Неметаллы. Аллотропия. Куцапкина Людмила Васильевна учитель химии ГБОУ гимназии 343 Невского района Санкт - Петербурга

Положение неметаллов в ПС Д. И. Менделеева. Неметаллы расположены в правом верхнем углу ПС ( вдоль и над диагональю B-At). Всего 22 элемента - неметалла в Периодической системе Элементы - неметаллы располагаются только в главных подгруппах ПС.

Особенности атомного строения элементов - неметаллов. Для атомов - неметаллов характерно : 1. Небольшой атомный радиус ( в сравнении с радиусами атомов - металлов одного с ними периода ). 2. Большее число электронов на внешнем уровне (4-8), исключения Н, Не, В. 3. Происходит заполнение электронами только внешнего энергетического уровня. 4. Для элементов - неметаллов характерны высокие значения электроотрицательности.

Характеристика простых веществ - неметаллов. Для неметаллов - простых веществ более характерно различие свойствах ( физических и химических ), чем их общность. Разнообразие свойств неметаллов объясняется, тем, что неметаллы могут иметь два типа кристаллической решетки : молекулярную ( все газы, белый фосфор, сера, йод ) и атомную ( бор, кристаллический кремний, алмаз, графит ). Для сравнения – металлы имеют металлическую кристаллическую решетку.

Физические свойства простых веществ – неметаллов. Для неметаллов ( простых веществ ) характерны все 3 агрегатных состояния при обычных условиях ( сравнить – все металлы, кроме ртути, в обычных условиях твердые вещества ) Твердые вещества : различные модификации серы, йод кристаллический, графит, фосфор, уголь активированный, кристаллический или аморфный кремний, бор ( единственное жидкое при обычных условиях простое вещество – это бром ). Газообразные вещества – неметаллы – это О 2, N 2, H 2, Cl 2, F 2.

Для неметаллов характерна разнообразная цветовая гамма : белый, черный, красный фосфор, красно - бурый бром, желтая сера, фиолетовый йод, черный графит, алмазы разного цвета, бесцветный – кислород, азот, водород ( тогда как абсолютное большинство металлов имеют серебристо - белый цвет ). Температуры плавления : от С ( графит ) до С ( азот ). Для сравнения – металлы : от С ( вольфрам ) до -38,9 0 С ( ртуть ). Некоторые неметаллы электропроводны ( графит, кремний ), имеют металлический блеск ( йод, графит, кремний ). По этим признакам напоминают металлы, но все они – хрупкие вещества.

Аллотропия. Среди неметаллов распространено явление аллотропии. Один элемент может образовывать несколько простых веществ. Причины аллотропии : Разные типы кристаллических решеток ( белый фосфор Р 4 – молекулярная, красный фосфор Р – атомная ). Разная структура кристаллической решетки ( алмаз – тетраэдрическая, графит – слоистая ). Разный состав молекул аллотропных модификаций ( О 2 и О 3 ).

Кислород О 2 и озон О 3 Кислород - газ, без цвета, вкуса и запаха, плохо растворим в воде, в жидком состоянии светло - голубой, в твердом – синий. Озон - светло - синий газ, темно - голубая жидкость, в твердом состоянии темно - фиолетовый, имеет сильный запах, в 10 раз лучше, чем кислород, растворим в воде.

Сера Физические свойства : Сера - твердое кристаллическое вещество желтого цвета. желтого цвета В воде нерастворима, водой не смачивается ( на поверхности воды плавает - « флотация »), t° кип = 445° С

Ромбическая (a - сера ) - S 8 t° пл. = 113°C; ρ = 2,07 г / см 3. Наиболее устойчивая модификация. Моноклинная (b - сера ) - S 8 темно - желтые иглы, t° пл. = 119°C; ρ = 1,96 г / см 3. Устойчивая при температуре более 96° С ; при обычных условиях превращается в ромбическую. Пластическая S n коричневая резиноподобная ( аморфная ) масса. Неустойчива, при затвердевании превращается в ромбическую.

Фосфор Элементарный фосфор в обычных условиях представляет собой несколько устойчивых аллотропических модификаций ; вопрос аллотропии фосфора сложен и до конца не решён. Обычно выделяют четыре модификации простого вещества белый, красный, чёрный и металлический фосфор. Иногда их ещё называют главными аллотропными модификациями, подразумевая при этом, что все остальные являются разновидностью указанных четырёх. В обычных условиях существует только три аллотропических модификации фосфора, а в условиях сверхвысоких давлений также металлическая форма. Все модификации различаются по цвету, плотности и другим физическим характеристикам ; заметна тенденция к резкому убыванию химической активности при переходе от белого к металлическому фосфору и нарастанию металлических свойств. аллотропии металлическая цвету плотности

Биологическая роль соединений фосфора Фосфор присутствует в живых клетках в виде орто - и пирофосфорной кислот, входит в состав нуклеотидов, нуклеиновых кислот, фосфопротеидов, фосфолипидов, коферментов, ферментов. Кости человека состоят из гидроксилапатита 3 Са 3 ( РО 4 ) 3 ·Ca(OH) 2. В состав зубной эмали входит фторапатит. Основную роль в превращениях соединений фосфора в организме человека и животных играет печень. Обмен фосфорных соединений регулируется гормонами и витамином D. Суточная потребность человека в фосфоре мг. При недостатке фосфора в организме развиваются различные заболевания костей.

Белый, красный, чёрный и металлический фосфор

Белый фосфор Белый фосфор представляет собой белое вещество ( из - за примесей может иметь желтоватый оттенок ). По внешнему виду он очень похож на очищенный воск или парафин, легко режется ножом и деформируется от небольших усилий. оттенок парафин Белый фосфор имеет молекулярное строение ; формула P 4. Химически белый фосфор чрезвычайно активен, медленно окисляется кислородом воздуха уже при комнатной температуре и светится ( бледно - зелёное свечение ) ; ядовит. Открыт гамбургским алхимиком Хеннигом Брандом в 1669 году алхимиком Хеннигом Брандом1669 году

Красный фосфор Красный фосфор имеет формулу Р n и представляет собой полимер со сложной структурой. полимер Имеет оттенки от пурпурно - красного до фиолетового, а в литом состоянии - тёмно - фиолетовый с медным оттенком, имеет металлический блеск. Химическая активность красного фосфора значительно ниже, чем у белого ; ему присуща исключительно малая растворимость. Ядовитость его в тысячи раз меньше, чем у белого. Получен в 1847 году в Швеции австрийским химиком А. Шрёттером1847 году А. Шрёттером

Чёрный фосфор Чёрный фосфор представляет собой чёрное вещество с металлическим блеском, жирное на ощупь и весьма похожее на графит, и с полностью отсутствующей растворимостью в воде или органических растворителях. Проводит электрический ток и имеет свойства полупроводника. полупроводника Впервые чёрный фосфор был получен в 1914 году американским физиком П. У. Бриджменом 1914 году П. У. Бриджменом

Металлический фосфор При 8,3·10 10 Па чёрный фосфор переходит в новую, ещё более плотную и инертную металлическую фазу с плотностью 3,56 г / см ³, а при дальнейшем повышении давления до 1,25·10 11 Па ещё более уплотняется и приобретает кубическую кристаллическую решётку, при этом его плотность возрастает до 3,83 г / см ³. Металлический фосфор очень хорошо проводит электрический ток.

Свободный углерод В свободном виде углерод встречается в нескольких аллотропных модификациях – алмаз, графит, карбин, крайне редко фуллерены. В лабораториях также были синтезированы многие другие модификации : новые фуллерены, нанотрубки, наночастицы и др.

Алмаз Бесцветное, прозрачное, сильно преломляющее свет вещество. Алмаз тверже всех найденных в природе веществ, но при этом довольно хрупок. Он настолько тверд, что оставляет царапины на большинстве материалов. Плотность алмаза – 3,5 г / см 3, t плав =3730 С, t кип =4830 оС. Алмаз можно получить из графита при p > 50 тыс. атм. и t о = 1200 о C В алмазе каждый 4- х валентный атом углерода связан с другим атомом углерода ковалентной связью и количество таких связанных в каркас атомов чрезвычайно велико.

Куллинан ( алмаз )- 621,35 грамма, размеры : 100 х 65 х 50 мм Куллинан ( алмаз )- 621,35 грамма, размеры : 100 х 65 х 50 мм Бриллианты : Куллинан -1, Куллинан -2, Куллинан -3 и 4

Графит Графит – устойчивая при нормальных условиях аллотропная модификация углерода, имеет серо - черный цвет и металлический блеск, кажется жирным на ощупь, очень мягок и оставляет черные следы на бумаге. Атомы углерода в графите расположены отдельными слоями, образованными из плоских шестиугольников. Каждый атом углерода на плоскости окружен тремя соседними, расположенными вокруг него в виде правильного треугольника. Графит характеризуется меньшей плотностью и твердостью, а также графит может расщепляться на тонкие чешуйки. Чешуйки легко прилипают к бумаге – вот почему из графита делают грифели карандашей. В пределах шестиугольников возникает склонность к металлизации, что объясняет хорошую тепло - и электропроводность графита, а также его металлический блеск.

Графит

Фуллерены Фуллерены – класс химических соединений, молекулы которых состоят только из углерода, число атомов которого четно, от 32 и более 500, они представляют по структуре выпуклые многогранники, построенные из правильных пяти - и шестиугольников. Третья форма чистого углерода является молекулярной. Это означает, что минимальным элементом ее структуры является не атом, а молекула углерода, представляющая собой замкнутую поверхность, которая имеет форму сферы. В фуллерене плоская сетка шестиугольников ( графитовая сетка ) свернута и сшита в замкнутую сферу. При этом часть шестиугольников преобразуется в пятиугольники. Образуется структура – усеченный икосаэдр. Каждая вершина этой фигуры имеет трех ближайших соседей. Каждый шестиугольник граничит с тремя шестиугольниками и тремя пятиугольниками, а каждый пятиугольник граничит только с шестиугольниками.

Фуллерены могут найти применение в качестве присадок для ракетных топлив, смазочного материала, для создания фотоприемников и оптоэлектронных устройств, катализаторов роста, алмазных и алмазоподобных пленок, сверхпроводящих материалов, а также в качестве красителей для копировальных машин. Фуллерены применяются для синтеза металлов и сплавов с новыми свойствами.

Карбин Карбин конденсируется в виде белого углеродного осадка на поверхности при облучении пирографита лазерным пучком света. Кристаллическая форма карбина состоит из параллельно ориентированных цепочек углеродных атомов с sp- гибридизацией валентных электронов в виде прямолинейных макромолекул полиинового ( - С = С - С = С -... ) или кумуленового (= С = С = С =...) типов.