Металлы и неметаллы их классификация

Обновлено: 07.07.2024

В неорганической химии вещества по составу делятся на простые и сложные.

состоят из атомов одного химического элемента: сера S, углерод С, железо Fe, серебро Ag;
подразделяют на металлы и неметаллы (включая благородные газы).

Сложные вещества — соединения:

состоят из атомов двух или более химических элементов: N a 2 O , H C l , C u S O 4 ;
подразделяют на: оксиды, основания, кислоты и соли.

Классификация простых веществ

1. Простые вещества условно делят на две группы: металлы и неметаллы.

Неметаллы в Периодической системе — это все элементы VIII А-группы (благородные газы) и VII А-группы (галогены), элементы VI А-группы (кроме полония), элементы V А-группы: азот, фосфор, мышьяк; углерод, кремний (IV А-группа); бор (III А-группа), а также водород. Остальные элементы относят к металлам.

Отличия свойств металлов и неметаллов приведены в таблице 1:

газообразные: водород H 2 , азот N 2 , фтор F 2 ;
жидкие: только бром B r 2 ;
твёрдые: кремний Si, бор B, мышьяк As.

Амфотерные элементы находятся в А-группах Периодической системы: бериллий Be, алюминий Al, галлий Ga, германий Ge, олово Sn, свинец Pb, сурьма Sb, висмут Bi, полоний Po и др., а также большинство элементов Б-групп: хром Cr, марганец Mn, железо Fe, цинк Zn, кадмий Cd, золото Au и др., проявляют и металлические (оснóвные для соединений), и неметаллические (кислотные для соединений) свойства.

Благородные (инертные) газы (VIII А-группа Периодической системы): гелий He, неон Ne, аргон Ar, криптон Kr, ксенон Xe и радиоактивный радон Rn:

обнаруживаются в воздухе, в малых количествах — в воде, горных породах, природных газах;
не имеют цвета, вкуса и запаха;
крайне химически инертны;
используются в источниках света для создания освещения различных цветов (Ne — огненно-красный, Xe— синевато-серый, тусклый, Ar — фиолетово-голубой и др).

2. Сложные соединения и их отличия от простых веществ.

Сложные вещества бывают органические, в основе которых лежит углерод, и неорганические (безуглеродные и некоторые углеродсодержащие соединения: карбиды, карбонаты, оксиды углерода и другие). Неорганические чаще всего подразделяют на оксиды, основания, кислоты и соли.

Главные отличия сложных неорганических веществ:

Свойства элементов, входящих в соединение, не сохраняются. Например, металл кальций Ca и неметалл хлор C l 2 . Каждому из этих простых веществ присущи свои характеристики. А соль C a C l 2 имеет новые, отличные от характеристик простых веществ, свойства, сходные со свойствами класса солей.
В ходе химических реакций сложное вещество может быть получено или разложено на составные части.
Количественный состав сложного соединения всегда одинаков, независимо от места нахождения и способа получения (для веществ молекулярного состава).

Классификация неорганических соединений и их основные свойства приведены в таблице 2.

газы: N O , C O 2
жидкости: H 2 O
твёрдые: C u O , S i O 2

газы: H 2 S , H C l
жидкости: H N O 3 , H 2 S O 4
твёрдые: H 3 P O 4 , H 3 B O 3

оксиды металлов (оснóвные): K 2 O , CaO;
оксиды неметаллов (кислотные): N 2 O 5 , S O 3 ;
амфотерные: ZnO, A l 2 O 3 .

оснóвные: LiOH, C a ( O H ) 2 ;
амфотерные: B e ( O H ) 2 , C r ( O H ) 3 .

кислородсодержащие: H 2 S O 4 , H N O 3 ;
бескислородные: H J , H 2 S .

средние: N a 3 ( P O 4 ) 2 , C a C l 2 ;
кислые: K H C O 3 , N a 2 H P O 4 ;
оснóвные: Mg(OH)Cl, C u 2 ( O H ) 2 C O 3 ;
комплексные: K 2 [ B e ( C O 3 ) 2 ] .

Классы и номенклатура неорганических веществ

Номенклатура — способ называния веществ.

Химическая формула — представление состава вещества с использованием символов химических элементов, числовых индексов и других знаков. Химическое название определяется составом вещества и изображается с помощью слова или группы слов. Названия строятся по номенклатурным правилам, с использованием русских названий элементов, кроме случаев, когда традиционно употребляются латинские корни (таблица 3):

Ag — аргент	C — карб, карбон	H — гидр, гидроген	N — нитр	Pb — плюмб,	Si — сил, силик, силиц
As — арс, арсен	Cu — купр	Hg — меркур	Ni — никкол	S — сульф	Sn -станн
Au — аур	Fe — ферр	Mn — манган	O — окс, оксиген	Sb — стиб
Например, оксид натрия N a 2 O , карбонат кальция C a C O 3 , перманганат калия K M n O 4

Названия простых веществ чаще всего совпадают с русскими названиями соответствующих химических элементов. По необходимости к ним добавляется числовая греческая приставка: моно — 1, ди (латинский) — 2, три — 3, тетра — 4, пента — 5, гекса — 6, гепта — 7, окта — 8, нона (латинский) — 9, дека — 10. Например, (моно) кальций Ca, (моно) медь Cu, дикислород O 2 , трикислород O 3 , тетрафосфор P 4 . Исключение: аллотропные модификации: углерода С — графит, сажа, алмаз; кислорода — озон O3.
Названия сложных веществ составляют по химической формуле справа налево. Для каждого класса веществ существуют свои правила составления формул и названий:

формула оксидов: ЭnOm, где n и m — числовые индексы, определяющиеся степенями окисления элементов. Например,

Li+1 и O-2→ L i 2 O ; Al+3 и O-2→ A l 2 O 3 ; N+5 и O-2→ N 2 O 5 .

Название оксида: слово «оксид» в именительном падеже + название элемента Э в родительном падеже: оксид лития L i 2 O , оксид алюминия A l 2 O 3 .

Если элемент образует несколько оксидов, то в конце добавляют степень окисления римскими цифрами, заключая их в скобки:

P 2 O 5 — пентаоксид (ди)фосфора или оксид фосфора (V), читается: «оксид фосфора пять»;
F e 2 O 3 — триоксид (ди)железа или оксид железа (III), читается: «оксид железа три».

Оксиды, которым соответствуют кислоты, также называют ангидридами: серный ангидрид S O 3 , азотный ангидрид N 2 O 5 и др.

формула оснований: Me+n(OH-)n, где нижний индекс n — количество гидроксид-анионов OH-.

K+1 и OH- → KOH, Mg+2 и OH- → M g ( O H ) 2 .

Название: слово «гидроксид» в именительном падеже + название элемента в родительном падеже: гидроксид калия, гидроксид магния.

Если элемент образует несколько гидроксидов, то в конце добавляют степень окисления римскими цифрами, заключая их в скобки:

F e ( O H ) 2 — гидроксид железа (II), C r ( O H ) 3 — гидроксид хрома (III).

формула кислот HnК, где K — кислотный остаток.

Названия бескислородных кислот: корень русского названия элемента, образующего кислоту + суффикс «о» + «-водородная кислота», например: HBr — бромоводородная кислота, HCl — хлороводородная кислота, H 2 S — сероводородная кислота.

Названия кислородсодержащих кислот: русское название образующего элемента + «кислота», с учетом правил:

Если элемент находится в высшей степени окисления, то окончание будет «-ная» или «-овая»: H 2 S O 4 — серная кислота, H 3 A s O 4 — мышьяковая кислота. Окончание меняется с понижением степени окисления в последовательности: «-оватая» ( H C l O 3 — хлорноватая кислота), «-истая» ( H C l O 2 — хлористая кислота), «-оватистая» (HClO— хлорноватистая кислота).
Если оксиду соответствует не одна кислота, то к названию кислоты с минимальным числом атомов кислорода, добавляется приставка «мета», а к названию кислоты с максимальным числом атомов кислорода — «орто», например, H P O 3 — метафосфорная кислота, H 3 P O 4 — ортофосфорная кислота.

Названия наиболее распространенных кислот и их остатков приведены в таблице 4:

Формула и название кислоты	Название кислотного остатка, образующего соль
H A l O 2 метаалюминиевая	метаалюминат
H 3 A l O 3 ортоалюминиевая	ортоалюминат
H A s O 3 метамышьяковая	метаарсенат
H 3 A s O 4 ортомышьяковая	ортоарсенат
H 3 B O 3 ортоборная	ортоборат
HBr бромоводородная	бромид
HBrO бромноватистая	гипобромит
H B r O 3 бромноватая	бромат
HCN циановодородная	цианид
H 2 C O 3 угольная	карбонат
HCl хлороводородная	хлорид
HClO хлорноватистая	гипохлорит
H C l O 2 хлористая	хлорит
H C l O 3 хлорноватая	хлорат
H C l O 4 хлорная	перхлорат
HF фтороводородная	фторид
HJ йодоводородная	йодид
H M n O 4 марганцовая	перманганат
H N O 2 азотистая	нитрит
H N O 3 азотная	нитрат
H P O 3 метафосфорная	метафосфат
H 3 P O 4 ортофосфорная	ортофосфат
H 2 S сероводородная	сульфид
H 2 S O 3 сернистая	сульфит
H 2 S O 4 серная	сульфат
H 2 S i O 3 метакремниевая	метасиликат
H 3 S i O 4 ортокремниевая	ортосиликат

Название образуется в зависимости от типа соли.

Средние соли — наименование кислотного остатка в именительном падеже + наименование катиона в родительном падеже, если необходимо, добавляется степень окисления: хлорид натрия NaCl, сульфат меди (II) C u S O 4 и т.д.
Кислые (только для многоосновных кислот) — приставка «гидро», при необходимости добавляется числовое значение (ди—, три—, тетра— и т.д.) + название кислотного остатка + название катиона: гидрокарбонат натрия N a H C O 3 , дигидроортофосфат бария B a ( H 2 P O 4 ) 2 .
Оснóвные — приставка «гидроксо» с числовым значением, если необходимо + название кислотного остатка + название катиона: гидроксохлорид магния MgOHCl, дигидроксохлорид железа (III) F e ( O H ) 2 C l .
Двойные — анион в именительном падеже + катионы через дефис в родительном падеже: ортофосфат аммония—магния N H 4 M g P O 4 метасиликат алюминия—лития L i A l ( S i O 3 ) 2 .
Смешанные — название анионов через дефис в именительном падеже + название катиона в родительном падеже: хлорид-гипохлорит кальция Ca(ClO)Cl; нитрат-йодат натрия N a 2 I O 3 ( N O 3 ) .
Комплексные — название катиона в именительном падеже + название аниона в родительном падеже: хлорид диамминсеребра (I) [ A g ( N H 3 ) 2 ] C l ; тетрагидроксоалюминат натрия N a [ A l ( O H ) 4 ] .

номенклатура бинарных соединений.

Бинарные соединения — сложные вещества, состоящие из двух элементов. В таких соединениях встречается два типа химической связи: ковалентная полярная (для неметаллов и некоторых амфотерных элементов) или ионная (для солей бескислородных кислот).

Названия строятся по схеме: к корню более электроотрицательного элемента добавляется окончание -ид (оксид, гидрид, карбид и т.д.) в именительном падеже + название второго элемента в родительном падеже, при необходимости добавляется числовое значение степени окисления: C S 2 — дисульфид углерода или сульфид углерода (IV), M n F 4 — тетрафторид марганца или фторид марганца (IV).

Для некоторых есть тривиальные названия: N H 3 — аммиак, S i Н 4 — силан, P H 3 — фосфин и др.

Строение и химические свойства

Простые вещества состоят из атомов одного химического элемента:

одноатомные: благородные газы — гелий He, неон Ne, аргон Ar, криптон Kr, ксенон Xe и радон Rn;
двухатомные: водород H 2 , кислород O 2 , азот N 2 и галогены: хлор C l 2 , йод J 2 , бром B r 2 ;
трех и более атомные: озон O 3 , белый фосфор P 4 , кристаллическая (ромбическая и моноклинная) сера S 8 .

Порядок соединения атомов при образовании из них веществ обусловливает особенности строения веществ. Различают вещества молекулярного и немолекулярного строения. Немолекулярное строение имеют все металлы и большинство их соединений, графит, красный фосфор, алмаз, кремний Si и др. Большинство неметаллов и их соединений состоят из молекул, т. е. имеют молекулярное строение.

Химические свойства металлов и неметаллов

1. Химические свойства металлов определяются способностью отдавать свободные электроны с внешнего уровня. Они являются восстановителями. Взаимодействие идет с:

неметаллами:
+кислород O 2 (кроме золота и металлов группы платины) → оксиды: 2 C a + O 2 → 2 C a O ;
+галогены ( F 2 , C l 2 , B r 2 ) → галогениды (фторид, хлорид, бромид и т.д.): C u + B r 2 → C u B 2 ;
+азот, фосфор, сера, водород → нитриды, фосфиды, сульфиды, гидриды: 3 C a + N 2 → C a 3 N 2 .
водой (только щелочные и щелочно-земельные металлы) → гидроксиды: 2 N a + 2 H 2 O → 2 N a O H + H 2 ↑ ;
кислотами (металлы, стоящие в ряду активности до водорода) → соль: M g + 2 H C l → M g C l 2 + H 2 ↑ ;
растворами солей менее активных металлов: F e + C u S O 4 → F e S O 4 + C u , при следующих условиях:
соли, вступающие в реакцию и получающиеся в ходе нее, должны быть растворимы;
металл вытесняет из соли другой металл, если находится левее в ряду активности;
щелочные и щелочно-земельные металлы в данном случае будут вступать в реакцию с водой, а не с солью.
оксидами (более активный металл вытесняет менее активный): F e 2 O 3 + 2 A l → A l 2 O 3 + 2 F e .

2. Химические свойства неметаллов обусловлены свободными электронами (от 3 до 7) на внешнем электронном уровне.

окислительные свойства наиболее характерны (стремятся присоединять электроны) в реакциях с:
металлами: O 2 + 2 M g → 2 M g O ; S + 2 N a → N a 2 S ;
неметаллами:
кислород O 2 (из галогенов реагирует только фтор): S + O 2 → S O 2 ;
водород H 2 (кроме кремния, фосфора и бора) : С + 2 H 2 → C 4 ;
неметалл c меньшей электроотрицательностью: 3 S + 2 P → P 2 S 3 (нагревание без доступа воздуха, сера — окислитель);
солями (вытесняют менее активные неметаллы): C l 2 + 2 N a B r → 2 N a C l + B r 2 .
восстановительные свойства (исключение: фтор F — всегда окислитель) в некоторых реакциях с:
неметаллами, электроотрицательность которых ниже: C + O 2 → C O 2 (углерод — восстановитель);
сложными веществами — окислителями ( C u O , H N O 3 ) : S + 6 H N O 3 → H 2 S O 4 + 6 N O 2 ↑ + 2 H 2 O .
и окислительные, и восстановительные свойства проявляют хлор, сера, фосфор, йод и бром в реакциях диспропорционирования:
C l 2 0 + H 2 O → H C l - 1 + H C l + 1 O ;
3 S 0 + 6 N a O H → 2 N a 2 S - 2 + N a 2 S + 6 O 3 + 3 H 2 O .

Химические свойства благородных газов

плохо растворяются в воде и вступают в реакции с другими веществами только в специально созданных условиях;
не горят; вытесняют кислород из воздуха, снижая его содержание до критически низких показателей, приводящих к смерти.

Строение и основные химические свойства сложных веществ

Сложные соединения имеют ионную или ковалентную связь между атомами.

оснóвные + кислоты → соли: C a O + 2 H C l → C a C l 2 + H 2 O ;
кислотные + основания → соли: S O 3 + 2 N a O H → N a 2 S O 4 + H 2 O ;
амфотерные реагируют и с кислотами, и с основаниями → соли:

Z n O + H 2 S O 4 → Z n S O 4 + H 2 О ,

Z n O + 2 N a O H + H 2 O → N a 2 [ Z n ( O H ) 4 ] .

Все основания реагируют с кислотами (реакция нейтрализации):

K O H + 2 H C l → K C l + H 2 O ;
2 F e ( O H ) 3 + 3 H 2 S O 4 → F e 2 ( S O 4 ) 3 + 6 H 2 O .

1. Щелочи взаимодействуют с:

неметаллами: 6 K O H + 3 S → K 2 S O 3 + 2 K 2 S + 3 H 2 O ;
кислотными оксидами: 2 N a O H + N O 2 → N a N O 2 + N a N O 3 + H 2 O .

2. Нерастворимые основания разлагаются при нагревании: C u ( O H ) 2 → C u O + H 2 O .

+ основания (реакция нейтрализации): 2 F e ( O H ) 3 + 3 H 2 S O 4 → F e 2 ( S O 4 ) 3 + 6 H 2 O ;
+ металлы, стоящие левее водорода в ряду активности: M g + 2 H C l → M g C l 2 + H 2 ↑ ;
+ основные и амфотерные оксиды: C a O + H 2 S O 4 → C a S O 4 + H 2 O ; Z n O + H 2 S O 4 → Z n S O 4 + H 2 O ;
+ соли: B a C l 2 + H 2 S O 4 → B a S O 4 + 2 H C l .

+ кислоты (сильные): N a 2 S i O 3 + 2 H C l → H 2 S i O 3 ↓ + 2 N a C l ;
+ щёлочи, если образуется нерастворимое основание: F e C l 3 + 3 N a O H → F e ( O H ) 3 ↓ + 3 N a C l ;
+ металлы: Z n + P b ( N O 3 ) 2 → P b ↓ + Z n ( N O 3 ) 2 ;
+ соли при условии необратимости реакции: N a 2 C O 3 + C a ( N O 3 ) 2 → C a C O 3 ↓ + 2 N a N O 3 .

Также о химических свойствах неорганических соединений можно почитать в статье «Классы неорганических соединений».

Металлы и неметаллы

Наш мир наполняют различные простые вещества – металлы или неметаллы. При существовании 120 химических элементов, Вселенную наполняют более 400 простых веществ. Этот парадокс связан с понятием аллотропии – явлением образования одним химическим элементом двух и более простых веществ. Например, атом кислорода может формировать молекулярный кислород О2 и озон О3.

