластичность зависит и от чистоты металла; так, очень чистый хром весьма пластичен, но, загрязнённый даже незначительными примесями, становится хрупким и более твёрдым. Некоторые металлы, такие, как золото, серебро, свинец, алюминий, осмий, могут срастаться между собой, но на это могут уйти десятки лет.

• Электропроводность. Все металлы хорошо проводят электрический ток; это обусловлено наличием в     их    кристаллических    решётках    подвижных электронов, перемещающихся под действием электрического поля. Серебро, медь и алюминий имеют наибольшую электропроводность; по этой причине последние два металла чаще всего используют в качестве материала для проводов. Очень высокую электропроводность имеет также натрий, в экспериментальной аппаратуре известны попытки применения натриевых токопроводов в форме тонкостенных труб из нержавеющей стали, заполненных натрием. Благодаря малому удельному весу натрия, при равном сопротивлении натриевые «провода» получаются значительно легче медных и даже несколько легче алюминиевых. 

• Теплопроводность. Высокая теплопроводность металлов также зависит от подвижности свободных электронов. Поэтому ряд теплопроводностей похож на ряд электропроводностей, и лучшим проводником тепла, как и электричества, является серебро. Натрий также находит применение как хороший проводник тепла; широко известно, например, применение натрия в клапанах автомобильных двигателей для улучшения их охлаждения. Наименьшая теплопроводность — у висмута и ртути. 

• Цвет. Цвет у большинства металлов примерно одинаковый — светло-серый с голубоватым оттенком. Золото, медь и цезий соответственно жёлтого, красного и светло-жёлтого цвета.

Классификация металлов.

  Металлы делятся на две группы:

  Черные – металлы, которые имеют темно-серый цвет, большую плотность (кроме щелочноземельных), высокую температуру плавления, относительно высокую твердость и во многих случаях обладают полиморфизмом. Наиболее типичным металлом этой группы является железо.

  Цветные – металлы, которые чаще всего имеют характерную окраску: красную, желтую, белую. Обладают большой пластичностью, малой твердостью, относительно низкой температурой плавления, для них характерно отсутствие полиморфизма. Наиболее типичным металлом этой группы является медь.

Классификация черных металлов.

Черные металлы можно подразделить следующим образом:

  Железные металлы – железо, кобальт, никель (так называемые ферромагнетики) и близкий к ним по свойствам марганец. Кобальт, никель и марганец часто применяют как добавки к сплавам железа, а также в качестве основы для соответствующих сплавов, похожих по своим свойствам на высоколегированные стали.

  Тугоплавкие металлы, температура плавления которых выше, чем железа (т.е. 1539 °С). Применяют как добавки к легированным сталям, а также в качестве основы для соответствующих сплавов.

  Урановые металлы – актиниды, имеющие преимущественное применение в сплавах для атомной энергетики.

  Редкоземельные металлы (РЗМ) – лантан, церий, неодим, празеодим и др., объединяемые под названием лантаноидов и сходные с ними по свойствам иттрий и скандий. Эти металлы обладают весьма близкими химическими свойствами, но довольно различными физическими (температура плавления и др.). Их применяют как присадки к сплавам других элементов. В природных условиях они встречаются вместе и вследствие трудностей разделения на отдельные элементы для присадки обычно применяют «смешанный сплав», так называемый мишметалл, содержащий 40-45% Се и 45-50% всех других редкоземельных элементов. К таким смешанным сплавам РЗМ относят ферроцерий (сплав церия и железа с заметными количествами других РЗМ), дидим (сплав неодима и празеодима преимущественно) и др.

  Щелочноземельные металлы в свободном металлическом состоянии не применяются, за исключением особых случаев.

Классификация цветных металлов.

  Цветные металлы по разным признакам делятся на подгруппы:

  Легкие металлы, имеющие плотность до 5000 кг/м³ (литий, натрий, магний, калий, алюминий и др.).

