Классификация простых веществ

Простые вещества делятся на две большие группы – металлы и неметаллы. Из 114 элементов, известных к настоящему времени, только 22 неметалла, остальные – металлы.

Иногда благородные газы – элементы VIII группы, главной подгруппы, выносят в отдельное семейство. Это оправдано, так как атомы этих элементов имеют на внешнем электронном уровне по 8 (гелий – 2) электронов, т.е. законченную устойчивую электронную оболочку. Поэтому они не вступают в химические взаимодействия. К настоящему времени получены только соединения криптона, ксенона и радона с самыми активными неметаллами: фтором и кислородом. Связь в этих соединениях особая, не похожая на обычную ковалентную связь. Такие инертные элементы вполне можно рассматривать отдельно. Но тогда на долю неметаллов приходится всего 16 элементов.

Чем же металлы и неметаллы отличаются друг от друга? Давайте рассмотрим все по порядку.

1. Особенности строения атома

Металлы имеют на внешнем электронном уровне мало электронов и много свободных орбиталей. Они также должны иметь достаточно большой радиус атома и, как следствие, низкие потенциал ионизации и электроотрицательность. Эти условия соблюдаются для s-элементов, имеющих на внешнем уровне 1 или 2 электрона. Исключение здесь составляют элементы первого периода – водород и гелий. Гелий имеет законченный внешний уровень и относится к благородным газам, а у водорода слишком маленький радиус атома и свободные орбитали отсутствуют. Как вы помните, все d- и f-элементы также имеют на внешнем электронном уровне 2, реже 1 электрон, поэтому все они относятся к металлам. Для p-элементов характерно изменение количества внешних электронов от 3 до 8. Радиус атома при движении по группе сверху вниз увеличивается, а в периоде слева направо уменьшается. Поэтому некоторые р-элементы проявляют свойства металлов, а некоторые – неметаллов. Если в Периодической системе провести диагональ от бериллия до астата, то p-элементы, расположенные ниже этой диагонали, являются металлами, а выше – неметаллами. Элементы, находящиеся вблизи диагонали, проявляют промежуточные свойства.

Неметаллы же, напротив, должны иметь много электронов на внешнем уровне, маленький радиус атома, большие электроотрицательность и потенциал ионизации. Этому условию отвечают р-элементы, находящиеся выше диагонали «бериллий – астат». Они-то и относятся к неметаллам.

2. Нахождение металлов и неметаллов в группах Периодической системы

Все побочные подгруппы, а также лантаноиды и актиноиды – это металлы. Рассмотрим главные подгруппы. Очевидно, что I и II группы – металлы (водород – неметалл). В III группе появляется неметалл бор, который должен был бы образовать катион с зарядом +3, но из-за маленького радиуса атома такой катион имел бы слишком большую концентрацию заряда, что энергетически невыгодно. В IV группе наблюдается наибольшее разнообразие свойств элементов. Углерод и кремний – типичные неметаллы, германий условно относят к металлам (металлоид). Этот элемент имеет самые промежуточные свойства, например, он является полупроводником. Олово и свинец – это уже металлы. В V группе металлы – это сурьма и висмут, в VI – радиоактивный полоний. Остальные элементы V, VI и VII групп проявляют свойства неметаллов.

3. Строение кристаллических решеток простых веществ в их твердом состоянии

Металлы образуют металлическую решетку, в узлах которой находятся частично атомы, частично катионы, которые удерживаются вместе «электронным газом». «Электронным газом» называют частично обобществленные электроны, которые притягиваются ко всем соседним катионам и поэтому способны к направленному перемещению в толще кристалла. Объяснить суть металлической связи легче всего в рамках теории молекулярных орбиталей, которую мы в школе не изучаем. Скажу коротко. И свободные, и занятые орбитали при сближении атомов друг с другом перекрываются, образуя новые молекулярные орбитали, мало отличающиеся друг от друга по энергии. Электроны занимают молекулярные орбитали в соответствии с теми же принципами, что и атомные. Таким образом, получается, что заняты только самые низкие по энергии орбитали, а очень близко имеются свободные, на которые электрон легко попадет, если получит хоть минимальную энергию. Вот и бегают электроны металла по «ступенькам-орбиталям», попутно притягиваясь к встречающимся на пути катионам. На прочность металлической решетки оказывает влияние процент катионов в ее узлах. Чем больше катионов (и меньше атомов), тем менее прочна такая кристаллическая решетка, т.к. катионы, имеющие одинаковый заряд, отталкиваются друг от друга. Поэтому s-элементы, имеющие более низкий потенциал ионизации, и. как следствие, более высокий процент катионов в узлах решетки, имеют более слабую решетку, чем d-элементы. Решетка d-элементов также укрепляется за счет того, что неспаренные d-электроны способны к ковалентному связыванию между собой. Эта способность тем выше, чем больше номер электронного слоя, в котором находятся валентные электроны атомов данного элемента. Таким образом, при движении по побочным подгруппам сверху вниз прочность металлической решетки увеличивается. У металлов главных подгрупп тенденция противоположная: при движении по подгруппе сверху вниз энергия кристаллической решетки уменьшается.

