Nemfém - Nonmetal

A kén sárga por. Amikor gyorsan megolvad és lehűl , allotróp formájú , műanyag kénből álló gumiszalagokká változik .

A germánium fémesnek tűnik, rosszul vezeti az áramot, és kémiailag úgy viselkedik, mint egy nemfém.

Körülbelül 25 ml bróm , szobahőmérsékletű folyadék és alapvető nyomelem.

Részben töltött cseppfolyósított xenon ampulla, akrilkockába helyezve. A Xenon egyébként színtelen gáz szobahőmérsékleten.

A kémiában a nemfém olyan kémiai elem, amely általában egy vagy több elektronot nyer, amikor egy fémmel reagál, és savat képez oxigénnel és hidrogénnel kombinálva . Szobahőmérsékleten a fele gáz, egy ( bróm ) folyadék, a többi szilárd anyag. A legtöbb szilárd nemfém fényes, míg a bróm színes, a többi gáznemű nemfém pedig színes vagy színtelen. A szilárd anyagok vagy kemények és törékenyek, vagy lágyak és omlósak, és általában rossz hő- és áramvezetők, és nem rendelkeznek szerkezeti felhasználással (mint általában a nemfémek esetében).

Nincs egyetemes egyetértés arról, hogy mely elemek nemfémek; a számok általában tizennégytől huszonháromig terjednek, az érdeklődési kritériumtól vagy kritériumoktól függően.

A nemfémes elemek különféle fajtái közé tartozik például az i. Nemesgáz ; (ii) halogének ; (iii) olyan elemek, mint a szilícium , amelyeket néha helyette metalloidoknak neveznek ; és (iv) több megmaradt nemfém, például hidrogén és szelén . Ez utóbbiaknak nincs széles körben elismert gyűjtőneve, és a továbbiakban informálisan "nem besorolt ​​nemfémek" -nek nevezzük őket. A metalloidok túlnyomórészt (gyenge) nemfémes kémiával rendelkeznek. A nem besorolt ​​nemfémek nettó alapon mérsékelten nemfémesek. A halogéneket, például a brómot, erősebb nemfémes tulajdonságok jellemzik, és hajlamosak túlnyomórészt ionos vegyületeket képezni fémekkel. Az olyan nemesgázokat, mint a xenon , megkülönbözteti az a vonakodásuk, hogy vegyületeket alkossanak.

A különböző nemfémek közötti megkülönböztetés nem abszolút. A határátfedések, beleértve a metalloidokat is, külső elemként fordulnak elő a nemfémek minden fajtája között, amelyek kevésbé egyértelmű, hibridszerű vagy atipikus tulajdonságokat mutatnak vagy kezdenek mutatni.

Bár ötször több elem fém, mint nemfém, a nemfémek közül kettő - hidrogén és hélium - a megfigyelhető világegyetem tömegének körülbelül 99% -át teszi ki . Egy másik nemfém, az oxigén teszi ki a földkéreg , az óceánok és a légkör majdnem felét .

A nemfémek nagyrészt sok szerepet töltenek be az élet fenntartásában. Az élő szervezetek szinte teljes egészében nemfémekből, hidrogénből, oxigénből, szénből és nitrogénből állnak . A nemfémek szinte univerzális felhasználása az orvostudományban és a gyógyszeriparban történik.

Meghatározás és alkalmazható elemek

A nemfémnek nincs szigorú meghatározása. Általánosságban elmondható, hogy minden olyan elem, amely nem rendelkezik túlsúlyban olyan fémes tulajdonságokkal, mint a csillogás, a deformálhatóság és a jó elektromos vezetőképesség, nem fémnek tekinthető. A szerzők között némi eltéréssel találkozhatunk azzal kapcsolatban, hogy mely elemeket tekintjük nemfémnek.

A tizennégy, ténylegesen nem fémként elismert elem a hidrogén, az oxigén, a nitrogén és a kén; a korrozív halogének, fluor , klór , bróm és jód; és a nemesgázok hélium, neon , argon , kripton , xenon és radon . További kilenc elem számolható nemfémként, beleértve a szenet, a foszfort és a szelént ; és az egyébként általánosan metalloidként elismert elemek, nevezetesen a bór ; szilícium és germánium ; arzén és antimon ; és tellúr , összesen huszonhárom nemfémet hozva.

Az asztatint , az ötödik halogént ritkán és intenzív radioaktivitása miatt gyakran figyelmen kívül hagyják; itt fémnek tekintik. A szupersúlyos elemek, a kopernicium (Z = 112) és az oganesson (118) nemfémesek lehetnek; tényleges állapotuk nem ismert.

Mivel 118 elem ismert, 2021. szeptemberétől a nemfémeket többszörösen felülmúlják a fémek.

• 

  Bór, itt β- romboéderes fázisa formájában látható (termodinamikailag legstabilabb formája )

• 

  Szén (mint grafit ). A grafit rétegeiben lévő delokalizált vegyérték -elektronok fémes megjelenést kölcsönöznek.

• 

  Folyékony oxigén (LOX) forráspontja. A LOX nagyobb sűrűsége növeli a gerjesztő kölcsönhatások valószínűségét két O ₂ molekula és egy foton között, amelyek kék színt eredményeznek.

• 

  Halványsárga folyékony fluort tartalmazó kémcső kriogén fürdőben . Ellentétben a szomszédos oxigénnel, amely színtelen, mint a gáz, a fluor gáz formájában megőrzi sárga színét.

A kifejezés eredete és használata

Az anyag alapvető taxonómiája , amely a nemfémek hierarchikus elhelyezkedését mutatja. A szilárd anyagok szintje alatti osztályozási elrendezések a kamatozó tulajdonságoktól függően változhatnak. Egyes szerzők az elemeket fémekre, metalloidokra és nemfémekre osztják (bár ontológiai okokból minden , ami nem fém, nemfém).