  Тяжелые металлы, имеющие плотность более 5000 кг/м³ (цинк, медь, олово, свинец, серебро, золото и др.).

  Легкоплавкие металлы – цинк, кадмий, ртуть, олово, свинец, висмут, таллий, сурьма и элементы с ослабленными металлическими свойствами – галлий, германий.

  Тугоплавкие металлы, температура плавления которых выше, чем у железа (ниобий, молибден, вольфрам и др.).

  Благородные металлы – серебро, золото, металлы платиновой группы (платина, палладий, иридий, родий, осмий, рутений). К ним может быть отнесена и «полублагородная» медь. Обладают высокой устойчивостью против коррозии.

  По строению электронных оболочек металлы принято разделять на нормальные и переходные. У нормальных металлов внутренние электронные оболочки (уровни) полностью заполнены. К таким металлам относят Na, Cu, Mg, Al, Pb и др. У переходных металлов внутренние p и d оболочки не заполнены. Наиболее характерные представители переходных металлов Fe, Pd, Pt и им подобные.

Химические свойства металлов.

Взаимодействие с простыми веществами

  На внешнем электронном уровне у большинства металлов небольшое количество электронов (1-3), поэтому они в большинстве реакций выступают как восстановители (то есть «отдают» свои электроны).

Реакции с простыми веществами.

 С кислородом реагируют все металлы, кроме золота и платиновых металлов. Реакция с серебром происходит при высоких температурах, но оксид серебра(II) практически не образуется, так как он термически неустойчив. В зависимости от металла на выходе могут оказаться оксиды, пероксиды, надпероксиды:

4Li + O₂ = 2L i₂O оксид лития;

2Na + O₂ = Na ₂O₂ пероксид натрия;

K + O₂ = KO₂ надпероксид калия.

  С азотом реагируют только самые активные металлы, при комнатной температуре взаимодействует только литий, образуя нитриды:

При нагревании:

Электрохимический ряд напряжений металлов.

Сплавы.

  Сплав — макроскопически однородный металлический материал, состоящий из смеси двух или большего числа химических элементов с преобладанием металлических компонентов.

  Металлы и их сплавы широко применяются для изготовления инструментов (их рабочей части). В основном, это инструментальные стали и твёрдые сплавы. В качестве инструментальных материалов применяются также алмаз, нитрид бора, керамика.

  Широкое применение среди всевозможных сплавов нашли различные стали, чугун, сплавы на основе меди, свинца, алюминия, магния, а также легкие сплавы.

  Стали и чугуны – сплавы железа с углеродом, причем содержание углерода в стали до 2%, а в чугуне 2…4%. Стали и чугуны содержат легирующие добавки: стали – Cr, V, Ni, а чугун – Si.

Выделяют различные типы сталей.

  По назначению: конструкционные, нержавеющие, инструментальные, жаропрочные и криогенные стали.

  По     химическому     составу: углеродистые (низко-,     средне-     и высокоуглеродистые) и легированные (низко-, средне- и высоколегированные).

  В зависимости от структуры: аустенитные, ферритные, мартенситные, перлитные и бейнитные стали.

  Сплавы на основе меди называют латунями, в качестве добавок они содержат от 5 до 45% цинка. Латунь с содержанием от 5 до 20% цинка называется красной (томпаком), а с содержанием 20…36% Zn – желтой (альфа-латунью).

  Среди сплавов на основе свинца выделяют двухкомпонентные (сплавы свинца с оловом или сурьмой) и четырехкомпонентные сплавы (сплавы свинца с кадмием, оловом и висмутом, сплавы свинца с оловом, сурьмой и мышьяком), причем (характерно для двухкомпонентных сплавов) при различном содержании одинаковых компонентов получают разные сплавы.

  Сплавы на основе алюминия двухкомпонентные – Al-Si, Al-Mg, Al-Cu. Эти сплавы легко получать и обрабатывать. Они обладают электро- и теплопроводностью, немагнитны, безвредны в контакте с пищевыми, взрывобезопасны.

