Распространение элементов неметаллов в природе сообщение

Обновлено: 06.07.2024

Многие металлы широко распространены в природе. Так, содержание некоторых металлов в земной коре следующее:
алюминия — 8,2%
железа — 4,1%
кальция — 4,1%
натрия — 2,3%
магния — 2,3%
калия - 2,1 %
титана — 0,56%

Большое количество натрия и магния содержится в морской воде: — 1,05%, — 0,12%.

В природе металлы встречаются в различном виде:
— в самородном состоянии: серебро , золото , платина , медь , иногда ртуть
— в виде оксидов: магнетит Fe₃O₄, гематит Fe₂О₃ и др.
— в виде смешанных оксидов: каолин Аl₂O₃ • 2SiO₂ • 2Н₂О, алунит (Na,K)₂O • АlО₃ • 2SiO₂ и др.
— различных солей:
сульфидов: галенит PbS, киноварь НgS,
хлоридов: сильвин КС1, галит NaCl, сильвинит КСl• NаСl, карналлит КСl • МgСl₂ • 6Н₂О, сульфатов: барит ВаSO₄, ангидрид Са₈О₄ фосфатов: апатит Са₃(РО₄)₂, карбонатов: мел, мрамор СаСО₃, магнезит МgСО₃.
Многие металлы часто сопутствуют основным природным минералам: скандий входит в состав оловянных, вольфрамовых руд, кадмий — в качестве примеси в цинковые руды, ниобий и тантал — в оловянные.
Железным рудам всегда сопутствуют марганец, никель, кобальт, молибден, титан, германий, ванадий.

Нахождение неметаллов в природе

Неметаллы находятся в земной коре (в большинстве своем кислород и кремний — 76 % от массы земной коры а также As, Se, I, Te, но в очень незначительных количествах), в воздухе (азот и кислород) , в составе растительной массы (98,5 % — углерод, водород, кислород, сера, фосфор и азот), а также в основе массы человека (97,6 % — — углерод, водород, кислород, сера, фосфор и азот). Водород и гелий – входят в состав космических объектов, включая Солнце. Чаще всего в природе неметаллы встречаются в виде соединений.

Физические свойства неметаллов

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.

Положение неметаллов в Периодической системе Д.И. Менделеева

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.

Причисляя тот или иной элемент к разряду металлов, мы имеем в виду наличие у него определенного комплекса свойств:

1. Плотная кристаллическая структура.

2. Характерный металлический блеск.

3. Высокая теплопроводность и электрическая проводимость.

4. Уменьшение электрической проводимости с ростом температуры.

5. Низкие значения потенциала ионизации, т.е. способность легко отдавать электроны.

6. Ковкость и тягучесть.

7. Способность к образованию сплавов.

Все металлы и сплавы, применяемые в настоящее время в технике, можно разделить на две основные группы. К первой из них относят черные металлы - железо и все его сплавы, в которых оно составляет основную часть. Этими сплавами являются чугуны и стали. В технике часто используют так называемые легированные стали. К ним относятся стали, содержащие хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий, кобальт, титан и другие металлы. Иногда в легированные стали входят 5-6 различных металлов. Методом легирования получают различные ценные стали, обладающие в одних случаях повышенной прочностью, в других - высокой сопротивляемостью к истиранию, в третьих - коррозионной устойчивостью, т.е. способностью не разрушаться под действием внешней среды.

Ко второй группе относят цветные металлы и их сплавы. Они получили такое название потому, что имеют различную окраску. Например, медь светло-красная, никель, олово, серебро - белые, свинец - голубовато-белый, золото -желтое. Из сплавов в практике нашли большое применение: бронза - сплав меди с оловом и другими металлами, латунь - сплав меди с цинком, баббит - сплав олова с сурьмой и медью и др.

Это деление на черные и цветные металлы условно.

Наряду с черными и цветными металлами выделяют еще группу благородных металлов: серебро, золото, платину, рутений и некоторые другие. Они названы так потому, что практически не окисляются на воздухе даже при повышенной температуре и не разрушаются при действии на них растворов кислот и щелочей.

Очень важным свойством металлов является их сравнительно легкая механическая деформируемость. Металлы пластичны, они хорошо куются, вытягиваются в проволоку, прокатываются в листы и т.п.

Характерные физические свойства металлов находятся в связи с особенностями их внутренней структуры. Согласно современным воззрениям, кристаллы металлов состоят из положительно заряженных ионов и свободных электронов, отщепившихся от соответствующих атомов. Весь кристалл можно себе представить в виде пространственной решетки, узлы которой заняты ионами, а в промежутках между ионами находятся легкоподвижные электроны. Эти электроны постоянно переходят от одних атомов к другим и вращаются вокруг ядра то одного, то другого атома. Так как электроны не связаны с определенными ионами, то уже под влиянием небольшой разности потенциалов они начинают перемещаться в определенном направлении, т.е. возникает электрический ток.