План урока:

Физические свойства металлов

Металлы – химические элементы, атомы которых в процессе реакции стремятся отдавать электроны. Они обладают металлической кристаллической решеткой и общими физическими свойствами. На данный момент известно более 87 металлов.

Для металлов характерен ряд свойств:

твердость (кроме ртути, которая представляет собой жидкость);
металлический блеск;
проводимость электрического тока и тепла;
пластичность.

Металлы при ударах не разрушаются, а меняют форму. С этой особенностью связано то, что из них производят проволоку, металлические листы и др. Развитие бронзового и железного века связано с производством товаров из металлов.

Физические свойства неметаллов

Неметаллы – химические элементы, атомы которых стремятся принять чужие электроны. Для них характерны атомные и молекулярные кристаллические решетки. Для атомов неметаллов не характерны общие физические свойства. На данный момент существует 22 неметалла.

Для неметаллов характерен ряд свойств:

хрупкость (неметаллы нельзя ковать);
отсутствие блеска;
непроводимость электрического тока и тепла.

Расположение металлов и неметаллов в периодической таблице Д.И. Менделеева

Определить, является простое вещество металлом или неметаллом, можно с помощью периодической таблицы Менделеева. Металлы располагаются ниже диагонали «водород-бор- кремний-мышьяк-теллур-астат», а неметаллы выше.

Красные ячейки – неметаллы, синие – металлы

Элементы, расположенные вблизи диагонали, обладают смешанными свойствами: проявляют как металлические, так и неметаллические свойства. Они называются полуметаллами.

Красные ячейки – полуметаллы

Полуметаллы имеют ковалентную кристаллическую решетку при наличии металлической проводимости (электропроводности). Валентных электронов у них либо недостаточно для образования полноценной ковалентной связи, либо они не удерживаются достаточно прочно из-за больших размеров атома. Поэтому связь в ковалентных кристаллах этих элементов имеет частично металлический характер.

Закономерности в таблице Д.И. Менделеева

Каждый атом состоит из протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны находятся в ядре, который несет положительный заряд. Вокруг ядра движутся отрицательно заряженные электроны. Атомный номер указывает на количество протонов.

Чем больше заряд ядра, тем сильнее к нему притягиваются электроны. Т.о., атому сложнее отдавать электроны. Поэтому в периоде слева направо, с увеличением порядкового номера металлические свойства ослабевают, а неметаллические – усиливаются.

Неметаллы стремятся принять электроны от других атомов. Период в таблице указывает на количество электронных уровней. По мере увеличения числа орбиталей электроны отдаляются от ядра и атому сложнее удерживать электроны на последних уровнях. Т.о., в группе сверху вниз количество орбиталей возрастает, поэтому металлические свойства усиливаются, а неметаллические – уменьшаются.

Способы получения металлов

Большую часть металлов получают из оксидов при нагревании.

Металлы, имеющие на внешнем уровне один-два электрона, получают с помощью электролиза расплавов.

Химические свойства металлов

Все металлы проявляют восстановительные свойства. Легкость в отдачи внешнего электрона применяется в фотоэлементах. Степень активности определяется рядом активности. У самых активных на внешнем уровне располагается по одному электрону.

Общие химические свойства металлов выражаются в реакциях со следующими соединениями.

Активные металлы реагируют с галогенами и кислородом. С азотом взаимодействуют только литий, кальций и магний. Большинство металлов при взаимодействии с кислородом образуют оксиды, а наиболее активные металлы – пероксиды (N₂O₂).

2 Ca + MnO₂ → 2 CaO + Mn(нагревание)

Водород в кислотах вытесняют только те металлы, которые в ряду напряжений стоят до водорода.

Более активные металлы вытесняют из соединений менее активные.

Химические свойства щелочных и щелочно-земельных металлов (реакции с водой)

2 Na + 2 H₂O → 2 NaOH + H₂

Способы получения неметаллов

Неметаллы синтезируют из природных соединений с помощью электролиза.

2 KCl → 2 K + Cl₂

Также неметаллы получают в результате окислительно-восстановительных реакций.

SiO₂ + 2 Mg → 2 MgO + Si

Химические свойства неметаллов

Неметаллы проявляют окислительные свойства. Самый активный неметалл – фтор. Он бурно реагирует со всеми веществами, а некоторые реакции сопровождаются горением и взрывом. В атмосфере фтора горят даже вода и платина. Фтор окисляет кислород и образует фторид кислорода OF₂.

Неметаллы вступают в реакции со следующими веществами.

3 F + 2 Al → 2 AlF₃ (нагревание)

S + Fe →FeS (нагревание)

Меньшей активностью обладают такие неметаллы как бор, графит, алмаз. Они могут проявлять восстановительные свойства.

2 C + MnO₂ → Mn + 2 CO

Коррозия металла

Коррозия – это процесс разрушения металлов или металлических конструкций под действием кислорода, воды и вредных примесей. Не все металлы подвергаются коррозии. Их стойкость зависит от ряда факторов.

На благородных металлах не образуется коррозия.
На поверхности алюминия, титана, цинке, хрома и никеля есть оксидная пленка, которая предотвращает процессы коррозии.

Различают несколько видов коррозии – химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия

Химическая коррозия сопровождается химическими реакциями. Она образуется под действием газов.

Электрохимическая коррозия

Электрохимическая коррозия – процесс разрушения металлов или металлических конструкций, который сопровождается электрохимическими реакциями. В большинстве металлов находятся примеси. В процессе коррозии электродами могут служить не только металлы, но и его примеси.

Например, в железе могут находиться примеси олова. В этом случае на аноде электроны переносятся от олова к железу и металлы растворяются, т.е. железо подвергаются коррозии. На катоде восстанавливается водород из воды или растворенного кислорода. Электрохимическая коррозия может сопровождаться следующими процессами.

Анод: Fe 2+ - 2e → Fe 0

Катод: 2H + + 2e → H₂

Способы защиты от коррозии

В промышленности популярны различные методы защиты металлов от коррозии.