НЕМЕТАЛЛЫ.

Общая характеристика неметаллов.

  Все элементы периодической системы элементов Д.И. Менделеева условно делят на металлы и неметаллы. К неметаллам относят 22 элемента (около 20% от всех элементов), из них s-элементы: водород Н и гелий Не, остальные - р-элементы главных подгрупп: 5 элементов VIII А-подгруппы благородные (инертные) газы - неон Ne, аргон Ar, криптон Kr, ксенон Хе, радон Rn; 5 элементов VII А-подгруппы - фтор F, хлор Cl, бром Br, йод I, астат At; 4 элемента VI А-подгруппы - кислород О, сера S, селен Se, теллур Те; 3 элемента V А-подгруппы - азот N, фосфор Р, мышьяк As; 2 элемента IV A- подгруппы - углерод С, кремний Si, 1 элемент III А- подгруппы - бор В.

  Выделение неметаллов в отдельный класс связано с их резко отличительными свойствами. Для неметаллов нехарактерны типичные свойства металлов: электропроводность, теплопроводность, ковкость, блеск.

  Такие неметаллы как О, Н, С, N - органогены, составляют основу жизни на Земле, они заслуживают особого положения среди других элементов и глубокого изучения как во взаимосвязи друг с другом при сравнительной характеристике, так и с учетом специфических особенностей каждого из них.

Положение неметаллов в периодической системе элементов Д.И. Менделеева.

  Неметаллы занимают верхний правый угол периодической системы элементов (ПСЭ), при этом в вершине этого угла находится фтор - самый активный неметалл, а граница неметаллов проходит по диагонали через всю периодическую систему «бор-астат». Такое положение неметаллов в ПСЭ неслучайно.

Положение элементов-неметаллов в периодической системе химических элементов.

  Граница между неметаллами и металлами в виде диагонали - это результат совместного действия на электроотрицательность элемента двух факторов: размера атома и количества электронов в последнем наружном слое. Чем меньше размер атома, тем более эффективной является электростатическая сила притяжения электронов к ядру и больше величина электроотрицательности.

  Электроотрицательность - это основная характеристика, являющаяся условным критерием неметаллических свойств атомов элементов. Это способность присоединять электрон для завершения электронной оболочки до устойчивой конфигурации ns² nр⁶.

  Сравнивая для каждого элемента обе эти тенденции, ученые относят к неметаллам электроотрицательные элементы, которые легче принимают электроны, чем отдают их. Им не характерна та легкость, с какой металлы освобождаются от наружных электронов, являясь, хорошими проводниками электричества и тепла. Поэтому переход от металлов к неметаллам происходит не резко, и неметаллы проявляют разную активность.

  Валентными у неметаллов являются электроны внешнего уровня р-подуровня, кроме водорода с s- подуровнем. Общее число валентных электронов соответствует номеру группы, в которой расположен элемент. Таким образом, неметаллы в элементарном состоянии находятся в промежуточной степени окисления; поэтому они проявляют как окислительные (способность присоединять электроны), так и восстановительные (способность отдавать электроны) свойства (кроме F и O), а, следовательно, как отрицательные, так и положительные степени окисления. Максимальная положительная степень окисления их соответствует номеру группы (за исключением кислорода О и фтора F, для которых положительная степень окисления не характерна). Отрицательная минимальная степень окисления определяется по разности (8 N), где N номер группы, в которой расположен элемент.

 Все химические свойства атомов связаны с их наружными электронными оболочками. Наиболее устойчивыми являются оболочки, состоящие из восьми или двух электронов. Движущей силой химических реакций между атомами служит стремление каждого из них к созданию устойчивого наружного слоя. Сделать это атом может двумя способами: или отдать электрон с неустойчивой внешней оболочки (с количеством е

Физические свойства неметаллов.

  Неметаллы образуют простые вещества, которые при обычных условиях существуют в различных агрегатных состояниях:

• газы: 

- одноатомные: гелий He, неон Ne, аргон Ar, криптон Kr, ксенон Xe, радон Rn,

- двухатомные молекулы: азот N₂, фтор F₂, хлор Cl₂, водород Н₂, кислород О_2.

• жидкие и твердые вещества: бром Br₂, иод I₂, углерод С, фосфор Р₄, кремний Si, сера S₈ и др.

  7 элементов - неметаллов из указанных выше образуют простые вещества, существующие в виде двухатомных молекул Э₂.

  Кристаллические решетки металлов и твердых неметаллов отличаются между собой. Атомы металлов за счет характерной для них металлической связи образуют плотноупакованную кристаллическую структуру. Атомы неметаллов образуют менее плотно упакованную структуру, что связано со спецификой их ковалентных связей. В кристаллической решетке неметаллов, как правило, нет свободных электронов. В связи с этим твердые неметаллы, в отличие от металлов, плохо проводят тепло и электричество, не обладают пластичностью.

  Для большинства неметаллов характерно молекулярное строение - F₂, O₂, Cl₂, Br₂, N₂, I₂, S₈. В твердом состоянии для этих неметаллов характерны молекулярные кристаллические решетки. При обычных условиях это газы, жидкости или твердые вещества с низкими температурами плавления.

  Некоторые неметаллы имеют немолекулярное строение и атомные кристаллические решетки, поэтому они обладают большой твердостью и очень высокими температурами плавления.

Химические свойства неметаллов.

1. Неметаллы как окислители.

  Окислительные свойства неметаллов проявляются, в первую очередь, при взаимодействии с металлами.

Взаимодействие неметаллов с металлами.

  Все неметаллы играют роль окислителя при взаимодействии с водородом.

  Любой неметалл выступает в роли окислителя в реакциях с теми неметаллами, которые имеют более низкую ЭО. Например:

2P + 5S = P₂S₅

  В этой реакции сера - окислитель, а фосфор - восстановитель, так как ЭО фосфора меньше ЭО серы.

  Окислительные свойства неметаллов проявляются в реакциях с некоторыми сложными веществами. Это особенно характерно для кислорода:

2О₂+ CH₄ = CO₂↑+ 2H₂O

5O₂+ 4NH₃ = 4NO↑ + 6H₂O

  Фтор, хлор, бром и др. также могут играть роль окислителя в реакциях со сложными веществами. Например, сильный окислитель Cl₂ окисляет хлорид железа (II) в хлорид железа (III):

Cl₂+ 2FeCl₂ = 2FeCl₃

  На разной окислительной активности основана способность одних неметаллов вытеснять другие из растворов их солей. Например, бром, как более сильный окислитель, вытесняет йод из раствора иодида калия:

Br₂+ 2KI = 2KBr + I₂

Неметаллы как восстановители.

 В роли восстановителей неметаллы отдают электроны атомам элементов окислителей. В образующихся соединениях атомы неметаллов имеют положительные степени окисления. Высшая положительная степень окисления неметалла, как указывалось выше, обычно равна номеру группы.

2.1. Все неметаллы выступают в роли восстановителей при взаимодействии с кислородом, так как ЭО кислорода больше, чем у всех других неметаллов (кроме фтора):

4P + 5О₂ = 2P₂O₅

S + O₂ = SO₂↑

2.2. Многие неметаллы выступают в роли восстановителей в реакциях со сложными веществами - окислителями, в том числе:

с кислотами:

S +2HNO₃ = H₂SO₄ + 2NO↑

с солями:

6P + 5KClO₃ = 5KCl + 3P₂O₃

  Наиболее сильные восстановительные свойства имеют неметаллы углерод, кремний и водород: 

C + ZnO = Zn + CO↑

2C + SiO₂ = Si + 2CO↑

H₂ + CuO = Cu↓ + H₂O

  Таким образом, почти все неметаллы могут выступать как в роли окислителей, так и в роли восстановителей. Это зависит от того, с каким веществом взаимодействует неметалл.

Реакции самоокисления-самовосстановления.

 Существуют такие окислительно-восстановительные реакции, в которых один и тот же неметалл является одновременно и окислителем, и восстановителем. Это реакции диспропорционирования, например:

Краткая характеристика оксидов неметаллов и соответствующих им гидроксидов.

  Неметаллы, за исключением галогенов, с большей или меньшей легкостью соединяются с кислородом, образуя оксиды. Оксиды галогенов получают косвенным путем.

  По химическим свойствам оксиды неметаллов делят на 2 группы: солеобразующие (P₂O₅, SO₃, SO₂ и др.) и несолеобразующие (N₂O, NO, СО и др.). Солеобразующие оксиды неметаллов относятся к типу кислотных оксидов. Среди них есть газообразные вещества (СO₂, SO₂, NO₂), жидкие (SO₃, N₂O₃) и твердые (P₂O₅, SiO₂).

  Кислотные оксиды - это ангидриды кислот. Например, СО₂ - ангидрид угольной кислоты H₂CО₃, P₂O₅ - ангидрид фосфорной кислоты H₃PO₄.

  Все кислотные оксиды, кроме SiO₂, растворяются в воде, при этом образуются гидраты оксидов - гидроксиды, которые по своему характеру являются кислотами, например:

N₂O₃ + H₂O = 2HNO₃ - азотная кислота.

  Если неметалл образует две или более кислородсодержащие кислоты, то сила этих кислот увеличивается с увеличением степени окисления неметалла:

  Сила кислот определяется легкостью, с которой кислота в водном растворе диссоциирует. Поэтому кислота тем сильнее, чем прочнее связь центрального атома неметалла с кислородом и чем слабее связь атома водорода с кислородом. Увеличение заряда центрального атома неметалла и уменьшение его радиуса способствует увеличению силы кислоты. Так, кремниевая кислота - слабая, фосфорная - средней силы, серная - сильная, хлорная - очень сильная кислота. В то же время известно, что угольная кислота сильнее кремниевой, а азотная сильнее фосфорной, что может быть представлено схемой:

H₂CO₃, HNO₃, H₂SiO₃, H₃PO₄, H₂SO₄, HClO₄.

увеличение силы кислот.

  Оксиды неметаллов с низшими степенями окисления часто совсем не взаимодействуют с водой и поэтому называются несолеобразующими: CO, N₂O, NO, SiO.

  Отметим два особенных оксида. Один из них - соединение фтора с кислородом OF₂. Его получают, пропуская фтор через слабый раствор щелочи:

2F₂+ 2NaOH = 2NaF + H₂O + OF₂

  В этом соединении (и только в нем) кислород проявляет положительную степень окисления, так как электронные пары, связывающие атомы фтора с кислородом, смещены к более электроотрицательному фтору.

  Другая интересная особенность характерна для оксида кремния (IV). В отличие от газообразной двуокиси углерода, своего ближайшего аналога, SiO₂ - вещество твердое, прочное, тугоплавкое (плавится лишь при 1713°C). Это объясняется особенным строением кристаллов двуокиси кремния. Каждый атом кремния в кристалле фактически связан не с двумя атомами кислорода, как в молекуле СО₂, а с четырьмя, что образует прочную структуру. По этой причине оксид кремния (IV) не растворяется в воде, а кремниевая кислота, соответствующая этому оксиду и получаемая косвенным путем, также состоит не из отдельных молекул H₂SiO₃, а частично сохраняет свойственную оксиду кремния (IV) сетчатую структуру. Поэтому кремниевая кислота, в отличие от других минеральных кислот, нерастворима в воде и не летуча.

Водородные соединения неметаллов.

