Неметали
🔦 През 1669 г. хамбургският алхимик Хенинг Бранд търси философския камък – вещество, което превръща металите в злато. Той изпарява голямо количество урина, нагрява остатъка силно и получава восъчна бяла маса, която свети в тъмното. Злато не намира, но открива нов елемент – фосфора („носител на светлина“ на гръцки). Бранд е първият известен по име човек, открил . Днес знаем, че светенето идва от бавното на белия фосфор от кислорода във въздуха.
1. Неметалите в периодичната система
Неметалите са в горния десен ъгъл на – над диагонала B–Si–As–Te, където са полуметалите. Те са малко (около двадесет елемента, ако броим и благородните газове), но изграждат въздуха, водата, скалите и живите организми. Водородът е неметал, макар да стои в група 1. Повече за мястото на елементите в таблицата – в урока Атоми, изотопи и периодичната система.
Общи свойства на неметалите
Колкото по-голяма е , толкова по-силен е неметалът. Флуорът (3,98) е най-силният – той само приема електрони. Кислородът (3,44) и хлорът (3,16) също са силни окислители. Сярата, въглеродът, фосфорът и водородът могат да бъдат и окислители, и : в сярата е отдала електрони на кислорода, а в – е приела от водорода.
При стайна температура единадесет неметала са газове (, , , , и шестте благородни газа), бромът е течност, а въглеродът, фосфорът, сярата, селенът и йодът са твърди вещества.
2. Водород
Водородът е най-лекият газ – около 14,5 пъти по-лек от въздуха. Без цвят и мирис е и почти не се разтваря във вода. Гори с бледосин пламък до вода, а смес от два обема водород и един обем кислород („гърмящ газ“) избухва при запалване:
С активните метали водородът е окислител (, хидрид с ), но най-често е редуктор: отнема кислорода от металните , например . В лабораторията се получава от цинк и разредена , а в промишлеността – най-вече от природен газ и водна пара:
Пример
Колко кубични метра водород се получават от 100 m³ метан по горното уравнение? (Обемите са при еднакви условия.)
- Обемите на газовете се отнасят като коефициентите: на 1 обем метан – 3 обема водород.
3. Халогени
(група 17) имат по 7 външни електрона и лесно приемат още един. Простите им вещества са двуатомни молекули: флуорът е бледожълт газ, хлорът – жълтозелен газ, бромът – червенокафява течност, а йодът – тъмновиолетови кристали, които при нагряване направо се превръщат в лилави пари (сублимират). Всички са отровни.
Ред на активност на халогените
Причината е в размера на атома: надолу в групата външният слой е по-далеч от ядрото и новият електрон се привлича по-слабо. Това е пряко свързано с електродните потенциали: за той е , за – само .
Cl₂ + 2KBr → 2KCl + Br₂. Cl₂ е по-силен окислител и „взима“ електроните на Br⁻. Водата става жълтооранжева, а хексанът извлича Br₂ и е оранжевочервен.
💡 Хексанът не се смесва с водата и е по-лек от нея, затова е отгоре. Халогените се разтварят в него по-добре, отколкото във вода, и цветът се вижда ясно – така се различава бромът от йода. По-нагоре в групата халогенът е по-силен окислител: F₂ > Cl₂ > Br₂ > I₂. Цветовете на рисунката са приблизителни.
Хлороводородът е газ, който се разтваря много добре във вода и дава солна киселина. Такава киселина има и в стомашния сок. Хлорът обеззаразява водата: с нея той образува хипохлориста киселина , която убива микробите ().
Пример
Колко грама бром се отделят, ако през разтвор на калиев бромид се пропуснат 1,12 L хлор (н.у.)?
- По уравнението :
4. Кислород, озон и алотропия
Кислородът е най-разпространеният елемент в земната кора и около 21% от обема на въздуха. Поддържа горенето и дишането. С почти всички елементи образува оксиди. Но кислородът съществува и като друго – озон.
Алотропия
Озонът се образува от кислорода при електрични разряди (мирисът след гръмотевична буря) и под действие на ултравиолетова светлина: . Високо в атмосферата, приблизително на 15–35 km височина, той образува озоновия слой, който поглъща голяма част от опасното ултравиолетово лъчение на Слънцето. Близо до земята обаче озонът е замърсител – дразни дробовете.
| Алотропна форма | Строеж | Свойства |
|---|---|---|
| диамант | всеки атом C е свързан с 4 други в тетраедрична пространствена мрежа | най-твърдото природно вещество, не провежда ток, |
| графит | слоеве от шестоъгълници, слабо свързани помежду си | мек (оставя следа – молив), провежда ток, |
| фулерен | молекула от 60 атома с форма на футболна топка | открит през 1985 г.; разтваря се в някои органични разтворители |
| кислород | двуатомни молекули | без цвят и мирис, кипи при |
| озон | триатомни молекули | синкав газ с остра миризма, кипи при , много по-силен окислител |
| бял фосфор | отделни тетраедрични молекули | свети в тъмното, самозапалва се на въздуха, пази се под вода, силно отровен |
| червен фосфор | дълги вериги (полимер) | устойчив, неотровен; намазан е отстрани на кибритената кутийка |
5. Сяра и сярна киселина
Сярата е жълто твърдо вещество от молекули . Гори със син пламък до серен диоксид – газ с остра задушлива миризма, причина за . Сероводородът мирише на развалени яйца и е отровен.
Сярната киселина е най-произвежданото химично вещество в света – от нея се правят торове, бои, перилни препарати и акумулатори. Получава се по контактния метод:
Контактен метод за сярна киселина
Вторият етап е обратима – условията ѝ са подбрани по (виж Химично равновесие), а я ускорява.
Концентрираната сярна киселина (около 98%, плътност 1,84 g/cm³) е опасна. Тя е силно водоотнемащо вещество: овъглява захарта (), хартията и кожата. Тя е и окислител – реагира дори с медта, като се отделя , а не водород:
Желязото и алуминият на студено се покриват със защитен слой и не реагират с нея ( се) – затова концентрираната киселина се превозва в стоманени цистерни. При разреждане се отделя много топлина, затова правилото е: киселината се налива във водата на тънка струя, а не обратното.
Пример
Колко грама вода трябва да се добавят към 100 g 98% сярна киселина, за да се получи 20% разтвор?
- Масата на киселината не се променя:
- Вода: – и киселината се налива в тях, не обратното.
6. Азот, фосфор и торовете
Азотът е 78% от обема на въздуха, но е много инертен: двата атома в са свързани с тройна връзка с енергия около 945 kJ/mol. Затова растенията не могат да го използват пряко. Синтезът на амоняк по разгледахме в урока Химично равновесие. От амоняка пък се получава азотната киселина:
Метод на Оствалд за азотна киселина
- 1. S + O₂ → SO₂ или 4FeS₂ + 11O₂ → 2Fe₂O₃ + 8SO₂
- 2. 2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃
- 3. SO₃ + H₂SO₄ → H₂S₂O₇; H₂S₂O₇ + H₂O → 2H₂SO₄
Общият добив е произведение от добивите на етапите: 0,98 · 0,96 · 0,99 = 0,93. От мол S се получава 1 мол H₂SO₄ – колкото атома сяра.
💡 Масите са в тонове, но отношенията са същите като в грамове: тонът е хиляда килограма, а киломолът – хиляда мола. В съвременните заводи добивът на всеки етап обикновено е над 90%, а непревърнатият газ се връща обратно в процеса.
Азотната киселина е силен окислител. С металите тя обикновено не отделя водород, а азотни оксиди: концентрираната дава кафявия, разредената – безцветния :
Фосфорът е в костите и зъбите (калциев фосфат), в ДНК и в – молекулата, която пренася енергия в клетката. Растенията се нуждаят най-много от три елемента – азот, фосфор и калий (торовете NPK). Азотни торове са амониевата селитра и , а фосфорен – суперфосфатът (основно ).
Пример
Кой тор съдържа повече азот по маса – амониевата селитра или карбамидът ?
- в селитрата:
- В карбамида:
- Карбамидът е по-богат на азот – затова е най-използваният азотен тор в света.
7. Въглерод и силиций
Въглеродът има най-много алотропни форми – диамант, графит, фулерени, графен (един слой графит, получен за първи път през 2004 г.). Неговите съединения са предмет на цялата органична химия. От неорганичните най-важни са двата оксида:
- въглероден оксид – отровен газ без цвят и мирис. Образува се при непълно изгаряне (лошо проветрена печка) и се свързва с над 200 пъти по-здраво от кислорода;
- въглероден диоксид – продукт на пълното изгаряне и на дишането. По-тежък е от въздуха и не поддържа горенето. С вода дава слабата въглена киселина, а с – от .
Карбонатите (варовик, мрамор, креда – все ) реагират с киселините и отделят . Така се доказват – повече в урока Йонни реакции и качествен анализ.
Пример
Колко литра (н.у.) се отделят от 25 g варовик при действие на солна киселина?
Силицият е вторият по разпространение елемент в земната кора (около 28% от масата ѝ) след кислорода. Той е полуметал и полупроводник – от него се правят компютърните чипове и слънчевите батерии. Силициевият диоксид е пясъкът и кварцът, а солите на силициевите киселини – силикатите – изграждат повечето скали, глината и стъклото. Обикновеното стъкло се получава, като се стопяват при около 1500 °C пясък, сода и варовик.
8. Благородни газове
(група 18) имат пълен външен слой и почти не реагират. Използват се точно затова: хелият пълни балони и охлажда свръхпроводящите магнити в медицинските скенери, неонът свети в червено в рекламните тръби, а аргонът (около 0,93% от въздуха) пази нажежената жичка на лампите и метала при заваряване. Дълго време са ги смятали за напълно инертни – до 1962 г. (виж интересния факт в края).
9. Получаване и събиране на газове в лабораторията
Как се събира газът, зависи от две неща: дали е по-лек или по-тежък от въздуха ( около 29 g/mol – виж Газове в химията) и дали се разтваря във вода.
Правило за събиране на газове
Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑
Добре: водородът почти не се разтваря във вода и я изтиква от цилиндъра.
Как се доказва: поднесен към пламък, малко водород в епруветка изгърмява с характерен „лай“.
💡 Средната моларна маса на въздуха е около 29 g/mol. Газ с M > 29 е по-тежък и се събира в съд с отвора нагоре, газ с M < 29 – в обърнат съд. Над вода се събират само слабо разтворимите газове. Разтворимостите са приблизителни, при 20 °C и атмосферно налягане.
| Газ | Събиране | Доказване | |
|---|---|---|---|
| над вода или в обърнат съд | изгърмява с „лай“ при пламък | ||
| над вода или в съд с отвора нагоре | тлееща треска се разпалва | ||
| в съд с отвора нагоре | варната вода помътнява | ||
| в обърнат съд (не над вода!) | влажен червен лакмус посинява | ||
| в съд с отвора нагоре, в камина | жълтозелен цвят, обезцветява влажен лакмус |
10. Тренажор
Сярна киселина по контактния метод, обем на получен газ, изместване на халогените, на елемент и . Десетичните отговори въвеждай като 4,48.
Каква е относителната плътност на газа спрямо водорода?
11. Неметалите около нас
Чиста вода, торове, стъкло, пожарогасители и озоновият слой – навсякъде има неметали.
🏊 Хлориране на вода
Водата в резервоар с обем 1000 m³ се обеззаразява с хлор в доза 2 mg на литър. Колко литра хлор (н.у.) са нужни?
⛏️ Сярна киселина от пирит
Руда съдържа 60% пирит . Колко килограма се получават от 1 тон руда, ако общият добив е 90%?
🌾 Тор за нивата
За нива от 2 ha са нужни по 120 kg азот на хектар. Колко килограма амониева селитра трябва да се внесат?
🌍 Колко е озонът
Ако целият озон над дадено място се събере в слой при нормални условия, дебелината му обикновено е около 3 mm. Колко молекули озон има над 1 cm² от повърхността? (Отговорът – в молекули.)
🧯 Пожарогасител с CO₂
Пожарогасител съдържа 5 kg въглероден диоксид. Какъв обем ще заеме газът при 20 °C и 101,3 kPa (в m³)?
🪟 Пясък за стъклото
Обикновеното прозоречно стъкло има приблизителен състав . Колко килограма (пясък) има в 1 тон такова стъкло?
Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.
12. ⚠️ Чести грешки
Вода в киселината
✗ Наливам вода в концентрираната сярна киселина.
✓ Обратно: киселината – на тънка струя във водата, иначе водата кипва и пръска киселина.
Йодът измества хлора
✗
✓ Не протича: по-слабият окислител не измества хлора. Обратната реакция протича.
Диамантът и графитът
✗ Това са различни елементи.
✓ Това е един и същ елемент – въглерод; различни са строежът и свойствата (алотропия).
Амоняк над вода
✗ Събирам амоняка над вода.
✓ Амонякът се разтваря много добре във вода; събира се в обърнат съд, защото е по-лек от въздуха.
Доказване на CO₂
✗ Щом горящата треска гасне, газът е .
✓ И азотът гаси треската. Сигурното доказателство е помътняването на варната вода.
Метал + киселина = водород
✗ (конц.) отделя .
✓ Концентрираната и са окислители: отделят се , или .
13. 🎯 Бърз тест
Кой халоген измества брома от разтвор на калиев бромид?
14. 📝 Задачи за упражнение
Ниво А· Областен кръг
Ниво В· Национален кръг
Ниво С· Международна олимпиада
15. Обобщение
- ✓ Неметалите са горе вдясно в таблицата; имат висока електроотрицателност и обикновено са окислители
- ✓ Окислителната сила на халогените намалява надолу: ; по-активният измества по-слабия от солите му
- ✓ Алотропия – един елемент, няколко прости вещества: и , диамант и графит, бял и червен фосфор
- ✓ Сярна киселина – контактен метод (, катализатор ); киселината се налива във водата
- ✓ Азотна киселина – метод на Оствалд (); концентрираните и окисляват и медта
- ✓ Общият добив на многоетапен процес е произведение от добивите на етапите
- ✓ Газ с – в съд с отвора нагоре, с – в обърнат съд; над вода – само слабо разтворимите
💡 Интересен факт
До 1962 г. учебниците твърдят, че благородните газове не образуват съединения. Тогава Нийл Бартлет забелязва, че силният окислител може да откъсне електрон дори от молекулата на кислорода. Ксенонът се йонизира почти толкова лесно – и Бартлет получава оранжевожълто твърдо вещество, първото съединение на благороден газ. Днес са известни десетки съединения на ксенона, например и .