Неметаллы: кислород, водород, галогены, сера, азот, углерод

Бассейн без ухода зеленеет за пару дней. Добавили хлорку — вода прозрачна и не пахнет болотом: соединения хлора ломают оболочки бактерий быстрее, чем те успевают размножиться. Сам хлор при этом — ядовитый жёлто-зелёный газ, в 2,5 раза тяжелее воздуха. Неметаллы вообще любят контрасты: многие из них пахнут, ядовиты или взрывоопасны, но без них не было бы ни дыхания, ни воды.

Общее у неметаллов

Неметаллов в таблице Менделеева всего 22, но именно они составляют основу всего живого. Они не блестят (исключения — йод и графит), не проводят ток и в реакциях принимают электроны, а не отдают. Многие молекулы двухатомные: $H_2$, $O_2$, $N_2$, $C{l}_2$. Воздух — почти вся неметаллическая география: 78% азота и 21% кислорода. Азот ленив из-за тройной связи $N\equiv N$: на её разрыв уходит уйма энергии, поэтому атмосфера стабильна.

Горение и характерные реакции

Кислород сам не горит — он окислитель, усиливает чужое горение. Водород горит в кислороде: $2H_2+O_2=2H_{2}O$, и единственный продукт — вода, поэтому водород зовут топливом будущего. Сера сгорает голубоватым пламенем в ядовитый $S{O}_2$ с резким запахом. Хлор с водородом на свету взрывается, образуя хлороводород $HCl$: в воде это уже соляная кислота.

Ты накачал шины на шиномонтаже азотом — сервис обещает стабильное давление. Молекула $N_2$ с тройной связью настолько ленива, что при нагреве колеса почти не меняет объём и не окисляет резину изнутри. Ленивый газ оказался коммерчески полезным: физика молекул работает в твоих колёсах.

Неметаллы обычно не блестят и не проводят ток, но графит блестит, проводит ток и идёт в стержни карандашей и электроды. Бром при комнатной температуре — тяжёлая бурая жидкость, единственная среди неметаллов, а иод при нагревании превращается в фиолетовый пар, минуя жидкость. Держи пару исключений в голове — и вопрос «все ли неметаллы тусклые» тебя не поймает.

Кислород: открытие, изменившее химию

Кислород открыли дважды: швед Шееле получил его из селитры и ещё десятка веществ в 1772 году, но публикация задержалась, а англичанин Пристли описал газ в 1774-м — он нагревал оксид ртути и собирал то, в чём свеча горела крупным и ярким пламенем. Название придумал Лавуазье: «рождающий кислоту» — он был уверен, что кислород сидит в каждой кислоте, и ошибался: у соляной кислоты кислорода нет. Зато его весы и строгий счёт масс превратили химию из коллекции рецептов в науку.

Кислород — чемпион земной коры: почти половина её массы приходится на него, он сидит и в силикатах, и в воде, и в рудах. А в атмосфере его лишь пятая часть по объёму: планета балансирует между горением и фотосинтезом — сколько кислорода сожгли костры и топливо, примерно столько же вернули зелёные листья.

Водород: топливо, которое возвращается водой

При горении водорода из продуктов остаётся только вода: $2H_2+O_2=2H_{2}O$. Ни дыма, ни углекислого газа — отсюда слава топлива будущего. Были и горькие уроки: в 1937 году дирижабль «Гинденбург», наполненный водородом, сгорел за полминуты — смесь водорода с воздухом вспыхивает от искры. Сегодня загвоздка не в горении, а в хранении: самый лёгкий газ норовит просочиться сквозь стенки баллона. Зато водородные грузовики уже возят товар по дорогам Европы, и единственный их выхлоп — капли воды: такой транспорт не боится мороза и не пахнет.

Азот с водородом умеет и сотрудничать: при высокой температуре, давлении и в присутствии катализатора они соединяются в аммиак — вещество, из которого делают удобрения. Реакция эта кормит планету почти так же честно, как фотосинтез: почти весь азот в удобрениях когда-то был воздухом.

Галогены: семья с крутым нравом

Фтор, хлор, бром и иод — одна семья, и нрав у неё крутой. Фтор — самый агрессивный неметалл: при определённых условиях он разъедает даже стекло. Хлор при комнатной температуре — жёлто-зелёный газ, бром — тяжёлая бурая жидкость, которая испаряется прямо из открытой склянки, а иод — тёмные кристаллы с металлическим блеском, которые при нагревании уходят фиолетовым паром, не успев расплавиться. Иод знаком каждому по аптечной настойке, а в природе его больше всего накапливают бурые водоросли — отсюда и морской запах.

С водородом хлор ведёт себя как в дешёвой пьесе: в темноте реагирует неспешно, а на ярком свету смесь взрывается. Хлороводород из этой вспышки в воде растворяется и становится соляной кислотой. С металлами хлор не церемонится вовсе: раскалённое железо горит в хлоре без всякого кислорода, покрываясь хлоридом железа. Активность в семье падает вниз: фтор вытесняет хлор из его солей, хлор — бром, бром — иод. Принцип тот же, что у металлов, только зеркальный: сильнейший окислитель здесь вверху, а не внизу.

Иод — не только настойка: без него щитовидная железа не строит свои гормоны, поэтому в поваренную соль добавляют йодид калия. А самый агрессивный из семьи, фтор, трудится в зубной пасте: он укрепляет эмаль и защищает зубы от дырок. Так самые злые неметаллы оказываются тихими тружениками на кухне и в ванной.

Сера, азот и углерод: три соло

Сера кормит химическую промышленность: из неё получают серную кислоту, по выпуску которой судят о мощности целой отрасли. Тот же диоксид серы, что вылетает из заводских труб, в атмосфере превращается в кислоты — так начинаются кислотные дожди. Обычный дождь и так слегка кислый из-за растворённого углекислого газа, примерно 5,6 по шкале pH, а серные выбросы роняют это значение до губительного для лесов и рек. Углерод играет в две роли: графит мягкий и проводит ток, алмаз твёрже всех минералов — один и тот же элемент, но два разных каркаса кристаллической решётки. Азот держит атмосферу за счёт тройной связи, а в жидком виде, при минус 196 °C, работает заморозкой: в нём хранят клетки, семена и образцы тканей. Летучие соединения серы узнают по запаху тухлых яиц — это сероводород, близкий родственник диоксида.

Разбор типовой задачи

Задача на объёмы газов: при электролизе воды собрали 8 л кислорода. Сколько водорода выделилось за то же время?

Словарь урока

Окислитель#

вещество, принимающее чужие электроны; кислород — самый известный окислитель

Аллотропия#

существование одного элемента в виде разных простых веществ: кислород и озон, графит и алмаз

Галогены#

фтор, хлор, бром, иод — самые активные неметаллы, все дают соли с металлами

Инертный газ#

гелий, неон, аргон: молекулы одноатомные, почти ни с чем не соединяются

Тлеющая лучинка#

классическая проба на кислород: в чистом газе вспыхивает ярко

Диоксид серы#

ядовитый газ с резким запахом; в атмосфере из него рождаются кислотные дожди

Как это спрашивают на контрольной

Неметаллы проверяют в основном пробами и свойствами, и формулировки здесь очень устойчивые.

• Дана пробирка с газом — описать, какой реактив узнает кислород, а какой водород.
• Дан список веществ — назвать аллотропные видоизменения одного элемента.
• Дано уравнение горения — определить, кто окислитель, хотя бы словами.
• Дана ситуация вроде зелёного бассейна — объяснить роль соединений хлора.
• Дан вопрос про азот в шинах — объяснить ответ через тройную связь.

Пробы учи парами: лучинка — кислород, спичка с глухим хлопком — водород. На вопрос «почему» отвечай строением: у озона и кислорода разные молекулы, у азота крепкая тройная связь, у графита и алмаза разные решётки. Строение объясняет свойства — это и есть самый сильный ответ на контрольной.

Подсказка: клавиши J — следующая тема, K — предыдущая, на телефоне: свайп влево/вправо — соседняя тема