  С водородом неметаллы образуют газообразные соединения, в которых проявляют минимальную степень окисления. Получают эти соединения прямым синтезом (а), если разность электроотрицательностей между атомами водорода и неметалла большая, и косвенным путем (б), если разность электроотрицательностей между атомами водорода и неметалла небольшая:

a) F₂ + H₂ = 2HF↑ фтороводород

    N₂ + 3H₂ = 2NH₃↑ аммиак

б) Mg₂Si + 4HCl = 2MgCl₂ + SiH₄↑ силан

    Ca₃P₂ + 6H₂O = 3Ca(OH)₂ + 2PH₃↑ фосфин

  Характерные водородные соединении я неметаллов представлены в виде таблицы по периодам и группам.

Водородные соединения неметаллов.

   Физические свойства гидридов в целом изменяются закономерно в пределах каждой группы: чем ниже стоит неметалл, тем выше температура кипения его гидрида и тем легче можно превратить газообразный гидрид в жидкость.

  Однако, поведение аммиака, воды и фтористого водорода нарушает общую логику: температура кипения и плавления этих соединений аномально высока.

  Важно отметить, что их молекулы ассоциированы и не отвечают их простейшей формуле. Так, даже в кипящем фтористом водороде (+20°С) средний состав его отвечает формуле (HF)₄ и лишь при 90°С пары состоят из молекул HF. Аналогично, хотя и в меньшей степени, ассоциированы молекулы жидкого аммиака. Вода в обычных условиях, кроме простейших молекул H₂О, содержит молекулы (H₂O)₂, (H₂O)₃.   Ассоциация молекул обусловлена водородными связями, возникающими между сильно полярными молекулами.

  В свойствах гидридов отчетливо проявляется периодичность. Рассмотрим гидриды неметаллов второго периода. Метан - вещество нейтрального характера, своеобразный «инертный» газ. Далее следует аммиак, способный присоединять ионы водорода и поэтому обладающий основными свойствами. Фтористый водород, как известно, кислота, а вода, в нашей таблице между аммиаком и фтористым водородом, в определенном смысле является амфотерным электролитом. В самом деле, в реакции с аммиаком вода ведет себя как кислота (отдает протон):

NH₃ + H₂O=NH₄⁺+ OH^-

  При взаимодействии же с фтористым водородом она связывает протон, т.е. ведет себя как основание: 

H₂O + HF=H₃O⁺ + F^-

  Чем ниже стоит гидрид в таблице, тем слабее становятся его основные свойства, если измерять их способностью реагировать с кислотами. Действительно, широко известны соли аммония, образующиеся из аммиака и кислот. Гидрид фосфора РН₃, который способен присоединять протон, давая ион фосфония РН₄, образует лишь несколько устойчивых солей с самыми сильными кислотами, например, PH₄ ⁺CIO₄^-.

  Кислотные же свойства гидридов, наоборот, увеличиваются сверху вниз. Так, кислотные свойства у сероводорода выше, чем у воды, а из галогеноводородных кислот самая слабая фтористоводородная.

Химические свойства водородных соединений неметаллов.

1. В окислительно-восстановительных реакциях водородные соединения неметаллов проявляют ярко выраженные восстановительные свойства, которые обусловлены неметаллом в минимальной степени окисления. Например:

CH₄ +2О₂ = CO₂↑+ 2H₂O

MnO₂ + 4HCl = MnCl₂ + Cl₂↑ + 2H₂O

K₂Cr₂O₃ + 3H₂S + 4H₂SO₄=3S + Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + 7H₂O

  Восстановительные свойства данных соединений усиливаются в периодах справа налево, в группах - сверху вниз (SiH4 - наиболее активный восстановитель, самовоспламеняется на воздухе).