Рис.1. Типы кристаллических решеток простых веществ в зависимости от положения элементов в Периодической системе

На рис.1 приведены кристаллические решетки простых веществ элементов главных подгрупп. Как уже было сказано, все металлыимеют металлическую решетку, а неметаллы могут образовывать как атомную, так и молекулярную решетки. В узлах атомной кристаллической решетки находятся атомы, связанные друг с другом ковалентной связью. В молекулярной решетке – молекулы, связанные друг с другом слабыми ориентационными силами.

4. Физические свойства

Физические свойства определяются типом кристаллической решетки, поэтому все металлы имеют очень похожие свойства: твердость, металлический блеск, высокие температуры плавления и кипения, тепло- и электропроводность, ковкость и пластичность.

Металлы принято делить по плотности на легкие (ρ ниже 5г/см³) и тяжелые. Легкие – это щелочные, щелочноземельные, алюминий, скандий, титан, иттрий. Остальные тяжелые. Самый легкий металл – литий (ρ=0,53 г/см³). Натрий и калий также имеют плотность ниже плотности воды. Самые тяжелые металлы – это осмий, иридий и платина.

Как уже было сказано, s-элементы образуют кристаллическую решетку, менее прочную, чем d-элементы. Поэтому они имеют меньшую твердость (например, натрий и калий режутся ножом). s-Элементы проявляют также меньшую тепло- и электропроводность, имеют более низкие температуры плавления и кипения, чем d-элементы. При движении по группе щелочных металлов сверху вниз процент катионов в узлах металлической решетки возрастает, прочность решетки и температура плавления при этом уменьшаются: Li - 180⁰C, Na - 98⁰C, K - 63⁰C, Rb - 39⁰C, Cs - 28⁰C. Низкую температуру плавления имеет также галлий (30⁰С). Этот факт не находит простого объяснения. А высокая температура кипения (2070⁰С) делает галлий веществом, имеющим самый большой интервал существования жидкой фазы. Ну и чемпион по низкой температуре плавления для металлов – это ртуть (-39⁰С), которая является жидкостью при комнатной температуре. Низкая температура плавления ртути связана с ее уникальной внешней электронной конфигурацией (5d¹⁰6s²), в которой присутствуют два инертных полностью заполненных электронных подуровня. Самым высокоплавким металлом является вольфрам (t_пл=3420⁰С).

По тепло- и электропроводности чемпионами являются золото, серебро, медь из-за низкого процента катионов в узлах кристаллической решетки. Ведь катионы, притягивая электроны, препятствуют их направленному передвижению в толще металла. Следом за этими металлами идет алюминий. Очевидно, что низкой тепло- и электропроводностью обладают щелочные и щелочноземельные металлы, а также ртуть из-за инертности ее потенциальных переносчиков тепла и электричества (6s²-электронов).

Неметаллы по физическим свойствам разбиваются на две группы в зависимости от типа кристаллической решетки. Следует также вспомнить, что большинство неметаллов образуют по несколько аллотропных модификаций, которые могут иметь разный тип кристаллической решетки. Например, белый фосфор образует молекулярную решетку, а красный и черный – атомные.

Атомные кристаллы могут иметь трехмерную структуру типа алмаза, тогда они обладают высокой твердостью, высокими температурами плавления и кипения, нерастворимы в воде, не проводят тепла и электричества. Температура плавления алмаза около 4000⁰С. Такую структуру кроме алмаза имеют кремний, германий, неметаллическая модификация олова («серое олово»). Похожая структура у β-ромбоэдрического бора. Существуют также слоистые структуры. Например, всем известный графит, черный фосфор, мышьяк. Цепочечные структуры образуют пластическая сера, серый селен, теллур. По физическим свойствам эти вещества отличаются друг от друга. В целом их твердость и температуры фазовых переходов ниже, чем у алмазоподобных веществ. Некоторые обладают электропроводностью; например, графит.