Покрытия защищают поверхности от действия окислителей. Ими служат различные вещества:

покрытие менее активным металлом (железо покрывают оловом);
краски, лаки, смазки.
Создание специальных сплавов

Физические свойства сплавов и чистых металлов отличаются. Поэтому для повышения стойкости в сплав необходимо добавить дополнительные металлы.

Биологическая роль металлов и неметаллов

В организмах содержится множество различных металлов и неметаллов. Различных химических элементов в организме может не хватать, поэтому приходится потреблять их извне.Химические элементы можно разделить на две большие группы – макроэлементы и микроэлементы.

К макроэлементам относятся вещества, содержание которых в организме превышает 0,005 %. Эта группа включает водород, углерод, кислород, азот, натрий, магний, фосфор, сера, хлор, калий, кальций.Микроэлементы – элементы, содержание которых не превышает 0,005%. К ним относятся железо, медь, селен, йод, хром, цинк, фтор, марганец, кобальт, молибден, кремний, бром, ванадий, бор. Каждый макро- и микроэлемент в организме выполняет определенную функцию.

Применение металлов и неметаллов

В синтезе химических препаратов и лекарств применяются чистые металлы и неметаллы. В органической химии металлы используются в качестве катализаторов, а также при получении металлорганических соединений. Неметаллы служат исходным сырьем для получения чистых кислот и других химических соединений.

Периодическая система химических элементов

В этом разделе Вы познакомитесь подробно с периодической системой химических элементов (ПСХЭ). Рассмотрим: почему она носит такое название, почему её называют универсальной шпаргалкой, какие сведения можно получить, используя её на уроках не только химии, но и физики.

Классификация химических элементов

Начнём с истории создания ПСХЭ. В определённый момент XIX века, когда наука значительно шагнула вперёд и достаточно быстрыми темпами открывались новые химические элементы, возникла необходимость рассортировать их. Несмотря на то, чтои все они отличались по своим свойствам, в процессе изучения можно было выделить общие их свойства.

Год открытия периодической системы считается 1869. Она была колоссальным успехом того времени, а так же не теряет актуальность и на данный момент.

Но давайте всё рассмотрим по порядку, ведь над проблемой систематизации на протяжении многих лет работало много учёных, которые внесли большой вклад в развитие науки. В силу разных причин, они не смогли в полной мере классифицировать элементы.

Так, самая первая попытка была разделить на металлы и неметаллы, автором которой был шведский учёный Йёнс Якоб Берцелиус.

Что характерно для металлов?

Представим перед собой, предметы с железа, золота, алюминия. Что первое мы можем сказать о свойствах этих металлов? Все они имеют металлический блеск.

Также они (за исключением ртути) при нормальных условиях находятся в твёрдом виде. Имеют хорошую электропроводность и теплопроводность, высокую плотность. Эти признаки объединяют группу металлов.

Как мы можем описать неметаллические вещества?

Какие они будут иметь общие характеристики? В простых соединениях неметаллы могут быть как газы (кислород О₂, хлор Cl₂, азот N₂), жидкости (бром Br₂), так и твёрдые вещества (алмаз – самоё твёрдое вещество, образован Углеродом С, также сера S, кремний Si, фосфор Р, йод I₂).Они могут быть не только разного агрегатного состояния, но и иметь разнообразную окраску.

Но, не смотря на такие резкие отличия между ними, возможно выделить общие черты: они диэлектрики и не пластичны. Большинство неметаллов имеют молекулярное строение. Данная классификация актуальна и в наше время.

Над классификацией элементов трудилось много учёных разных стран. Работая независимо друг от друга, они обнаружили интересный факт, что свойства элементов зависят от их атомной массы.

Немецкий химик И.В. Деберейнер отметил, что некоторые элементы сходны свойствами, и их можно объединить в группы, название которым дал – триады. Масса одного из элементов является средним арифметическим элементов с максимальной и минимальной массой в группе.

Недостатком данной систематизации является то, что данным способом удалось получить всего 5 триад. Не трудно подсчитать, что систематизировано было всего 15 элементов, а остальные 56 элементов не вписывались в его классификацию. Однако Деберейнер один из немногих заметил связь между свойствами и атомной массой элемента.

Ещё один необычный способ предложил французский химик А.Э. Шанкартуа. За основу он взял спираль и на её витках разместил элементы в порядке возрастания их атомных масс. Другое название она получила «Теллуровый винт», потому что заканчивалась Теллуром. Заслугой «спирали-винта» было обращение внимания на подобные свойства Водорода и галогенов (Cl, Br, I). Таким образом удалось систематизировать 50 элементов.

Как совершенству нет предела, так и фантазиям учёных. Так английский учёный Джон Ньюлендс связал элементы с музыкой, он предоставил их в виде нот и заострил своё внимание на том, что каждый восьмой повторяет свойства первого.

Как оказалось, и эта классификация имеет недочёты, во-первых, она не располагала местом для новых элементов, а, во-вторых, в одно семейство попадали элементы с разными свойствами, которые не имели ничего общего: Cl и Pt, S, Fe и Au. Однако данная систематизация имела и положительные моменты, учёные заметили, что периодичность возникает на 8 элементе по счёту, также появилось понятие порядковый номер.

Отдельно хочется выделить немецкого учёного Лотара Мейера. Он разместил 28 элементов в виде таблицы. В принцип создания таблицы он заложил атомную массу, её увеличение, а также выделил столбцы элементов с одинаковой валентностью.

Ему понадобилось почти шесть лет, чтобы усовершенствовать свою таблицу и расположить остальные элементы, которые он не учёл в версии таблицы, выданной в 1864 году. Ошибка Мейера заключалась в том, что не было никаких обобщений и выводов, но как видно, он был близок к открытию не только периодической системы, но и закона.

Схема показывает, что учёные не одно десятилетие работали над созданием упорядоченной таблицы для элементов. Необходим был фундаментальный закон, который будет применим в естествознании.

В 1869 году русский учёный Дмитрий Менделеев создаёт периодическую систему. Об истории написания таблицы существует множество легенд, как и самом учёном. Менделеев был достаточно многогранной личностью, он трудился в разных сферах науки. Открыл секрет изготовления бездымного пороха, придумал способ передачи нефти, используя трубопровод. К нефти он особенно относился, считая сжигание нефти кощунством, так как она служит источником для получения множества вещества. «Человек-чемодан» можно также услышать о нём, потому что любимым его делом было изготавливать чемоданы. Но самой значимой его заслугой было создание периодической системы, которую, поговаривают, создал он во сне.