  Это объясняется тем, что в периодах уменьшаются радиусы и увеличиваются электроотрицательности атомов неметаллов. Это приводит к усилению притяжения ядер их атомов к водороду, уменьшению длины и увеличению прочности их химической связи, и, как следствие, повышению устойчивости водородных соединений и понижению их восстановительной способности. Например, НCl более устойчив, но менее активный восстановитель, чем H2S. В подгруппах сверху вниз увеличиваются радиусы и уменьшаются электроотрицательности атомов неметаллов. Это вызывает ослабление притяжения ядер их атомов к водороду, увеличение длины и ослабление их химической связи, и, как следствие - понижение устойчивости водородных соединений и повышение их восстановительной способности. Например, НCI более устойчив, но менее активный восстановитель, чем HI. Следовательно, HF - самое устойчивое и наименее реакционноспособное соединение.

2. Водородные соединения неметаллов VI и VII групп могут выступать и в роли окислителей за счет водорода в максимальной степени окисления +1:

2H₂O + 2K = 2KOH + H₂↑

2HCl + Mg = MgCl₂ + H₂↑

3. Водородные соединения неметаллов вступают в реакции, протекающие без изменения степени окисления:

H₂S + CuSO₄ = CuS↓ + H₂SO₄

HCl + PH₃ = PH₄Cl

H₂O + CaO = Ca(OH)₂

Влияние особых условий на свойства соединений неметаллов.

  Важно знать, что особые условия (концентрация, температура, давление), в которых находятся обычные химические соединения, часто вызывают их необычность свойств, так называемые парадоксы. Рассмотрим примеры парадоксов в группе неметаллов.

  Ни у кого не вызовет удивления бесспорное утверждение, что кислота реагирует с основаниями. Но иногда кислоты способны в определенных условиях вступать в реакции между собой. Так, концентрированная азотная кислота в смеси с серной кислотой отщепляет уже не ионы водорода (точнее, не ионы гидроксония H₃О⁺), а гидроксильную группу:

HONO₂ + 2H₂SO₄ = NO₂^-+ H₃O⁺+ 2H₂SO₄ 

Известна и такая реакция:

2HNO₃ + 6HF=2NO+ 3F₂ + 4H₂O

Выходит, что в этих случаях азотная кислота ведет себя как основание.

«Отменяет» ли это наши прежние представления о кислотах? Конечно, нет!

  Мы не случайно выделили слово концентрированная кислота. В ней нет или почти нет воды, а это имеет решающее значение, потому что все наши школьные знания о кислотах и основаниях относятся к водным растворам. Стоит нам изменить это условие, и многие привычные представления меняются и требуют уточнения.

  Вот еще один «парадокс». В обычных условиях для аммиака характерны основные свойства. Но при изучении свойств жидкого аммиака (при -33,4°С) оказалось, что его водород может замещаться металлом с образованием амидов:

2NH₃ + 2Na = 2NaNH₂ + H₂↑

  Удивительно, что эта же реакция происходит и при высоких температурах (+350°С). Вот и получается, что аммиак может вести себя в реакциях с металлами … как кислота! И хотя условия реакции с металлами несколько различны, аммиак, вода и фтористый водород в этой реакции очень сходны:

2Na + 2NH₃ = 2NaNH₂ + H₂↑

2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂↑

2Na + 2HF = 2NaF + H₂↑

  Такое же сходство обнаруживается и при сравнении основных свойств этих гидридов:

NH₃ + HClO₄ = (NH₄) ClO₄

H₂O + HCIO₄ = (H₃O)ClO₄

HF + HClO₄ = (H₂F)ClO₄

  Как это ни парадоксально, фтористый водород здесь выступает в роли основания, т.е. связывает протон. Последняя реакция исключительна, потому что возможна с сильнейшей из минеральных кислот – хлорной.

Список использованной литературы.

1. Александрова Э. А., Сидорова И. И. Химия неметаллов. Издательство Юрайт 2016 г.

2. Горковенко М. Ю. Поурочные разработки по химии. Издательство Вако 2013 г.

11