Совсем другими свойствами обладают неметаллы молекулярного строения. Они имеют низкие температуры плавления и кипения. При комнатной температуре часто бывают газами. Инертные газы образуют одноатомные молекулы с температурами конденсации, близкими к абсолютному нулю. Большинство двухатомных молекул также газообразны: H₂, O₂, N₂, F₂, Cl₂. Бром – жидкость. Иод – твердое вещество, способное возгоняться (сублимироваться), т.е. переходить непосредственно из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое. Следует обратить внимание, что порядок изменения температур плавления и кипения в группе галогенов обратный тому, который мы наблюдали в группе щелочных металлов. Температуры кипения: F₂ -188⁰C, Cl₂ -34⁰C, Br₂ +59⁰C, I₂ +184,5⁰C. Для такого изменения температур фазовых переходов имеется две причины. Во-первых, ван-дер-ваальсовы силы увеличиваются с ростом поляризуемости взаимодействующих молекул, которая, в свою очередь, растет с увеличением радиуса атомов, составляющих молекулу, т.е. по группе сверху вниз. Во- вторых, т.к. эти силы слабые, то на фазовые переходы большое влияние оказывает молярная масса, которая также увеличивается при движении вниз по группе.

Некоторые неметаллы образуют дискретные полиатомные молекулы: белый фосфор – Р₄, ромбическая сера – S₈, ромбический и моноклинный селен – Se₈. Эти вещества твердые при комнатной температуре, но имеют низкие температуры плавления. В воде растворяются плохо, но могут растворяться в неполярных растворителях. Являются тепло- и электроизоляторами.

5. Химические свойства

Все металлы являются только восстановителями. Они отдают электроны, превращаясь в катионы. Металлы I – III групп, главных подгрупп образуют катионы, имеющие электронную оболочку благородного газа, что придает им устойчивость. Катионы переходных металлов часто не имеют 8-миэлектронной оболочки, поэтому являются менее устойчивыми, проявляют сильные окислительные свойства, а также склонность к гидролизу и комплексообразованию. Для существования катионов важным является концентрация заряда, которая представляет собой отношение заряда катиона к радиусу атома. Поэтому маленькие и трехзарядные катионы недостаточно устойчивы, могут образовывать ковалентные соединения, т.к. обладают значительным поляризующим действием. Они внедряются в электронную оболочку анионов, особенно, если анион сильно поляризуем (имеет большой размер и низкую концентрацию заряда).

При равной концентрации заряда для двух или нескольких катионов наблюдается большое сходство в свойствах соединений, включающих эти катионы. Такое сходство мы видим для лития и магния, а также для бериллия и алюминия. Это элементы II и III периодов, расположенные друг под другом по диагонали. Данное явление получило название: «диагональное сходство». Аналогично, концентрация заряда для двухзарядных катионов металлов 3d-семейства близка к таковой для катиона магния, а для катионов с зарядом +3 – к катиону алюминия. Химию алюминия и его соединений надо хорошо понять, тогда будет легко запомнить свойства соединений целого ряда других металлов.

Из-за близости свойств металлы, особенно переходные, легко образуют сплавы друг с другом. Некоторые сплавы - это твердые растворы, другие – интерметаллические соединения. Конкретные сплавы мы будем обсуждать в рамках изучения химии элементов.

Упомянем еще такое явление, которое влияет на реакционную способность металлов, как пассивация. Пассивацией называется изменение поверхностного слоя твердого вещества за счет образования инертной пленки из оксида или соли. Такая пленка препятствует контакту поверхности с окружающей средой или реагентом. Щелочные и щелочноземельные металлы не пассивируются. А их реакционная способность даже к компонентам воздуха так велика, что их приходится хранить под слоем инертной жидкости, например, керосина.

Химическое поведение неметаллов более разнообразно. Они могут выступать как окислителями, так и восстановителями, в зависимости от электроотрицательности партнера по реакции. По отношению к металлам они всегда являются окислителями.В качестве одноатомных ионов неметаллы образуют только анионы. При малой восстановительной активности металла и малой окислительной способности неметалла непосредственного взаимодействия не происходит. Косвенно такие соединения получить можно, связь в них между металлом и неметаллом будет ковалентная полярная. Между собой неметаллы связываются посредством ковалентной связи.При этом образуетсямножество разнообразных соединений, в том числе, миллионы органических веществ.

Переходные металлы потому и называются переходными, что проявляют двойственность в химическом поведении. Как простые вещества, а также катионы с зарядами 1+, 2+, 3+ они ведут себя как металлы. В более высоких степенях окисления – как неметаллы. Их соединения в высших степенях окисления похожи на аналогичные соединения их соседей по группе из главной подгруппы (например, хром и сера, марганец и хлор).