Строение периодической системы

Для начала рассмотрим понятия таблица и система. Вы не один раз видели таблицу, она состоит из строк и столбцов. Но почему творение Менделеева имеет названия как таблица, так система да еще и с добавлением периодическая.

В таблице содержится упорядоченная информация в определённом порядке. Система указывает, что сведения связаны между собой. Периодичность означает, что через какой-то промежуток или отрезок происходит повторение свойств.

Как уже известно, в периодической системе находятся элементы. Принцип их расположения - это увеличение их атомной массы.

В таблице имеются строки – это периоды, и столбцы – группы.

Существует несколько вариантов ПСХЭ, так называемый короткий и длинный вариант.

Короткий вариант имеет 8 групп, номера которых указаны римскими цифрами I, II…VIII, содержит главную (А) и побочную (В) группы. Длинный формат вмещает 18 групп, нумерация осуществляется арабскими цифрами I, II…XVIII,

Если посмотреть на таблицу, то видим закономерность, так как абсолютно каждый период будет начинаться активным металлом и заканчиваться инертным газом. Такая периодичность сохраняется 7 раз.

Как видно из таблицы, I период включает 2 элемента, II и III состоят из 8, IV и V содержат 18, самые большие – это VI и VII вмещают 32 элемента (VII период незаконченный).

В периоде с ростом атомной массы металлические свойства уменьшаются, неметаллические – увеличиваются.

Вертикальные столбцы образуют группы. Это условно компании, где собираются единомышленники. Точнее, располагаются элементы, подобные по своим свойствам.

Обратите внимание, что подобие характерно только в пределах подгруппы. Так, натрий и медь принадлежат одной I группе, но располагаются в разных подгруппах. Натрий – элемент главной подгруппы, медь – побочной. Именно по этой причине они будут иметь разные физические и химические свойства.

В пределах группы с ростом атомной массы металлические свойства увеличиваются, неметаллические – уменьшаются.

Таким образом, периодическую систему можно условно назвать домом химических элементов, где каждый из них занимает своё определённое место (порядковый номер) согласно его свойствам.

Рассмотрим подробнее на примере 2 и 3 периода. Что показывает сравнение: оба периода начинаются с активных металлов Li и Na, для которых характерно существование в виде соединений, в свободном виде могут находиться только под слоем керосина. Они относятся к группе щелочных металлов. Анализируя схему, мы видим, что первые три группы образованны металлами. С IV – VII находятся неметаллы. «Закрывают период» инертные газы.

Особое внимание располагают к себе элементы VI и VII периоды, которые образуют «семейство» лантаноидов (Лантан № 57) и актиноидов (Актиний 89), они формально близки к скандию. Но из-за их количества они вынесены за пределы системы.

Периодический закон Д. И. Менделеева

Проанализировав изменения свойств элементов II и III периода, можно сделать выводы, которые Д. И. Менделеев записал в виде периодического закона.

Благодаря периодическому закону, зная расположение элемента в периодической системе, мы можем прогнозировать свойства веществ. Элементы входят в состав как простых, так и сложных веществ, влияя при этом на их свойства. Обобщить данные тезисы можно в виде таблицы.

Таблица 1. Изменение свойств химических элементов в ПСХЭ

Рассмотрим на примере I группы. Li, Na, K, Cs, Fr собрались в компанию одновалентных металлов, которые образуют основные оксиды состава Ме₂О. При взаимодействии с водой образуют щёлочь. Эти характеристики их объединяют. Теперь рассмотрим отличия. Вам уже известно, что в пределах группы с ростом атомной массы металлические свойства увеличиваются.

Как это сказывается на реакционной способности данных металлов?

Интенсивность и скорость реакции калия и лития с водой будет отличаться. Реакция калия будет сопровождаться бурным выделением водорода, в то время как литий будет спокойно реагировать с водой.

Зная формулу и состав высшего оксида, можем предположить его характер. Например, марганец образует оксиды MnO, MnO₂, Mn₂O₇. Таблица поможет нам предположить их свойства.

MnO – будет основным оксидом (ищем аналогию со II группой), ему будет отвечать основание Mn(OH)₂. Не трудно догадаться, что MnO₂ и Mn₂O₇ будут кислотными (подобно IV и VII группе), они образуют кислоты H₂MnO₃ и HMnO₄.

Свинец образует два оксида PbO и PbO₂. Оксид свинца (II) PbO будет основной, оксид свинца (IV)PbO₂– кислотный.

Характеристика элемента по его положению в периодической системе

Зная «прописку» элементов в таблице, мы можем прогнозировать их свойства. Составим план, согласно которому сможем описать свойства элементов, рассматривать будем на примере серы.

Первое, что нам необходимо знать - это какой символ имеет сера, чтобы по нему найти её в ПСХЭ. Обозначение S занимает ячейку 16. (порядковый номер).

Уточняем «прописку». III период, VI группа, главная подгруппа. Зная эти элементарные сведения, мы предполагаем, что это неметалл (принадлежность к VI группе и нахождение в малом ряду даёт нам основание для предположения).

Формула высшего оксида и его свойства. Поскольку сера элемент VI группы, высшая валентность будет равна VI. Формула оксида SO₃. Пользуясь таблицей-шпаргалкой, определяем характер – кислотный. С курса физики известно, что противоположности притягиваются. Как плюс притягивает минус, так и кислотные оксиды взаимодействуют с основными, которые образованы элементами-металлами с валентностью I или II. Возьмём, например, барий, который образует оксид и гидроксид, соответственно ВаO и Вa(OH)₂.

Формула высшего гидроксида и его свойства. Снова обратимся к нашей шпаргалке, высшие гидроксиды VI группы имеют формулу H₂ЭO₄, а именно H₂SO₄. Образованный гидроксид имеет кислотные свойства, для которого свойственны реакции с основными оксидами и основаниями. К примеру, возьмём двухвалентный стронций, формула оксида и гидроксида соответственно SrO и Sr(OH)₂.

Как элемент-неметалл образует летучее водородное соединение состава H₂S.

