Неметаллы: атомы и простые вещества. Кислород, озон, воздух

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Неметаллы – химические элементы, атомы которых принимают электроны для завершения внешнего энергетического уровня, образуя при этом отрицательно заряженные ионы.

Электронная конфигурация валентных электронов неметаллов в общем виде — ns²np¹⁻⁵ Исключение составляют водород (1s¹) и гелий (1s²), которые тоже рассматривают как неметаллы.

Если в Периодической системе мысленно провести диагональ от бериллия к астату, то в правом верхнем углу таблицы будут находиться элементы-неметаллы. Среди неметаллов есть s-элемент – водород; р-элементы бор; углерод, кремний; азот, фосфор, мышьяк, кислород, сера, селен, теллур, галогены и астат. Элементы VIII группы – инертные (благородные) газы, которые имеют полностью завершенный внешний энергетический уровень и их нельзя отнести ни к металлам, ни к неметаллам.

Неметаллы обладают высокими значениями сродства к электрону , электроотрицательность и окислительно-восстановительный потенциал.

Характеристика атомов химических элементов — неметаллов

Неметаллы можно охарактеризовать в зависимости от строения их атомов, а также по их положению в Периодической системе Д.И. Менделеева. Рассмотрим характеристику химического элемента — неметалла на примере фосфора:

1. P – фосфор.

2. Порядковый номер – 15. Элемент находится в 3 периоде, в V группе, А (главной) подгруппе.

3. Z=15 (заряд ядра), M=31 (массовое число), e=15 (число электронов), p=15 (число протонов), n=31-15=16 (число нейтронов).

4. ₁₅P 1s²2s²2p⁶3s²3p³ – электронная конфигурация, валентные электроны 3s²3p ³.

5. Основное состояние

Возбужденное состояние

6. p-элемент, неметалл.

7. Высший оксид – P₂O₅ — проявляет кислотные свойства:

P₂O₅ + 3Na₂O = 2Na₃PO₄

Гидроксид, соответствующий высшему оксиду – H₃PO₄, проявляет кислотные свойства:

H₃PO₄ + 3NaOH = Na₃PO₄ + 3H₂O

8. Минимальная степень окисления «-3», максимальная – «+5»

Неметаллы – простые вещества

В свободном виде фтор, хлор, кислород, азот, водород и инертные газы представляют собой газообразные вещества, йод, астат, сера, селен, теллур, фосфор, мышьяк, углерод, кремний, бор – твёрдые вещества; бром — жидкость.

Молекулы галогенов, кислорода и азота двухатомны: F₂, Cl₂, Br₂, I₂, O₂, N₂.

Кислород и озон

Кислород относится к семейству p-элементов. Электронная конфигурация атома кислорода 1s²2s²2p⁴. В своих соединениях кислород способен проявлять несколько степеней окисления: «-2», «-1» (в пероксидах), «+2» (F₂O). Для характерно проявление явления аллотропии – существования в виде нескольких простых веществ – аллотропных модификаций. Аллотропные модификации кислорода – кислород O₂ и озон O₃.

В свободном состоянии кислород представляет собой газ без цвета и запаха, плохо растворимый в воде, озон – газ с резким запахом, неустойчив.

Различают промышленные и лабораторные способы получения кислорода. Так, в промышленности кислород получают перегонкой жидкого воздуха, а к основным лабораторным способам получения кислорода относят реакции термического разложения сложных веществ:

2KMnO₄ = K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂↑

4K₂Cr₂O₇ = 4K₂CrO₄ + 2Cr₂O₃ +3O₂↑

2KNO₃ = 2KNO₂ + O₂↑

2KClO₃=2KCl +3 O₂↑

Во всех реакциях взаимодействия с простыми веществами, кроме фтора, кислород проявляет окислительные свойства:

4P + 5O₂=2P₂O₅ (при нагревании)

P $^{\circ}$ -3e = P³⁺ — процесс окисления (восстановитель)

O₂ $^{\circ}$ +2e = 2O^2- — процесс восстановления (окислитель)

4Li + O₂ =2Li₂O (при н.у.)

Li $^{\circ}$ -e = Li⁺ — процесс окисления (восстановитель)

O₂ $^{\circ}$ +2e = 2O^2- — процесс восстановления (окислитель)

При взаимодействии со сложными веществами происходит образование оксидов соответствующих элементов:

2H₂S + O₂ =2SO₂ + 2H₂O

Озон – более сильный окислитель, чем кислород. Получение озона осуществляют путем электрического разряда через кислород:

3O₂↔2O₃ – Q

Качественная реакция на озон – взаимодействие озона с иодидом калия (с кислородом эта реакция не идет):

2KI + O₃ + H₂O = I₂ + 2KOH + O₂

Выделяющийся в ходе реакции йод фиксируют по посинению крахмала.

Воздух

Воздух представляет собой смесь газов, растворенных друг в друге. В состав воздуха входят азот (78% по объему), кислород (21% по объему), благородные (инертные) газы (около 1% по объему), оксид углерода (IV), пары воды и различные примеси. Содержание оксида углерода (IV), паров воды и примесей в воздухе может меняться в зависимости от условий.

Диоксид углерода образуется в природе в результате процессов горения растительных материалов, при дыхании живых организмов и гниении. Большое количество CO₂ поступает в атмосферу в результате деятельности человека. Несмотря на постоянное поступление CO₂ в атмосферу среднее его содержание в воздухе практически всегда находится на уровне 0,03% по объему.

Содержание водных паров в воздухе колеблется от нескольких долей процента до нескольких процентов и определяется местными условиями и температурой.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

Определите объем воздуха, необходимый для полного окисления сероводорода объемом 448 л.

Решение

Окислительная способность воздуха обусловлена наличием в воздухе кислорода. Объемная доля кислорода в воздухе – 21%, т.е. 1/5 часть от всего объема воздуха. Запишем уравнение реакции полного окисления сероводорода кислородом воздуха:

2H₂S + 3O₂ =2SO₂ +2H₂O

Найдем количество вещества сероводорода:

v(H₂S) = V(H₂S)/V_m

v(H₂S) = 448/22,4 = 20 моль

По уравнению число моль кислорода:

v(O₂)=1,5× v(H₂S)

v(O₂)=1,5×20=30 моль

Найдем объем кислорода:

V(O₂)= v(O₂) × V_m

V(O₂)= 30 ×22,4 =672 л

Тогда объем воздуха:

V= V(O₂) ×5

V= 672×5= 3360 л

Ответ

Объем воздуха — 3360 л

ПРИМЕР 2

Задание

Охарактеризуйте кислород по его положению в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева.

Ответ

1. O – кислород.

2. Порядковый номер – 8. Элемент находится во 2 периоде, в VI группе, А (главной) подгруппе.

3. Z=88 (заряд ядра), M=16 (массовое число), e=8 (число электронов), p=8 (число протонов), n=16-8=8 (число нейтронов).

4. ₈O 1s²2s²2p⁴ – электронная конфигурация, валентные электроны 2s²2p⁴.