A fémek és a nemfémek közötti különbség bonyolult módon a természetes anyagok nyers felismeréséből adódott . Így az anyag tiszta anyagokra és keverékekre osztható; a tiszta anyagokat végül vegyületekként és elemekként lehetett megkülönböztetni; és a „fém” elemeket úgy tűnt, hogy nagyjából megkülönböztethető attribútumokat, hogy más elemek nem, ilyen például a jól vezetik a hőt , vagy azok „ földből ” ( oxidok ), így az alap vizes oldatok, égetett (CaO), például. A nemfém szó használata egészen Lavoisier 1789 -es Traité élémentaire de chimie című művéhez vezethető vissza, amelyben megkülönböztette az egyszerű fémes és a nemfémes anyagokat.

A koncepció finomítása

A fémek és a nemfémek közötti különbség finomítására a tulajdonságok egy vagy több típusát használták, többek között:

• Fizikai - olvaszthatóság , alakíthatóság és hajlékonyság ; homályosság ; tömeges koordinációs szám ; minimális gerjesztési potenciál ; hangzás ; fizikai állapot ; kritikus hőmérséklet ; Goldhammer-Herzfeld fémességi kritériumarány ; a párolgás entalpiája ; folyadéktartomány ; az ellenállás hőmérsékleti együtthatója ; atomi vezetőképesség ; csomagolási hatékonyság ; 3D elektromos vezetőképesség; elektromos vezetőképesség abszolút nullánál; hővezető képesség ;

• Kémiai - kation kialakulását; oxidok sav-bázis jellege ; szulfátképződés ; savakban való oldhatóság; vagy

• Elektromos - elektronkonfiguráció és sávszerkezet .

Johnson megjegyezte, hogy a fizikai tulajdonságok mutathatják legjobban az elem fémes vagy nemfémes tulajdonságait, azzal a megkötéssel, hogy számos kétértelmű esetben más tulajdonságokra lesz szükség.

Kneen és al. hozzátette, hogy:

„Csupán a fémesség kritériumának megállapítására és alkalmazására van szükség… sok tetszőleges osztályozás lehetséges, amelyek többsége, ha ésszerűen választják, hasonlóak, de nem feltétlenül azonosak… a kritérium relevanciáját csak a hasznosság alapján lehet megítélni. a kapcsolódó osztályozás. "

Miután létrejött a "két nagy elemosztály" megkülönböztetésének alapja, a nemfémek azok, amelyek kisebb -nagyobb mértékben nem rendelkeznek a fémek tulajdonságaival.

Tulajdonságok

Fizikai

Fizikailag a nemfémek a legstabilabb formájukban léteznek vagy poliatomikus szilárd anyagként (például szén), nyílt csomagolású formában; kétatomos molekulák, például hidrogén (gáz) és bróm (folyadék); vagy egyatomos gázok (például neon). Általában kis atomi sugaruk van. A fémek ezzel szemben szinte mind szilárdak és szorosan csomagoltak, és többnyire nagyobb atom sugarúak. Más, mint a kén, a szilárd nemfémek van egy submetallic megjelenése és törékeny , szemben a fémek, amelyek fényes , és általában képlékeny vagy képlékeny . A nemfémek általában kisebb sűrűségűek, mint a fémek; többnyire rosszabb hő- és villamosvezetők ; és általában lényegesen alacsonyabb az olvadáspontjuk és forráspontjuk .

A fémek és a nemfémek közötti fizikai különbségek a belső és külső atomi erőkből fakadnak. Belsőleg az atom nukleáris töltése a valenciaelektronjait tartja a helyén. Külsőleg ugyanazok az elektronok vonzó erőknek vannak kitéve a közeli atomok nukleáris töltéseiből. Ha a külső erők nagyobbak vagy egyenlők, mint a belső erő, akkor a valenciaelektronok várhatóan vándorlóvá válnak, és fémes tulajdonságokat jósolnak. Ellenkező esetben nemfémes tulajdonságok várhatók.

Kémiai

Kémiai szempontból a nemfémek többnyire nagyobb ionizációs energiával , nagyobb elektron affinitással , magasabb elektronegativitási értékekkel és magasabb standard redukciós potenciállal rendelkeznek, mint a fémek. Itt és általában, minél nagyobb egy elem ionizációs energiája, elektron -affinitása, elektronegativitása vagy standard redukciós potenciálja, annál nemfémesebb az elem.

A kémiai reakciók során a nemfémek hajlamosak elektronok megszerzésére vagy megosztására, ellentétben a fémekkel, amelyek hajlamosak elektronokat adni. Pontosabban, és mivel a stabilitás a nemesgázok, nemfémek általában szert elektronok száma elegendő ahhoz, hogy ezek a elektronszerkezet az alábbi nemesgáz mivel fémek hajlamosak elveszteni elektronok elegendő hagyja azokat az elektron konfiguráció az előző nemesgáz . A nemfémes elemeknél ezt a tendenciát a duett és az oktett hüvelykujjszabályai foglalják magukba (a fémek esetében pedig kevésbé szigorúan követett 18 elektron szabály ). A nemfémek egyik legfontosabb tulajdonsága, hogy soha nem képeznek bázikus oxidokat; oxidjaik általában savasak. Ezenkívül a szilárd nemfémek (beleértve a metalloidokat) salétromsavval reagálva oxidot (szén, szilícium, kén, antimon és tellúr) vagy savat (bór, foszfor, germánium, szelén, arzén, jód) képeznek.

A fémek és a nemfémek közötti kémiai különbségek nagyrészt az egyes atomok pozitív töltése és a negatív töltésű vegyértékű elektronok közötti vonzó erőből fakadnak. Balról jobbra a periódusos rendszer minden periódusában a nukleáris töltés növekszik, ahogy a magban lévő protonok száma növekszik. Ezzel összefüggésben csökken az atomi sugár, mivel a növekvő nukleáris töltés közelebb húzza a vegyértékű elektronokat a maghoz. Fémekben a nukleáris töltés általában gyengébb, mint a nemfémes elemeké. A kémiai kötés során tehát a fémek hajlamosak az elektronok elvesztésére, és pozitív töltésű vagy polarizált atomokat vagy ionokat képeznek, míg a nemfémek hajlamosak ugyanazokat az elektronokat szerezni az erősebb nukleáris töltésük miatt, és negatív töltésű ionokat vagy polarizált atomokat képeznek.

A nemfémek által képzett vegyületek száma óriási. A "legjobb 20" táblázat első kilenc helyét a 8 427 300 vegyületben leggyakrabban előforduló elemek táblázatában, amint azt a Chemical Abstracts Service 1987. júliusi nyilvántartása tartalmazza, nemfémek foglalták el. A vegyületek többségében (több mint 64%) hidrogént, szenet, oxigént és nitrogént találtak. A szilícium, egy metalloid, a 10. helyen állt. A legmagasabb minősítésű fém, 2,3%-os előfordulási gyakorisággal a vas volt, a 11. helyen. Nemfém vegyületek például a következők: bórsav H
₃BO
₃, kerámiamázakhoz használják ; szelenocisztein ; C
₃H
₇NEM
₂Se , az élet 21. aminosava; foszfor -szeszkviszulfid (P ₄ S ₃ ), sztrájkban bárhol ; és teflon (C.
₂F
₄) _n .

Szövődmények

A nemfémek kémiáját bonyolítják azok a rendellenességek, amelyek az egyes periódusos rendszerblokkok első sorában láthatók , különösen a hidrogén, (bór), a szén, a nitrogén, az oxigén és a fluor tekintetében; másodlagos periodicitás vagy nem egységes periodikus tendenciák, amelyek a p-blokkcsoportok többségét csökkentik; és szokatlan vegyértékállapotok a nehezebb nemfémekben.

Periodikus táblázat, amely kiemeli az egyes blokkok első sorát. A hélium, amely itt a berillium felett látható, a 2. csoportban, elektronkonfigurációs okokból, általában a neon felett helyezkedik el a 18. csoportban, mivel a csoporton lefelé vezető fizikai -kémiai trendvonalak simábbak.

Az első sor rendellenessége. Az első sor anomáliája nagyrészt az érintett elemek elektronkonfigurációjából adódik. A hidrogén a kötések kialakításának különböző módjairól ismert. Leggyakrabban kovalens kötéseket hoz létre. Vizes oldatban elveszítheti egyetlen vegyértékű elektronját, és óriási polarizációs erővel rendelkező csupasz protont hagy maga után. Ez később a vízmolekula oxigénatomjának magányos elektronpárjához kapcsolódik, és ezáltal a sav-bázis kémia alapját képezi . A hidrogénatom egy molekulában egy második, gyengébb kötést hozhat létre egy másik molekula atomjával vagy atomcsoportjával. Az ilyen kötés "segít a hópelyhek hatszögletű szimmetriájának megadásában, a DNS- t kettős spirálba köti ; formálja a fehérjék háromdimenziós formáit ; és még a víz forráspontját is elég magasra emeli ahhoz, hogy tisztességes teát készítsen".

A bórtól a neonig, mivel a 2p alhéjnak nincs belső analógja, és nem tapasztal elektron -taszító hatásokat, viszonylag kis sugarú, ellentétben a nehezebb elemek 3p, 4p és 5p alhéjaival. Következésképpen ezen elemek közötti ionizációs energiák és elektronegativitások magasabbak, mint az egyébként várható, figyelembe véve az időszakos tendenciákat . A szén, a nitrogén és az oxigén kis atom sugarai megkönnyítik a hármas vagy kettős kötések kialakulását.

A csoport elektronegativitási értékei 16 kalkogén elem, amelyek W alakú váltakozást vagy másodlagos periodicitást mutatnak a csoportban

Másodlagos periodicitás. Közvetlenül az átmeneti fémek első sora után a periódusos rendszer elemeinek negyedik sorában, azaz galliumban (fémben), germániumban, arzénben, szelénben és brómban található 3d elektronok nem olyan hatékonyak a megnövekedett nukleáris töltés védelmében. A nettó eredmény, különösen a 13–15 csoportos elemek esetében, hogy a 13–17.

Szokatlan vegyértékállapotok . A nehezebb, 15-18 éves nemfémes csoport nagyobb atom sugarai nagyobb tömeges koordinációs számokat tesznek lehetővé , és alacsonyabb elektronegativitási értékeket eredményeznek, amelyek jobban tolerálják a magasabb pozitív töltéseket. Az érintett elemek tehát a csoportjuk legalacsonyabb értékétől (azaz 3, 2, 1 vagy 0) eltérő valenciákat mutathatnak , például foszfor -pentakloridban (PCl ₅ ), kén -hexafluoridban (SF ₆ ), jód -heptafluoridban (IF ₇ ) és xenon -difluorid (XeF ₂ ).

Alosztályok

Periodikus táblázat kivonat, robbantva, hogy megmutassák, milyen gyakorisággal sorolják fel a szerzők az elemeket nemfémként:

---

Míg a hidrogént (H) általában az 1. csoport tetején, a kivonat bal szélén helyezik el, néha helyette F fölé helyezik, mint itt.

---

A keresztmetszetű vastag határvonal olyan nemfémeket foglal magában, amelyek mérsékelt vagy nagy szilárdságukról ismertek oxidálószerként, és amelyek-a jód kivételével-halvány megjelenésűek.

---

A közeli fémek megjelennek a kontextusban.

---

A hat metalloid mindkét oldalán futó szaggatott lépcsős vonal azt jelzi, hogy a vonal bal alsó részén lévő elemek általában növekvő fémes viselkedést mutatnak, és a jobb felső részen lévő elemek fokozzák a nemfémes viselkedést. Az ilyen vonalat, amely különböző konfigurációkban jelenhet meg, néha " választóvonalnak fémek és nemfémek között " nevezik . A vonal homályos, mivel nincs általánosan elfogadott különbség a fémek és a nemfémek között.

A nemfémek osztályozásának megközelítései akár két alosztálytól akár hat -hét osztályig terjedhetnek. Például az Encyclopedia Britannica periodikus táblázat nemesgázokat, halogéneket és más nemfémeket tartalmaz, és felosztja az általánosan metalloidként elismert elemeket a "többi fém" és a "többi nemfém" között; a Royal Society of Chemistry periodikus táblázat a nemfémes elemeket hét csoportot foglalja el.

Periodikus táblázatban jobbról balra három vagy négyféle nemfémet lehet felismerni. Ezek:

• a viszonylag inert nemesgázok;
• kémiailag erős halogén elemek halmaza - fluor, klór, bróm és jód -, amelyeket néha nemfém halogéneknek (az itt használt kifejezést) vagy stabil halogéneknek neveznek;
• osztályozatlan nemfémek halmaza, beleértve olyan elemeket, mint a hidrogén, szén, nitrogén és oxigén, széles körben elismert gyűjtőnév nélkül; és
• a kémiailag gyenge nemfémes metalloidok, amelyeket néha nemfémeknek tartanak, néha nem.

Mivel a metalloidok határterületet foglalnak el, ahol a fémek nemfémekkel találkoznak, kezelésük szerzőnként eltérő. Egyesek úgy vélik, hogy külön vannak a fémektől és a nemfémektől; egyesek nem fémnek vagy a nemfémek alosztályának tekintik őket; mások közülük néhányat fémnek számítanak, például arzént és antimont a nehézfémekkel való hasonlóságuk miatt . A metalloidokat itt kémiai viselkedésük fényében és összehasonlítás céljából nemfémként kezelik.

A metalloidokon kívül némi határmosás és átfedés (mint általában az osztályozási sémáknál) észlelhető a többi nemfém alosztály között. A szén, a foszfor, a szelén, a jód határolja a metalloidokat és némi fémes jelleget mutat, akárcsak a hidrogén. A nemesgázok közül a radon a legfémesebb, és kezd kationos viselkedést mutatni, ami szokatlan egy nemfém esetében.

nemesgázok

Hat nemfémet minősítenek nemesgáznak: hélium , neon, argon, kripton, xenon és a radioaktív radon. A hagyományos periodikus táblázatokban a jobb szélső oszlopot foglalják el. Nemesgázoknak nevezik őket jellemzően nagyon alacsony kémiai reaktivitásuk fényében .

Nagyon hasonló tulajdonságokkal rendelkeznek, mindegyik színtelen, szagtalan és nem gyúlékony. A nemesgázok zárt valenciahéjaikkal gyenge atomközi vonzóerővel rendelkeznek, ami nagyon alacsony olvadás- és forráspontot eredményez. Ezért mindegyik gáz szabványos körülmények között , még azok is, amelyek atomtömege nagyobb, mint sok normál szilárd elem.

Kémiai szempontból a nemesgázok viszonylag nagy ionizációs energiával rendelkeznek, nulla vagy negatív elektron affinitással rendelkeznek, és viszonylag nagy elektronegativitással rendelkeznek. A nemesgázok vegyületei több százat számlálnak, bár a lista tovább bővül, a legtöbbjük oxigén vagy fluor útján, kriptonnal, xenonnal vagy radonnal kombinálva fordul elő.

A periódusos rendszerben analógiát lehet vonni a nemesgázok és a nemesfémek, például a platina és az arany között, ez utóbbiak ugyanúgy vonakodnak a kémiai kombinációtól.

Nemfém halogének

Míg a nemfém halogének korrozív és kifejezetten reakcióképes elemek, megtalálhatók olyan ártalmatlan vegyületekben, mint a szokásos konyhasó NaCl. Figyelemre méltó kémiai aktivitásuk nemfémként szembeállítható az alkálifémek, például a nátrium és a kálium ugyanolyan figyelemre méltó kémiai aktivitásával, amelyek a periódusos rendszer bal szélén találhatók.

Fizikailag a fluor és a klór halványsárga és sárgászöld gázok; a bróm vörösesbarna folyadék; és a jód ezüstös fémes szilárd anyag. Elektromosan az első három szigetelő, míg a jód félvezető (síkjai mentén).

Kémiailag nagy ionizációs energiával, elektron affinitással és elektronegativitással rendelkeznek, és többnyire viszonylag erős oxidálószerek . Ennek az állapotnak a megnyilvánulásai magukban foglalják a maguk maró jellegét. Mind a négy hajlamos arra, hogy túlnyomórészt ionos vegyületeket képezzen fémekkel, míg a többi nemfém, az oxigénszármazék hajlamos túlnyomórészt kovalens vegyületeket képezni a fémekkel. A nemfém halogének reaktív és erősen elektronegatív jellege a nemfémes jelleg megtestesítője.

A periódusos rendszerben az erősen nemfémes halogének megfelelői a 17. csoportban a nagyon reakcióképes alkálifémek, például nátrium és kálium.

Osztályozatlan nemfémek

Miután a nemfémes elemeket nemesgázoknak, halogéneknek vagy metalloidoknak minősítették (a következőkben), a fennmaradó hét nemfém hidrogén, szén, nitrogén, oxigén, foszfor, kén és szelén. Három színtelen gáz (H, N, O); három fémszerű megjelenésű (C, P, Se); és az egyik sárga (S). Elektromosan a grafitos szén félmetál (síkjai mentén); a foszfor és a szelén félvezetők; és hidrogén, nitrogén, oxigén és kén szigetelők.

Ezek általában úgy tekintik, hogy túlságosan változatos ahhoz, hogy kiérdemelje a kollektív vizsgálat és már nevezzük más nemfémek , vagy több legvilágosabban nemfémek között helyezkedik el, félfémek és halogének. Következésképpen kémiájukat általában külön -külön tanítják, a négy periodikus táblázat szerinti csoport szerint, például: hidrogén az 1. csoportban; a 14. csoportba tartozó nemfémek (szén, esetleg szilícium és germánium); a 15. csoportba tartozó pnictogen nemfémek (nitrogén, foszfor, esetleg arzén és antimon); és a 16. csoport kalkogén nemfémek (oxigén, kén, szelén és esetleg tellúr). A szerzők egyéni preferenciái szerint más felosztások is lehetségesek.

A hidrogén különösen bizonyos szempontból úgy viselkedik, mint egy fém, más részeiben pedig nemfémként. A fémhez hasonlóan (először) elveszítheti egyetlen vegyértékű elektronját; tipikus alkálifémszerkezetekben alkálifémek helyett állhat; és ötvözetszerű hidridek képzésére képes , amelyek fémes kötéssel rendelkeznek, néhány átmeneti fémmel . Másrészt ez egy szigetelő kétatomos gáz, mint egy tipikus nemfém, és a kémiai reakciókban általában véve hajlamos a hélium elektronkonfigurációjának elérésére. Ez úgy történik, hogy kovalens vagy ionos kötést hoz létre, vagy ha elveszítette vegyértékelektronját, akkor magányos elektronpárhoz kapcsolódik.

Ezen nemfémek némelyike ​​vagy mindegyike azonban számos közös tulajdonsággal rendelkezik. Fizikai és kémiai jellegük "mérsékelten nem fémes", nettó alapon. Mivel kevésbé reagálóak, mint a halogének, legtöbbjük, kivéve a foszfort, természetesen előfordulhat a környezetben. Kiemelkedő biológiai és geokémiai vonatkozásaik vannak. Halogénnel kombinálva a nem osztályozott nemfémek (poláris) kovalens kötéseket képeznek. Fémekkel kombinálva kemény ( intersticiális vagy tűzálló ) vegyületeket képezhetnek , viszonylag kis atomi sugaruk és kellően alacsony ionizációs energiaértékük fényében. A halogénekkel ellentétben a nem osztályozott nemfémek hajlamosak a katenizálódásra , különösen a szilárd halmazállapotú vegyületekben. A nemfémek közötti átlós kapcsolatok a metalloidok közötti hasonló kapcsolatokat tükrözik.

A periódusos rendszerben földrajzi analógia látható a nem osztályozott nemfémek és az átmenetifémek között. A nem besorolt ​​nemfémek területet foglalnak el a jobb oldalon erősen nemfémes halogének és a bal oldalon a gyengén nemfémes metalloidok között. Az átmeneti fémek területet foglalnak el, "a periódusos rendszer bal oldalán található" virulens és erőszakos "fémek és a jobb oldali" nyugodt és elégedett "fémek között ... [és] ... átmeneti hidat képeznek a kettő".

Metalloidok

A hat elem, amelyet közelebbről metalloidoknak ismernek el, a bór, a szilícium, a germánium, az arzén, az antimon és a tellúr, mindegyik fém megjelenésű. Egy szabványos periódusos rendszerben a p-blokkban egy átlós területet foglalnak el, amely a bal felső sarokban lévő bórtól a jobb oldali tellúriumig terjed , egyes periódusos táblázatok fém- és nemfém-választóvonala mentén .

Törékenyek és csak tisztességes villamos- és hővezetők. A bór, a szilícium, a germánium, a tellúr félvezetők. Az arzén és az antimon a félfémek elektronikus sávos szerkezetével rendelkezik , bár mindkettő kevésbé stabil félvezető allotrópokkal rendelkezik .

Kémiai szempontból a metalloidok általában (gyenge) nemfémekként viselkednek. A nemfémes elemek közül általában a legalacsonyabb ionizációs energiával, elektron affinitással és elektronegativitással rendelkeznek; és viszonylag gyenge oxidálószerek. Továbbá azt mutatják, hogy hajlamosak ötvözeteket képezni fémekkel.

Mint a hidrogén a nem osztályozott nemfémek között, a bór bizonyos szempontból kémiailag hasonlít a fémekhez. Kevesebb elektronja van, mint a kötéshez rendelkezésre álló pályák. Az átmenetifémekkel analógiák fordulnak elő komplexek és adduktumok képzésében (például BH ₃ + CO → BH ₃ CO és hasonlóan Fe (CO) ₄ + CO → Fe (CO) ₅ ), valamint a geometriai és a klaszterfajok elektronikus szerkezetei, mint a [B ₆ H ₆ ] ²⁻ és [Ru ₆ (CO) ₁₈ ] ²⁻ .

A gyengén nemfémes metalloidoktól balra, a periódusos rendszerben, a gyengén fémes fémek (például ón , ólom és bizmut ) határozatlan halmaza található, amelyet néha átmenetet követő fémeknek is neveznek .

Összehasonlítás

A fémek és a metalloidok, a nem osztályozott nemfémek, a nemfém halogének és a nemesgázok (al) osztályainak tulajdonságait az alábbi két táblázat foglalja össze. A fizikai tulajdonságok a környezeti körülmények között a legstabilabb formájú elemekre vonatkoznak, hacsak másképp nem jelezzük, és a könnyű meghatározhatóság érdekében laza sorrendben vannak felsorolva. A kémiai tulajdonságok az általánostól a specifikusig, majd a leíró jellegűek. A metalloidok körüli szaggatott vonal azt jelzi, hogy a szerzőtől függően az érintett elemeket fel lehet ismerni az elemek külön osztályának vagy alosztályának. A fémek referenciapontként szerepelnek.

Fizikai

• 

  A fehér foszfor a legkevésbé stabil és a legreaktívabb forma. Ez a leggyakoribb, iparilag fontos és könnyen reprodukálható foszfor -allotróp, és e három okból az elem standard állapotának tekinthető.

• 

  Fekete foszfor kristályai , a legstabilabb forma, lezárt ampullában

• 

  Kis darab gyorsan olvadó szilárd argon. Ez a harmadik leggyakoribb gáz a Föld légkörében , a nitrogén és az oxigén után.

• 

  A jódkristályok fehér fényben fémes fényűek.

Kémiai

Allotrópok

A legtöbb nemfémes elem allotróp formában létezik. A szén például grafitként és gyémántként fordul elő. Az ilyen allotrópok fizikai tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek fémesebbek vagy kevésbé nemfémesek.

A nemfém halogének és a nem osztályozott nemfémek közül:

• A jód félvezető amorf formában ismert .
• A grafit, a szén szokásos állapota, meglehetősen jó elektromos vezető. A szén gyémánt allotrópja egyértelműen nemfémes, áttetsző és rendkívül rossz elektromos vezető. A szén több más allotróp formában is ismert, beleértve a félvezető buckminsterfullerene -t (C ₆₀ ).
• A nitrogén gáznemű tetranitrogént (N ₄ ) képezhet , amely instabil poliaatomikus molekula, élettartama körülbelül egy mikroszekundum.
• Az oxigén normál állapotú kétatomos molekula; ózonként (O ₃ ) is létezik, instabil nemfém allotróp, felezési ideje körülbelül fél óra.
• A foszfor egyedülállóan számos allotróp formában létezik, amelyek stabilabbak, mint a normál állapotú fehér foszfor (P ₄ ). A fehér , piros és fekete allotropes talán a legismertebb; az első egy szigetelő; az utóbbi kettő félvezető. A foszfor difoszforként (P ₂ ) is létezik, instabil kétatomos allotróp.
• A kén több allotrópot tartalmaz, mint bármely más elem. Az amorf kén , az ilyen allotrópok metastabil keveréke, rugalmasságáról ismert.
• A szelén számos nemfém allotrópot tartalmaz, amelyek mindegyike sokkal kevésbé vezeti az elektromosságot, mint a szürke "fémes" szelén standard állapota.

A leggyakrabban metalloidként felismert elemek allotrópokat alkotnak. A bór számos kristályos és amorf formában ismert . A kvázi gömb alakú allotróp molekula, a boroszféra (B ₄₀ ) felfedezését 2014-ben jelentették be. A szilíciumot legutóbb csak kristályos és amorf formájában ismerték. Ezt követően 2014 -ben jelentették az Si ₂₄ ortorombikus allotróp szintézisét . 10–11 GPa, a germánium fémes fázissá alakul, ugyanazzal a tetragonális szerkezettel, mint az ón; bomláskor - és a nyomáskibocsátás sebességétől függően - a fémes germánium allotrópok sorozatát képezi, amelyek környezeti körülmények között metastabil . Az arzén és az antimon számos jól ismert allotrópot (sárga, szürke és fekete) alkot. A tellúr kristályos és amorf formában ismert.

A nemfémes elemek más allotróp formái is ismertek, nyomás alatt vagy egyrétegben . Megfelelően magas nyomáson a nemfémes elemek legalább fele, amelyek félvezetők vagy szigetelők, kezdve 1,7 GPa foszforral, fémes allotrópokat képeznek. Egyrétegű kétdimenziós formája nemfémes közé borophene (bór), grafén (szén), silicene (szilícium), phosphorene (foszfor), germanene (germánium), arsenene (arzén), antimonene (antimon) és tellurene (tellúr), együttesen " xenes " -nek nevezik .

Bőség, előfordulás, kitermelés és költségek

Bőség

A hidrogén és a hélium a becslések szerint a világegyetem összes közönséges anyagának körülbelül 99% -át és atomjainak több mint 99,9% -át teszi ki. Az oxigént a következő leggyakoribb elemnek tartják, kb. 0,1%. A világegyetem kevesebb, mint öt százaléka állítólag közönséges anyagból, amelyet csillagok, bolygók és élőlények képviselnek. A mérleg sötét energiából és sötét anyagból áll , mindkettő jelenleg rosszul érthető.

A hidrogén, szén, nitrogén és oxigén alkotja a Föld légkörének, óceánjainak, kéregének és bioszférájának nagy részét ; a fennmaradó nemfémek 0,5% vagy annál kisebb mennyiségben fordulnak elő. Ehhez képest a kéreg 35% -át nátrium , magnézium , alumínium , kálium és vas alkotja ; metalloiddal, szilíciummal együtt. Minden más fémben és metalloidban a kéregben, az óceánokban vagy a bioszférában 0,2% vagy kevesebb található.

Esemény

nemesgázok

A Föld légkörében körülbelül 10 ¹⁵ tonna nemesgáz található. Ezenkívül a hélium akár 7%-ban is megtalálható a földgázban . A radon tovább diffundál a kőzetekből, ahol az urán és a tórium természetes bomlási folyamata során keletkezik . 2014 -ben jelentették, hogy a Föld magja c. 10 ¹³ tonna xenon, stabil XeFe ₃ és XeNi ₃ intermetallikus vegyületek formájában . Ez megmagyarázhatja, miért "a Föld légkörének vizsgálatai kimutatták, hogy a Xe várható mennyiségének több mint 90% -a kimerült".

Nemfém halogének

A nemfém halogének megtalálhatók a sóhoz kapcsolódó ásványokban. A fluor a fluoritban fordul elő , ez egy széles körben elterjedt ásvány. A klór, a bróm és a jód megtalálható a sóoldatokban . Egy 2012 -es tanulmány kivételesen 0,04% natív fluort ( F.
₂) az antozonit tömegére vonatkoztatva , ezeket a zárványokat a kis mennyiségű urán jelenlétéből származó sugárzásnak tulajdonítva .

Osztályozatlan nemfémek

A szén mint gyémánt , itt natív formában látható. A Diamantine szén termodinamikailag kevésbé stabil, mint a grafit szén.

A nem osztályozott nemfémek jellemzően elemi formában (oxigén, kén) fordulnak elő, vagy e két elem bármelyikével együtt fordulnak elő.

• A hidrogén a világ óceánjaiban a víz, a földgázban pedig a metán és a hidrogén -szulfid összetevőjeként fordul elő .
• A szén, mint grafit, főként metamorf szilikát kőzetekben fordul elő üledékes szénvegyületek összenyomódása és hevítése következtében .
• Oxigén található a légkörben; az óceánokban a víz összetevőjeként; és a kéregben oxid ásványokként .
• A foszfor ásványok széles körben elterjedtek, általában foszfor-oxigén foszfátok formájában .
• Elemi kén található a világ számos részén a meleg források és vulkáni régiók közelében; a kénásványok széles körben elterjedtek, általában szulfidok vagy oxigén-kén- szulfátok formájában .
• A szelén fémszulfid ércekben fordul elő, ahol részben helyettesíti a kénet; időnként elemi szelén található.

Metalloidok

A metalloidok általában oxigénnel vagy kénnel, vagy tellúr esetében arany vagy ezüsttel kombinált formában fordulnak elő. A bór megtalálható a bór-oxigén borát ásványokban, beleértve a vulkanikus forrásvizeket is. A szilícium a szilícium-oxigén ásványi szilícium- dioxidban (homok) fordul elő . A germánium, az arzén és az antimon elsősorban a szulfidércek összetevői . A tellúr arany vagy ezüst tellurid ásványokban fordul elő . Az arzén, az antimon és a tellúr natív formáiról számoltak be.

Kivonás

A nemfémeket és a metalloidokat nyers formában nyerik ki:

• sóoldat - klór, bróm, jód;
• folyékony levegő - nitrogén, oxigén, neon, argon, kripton, xenon;
• ásványok - bór ( borát ásványok ); szén (szén; gyémánt; grafit); fluor ( fluorit ); szilícium ( szilícium -dioxid ); foszfor (foszfátok); antimon ( stibnit , tetrahedrit ); jód ( nátrium -jodátban és nátrium -jodidban );
• földgáz - hidrogén, hélium, kén; és
• ércek , mint feldolgozási melléktermékek - germánium ( cinkércek ); arzén ( réz és ólom ércek); szelén, tellúr (rézércek); és radon ( urántartalmú ércek).

Költség

Bár a nem radioaktív nemfémek viszonylag olcsók, vannak kivételek. 2021 júliusától a bór, a germánium, az arzén és a bróm ára 3–10 amerikai dollár lehet grammonként (vö. Ezüst, körülbelül 1 dollár grammonként). Az árak drámaian csökkenhetnek, ha nagy mennyiségben vesznek részt. A fekete foszfort csak gramm mennyiségben állítják elő a butik -beszállítók - a kémiai gőzszállítás révén előállított egykristály akár 1000 dollárba is kerülhet grammonként (az arany ára körülbelül tizenhétszerese); ezzel szemben a vörös foszfor grammonként körülbelül 50 centbe, azaz fontba 227 dollárba kerül. 2013 -ig a radon beszerezhető volt a Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézettől 1636 dollárért 0,2 ml -es kibocsátási egységért, ami kb. 86 000 000 dollár grammonként (ömlesztett mennyiségekre vonatkozó kedvezmény nélkül).

Közös felhasználások

A nemfémek szinte egyetemes felhasználási területei a háztartási kellékek; lézerek és világítás; valamint az orvostudomány és a gyógyszeripar . Egy vagy két germánium, arzén vagy radon hiányzik. Hasonló módon a legtöbb fém szerkezeti felhasználású. Amennyiben a metalloidok fémes jelleget mutatnak, speciális felhasználási területeik kiterjednek (például) oxidüvegekre, ötvöző alkatrészekre és félvezetőkre.

A nemfémek különböző részhalmazainak további megosztott felhasználásai magukban foglalják a jelenlétüket a levegőben, vagy a levegő helyettesítésének speciális felhasználását (inert); kriogén és hűtőközegek ; műtrágyák ; égésgátlók vagy tűzoltó készülékek ; ásványi savak ; plug-in hibrid járművek; hegesztőgázok ; és okos telefonok .

• 

  A gőzölgő salétromsavat , amely itt sárga nitrogén -dioxiddal szennyezett , gyakran használják a robbanóanyag -iparban.

• 

  Nagyfeszültségű megszakító, amely kén-hexafluoridot (SF ₆ ) használ közömbös (levegőpótló) megszakító közegként

• 

  COIL ( kémiai oxigén-jód lézer ) rendszer, amely a YAL-1 Airborne Laser néven ismert Boeing 747 változatra van felszerelve

• 

  Argongázt tartalmazó palackok tűzoltáshoz, számítógép -kiszolgáló berendezések károsítása nélkül

Felfedezés

Az alkimista felfedezi a foszfort (1771), Joseph Wright . Az alkimista van Hennig Brand ; az izzás a lombik belsejében lévő foszfor elégetéséből fakad.

A legtöbb nemfémes elemet csak azután fedezték fel, hogy 1669 -ben Hennig Brand foszfort izolált a vizeletből. Azelőtt a szén, a kén és az antimon ismert volt az ókorban , és az arzént a középkorban fedezték fel ( Albertus Magnus ). A fennmaradó részeket a 18. és a 19. században izolálták. A hélium (1868) volt az első elem, amelyet nem fedeztek fel a Földön. A radont a 19. század végén fedezték fel.

Az ezt követően felfedezett arzént, foszfort és nemfémes elemeket vegyészek vagy fizikusok egy vagy több eszközével, nevezetesen spektroszkópiával izolálták ; frakcionált desztilláció ; sugárzás észlelése ; elektrolízis ; sav hozzáadása az érchez; égés ; elmozdulási reakciók ; vagy fűtés:

• A nemesgázok közül a héliumot sárga vonalán keresztül detektálták a nap koronális spektrumában , majd később a savban oldott urán UO ₂ -ből kiszökő buborékok megfigyelésével ; a neont a xenonon keresztül a levegő frakcionált desztillálásával nyertük ; és radioaktív radont figyeltek meg a tóriumvegyületekből , négy évvel a sugárzás felfedezése után, 1895 -ben, Henri Becquerel által .

• A nemfém halogéneket halogenidjeikből nyertük , vagy elektrolízissel ; sav hozzáadása; vagy elmozdulás . Néhány vegyész meghalt a fluort izoláló kísérleteik eredményeként.

• A nem osztályozott nemfémek közül nitrogént figyeltek meg a levegőben, amelyből oxigént távolítottak el; oxigént nyerünk higany -oxid hevítésével ; a foszfor a vizeletben megtalálható ammónium -nátrium -hidrogén -foszfát Na (NH ₄ ) HPO ₄ hevítésével szabadult fel ; és a szelént kénsavban maradékként detektálták .

• Az általánosan metalloidként elismert elemeket oxidjaik ( bór , szilícium , arzén , tellúr ) vagy szulfid ( germánium ) hevítésével izolálták .

Lásd még

• CHON
• Fémezési nyomás
• A nemfémek (és a metalloidok) tulajdonságai csoportonként

Megjegyzések

Hivatkozások

Idézetek

Bibliográfia

Monográfiák

• Steudel R 2020, A nemfémek kémiája: szintézisek - szerkezetek - kötés - alkalmazások , együttműködésben D Scheschkewitz, Berlin, Walter de Gruyter, doi : 10.1515/9783110578065 .

  Huszonhárom nemfém, köztük B, Si, Ge, As, Se, Te és At, de nem Sb (sem Po). A nemfémeket abszolút nulla elektromos vezetőképességük alapján azonosítják, feltételezhetően nullához közeli, nem pedig véges, mint a fémek esetében. Ez azonban nem működik az As esetében, amelynek elektronikus szerkezete egy félfém (például Sb).

• Halka M & Nordstrom B 2010, "Nemfémek" , Facts on File, New York, ISBN  978-0-8160-7367-2

  9+ olvasási szintű könyv, amely H, C, N, O, P, S, Se. Ugyanazon szerzők kiegészítő könyvei vizsgálják a) az átmenet utáni fémeket (Al, Ga, In, Tl, Sn, Pb és Bi) és a metalloidokat (B, Si, Ge, As, Sb, Te és Po); és b) a halogének és nemesgázok.

• Woolins JD 1988, nemfém gyűrűk, ketrecek és fürtök , John Wiley & Sons, Chichester, ISBN  978-0-471-91592-8 .

  Egy fejlettebb szöveg, amely lefedi a H -t; B; C, Si, Ge; N, P, As, Sb; O, S, Se és Te.

• Steudel R 1977, Chemistry of the Non-metall: With Introduction to Atomic Structure and Chemical Bonding , angol kiadás: FC Nachod & JJ Zuckerman, Berlin, Walter de Gruyter, ISBN  978-3-11-004882-7 .

  Huszonhárom nemfém, köztük B, Si, Ge, As, Se, Te és Po.

• Powell P & Timms PL 1974, The Chemistry of the Non-metall , Chapman & Hall, London, ISBN  978-0-470-69570-8 .

  Huszonkét nemfém, köztük B, Si, Ge, As és Te. Az ón és az antimon köztes a fémek és a nemfémek között; később fémként vagy nemfémként jelennek meg. Az asztatint fémnek tekintik.

• Emsley J 1971, The Inorganic Chemistry of the Non-fém , Methuen Educational, London, ISBN  978-0-423-86120-4 .

  Húsz nemfém. H az F fölé kerül; B és Si nemfémnek számít; Ge, As, Sb és Te metalloidoknak számítanak.

• Johnson RC 1966, Bevezető leíró kémia: kiválasztott nemfémek, tulajdonságaik és viselkedésük , WA Benjamin, New York.

  Tizennyolc nemfém. H a B és C fölött lebegve látható. A szilícium, Ge, As, Sb, Te, Po és At félfémként jelenik meg. Az at később nemfémként jelenik meg (133. o.).

• Jolly WL 1966, A nem fémek kémiája , Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey.

  Huszonnégy nemfém, köztük B, Si, Ge, As, Sb, Te és At. H az F fölé kerül.

• Sherwin E & Weston GJ 1966, Chemistry of the Non-metallic Elements , Pergamon Press, Oxford.

  Huszonhárom nemfém. H jelentése Li és F; A germániumot, As -t, Se -t és Te -t később metalloidoknak nevezik; Az Sb nemfémként jelenik meg, de később fémként említik. Azt írják: "Bár ezek a nehezebb elemek [Se és Te] fémesnek tűnnek, megmutatják a nemfémek kémiai tulajdonságait, és ezért a" metalloidok "kategóriájába tartoznak (64. o.).

• Phillips CSG & Williams RJP 1965, Szervetlen kémia , vol. 1, Elvek és nemfémek, Oxford University Press, Clarendon.

  Huszonhárom nemfém, az Sb kivételével, beleértve az At. A maga korában fejlett munka, amely a szervetlen kémiát mutatja be, mint nehéz és összetett témát, sok új meglátással.

• Yost DM & Russell Jr, H 1946 Az ötödik és hatodik csoport nemfémes elemeinek szisztematikus szervetlen kémiája , Prentice-Hall, New York, hozzáférés 2021. augusztus 8-án.

  Tellúrumot tartalmaz nemfémes elemként.

• Bailey GH 1918, The Tutorial Chemistry, Part 1: The Non-Metals , 4. kiadás, W Briggs (szerk.), University Tutorial Press, London.

  Tizennégy nemfém (a nemesgázok kivételével), köztük B, Si, Se és Te. A szerző azt írja, hogy az arzén és az antimon csillogásukban és hő- és villamosenergia-vezetőképességükben a fémekhez hasonlítanak, de kémiai tulajdonságaikban a nemfémekhez hasonlítanak, mivel savas oxidokat képeznek és híg ásványi savakban nem oldódnak; "az ilyen elemeket metalloidoknak nevezik " (530. o.).

• Appleton JH 1897, A nemfémek kémiája: elemi tankönyv iskoláknak és főiskoláknak , Snow & Farnham nyomtatók, Providence, Rhode Island

  Tizennyolc nemfém: Ő, Ar; F, Cl, Br, I; O, S, Se, Te; N, P, As, Sb; C, Si; B; H. A neon, a germánium, a kripton és a xenon új vagy kétes elemként szerepel. Az Sb esetében Appleton ezt írja:

"Az antimonot néha fémnek, néha nemfémnek minősítik. Több más elem esetében a besorolás kérdése nehéz-sőt, a besorolás a kényelem, bizonyos értelemben több, mint az abszolút tudományos bizonyosság. Egyes kapcsolataiban, különösen fizikai tulajdonságaiban az antimon a jól meghatározott fémekhez hasonlít-kémiai viszonyaiban a bórt, nitrogént, foszfort, arzént, jól meghatározott nemfémeket tartalmazó csoportba tartozik. " (166. o.).

• Appleton JH 1888, Kezdők kémiai kézikönyve: A tárgy, amelyet elsősorban a nemfémekből származó tények és elvek alapján fejlesztettek ki , Chautauqua Press, New York.

  Tizenöt nemfém, köztük B, Si, As, Sb és Se (a hat nemesgázt akkor még nem ismerték; Ge -t csak 1886 -ban fedezték fel). Te szerepel a kémiai elemek listájában, de máshol nem említik.

• Gmelin L 1849, kémiai kézikönyv , évf. 2, Nemfémes elemek, H Watts (ford.), Cavendish Society, London.

  Tizenkét nemfém (akkor még "metalloidoknak" nevezték): H, B, C, N, O, F, P, S, Cl, Se, Br, I.

Külső linkek

• A nemfémekkel kapcsolatos média a Wikimedia Commonsban