На данном примере убеждаемся, что зная расположение элемента в ПСХЭ, можно прогнозировать его свойства, а также свойства веществ, в состав которых он входит.

Классификация неорганических веществ

Химические вещества можно разделить на две группы: простые и сложные.

Простые вещества состоят из атомов одного элемента (О₂, P₄).

Сложные вещества состоят из атомов двух и более элементов (CaO, H₃PO₄).

Простые вещества можно разделить на металлы и неметаллы.

Металлы – это простые вещества, в которых атомы соединены между собой металлической химической связью. Металлы стремятся отдавать электроны и характеризуются металлическими свойствами (металлический блеск, высокая электро- и теплопроводность, пластичность и др.).

Неметаллы – это простые вещества, в которых атомы соединены ковалентными (или межмолекулярными) связями. Неметаллы стремятся принимать или притягивать электроны. Неметаллические свойства – это способность принимать или притягивать электроны.

Все элементы в Периодической системе химических элементов (ПСХЭ) расположены либо в главной подгруппе, либо в побочной. В различных формах короткопериодной ПСХЭ главные и побочные подгруппы расположены по-разному. Есть простой способ, который позволит вам быстро и надежно определять, к какой подгруппе относится элемент. Дело в том, что все элементы второго периода расположены в главной подгруппе. Те элементы, которые расположены в ячейке точно под элементами второго периода (справа или слева), относятся к главной подгруппе. Остальные — к побочной.

Например , в таблице Менделеева, которая используется на ЕГЭ по химии, элемент номер 31, галлий, расположен в ячейке справа, точно под соответствующим ему элементом второго периода, бором. Следовательно, галлий относится к главной подгруппе. А вот скандий, элемент номер 21, расположен в ячейке слева. Следовательно, скандий относится к побочной подгруппе.

Неметаллы расположены в главных подгруппах, в правом верхнем угле ПСХЭ. К металлам относятся все элементы побочных подгрупп и элементы главных подгрупп, расположенные в левой нижней части ПСХЭ. Разделяют металлы и неметаллы обычно, проводя условную линию от бериллия до астата. На рисунке показано точное разделение на металлы и неметаллы. Закрашены цветом неметаллы.

Основные классы сложных веществ — это оксиды, гидроксиды, соли.

Оксиды — это сложные вещества, которые состоят из атомов двух элементов, один из которых кислород, имеющий степень окисления -2.

В зависимости от второго элемента оксиды проявляют разные химические свойства. Некоторым оксидам соответствуют гидроксиды (солеобразующие оксиды), а некоторым нет (несолеобразующие).

Солеобразующие оксиды делят на основные, амфотерные и кислотные.

Основные оксиды — это оксиды, которые проявляют характерные основные свойства. К ним относят оксиды, образованные атомами металлов со степенью окисления +1 и +2 . Например, оксид лития Li₂O, оксид железа (II) FeO.

Амфотерные оксиды — это оксиды, которые проявляют и основные, и кислотные свойства. Это оксиды металлов со степенью окисления +3 и +4 , а также четыре оксида со степенью окисления +2: ZnO, PbO, SnO и BeO .

Несолеобразующие оксиды не проявляют характерных основных или кислотных свойств, им не соответствуют гидроксиды. К несолеобразующим относят четыре оксида: CO, NO, N₂O и SiO .

Встречаются и оксиды, похожие на соли, т.е. солеобразные (двойные).

Двойные оксиды — это некоторые оксиды, образованные элементом с разными степенями окисления. Например , магнетит (магнитный железняк) FeO·Fe₂O₃.

Алгоритм определения типа оксида: сначала определяем, какой элемент образует оксид – металл или неметалл . Если это металл, то определяем степень окисления, затем определяем тип оксида. Если это неметалл, то оксид кислотный (если это не исключение).

Гидроксиды — это сложные вещества, в составе которых есть группа Э-O-H. К гидроксидам относятся основания, амфотерные гидроксиды, и кислородсодержащие кислоты.

Солеобразующим оксидам соответствуют гидроксиды:

основному оксиду соответствует гидроксид основание ,

кислотному оксиду соответствует гидроксид кислота ,

амфотерному оксиду соответствует амфотерный гидроксид .

Например , оксид хрома (II) CrO — основный, ему соответствует гидроксид основание. Формулу гидроксида легко получить, просто добавив к металлу гидроксидную группу OH: Cr(OH)₂.

Оксид хрома (VI) — кислотный, ему соответствует гидроксид кислота H₂CrO_4, и кислотный остаток хромат-ион CrO₄ 2- .

Если все индексы кратны 2, то мы делим все индексы на 2.

Например : N₂O₅ + H₂O → H₂N₂O₆, делим на 2, получаем HNO₃. Так получаем мета-формулу кислоты. Если мы добавим еще одну молекулу воды, то получим орто-формулу кислоты.

Например : оксид P₂O₅, мета-форма: HPO₃. Добавляем воду, орто-форма: H₃PO₄. Орто-форма устойчива у фосфора и мышьяка.

Оксид хрома (III) — Cr₂O₃ — амфотерный, ему соответствует амфотерный гидроксид, который может выступать и как основание, и как кислота: Cr(OH)₃ = HCrO₂, кислотный остаток хромит: CrO₂ — .

Взаимосвязь оксидов и гидроксидов:

Основания (основные гидроксиды) — это сложные вещества, которые при диссоциации в водных растворах в качестве анионов (отрицательных ионов) образуют только гидроксид-ионы OH — .

Основания можно разделить на растворимые в воде ( щелочи ), нерастворимые в воде, и разлагающиеся в воде .

К разлагающимся в воде (неустойчивым) основаниям относят гидроксид аммония, гидроксид серебра (I), гидроксид меди (I). В водном растворе такие соединения практически необратимо распадаются:

2AgOH → Ag₂O + H₂O

2CuOH → Cu₂O + H₂O

Основания с одной группой ОН – однокислотные (например, NaOH ) , с двумя – двухкислотные (Ca(OH)₂) и с тремя – трехкислотные (Fe(OH)₃) .

Кислоты – это сложные вещества, которые при диссоциации в водных растворах образуют в качестве катионов только ионы гидроксония H₃O + (H + ). Кислоты состоят из водорода H + и кислотного остатка.