Наличием свободных электронов обусловливается и высокая теплопроводность металлов. Находясь в непрерывном движении, электроны постоянно сталкиваются с ионами и обмениваются с ними энергией. Поэтому колебания ионов, усилившиеся в данной части металла вследствие нагревания, сейчас же передаются соседним ионам, от них - следующим и т.д., и тепловое состояние металла быстро выравнивается; вся масса металла принимает одинаковую температуру.

Неметаллы

Неметаллические элементы в основном расположены в правой верхней части периодической системы. Так как в периодах слева направо у атомов элементов увеличивается заряды ядер и уменьшаются атомные радиусы, а в группах сверху вниз атомные радиусы также возрастают, то понятно, почему атому неметаллов сильнее, чем атомы металлов, притягивают наружные электроны. В связи с этим у неметаллов преобладают окислительные свойства. Особенно сильные окислительные свойства, т.е. способность присоединять электроны, проявляют неметаллы, находящиеся во 2-ом и 3-м периодах VI-VII групп. Самым сильным окислителем является фтор. В соответствии с численными значениями относительных электроотрицательностей окислительные способности неметаллов увеличивается в следующем порядке:

Si, B, H, P, C, S, I, N, Cl, O, F.

Следовательно, энергичнее всего взаимодействует с водородом и металлами фтор:

Менее энергично реагирует кислород:

Фтор - самый типичный неметалл, которому нехарактерны восстановительные свойства, т.е. способность отдавать электроны в химических реакциях.

Кислород же, судя по его соединениям с фтором, может проявлять и положительную степень окисления, т.е. являться восстановителем.

Все остальные неметаллы проявляют восстановительные свойства. Причем эти свойства постепенно возрастают от кислорода к кремнию: O, Cl, N, I, S, C, P, H, B, Si. Так, например, хлор непосредственно с кислородом не соединяется, но косвенным путем можно получить его оксиды (Cl2 O, ClO2 , Cl2O2 ), в которых хлор проявляет положительную степень окисления. Азот при высокой температуре непосредственно соединяется с кислородом и, следовательно, проявляет восстановительные свойства. Еще легче с кислородом реагирует сера: она проявляет и окислительные свойства.

Перейдем к рассмотрению строения молекул неметаллов. Неметаллы образуют как одноатомные, так и двухатомные молекулы.

К одноатомным неметаллам относятся инертные газы, практически не реагирующие даже с самыми активными веществами. Инертные газы расположены в VIII группе Периодической системы, а химические формулы соответствующих простых веществ следующие: He, Ne, Ar, Kr, Xe и Rn.

Некоторые неметаллы образуют двухатомные молекулы. Это H2, F2, Cl2, Br2, I2 (элементы VII группы Периодической системы), а также кислород O2 и азот N2. Из трехатомных молекул состоит газ озон (O3).

Для веществ неметаллов, находящихся в твердом состоянии, составить химическую формулу довольно сложно. Атомы углерода в графите соединены друг с другом различным образом. Выделить отдельную молекулу в приведенных структурах затруднительно. При написании химических формул таких веществ, как и в случае с металлами, вводится допущение, что такие вещества состоят только из атомов. Химические формулы, при этом, записываются без индексов - C, Si, S и т.д.

Такие простые вещества, как озон и кислород, имеющие одинаковый качественный состав (оба состоят из одного и того же элемента - кислорода), но различающиеся по числу атомов в молекуле, имеют различные свойства. Так, кислород запаха не имеет, в то время как озон обладает резким запахом, который мы ощущаем во время грозы. Свойства твердых неметаллов, графита и алмаза, имеющих также одинаковый качественный состав, но разное строение, резко отличаются (графит хрупкий, алмаз твердый). Таким образом, свойства вещества определяются не только его качественным составом, но и тем, сколько атомов содержится в молекуле вещества и как они связаны между собой.

Неметаллы в виде простых тел находятся в твердом или газообразном состоянии (исключая бром - жидкость). Они не имеют физических свойств, присущих металлам. Твердые неметаллы не обладают характерным для металлов блеском, они обычно хрупки, плохо проводят электрический ток и тепло (за исключением графита).

Химические элементы принято делить на металлы и неметаллы по их химическим свойствам. В периодической системе неметаллы расположены в А-группах : IА, IIIА–VIIIА . От металлов их отделяет ступенчатая линия водород — бор — оганесон. Неметаллы находятся выше этой линии, то есть занимают правый верхний угол таблицы, образуя своеобразный треугольник ( рис. 61 ).

Рис. 61. Неметаллы и электронная конфигурация их внешнего энергетического уровня

Элементы, расположенные в одной группе, сходны по строению атома, а значит, во многом и по свойствам. Поэтому для некоторых групп неметаллов применяют общие названия. Так, неметаллы VIIIA-группы называют благородными газами. Для элементов VIIA-группы используют название галогены — рождающие соли. Неметаллы VIA-группы имеют общее название халькогены — рождающие руды.

По электрофизическим свойствам, в отличие от химических, простые вещества, состоящие из атомов тех или иных элементов, подразделяют на три группы: металлы, полупроводники и диэлектрики. Различить эти вещества можно не только по величине электропроводности, но и по характеру её зависимости от температуры. С ростом температуры электропроводность металлов падает, а полупроводников и диэлектриков растёт. Типичные полупроводники — кремний и германий.

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 — ns 2 np 1−5 Исключение составляют водород (1s 1 ) и гелий (1s 2 ), которые тоже рассматривают как неметаллы.

Неметаллы обычно обладают большим спектром степеней окисления в своих соединениях. Большее число электронов на внешнем энергетическом уровне по сравнению с металлами определяет их большую способность к присоединению электронов и проявлению высокой окислительной активности.

Нахождение неметаллов в природе

Физические свойства неметаллов

Положение неметаллов в Периодической системе Д.И. Менделеева

Получение неметаллов

Многообразие неметаллов породило многообразие способов их получения, так водород получают, как лабораторными способами, например, взаимодействием металлов с кислотами (1), так и промышленными способами, например, конверсией метана (2).

$^<\circ> CH4 + H2O = CO + 3H2 ↑ (температура 900$
С)

Получение галогенов осуществляют в основном, путем окисления галогеноводородных кислот:

Для получения кислорода используют реакции термического разложения сложных веществ:

Серу получают неполным окислением сероводорода (1) или по реакции Вакенродера (2):

Для получения азота используют реакцию разложения нитрита аммония:

Основной способ получения фосфора – из фосфата кальция:

Химические свойства неметаллов

Основные химические свойства неметаллов (общие для всех) – это:

— взаимодействие с металлами

— взаимодействие с другими неметаллами

Каждый неметалл обладает специфическими химическими свойствами, характерными только для него, которые подробно рассматривают при изучении каждого неметалла в отдельности.

Атомы неметаллических элементов составляют подавляющее большинство соединений во Вселенной и верхних слоях Земли. Они более распространены в природе, чем металлы. Некоторые неметаллические элементы встречаются в природе в виде простых веществ: месторождения самородной серы в Прикарпатье; Завальевское месторождение графита; существуют залежи пород, содержащих алмазы. В состав воздуха входят: азот, кислород, инертные газы. Распространенным элементом в космосе является водород. Гораздо больше атомов неметаллических элементов образуют различные сложные вещества. Так, значительную часть литосферы составляет кремнезем SiO 2, гидросферы – вода.

Кислород один из самых распространенных элементов на Земле. В земной коре в составе соединений 49% по массе. Он входит в состав воды, горных пород, минералов, солей. Есть обязательной составной частью растительных, животных организмов: входит в состав белков, жиров, углеводов. В воздухе свободного кислорода 21% по объему.

Сера широко распространен в природе как в свободном виде (с примесями горных пород), так и в соединениях с различными металлами (сульфиды), а также в виде солей. Сульфиды: железный колчедан или пирит FeS2, цинковая обманка ZnS, медный блеск CuS, киноварь HgS. Сульфаты: гипс CaSO4 • 2H2O, глауберовая соль Na2SO4 • 10H2O, горькая соль MgSO4 • 7H2O. Содержится в живых организмах, входит в состав белка, в состав органических соединений в нефти.

Элемент Карбон входит в состав нефти, газа, угля, сланцев, органических соединений, углекислого и угарного газов. Важный элемент живой природы – входит в состав белков, жиров, углеводов, витаминов, ферментов, гормонов. В виде простых веществ графита и алмаза; сложных веществ: CaCO3 – мел, известняк, мрамор, CaCO3 • MgCO3 – доломит, MgCO3 – магнезит.

Чистый кремний в природе не существует, его добывают химическим способом. По распространенности занимает второе место после кислорода. Оболочка Земли на 97% состоит из соединений кремния. Встречается в виде: SiO2 – песок, кварц, кремнезем; минералов – слюда, асбест, тальк, нефелин, полевой шпат. В стеблях растений (хвощ, бамбук), в теле птиц и животных – перья, глаз, скелет, тело губок.

Фосфор в природе существует только в соединениях в виде фосфатов. Главные минералы в состав которых входит Фосфор – Ca3 (PO4) 2 – апатиты и фосфориты (0,08%). Элемент Фосфор входит в состав костной, мышечной, нервной тканей человека и животных, многие его в клетках мозга.

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 ($O_2$ — $49,4$ % , $Si$ — $25,8$ % ).

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: