Свойства простых веществ — одна из базовых тем для успешной сдачи ЕГЭ по химии. В этой статье разберём общие свойства неметаллов, способы их получения и специфику взаимодействий. Рассмотрим, как неметаллы ведут себя с водой, оксидами, солями и кислотами, чтобы уверенно решать задания экзамена без подсказок.
Где эта тема встречается в экзаменационных заданиях
Тема неметаллов является сквозной и охватывает сразу несколько разделов государственного экзамена:
- Задания 6–9 посвящены анализу химических свойств простых веществ и их оксидов. Здесь часто возникают трудности при выборе реагентов для серы, фосфора или галогенов и составлении цепочек превращений.
- Задания 29 и 31 (вторая часть) проверяют умение писать окислительно-восстановительные реакции с участием неметаллов, а также реакции получения неметаллов.
Теория: общие представления о неметаллах
Неметаллы располагаются преимущественно в правом верхнем углу Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. К ним относятся элементы p-семейства (галогены, халькогены, пниктогены), а также s-элемент водород.
Физические свойства неметаллов весьма разнообразны. Галогены образуют газы (фтор, хлор), жидкости (бром) и твёрдые вещества (иод). Углерод, кремний и фосфор являются твёрдыми веществами. Водород, кислород, азот — газообразные вещества. Неметаллы плохо проводят электрический ток и тепло, не имеют металлического блеска. Исключениями служат графит и кристаллический иод, которые блестят и частично проводят ток.
Классификацию неметаллов чаще всего проводят по типу кристаллической решётки:
- Молекулярные решётки: газы ($O_2,\, N_2,\, Cl_2,\, H_2$), жидкости ($Br_2$), легкоплавкие твёрдые вещества ($I_2$, белая модификация фосфора $P_4$, ромбическая сера $S_8$).
- Атомные решётки: очень твёрдые и тугоплавкие материалы (алмаз $C$, кремний $Si$, бор $B$, красный и чёрный фосфор).
Важнейшей характеристикой элементов выступает электроотрицательность. Она показывает способность атома оттягивать на себя электроны в химической связи. В периодах она возрастает слева направо, а в группах увеличивается снизу вверх.
Сравнение электроотрицательности неметаллов выглядит следующим образом (от самого сильного фтора к более слабым):
$F > O > N \approx Cl > Br > I > S > C > P > H > Si$
Химические свойства неметаллов
Логика взаимодействий неметаллов строится на их способности выступать окислителями (принимать электроны) и восстановителями (отдавать электроны). Исключением является фтор, который выступает только в роли окислителя.
Реакции с простыми веществами
Взаимодействие с металлами
Неметаллы реагируют с металлами с образованием бинарных соединений. Неметалл забирает электроны и проявляет низшую степень окисления. Натрий бурно реагирует с хлором без нагревания:
$2Na + Cl_2 \rightarrow 2NaCl$
Кальций при нагревании соединяется с серой:
$Ca + S \rightarrow CaS$
Магний связывает атмосферный азот при поджигании:
$3Mg + N_2 \rightarrow Mg_3N_2$
Алюминий при высоких температурах соединяется с углеродом:
$4Al + 3C \rightarrow Al_4C_3$
Железо реагирует с хлором с образованием соли со степенью окисления железа +3 (так как хлор — сильный окислитель):
$2Fe + 3Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3$
Медь сгорает в атмосфере хлора:
$Cu + Cl_2 \rightarrow CuCl_2$
При этом с менее активным неметаллом (серой) железо образует сульфид железа(II):
$Fe + S \rightarrow FeS$
Взаимодействие с другими неметаллами
Более электроотрицательный неметалл забирает электроны, а менее электроотрицательный их отдаёт. Водород активно взаимодействует с галогенами на свету или при нагревании:
$H_2 + Cl_2 \rightarrow 2HCl$
Процесс соединения водорода с серой протекает обратимо:
$H_2 + S \rightleftarrows H_2S$
Синтез аммиака требует катализатора, давления и нагревания:
$N_2 + 3H_2 \rightleftarrows 2NH_3$
Горение водорода в кислороде сопровождается взрывом гремучей смеси:
$2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$
Сера и углерод сгорают в кислороде с образованием кислотных оксидов:
$S + O_2 \rightarrow SO_2 \\ C + O_2 \rightarrow CO_2$
Фосфор при избытке кислорода легко окисляется до высшего оксида:
$4P + 5O_2 \rightarrow 2P_2O_5$
Азот вступает в реакцию с кислородом только при температуре электрической дуги:
$N_2 + O_2 \rightleftarrows 2NO$
Фтор настолько активен, что заставляет углерод гореть:
$C + 2F_2 \rightarrow CF_4$
Фосфор легко присоединяет хлор. При избытке хлора образуется пентахлорид фосфора, а при недостатке получается трихлорид фосфора:
$2P + 5Cl_2 \rightarrow 2PCl_5 \\ 2P + 3Cl_2 \rightarrow 2PCl_3$
Сера реагирует со всеми галогенами, кроме иода:
$2S + Cl_2 \rightarrow S_2Cl_2 \\ S + 3F_2 \rightarrow SF_6$
Кремний взаимодействует с хлором при умеренном нагревании:
$Si + 2Cl_2 \rightarrow SiCl_4$
Особенность реакций: галогены напрямую с кислородом не реагируют. Их кислородсодержащие соединения можно получить только косвенными способами.
Реакции неметаллов с водой
Большинство неметаллов в воде не растворяются и с ней не взаимодействуют. Однако существуют важные исключения.
Хлор частично растворяется в воде и вступает в реакцию диспропорционирования (одновременно понижает и повышает степень окисления):
$Cl_2 + H_2O \rightleftarrows HCl + HClO$
Фтор разрушает воду, высвобождая кислород. Эта реакция протекает со взрывом:
$2F_2 + 2H_2O \rightarrow 4HF + O_2$
Раскалённый уголь реагирует с водяным паром с образованием синтез-газа.
Этот процесс находит широкое применение в промышленности:
$C + H_2O \rightarrow CO + H_2$
Кремний аналогично углероду реагирует с водяным паром:
$Si + 2H_2O \rightarrow SiO_2 + 2H_2$
Реакции неметаллов с оксидами
Углерод и водород выступают отличными восстановителями и забирают кислород у оксидов неактивных металлов и металлов средней активности. Восстановление меди из оксида меди(II) углеродом:
$C + CuO \rightarrow Cu + CO$
Восстановление с помощью водорода:
$H_2 + CuO \rightarrow Cu + H_2O \\ H_2 + ZnO \rightarrow Zn + H_2O$
Углерод способен восстанавливать углекислый газ до угарного газа:
$C + CO_2 \rightarrow 2CO$
Кремний — сильный восстановитель. При высокой температуре вытесняет магний из его оксида:
$Si + 2MgO \rightarrow 2Mg + SiO_2$
Реакции неметаллов с кислотами-неокислителями
Рассмотрим реакции галогенов с галогенводородами и сероводородом.
Более активный галоген вытеснит из соответствующего водородного соединения менее активный неметалл.
$Cl_2 + 2HBr \rightarrow Br_2 + 2HCl \\ Br_2 + H_2S \rightarrow S + 2HBr$
Реакции неметаллов с кислотами-окислителями
Концентрированная серная кислота и азотная кислота окисляют атом неметалла до его высшей (или одной из высоких) степени окисления. Реагировать способны сера, углерод, фосфор и иод (только с $HNO_{3 (конц.)}$).
Взаимодействие с концентрированной серной кислотой.
Сера окисляется до степени окисления +4:
$S + 2H_2SO_4(конц.) \rightarrow 3SO_2 + 2H_2O$
Углерод переходит в высшую степень +4:
$C + 2H_2SO_4(конц.) \rightarrow CO_2 + 2SO_2 + 2H_2O$
Фосфор также окисляется до высшей степени окисления +5:
$2P + 5H_2SO_4(конц.) \rightarrow 2H_3PO_4 + 5SO_2 + 2H_2O$
Взаимодействие с азотной кислотой.
Азотная кислота (вне зависимости от концентрации) — мощный окислитель. Концентрированный раствор обычно выделяет бурый газ $NO_2$.
Реакция серы с концентрированной азотной кислотой даёт серную кислоту:
$S + 6HNO_3(конц.) \rightarrow H_2SO_4 + 6NO_2 + 2H_2O$
Углерод окисляется до углекислого газа:
$C + 4HNO_3(конц.) \rightarrow CO_2 + 4NO_2 + 2H_2O$
Фосфор превращается в ортофосфорную кислоту при действии концентрированной кислоты:
$P + 5HNO_3(конц.) \rightarrow H_3PO_4 + 5NO_2 + H_2O$
Иод окисляется до иодноватой кислоты:
$I_2 + 10HNO_3(конц.) \rightarrow 2HIO_3 + 10NO_2 + 4H_2O$
Если азотная кислота разбавленная, то она выделяет бесцветный оксид азота(II):
$3P + 5HNO_3(разб.) + 2H_2O \rightarrow 3H_3PO_4 + 5NO$
В рамках ЕГЭ реакции углерода и серы с разбавленной азотной кислотой не рассматриваются.
Реакции неметаллов с основаниями
Щёлочи заставляют многие неметаллы вступать в диспропорционирование. Исключениями являются кремний и фтор.
Хлор в холодном растворе гидроксида натрия даёт гипохлорит и хлорид натрия:
$Cl_2 + 2NaOH(холод.) \rightarrow NaCl + NaClO + H_2O$
В горячем растворе щёлочи хлор окисляется до степени окисления +5 (образуется хлорат натрия):
$3Cl_2 + 6NaOH(горяч.) \rightarrow 5NaCl + NaClO_3 + 3H_2O$
Бром реагирует с щелочами подобно хлору. Иод реагирует только при нагревании с образованием иодата и иодида.
Сера растворяется в горячей щёлочи, образуя смесь сульфида и сульфита:
$3S + 6KOH \rightarrow 2K_2S + K_2SO_3 + 3H_2O$
Фосфор при кипячении образует фосфин и гипофосфит калия:
$4P + 3KOH + 3H_2O \rightarrow PH_3 + 3KH_2PO_2$
Кремний реагирует со щелочами иначе. Диспропорционирования здесь не происходит. Кремний повышает свою степень окисления, а водород из воды её понижает:
$Si + 2NaOH + H_2O \rightarrow Na_2SiO_3 + 2H_2$
Фтор также не вступает в реакцию диспропорционирования. Он вытесняет кислород из щёлочи:
$2F_2 + 4NaOH = 4NaF + O_2 + 2H_2O$
Амфотерные гидроксиды с простыми веществами-неметаллами реакцию не дают.
Реакции неметаллов с солями
С солями неметаллы реагируют по правилу вытеснения галогенов: более электроотрицательный галоген из водных растворов вытесняет менее электроотрицательный. Хлор легко вытесняет иод из иодида калия:
$Cl_2 + 2KI \rightarrow 2KCl + I_2$
Бром вытесняет иод из растворов солей:
$Br_2 + 2NaI \rightarrow 2NaBr + I_2$
Также существуют окислительно-восстановительные взаимодействия твёрдых солей с углеродом или кремнием при высоких температурах. Углерод переводит сульфат бария в сульфид:
$C + BaSO_4 \rightarrow BaS + 4CO$
Хлор выступает сильным окислителем по отношению к солям элементов в низших степенях окисления. Он окисляет хлорид железа(II) до хлорида железа(III):
$Cl_2 + 2FeCl_2 \rightarrow 2FeCl_3$
Способы получения неметаллов
Каждый элемент имеет свои особенности получения. Важно различать промышленные методы (где важна экономия электроэнергии и сырья) и лабораторные методы (здесь в приоритете удобство, надёжность и чистота вещества).
Промышленные и лабораторные методы получения неметаллов
| Неметалл | Лабораторный способ | Промышленный способ |
|---|---|---|
| Галогены ($Cl_2$) | Действие сильных окислителей на $HCl$. Например, взаимодействие диоксида марганца с соляной кислотой: $MnO_2 + 4HCl \rightarrow MnCl_2 + Cl_2 + 2H_2O$ | Электролиз водных растворов хлоридов щелочных металлов: $2NaCl + 2H_2O \xrightarrow{электролиз} H_2 + Cl_2 + 2NaOH$ |
| Водород ($H_2$) | Растворение активных металлов в кислотах: $Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2$ | Конверсия метана водяным паром: $CH_4 + H_2O \xrightarrow{Ni, t} CO + 3H_2$ |
| Кислород ($O_2$) | Термическое разложение солей и пероксидов: $2KMnO_4 \xrightarrow{t} K_2MnO_4 + MnO_2 + O_2$ $2H_2O_2 \xrightarrow{MnO_2} 2H_2O + O_2$ | Фракционная дистилляция (перегонка) сжиженного воздуха. |
| Азот ($N_2$) | Разложение слабых солей аммония при нагревании: $NH_4NO_2 \xrightarrow{t} N_2 + 2H_2O$ | Фракционная перегонка охлаждённого сжиженного воздуха. |
| Фосфор ($P$) | Лабораторные способы практически не используют из-за токсичности вещества. | Спекание фосфата кальция с песком и углём: $Ca_3(PO_4)_2 + 3SiO_2 + 5C \xrightarrow{t} 3CaSiO_3 + 2P + 5CO$ |
| Кремний ($Si$) | Восстановление из диоксида кремния магнием: $SiO_2 + 2Mg \rightarrow Si + 2MgO$ | Восстановление чистого кварцевого песка коксом: $SiO_2 + 2C \rightarrow Si + 2CO$ |
| Углерод ($C$) | Обычно используют готовые образцы. | Пиролиз природного газа: $CH_4 \xrightarrow{t} C + 2H_2$ |
Рассмотрим ещё две реакции лабораторного получения хлора:
$2KMnO_4 + 16HCl \rightarrow 2KCl + 2MnCl_2 + 5Cl_2 + 8H_2O \\ K_2Cr_2O_7 + 14HCl \rightarrow 2KCl + 2CrCl_3 + 3Cl_2 + 7H_2O$
Разложение бертолетовой соли с образованием кислорода в присутствии катализатора:
$2KClO_3 \xrightarrow{t, MnO_2} 2KCl + 3O_2$
Типичные ошибки экзаменационных бланков
Годы проверки экзаменационных работ показывают, что большинство теряет баллы в следующих ловушках ЕГЭ:
- Ошибочное диспропорционирование кремния в щёлочи. Кремний не диспропорционирует. Водород выделяется из воды в виде простого газа: $Si + 2NaOH + H_2O \rightarrow Na_2SiO_3 + 2H_2$.
- Попытка написать реакцию полного сгорания хлора в кислороде. Галогены с кислородом напрямую не реагируют. Их оксиды получают исключительно косвенным путём.
- Реакция серы с соляной кислотой. Сера менее электроотрицательна, чем хлор, поэтому вещества не взаимодействуют.
- Выделение водорода при реакции фосфора с концентрированной азотной кислотой. Кислоты-окислители никогда не выделяют свободный водород. Азотная кислота восстанавливается до оксидов азота ($NO_2$ или $NO$): $P + 5HNO_3(конц.) \rightarrow H_3PO_4 + 5NO_2 + H_2O$.
Практика: разбор экзаменационных заданий
Закрепим изученные химические свойства на реальных заданиях ЕГЭ и ОГЭ.
Задание 1
Установите соответствие между формулой вещества и реагентами, с каждым из которых это вещество может взаимодействовать:
Формула вещества: $S$ (сера)
Реагенты:
1. $AgNO_3,\, KOH,\, Br_2$.
2. $CO_2,\, H_2S,\, NaNO_3$.
3. $O_2,\, Al,\, HNO_3$.
4. $HCl,\, H_2,\, NH_3$.
- Проверим первый вариант. Сера напрямую не реагирует с солью $AgNO_3$. Вариант не подходит.
- Второй вариант. Неметаллы редко взаимодействуют с кислотными оксидами, сера с $CO_2$ не реагирует. С сероводородом и нитратом натрия сера также не вступает в реакции.
- Третий вариант подходит. Реакция с кислородом: $S + O_2 \rightarrow SO_2$. Реакция с металлом: образуется сульфид $2Al + 3S \rightarrow Al_2S_3$. Реакция с кислотой-окислителем: $S + 6HNO_3(конц.) \rightarrow H_2SO_4 + 6NO_2 + 2H_2O$.
- Четвёртый вариант. Сера не реагирует с $HCl$ (кислотой-неокислителем) и с аммиаком ($NH_3$).
Ответ: 3.
Задание 2
Задана следующая схема превращений веществ:
$KBr \xrightarrow{+X} Br_2 \xrightarrow{+Y} NaBrO$
Определите, какие из указанных веществ являются веществами X и Y:
1. $HCl$.
2. $NaOH$.
3. $Cl_2$.
4. $NaClO$.
5. $Na_2O$.
- Первый переход. Нужно извлечь из соли $KBr$ бром $Br_2$. Это можно сделать более активным неметаллом. Подходит хлор $Cl_2$ (вариант 3).
$2KBr + Cl_2 \rightarrow 2KCl + Br_2$ - Второй переход. Нужно из брома получить гипобромит натрия. Для этого используется холодный раствор щёлочи (вариант 2), происходит реакция диспропорционирования.
$Br_2 + 2NaOH \rightarrow NaBr + NaBrO + H_2O$
Ответ: X — 3, Y — 2.
Заключение
После изучения этого материала можно без ошибок выполнять задания ЕГЭ по химии, связанные с простыми веществами. Теперь ты умеешь: определять возможные реакции неметаллов с водой, оксидами, солями и кислотами; предсказывать продукты окисления и диспропорционирования; подбирать правильные лабораторные и промышленные способы получения элементов. Чтобы закрепить тему, прорешай 10–12 заданий на свойства неметаллов в «100балльном банке».