По числу атомов водорода, которые можно заместить на металлы: одноосновные (HNO₃), двухосновные (H₂SO₄), трехосновные (H₃PO₄) и т.д.

По содержанию атомов кислорода кислоты бывают бескислородные ( например , соляная кислота HCl) и кислородсодержащие ( например , серная кислота H₂SO₄).

Кислоты также можно разделить на сильные и слабые.

Сильные кислоты. К ним относятся:

Бескислородные кислоты: HCl, HBr, HI . Остальные бескислородные кислоты, как правило, слабые.
Некоторые высшие кислородсодержащие кислоты: H₂SO₄, HNO₃, HClO₄ и др.

Слабые кислоты . К ним относятся:

Определить, сильная кислота перед вами, или слабая, позволяет простой прием. Мы вычитаем из числа атомов O в кислоте число атомов H. Если получаем число 2 или 3, то кислота сильная. Если 1 или 0 — то кислота слабая.

Например : HClO: 1-1 = 0, следовательно, кислота слабая.

Соли – сложные вещества, состоящие из катиона металла (или металлоподобных катионов, например, иона аммония NH₄ + ) и аниона кислотного остатка. Также солями называют вещества, которые могут быть получены при взаимодействии кислот и оснований с выделением воды.

Если рассматривать соли, как продукты взаимодействия кислоты и основания, то соли делят на средние , кислые и основные .

Средние соли – продукты полного замещения катионов водорода в кислоте на катионы металла ( например , Na₂CO₃, K₃PO₄).

Кислые соли – продукты неполного замещения катионов водорода в кислоте на катионы металлов ( например , NaHCO₃, K₂HPO₄).

Основные соли – продукты неполного замещения гидроксогрупп основания на анионы кислотных остатков кислоты ( например , малахит (CuOH)₂CO₃).

По числу катионов и анионов соли разделяют на:

Простые соли – состоящие из катиона одного типа и аниона одного типа ( например , хлорид кальция CaCl₂).

Двойные соли – это соли, состоящие из двух или более разных катионов и аниона одного типа ( например , алюмокалиевые квасцы – KAl(SO₄)₂).

Смешанные соли – это соли, состоящие из катиона одного типа и двух или более анионов разного типа ( например , хлорид-гипохлорит кальция Ca(OCl)Cl).

По структурным особенностям выделяют также гидратные соли и комплексные соли.

Гидратные соли (кристаллогидраты) – это такие соли, в состав которых входят молекулы кристаллизационной воды ( например , декагидрат сульфата натрия Na₂SO₄·10 H₂O).

Комплексные соли – это соли, содержащие комплексный катион или комплексный анион (K₃[Fe(CN)₆], [Cu(NH₃)₄]Cl₂).

Помимо основных классов неорганических соединений, существуют и другие.

Например , бинарные соединения элементов с водородом.

Водородные соединения – это сложные вещества, состоящие из двух элементов, один из которых водород. Водород образует солеобразные гидриды и летучие водородные соединения.

Солеобразные гидриды ЭН_х – это соединения металлов IA, IIA групп и алюминия с водородом. Степень окисления водорода равна -1. Например , гидрид натрия NaH.

Летучие водородные соединения Н_хЭ – это соединения неметаллов с водородом, в которых степень окисления водорода равна +1. Например , аммиак NH₃, фосфин PH₃.

Тренировочный тест «Классификация неорганических веществ» 10 вопросов, при каждом прохождении новые.

1. Общая характеристика элементов неметаллов

Из \(118\) известных на данный момент химических элементов \(96\) являются металлическими, и только \(22\) химических элемента относятся к неметаллическим.

Кислород и кремний составляют около \(76\) % (практически три четверти) от массы земной коры (\(O\) — \(49,4\) % , \(Si\) — \(25,8\) % ).

Такие химические элементы, как углерод \(C\), водород \(H\), кислород \(O\), азот \(N\), фосфор \(P\) и сера \(S\), составляют \(98,5\) % от массы растений и \(97,6\) % от массы тела человека.

В состав земной атмосферы входят как простые, так и сложные вещества, образованные элементами-неметаллами.

В объёмных долях на азот N 2 приходится \(78\) % , на кислород O 2 — \(21\) % , а инертные газы составляют \(0,96\) % от объёма воздуха. В состав земной атмосферы также постоянно входит углекислый газ CO 2 , доля которого (по разным оценкам) составляет около \(0,04\) % от состава чистого воздуха.

Следует иметь в виду, что в воздухе постоянно содержится водяной пар H 2 O и другие соединения неметаллов, доля которых не является постоянной.

Главный химический элемент Вселенной — это водород. Из него образованы Солнце и другие звёзды, газовые облака и т. д. И на нашей планете из каждых \(100\) атомов \(17\) — это атомы водорода.

В Периодической системе химических элементов неметаллы занимают правый верхний угол и находятся только в главных (А) группах.

В электронной оболочке атомов неметаллов на внешнем энергетическом уровне, как правило, содержится от \(4\) до \(8\) электронов. Исключение составляют только водород \(H\), у которого в электронной оболочке атома вообще только один электрон, гелий \(He\) с двумя электронами и бор \(B\), у которого на наружном энергетическом уровне имеются три электрона.

Радиусы атомов неметаллов меньше, чем у металлов того же периода, поэтому в силу близости положительно заряженного ядра атома неметаллы хорошо удерживают свои валентные электроны (электроны внешнего энергетического уровня).

Радиусы атомов неметаллов существенно меньше, чем радиусы атомов металлов, находящихся в том же периоде.

Главное отличительное свойство неметаллов — это их высокая электроотрицательность , т. е. способность в химических соединениях притягивать электроны.

Рис. \(6\). Величины относительных электроотрицательностей (ОЭО) некоторых химических элементов (по Л. Полингу)

ОЭО неметаллических химических элементов (выделены красным цветом) превосходит соответствующую величину металлических химических элементов

Атомы неметаллов способны как принимать, так и отдавать электроны, а значит, химические вещества, содержащие такие атомы, в ходе превращений могут выступать как в роли окислителей, так и в роли восстановителей.

Читайте также: