НЕМЕТАЛИ І ЇХНІ ВЛАСТИВОСТІ
• Загальні властивості неметалів
• Гідроген
Неметалеві елементи — це ряд р-елементів VII, VI, V, IV груп, Бор — елемент III групи та Гідроген — s-елемент І групи періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва. Атоми неметалевих елементів мають на зовнішньому енергетичному рівні чотири електрони і більше (у Гідрогену — один, у Бору — три). Неметалеві елементи утворюють прості речовини — неметали.
1. Неметали є окисниками. Найсильнішим окисником є Флюор. З типовими металами неметали утворюють сполуки з іонним зв'язком, а з неметалами — сполуки з ковалентним зв'язком. Оксиди і гідроксиди неметалевих елементів виявляють кислотні властивості. Що вище позитивний ступінь окиснення атома, то сильніше виявляються кислотні властивості його оксиду або гідроксиду. Так, сульфатна кислота Н2SO4 сильніше, ніж сульфітна кислота Н2SO3. З Гідрогеном неметали утворюють леткі сполуки: НF, Н2S, NH3, СН4.
2. При звичайних умовах неметали водень, фтор, хлор, кисень, азот — це газоподібні речовини, бром — рідина, а інші — тверді речовини. Активні неметалеві елементи зустрічаються в природі у вигляді сполук (NаСl, N2, Са3(РO4)2 тощо). Менш активні зустрічаються й у вільному стані (С, S тощо). Одержують неметали електролізом розчинів і розплавів сполук, а також окисненням більш активними окисниками.
Гідроген
Гідроген — s-елемент. Атом Гідрогену має електронну формулу 1s1. При одних умовах атом Гідрогену виявляє металеві властивості (виконує роль відновника — віддає електрон), при інших — неметалеві (виконує роль окисника — приймає електрон). За властивостями він більш подібний до р-елементів сьомої групи, ніж до s-елементів першої групи. Через це Гідроген умовно розташовують і в сьомій групі періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва. Елемент Гідроген утворює просту речовину водень — неметал, молекула якого двохатомна Н2.
1. Перебування в природі. Гідроген зустрічається в сполуках: у воді, органічних речовинах. Вміст Гідрогену в земній корі становить 0,15% її маси. У природі Гідроген зустрічається у вигляді двох ізотопів — протію 11Н (99,98%) і дейтерію 12Н (0,02%). Через це звичайна вода містить невелику кількість важкої води. Третій ізотоп водню — тритій 13Н — радіоактивний. Його період напіврозпаду становить 12,5 років.
2. Одержання водню. Гідроген у лабораторії можна одержати:
1) взаємодією активного металу з розчинами мінеральних кислот:
Zn + Н2SO4 = Н2↑ + ZnSO4;
2) взаємодією з лугами металів, що утворюють амфотерні гідроксиди:
2А1 + 2NаОН + + 6Н2O = 2Nа[А1(ОН)4] + 3Н2↑;
3) електролізом води.
У промисловості водень одержують:
1) відновленням водяної пари металами або коксом при високій температурі:
3Fе + 4Н2O = Fe3O4 + 4Н2↑,
С + Н2O = СО↑ + Н2↑;
2) електролізом водних розчинів хлоридів активних металів;
3) конверсією (перетворенням) метану СН4 з водяною парою:
СН4↑ + 2Н2O = СO2↑ + 4Н2↑
Реакція проходить у присутності нікелевого каталізатора при 1300°С. Цей метод дає змогу використовувати природні гази й одержувати найдешевший водень.
3. Фізичні властивості водню. Водень — це найлегший газ без кольору, смаку і запаху, легше повітря в 14,5 рази. Малорозчинний у воді (в1л води при 20 °С розчиняється 18 мл водню). При температурі -253 °С переходить у рідкий стан, а при -259 °Ствердне.
4. Хімічні властивості.
4.1. Атом Гідрогену має один електрон. Позитивний іон Н+ — це протон. Гідроген у сполуках може виявляти ступені окиснення +1 і -1: Н0 - e = Н+ - 1317 кДж, Н0 + e = Н- + 66,9 кДж. Атомарний водень активніше молекулярного. Утворювання молекули водню є екзотермічною реакцією: Н(г) + Н(г) = Н2(г) + 436кДж.
4.2. Водень горить у кисні з виділенням великої кількості
теплоти. Температура воднево-кисневого полум'я сягає 3000°C.
Суміш двох об'ємів водню й одного об'єму кисню вибухонебезпечна і називається гримучим газом. При горінні водню в кисні
як і при вибуху гримучої суміші, утворюється вода:
2Н2↑+О2↑= 2Н2O.
4.3. З багатьма неметалами водень утворює газоподібні
сполуки типу ЕН4, ЕН3, ЕН2, ЕН. При нагріванні водень взаємодіє з лугами і лужноземельними металами, утворюючи білі
тверді речовини — гідриди металів (LiН, NаН, КН, СаН2 та ін.).
У цих сполуках метал має позитивний ступінь окиснення,
Гідроген — негативний. Гідриди активних металів є солями.
Вони піддаються повному гідролізу: КН + Н2O = КОН + Н2↑.
Пальник, що працює на атомарному водні, створює температуру вище 4000° С. Висока температура зумовлена перебігом екзотермічної реакції утворювання молекули водню з атомів.
4.4. Водень виявляє відновлювальні й окисні властивості. При нагріванні водень відновлює багато металів з їхніх оксидів:
СuО + Н2↑ = Сu+ Н2O. У цій реакції водень відновник, віддає один електрон (молекула водню — два електрони): Н02 — 2е = 2Н+, Сu2+ + 2е = Сu0. При утворюванні гідридів металів водень виконує роль окисника. Аніон Н- активний відновник. Гідриди використовують як сильні відновники, а також для одержання водню.
5. Застосування. Водень використовують для промислового одержання деяких металів (германію, галію, цирконію, вольфраму, гафнію) з їхніх оксидів, аміаку NH3, хлоридної кислоти НС1, метилового спирту СН3ОН і багатьох інших речовин. Застосовують водень для одержання високих температур, киснево-водневим полум'ям ріжуть і зварюють метали. Дейтерій і тритій застосовують в атомній енергетиці.