Страница 116 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. Перечислите общие физические и химические свойства неметаллов.

Общие физические свойства неметаллов

Неметаллы, в отличие от металлов, не обладают единым набором физических свойств. Их свойства очень разнообразны, но можно выделить некоторые общие тенденции.

• Агрегатное состояние: При нормальных условиях неметаллы могут быть газами (например, водород $H_2$, кислород $O_2$, азот $N_2$, хлор $Cl_2$, инертные газы), жидкостью (бром $Br_2$) или твёрдыми веществами (например, углерод $C$, фосфор $P$, сера $S$, иод $I_2$).
• Внешний вид: Большинство неметаллов не имеют металлического блеска (исключения – иод, графит, кремний). Они имеют разнообразную окраску: сера – жёлтая, фосфор бывает белым, красным и чёрным, бром – красно-бурый, хлор – жёлто-зелёный, иод – тёмно-фиолетовый.
• Пластичность и хрупкость: Твёрдые неметаллы, как правило, хрупкие и нековкие. При ударе они легко разрушаются (например, кристалл серы).
• Тепло- и электропроводность: В большинстве своём неметаллы являются плохими проводниками тепла и электрического тока, то есть являются диэлектриками. Существуют важные исключения: графит (аллотропная модификация углерода) хорошо проводит электрический ток, а алмаз (другая модификация углерода) обладает очень высокой теплопроводностью.
• Температуры плавления и кипения: Эти показатели у неметаллов изменяются в очень широких пределах. У веществ с молекулярной кристаллической решёткой (иод, сера) они низкие, а у веществ с атомной решёткой (алмаз, кремний) – очень высокие.

Ответ: Общие физические свойства неметаллов включают разнообразие агрегатных состояний (газы, жидкость, твёрдые тела), отсутствие металлического блеска (за редким исключением), хрупкость в твёрдом состоянии, а также низкую тепло- и электропроводность (за исключением аллотропных модификаций углерода).

Общие химические свойства неметаллов

Химические свойства неметаллов определяются их способностью принимать электроны, что связано с их высокой электроотрицательностью. Большинство неметаллов являются сильными окислителями, хотя могут проявлять и восстановительные свойства.

Взаимодействие с металлами: Неметаллы выступают в роли окислителей, образуя соли (бинарные соединения), такие как хлориды, сульфиды, оксиды.

Например: $2Na + S \rightarrow Na_2S$ (сульфид натрия); $2Fe + 3Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3$ (хлорид железа(III)).

Взаимодействие с другими неметаллами:

При взаимодействии с водородом большинство неметаллов также являются окислителями, образуя летучие водородные соединения.

Например: $H_2 + Cl_2 \rightarrow 2HCl$ (хлороводород); $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$ (аммиак).

При взаимодействии с кислородом и фтором большинство неметаллов проявляют восстановительные свойства (кроме самого фтора, который является самым сильным окислителем). В результате образуются оксиды или фториды.

Например: $S + O_2 \xrightarrow{t} SO_2$ (оксид серы(IV)); $C + O_2 \xrightarrow{t} CO_2$ (оксид углерода(IV)); $Si + 2F_2 \rightarrow SiF_4$ (фторид кремния(IV)).

Окислительно-восстановительная двойственность: Многие неметаллы (кроме фтора) могут быть как окислителями (в реакциях с металлами и водородом), так и восстановителями (в реакциях с более электроотрицательными неметаллами, в первую очередь с кислородом и фтором).

Образование оксидов и соответствующих кислот: Оксиды, образованные неметаллами, в большинстве случаев являются кислотными (например, $CO_2, SO_2, SO_3, P_2O_5$). При взаимодействии с водой они образуют соответствующие кислоты.

Например: $P_2O_5 + 3H_2O \rightarrow 2H_3PO_4$ (ортофосфорная кислота).

Некоторые оксиды неметаллов являются несолеобразующими (например, $CO, NO, N_2O$).

Летучие водородные соединения: Неметаллы образуют с водородом газообразные соединения (например, $CH_4, NH_3, H_2S, HF, HCl$). Водные растворы водородных соединений галогенов и халькогенов (S, Se) являются кислотами, а водный раствор аммиака – основанием.

Ответ: Основные химические свойства неметаллов: высокая электроотрицательность, способность выступать в роли окислителей (взаимодействуя с металлами и водородом) и восстановителей (взаимодействуя с более электроотрицательными неметаллами, такими как кислород и фтор). Они образуют кислотные оксиды (и соответствующие им кислоты), а также летучие водородные соединения.

2. Как объяснить, что среди неметаллов есть и газы, и тугоплавкие твёрдые тела?

Разнообразие агрегатных состояний и физических свойств неметаллов, от газов до тугоплавких твёрдых тел, объясняется фундаментальным различием в типе их кристаллических решёток в твёрдом состоянии. Существует два основных типа решёток, которые образуют неметаллы: молекулярная и атомная.

Неметаллы, которые при стандартных условиях являются газами (например, кислород $O_2$, азот $N_2$, хлор $Cl_2$, инертные газы) или легкоплавкими твёрдыми веществами (например, йод $I_2$, сера $S_8$), имеют молекулярную кристаллическую решётку. В узлах такой решётки располагаются отдельные молекулы (или атомы для инертных газов). Внутри этих молекул атомы связаны очень прочными ковалентными связями, но сами молекулы в кристалле удерживаются вместе лишь слабыми межмолекулярными силами (силами Ван-дер-Ваальса). Для плавления или кипения такого вещества достаточно преодолеть эти слабые межмолекулярные взаимодействия, что требует малого количества энергии. Этим и объясняются их низкие температуры плавления и кипения.

С другой стороны, неметаллы, являющиеся тугоплавкими твёрдыми телами (например, углерод в форме алмаза, кремний $Si$, бор $B$), образуют атомную кристаллическую решётку. В этом случае в узлах решётки находятся атомы, соединённые между собой прочными ковалентными связями, которые простираются через весь кристалл. Фактически, весь кристалл представляет собой одну гигантскую молекулу. Чтобы расплавить такое вещество, необходимо разорвать эти многочисленные и очень прочные ковалентные связи, на что требуется огромное количество энергии. Именно поэтому вещества с атомной кристаллической решёткой обладают очень высокой твёрдостью и температурой плавления.

Ответ: Различие в физических свойствах неметаллов (от газов до тугоплавких тел) обусловлено типом их кристаллической решётки: вещества с молекулярной решёткой (например, $O_2$) имеют низкие температуры плавления из-за слабых межмолекулярных связей, а вещества с атомной решёткой (например, алмаз) — очень высокие из-за необходимости разрыва прочных ковалентных связей во всём кристалле.

3. Напишите уравнения реакций взаимодействия кальция с серой, фосфором, водородом и углеродом, зная, что в соединениях с металлами эти элементы проявляют низшие степени окисления.

Кальций (Ca) — щелочноземельный металл, находится во второй группе, главной подгруппе периодической системы. В своих соединениях он всегда проявляет степень окисления +2. Согласно условию задачи, сера, фосфор, водород и углерод в реакциях с кальцием проявляют свои низшие степени окисления.

Взаимодействие с серой

Сера (S) находится в 16-й группе (VIА), её низшая степень окисления равна -2. Кальций имеет степень окисления +2. При составлении формулы соединения, сульфида кальция, заряды ионов $Ca^{2+}$ и $S^{2-}$ взаимно компенсируются.

Уравнение реакции (обычно протекает при нагревании):

$Ca + S \rightarrow CaS$

Ответ: $Ca + S = CaS$

Взаимодействие с фосфором

Фосфор (P) находится в 15-й группе (VА), его низшая степень окисления равна -3. Степень окисления кальция +2. Для того чтобы молекула была электронейтральной, необходимо найти наименьшее общее кратное для чисел 2 и 3, которое равно 6. Следовательно, на 3 атома кальция ($3 \cdot (+2) = +6$) должно приходиться 2 атома фосфора ($2 \cdot (-3) = -6$). Образуется фосфид кальция $Ca_3P_2$.

Уравнение реакции (протекает при нагревании):

$3Ca + 2P \rightarrow Ca_3P_2$

Ответ: $3Ca + 2P = Ca_3P_2$

Взаимодействие с водородом

Водород (H) в соединениях с активными металлами (гидридах) проявляет свою низшую степень окисления, равную -1. Степень окисления кальция +2. Таким образом, на один атом кальция приходится два атома водорода. Образуется гидрид кальция $CaH_2$.

Уравнение реакции (протекает при нагревании):

$Ca + H_2 \rightarrow CaH_2$

Ответ: $Ca + H_2 = CaH_2$

Взаимодействие с углеродом

Углерод (C) находится в 14-й группе (IVA), его низшая степень окисления равна -4. Степень окисления кальция +2. Чтобы уравнять заряды, на один атом углерода ($-4$) должно приходиться два атома кальция ($2 \cdot (+2) = +4$). Образуется карбид кальция (метилид) $Ca_2C$.

Уравнение реакции (протекает при высокой температуре):

$2Ca + C \rightarrow Ca_2C$

Ответ: $2Ca + C = Ca_2C$

4. Вспомните, как изменяются неметаллические свойства элементов при движении по периоду, по группе (главной подгруппе).

Неметаллические свойства химических элементов — это их способность присоединять электроны, проявляя окислительные свойства. Эти свойства закономерно изменяются в Периодической системе Д.И. Менделеева в зависимости от положения элемента.

по периоду

При движении по периоду слева направо происходит увеличение заряда ядра атомов при сохранении того же числа электронных слоев. Вследствие этого усиливается притяжение валентных (внешних) электронов к ядру, что приводит к уменьшению атомного радиуса. Способность атома притягивать к себе электроны от других атомов, называемая электроотрицательностью, возрастает. Атому становится энергетически выгоднее принимать электроны, чем их отдавать. Таким образом, неметаллические свойства элементов усиливаются. Ярким примером служит второй период: он начинается со щелочного металла лития ($Li$) и заканчивается типичным неметаллом фтором ($F$), самым электроотрицательным элементом.

Ответ: При движении по периоду слева направо неметаллические свойства элементов усиливаются.

по группе (главной подгруппе)

При движении по главной подгруппе сверху вниз увеличивается число электронных слоев, и, как следствие, значительно возрастает радиус атома. Хотя заряд ядра тоже растет, внешние электроны находятся дальше от него, и сила их притяжения к ядру ослабевает. Это происходит как из-за увеличения расстояния, так и из-за экранирующего эффекта внутренних электронных слоев. В результате электроотрицательность элементов уменьшается. Атомам становится легче отдавать свои валентные электроны и труднее присоединять чужие. Следовательно, неметаллические свойства ослабевают, а металлические — усиливаются. Например, в VА группе азот ($N$) — типичный неметалл, а висмут ($Bi$), расположенный внизу группы, — металл.

Ответ: При движении по группе (главной подгруппе) сверху вниз неметаллические свойства элементов ослабевают.

5. В 100 г какого из веществ — сероводорода $H_2S$ или аммиака $NH_3$ — содержится большее число молекул и во сколько раз?

Дано:

Масса сероводорода $m(\text{H}_2\text{S}) = 100$ г

Масса аммиака $m(\text{NH}_3) = 100$ г

Массы даны во внесистемных единицах (граммах). Для решения данной задачи перевод в систему СИ (килограммы) не является обязательным, так как при расчете отношения масс единицы измерения сократятся. Мы будем использовать молярную массу в г/моль.

Найти:

В каком из веществ число молекул больше и во сколько раз?

Решение:

Чтобы сравнить число молекул в равных массах разных веществ, необходимо воспользоваться понятием количества вещества (моль). Число молекул $N$ связано с количеством вещества $\nu$ и постоянной Авогадро $N_A$ ($N_A \approx 6,022 \cdot 10^{23}$ моль$^{-1}$) формулой:

$N = \nu \cdot N_A$

Количество вещества $\nu$, в свою очередь, можно найти как отношение массы вещества $m$ к его молярной массе $M$:

$\nu = \frac{m}{M}$

Объединив эти две формулы, получаем выражение для числа молекул:

$N = \frac{m}{M} \cdot N_A$

Поскольку по условию задачи массы веществ одинаковы ($m = 100$ г), а постоянная Авогадро $N_A$ является константой, то число молекул $N$ будет обратно пропорционально молярной массе $M$. Это означает, что большее число молекул будет содержаться в том веществе, у которого молярная масса меньше.

1. Рассчитаем молярные массы сероводорода ($\text{H}_2\text{S}$) и аммиака ($\text{NH}_3$). Для этого используем относительные атомные массы элементов из Периодической системы Д.И. Менделеева, округленные до целых чисел: $A_r(\text{H}) = 1$, $A_r(\text{S}) = 32$, $A_r(\text{N}) = 14$.

Молярная масса сероводорода: $M(\text{H}_2\text{S}) = 2 \cdot A_r(\text{H}) + 1 \cdot A_r(\text{S}) = 2 \cdot 1 + 32 = 34$ г/моль.

Молярная масса аммиака: $M(\text{NH}_3) = 1 \cdot A_r(\text{N}) + 3 \cdot A_r(\text{H}) = 1 \cdot 14 + 3 \cdot 1 = 17$ г/моль.

2. Сравним полученные молярные массы: $M(\text{NH}_3) = 17$ г/моль, а $M(\text{H}_2\text{S}) = 34$ г/моль.

Так как $17 < 34$, молярная масса аммиака меньше молярной массы сероводорода. Следовательно, в 100 г аммиака содержится больше молекул.

3. Теперь определим, во сколько раз число молекул аммиака больше, чем число молекул сероводорода. Для этого найдем отношение их количеств $N(\text{NH}_3)$ к $N(\text{H}_2\text{S})$:

$\frac{N(\text{NH}_3)}{N(\text{H}_2\text{S})} = \frac{\frac{m(\text{NH}_3)}{M(\text{NH}_3)} \cdot N_A}{\frac{m(\text{H}_2\text{S})}{M(\text{H}_2\text{S})} \cdot N_A}$

Поскольку $m(\text{NH}_3) = m(\text{H}_2\text{S}) = 100$ г, а $N_A$ сокращается, получаем:

$\frac{N(\text{NH}_3)}{N(\text{H}_2\text{S})} = \frac{M(\text{H}_2\text{S})}{M(\text{NH}_3)} = \frac{34 \text{ г/моль}}{17 \text{ г/моль}} = 2$

Ответ: В 100 г аммиака ($ \text{NH}_3 $) содержится большее число молекул, чем в 100 г сероводорода ($ \text{H}_2\text{S} $), ровно в 2 раза.

6. Выведите формулу соединения меди с серой, в котором массовая доля меди составляет 0,8.

Дано:

Соединение меди (Cu) и серы (S)

Массовая доля меди $\omega(Cu) = 0.8$

Найти:

Простейшую химическую формулу соединения $Cu_xS_y$

Решение:

1. Обозначим формулу соединения как $Cu_xS_y$, где $x$ и $y$ – индексы, показывающие количество атомов меди и серы соответственно.

2. Поскольку соединение состоит только из меди и серы, сумма их массовых долей равна 1 (или 100%). Найдем массовую долю серы в соединении:

$\omega(S) = 1 - \omega(Cu) = 1 - 0.8 = 0.2$

3. Соотношение индексов в простейшей формуле вещества равно соотношению количеств вещества (числа молей) атомов, образующих это вещество:

$x : y = \nu(Cu) : \nu(S)$

4. Количество вещества ($\nu$) можно найти, разделив массовую долю элемента ($\omega$) на его относительную атомную массу ($Ar$):

$\nu \sim \frac{\omega}{Ar}$

Относительные атомные массы меди и серы (округляем для удобства расчетов):

$Ar(Cu) \approx 64$

$Ar(S) \approx 32$

5. Найдем соотношение индексов $x$ и $y$:

$x : y = \frac{\omega(Cu)}{Ar(Cu)} : \frac{\omega(S)}{Ar(S)}$

Подставим известные значения:

$x : y = \frac{0.8}{64} : \frac{0.2}{32}$

$x : y = 0.0125 : 0.00625$

6. Чтобы получить целочисленное соотношение, разделим оба числа на наименьшее из них (0.00625):

$x : y = \frac{0.0125}{0.00625} : \frac{0.00625}{0.00625}$

$x : y = 2 : 1$

Таким образом, на 2 атома меди приходится 1 атом серы. Простейшая формула соединения – $Cu_2S$ (сульфид меди(I)).

7. Проверка:

Молярная масса $Cu_2S$: $M(Cu_2S) = 2 \cdot Ar(Cu) + Ar(S) = 2 \cdot 64 + 32 = 128 + 32 = 160$ г/моль.

Массовая доля меди: $\omega(Cu) = \frac{2 \cdot Ar(Cu)}{M(Cu_2S)} = \frac{2 \cdot 64}{160} = \frac{128}{160} = 0.8$.

Расчет верен.

Ответ: Формула соединения – $Cu_2S$.

7. В атоме элемента-неметалла на внешнем уровне находится столько же электронов, сколько не хватает до завершения этого уровня. Назовите два таких элемента.

Решение

Согласно условию задачи, в атоме элемента-неметалла на внешнем уровне находится такое же число электронов, какое необходимо для завершения этого уровня. Завершенным внешний энергетический уровень (кроме первого) считается при наличии на нем 8 электронов (правило октета).

Пусть $x$ — это количество электронов на внешнем уровне. Тогда количество электронов, которое не хватает до завершения этого уровня, составляет $(8 - x)$.

По условию задачи, эти величины равны. Составим и решим уравнение: $x = 8 - x$ $2x = 8$ $x = 4$

Следовательно, искомый элемент должен иметь 4 электрона на внешнем энергетическом уровне. Элементы, имеющие 4 валентных электрона, находятся в 14-й группе (старая классификация — IVА группа) Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева.

Из условия известно, что элемент является неметаллом. В 14-й группе к неметаллам (или металлоидам, проявляющим неметаллические свойства) относятся углерод (C) и кремний (Si).

1. Углерод (C) — неметалл, находится во 2-м периоде, 14-й группе. Электронная конфигурация внешнего уровня $2s^22p^2$. На внешнем уровне 4 электрона, и до его завершения не хватает $8 - 4 = 4$ электронов. Условие выполняется.

2. Кремний (Si) — металлоид (проявляет свойства неметалла), находится в 3-м периоде, 14-й группе. Электронная конфигурация внешнего уровня $3s^23p^2$. На внешнем уровне 4 электрона, и до его завершения не хватает $8 - 4 = 4$ электронов. Условие выполняется.

Ответ: Углерод (C) и кремний (Si).

*8. Используя информационные источники, сравните между собой строение твёрдых веществ — неметаллов: серы, белого фосфора, красного фосфора, алмаза, кремния, бора. Что общего в их строении и в чём различия?

Для сравнения строения твердых неметаллов рассмотрим структуру каждого из них. Все они являются простыми веществами, но имеют разное кристаллическое строение, что и определяет различие их свойств.

Сера (S). В твердом состоянии наиболее устойчивая аллотропная модификация — ромбическая сера — имеет молекулярную кристаллическую решетку. В узлах решетки располагаются циклические молекулы $S_8$, имеющие форму короны. Атомы серы внутри молекулы связаны прочными ковалентными связями, а сами молекулы в кристалле удерживаются слабыми межмолекулярными силами Ван-дер-Ваальса. Это обуславливает её хрупкость и невысокую температуру плавления.

Белый фосфор (P). Также имеет молекулярную кристаллическую решетку. Структурными единицами являются молекулы $P_4$, имеющие форму тетраэдра. Внутри молекулы атомы фосфора соединены ковалентными связями. Между молекулами в кристалле действуют слабые межмолекулярные силы. Этим объясняются его мягкость, низкая температура плавления и высокая химическая активность.

Красный фосфор (P). В отличие от белого, является полимером и имеет атомную кристаллическую решетку. Его структура представляет собой сложную пространственную сетку, состоящую из цепей связанных между собой атомов фосфора. Благодаря прочным ковалентным связям по всему кристаллу, красный фосфор значительно более стабилен и тугоплавок, чем белый.

Алмаз (C). Это аллотропная модификация углерода с атомной кристаллической решеткой. Каждый атом углерода находится в состоянии $sp^3$-гибридизации и связан прочными ковалентными связями с четырьмя соседними атомами, образуя жесткий трехмерный тетраэдрический каркас. Такая структура обеспечивает алмазу исключительную твердость и очень высокую температуру плавления.

Кремний (Si). Имеет атомную кристаллическую решетку, по типу строения аналогичную алмазу. Каждый атом кремния ковалентно связан с четырьмя другими атомами в тетраэдрическом окружении. Это обуславливает его твердость, хрупкость и высокую температуру плавления.

Бор (B). Обладает очень сложной атомной кристаллической решеткой. Ее основной структурной единицей является икосаэдр $B_{12}$ — почти сферическая структура из 12 атомов бора. Эти икосаэдры прочно связаны друг с другом ковалентными связями, образуя трехмерный каркас. Бор отличается высокой твердостью и тугоплавкостью.

Что общего в их строении?

Несмотря на внешние различия, в строении данных неметаллов можно выделить несколько общих черт:

• Все перечисленные вещества в твердом агрегатном состоянии являются кристаллическими, то есть имеют упорядоченную внутреннюю структуру.

• Основным типом химической связи между атомами в их структурах (внутри молекул, цепей или по всему кристаллу) является ковалентная связь.

• Для большинства из этих элементов (углерод, фосфор, сера, бор) характерно явление аллотропии — существование в виде нескольких простых веществ, разных по строению и свойствам.

Ответ: Общим для всех этих веществ является наличие кристаллической структуры в твердом состоянии и ковалентный тип химической связи между атомами. Также для большинства из них характерна аллотропия.

В чём различия?

Основные различия в строении определяют кардинальную разницу в их физических свойствах:

• Тип кристаллической решетки: Это ключевое различие. Сера и белый фосфор имеют молекулярную решетку, состоящую из отдельных молекул ($S_8$ и $P_4$), связанных слабыми межмолекулярными силами. Алмаз, кремний, бор и красный фосфор имеют атомную решетку, где все атомы в кристалле связаны прочными ковалентными связями в единый каркас.

• Строение структурных единиц: В молекулярных решетках структурными единицами являются молекулы разной формы (корона $S_8$, тетраэдр $P_4$). В атомных решетках весь кристалл является единой структурой, но с разной архитектурой: тетраэдрический каркас у алмаза и кремния, полимерные цепи у красного фосфора и сложная икосаэдрическая структура у бора.

• Следствия для свойств: Вещества с молекулярной решеткой (сера, белый фосфор) — мягкие, легкоплавкие, летучие. Вещества с атомной решеткой (алмаз, кремний, бор, красный фосфор) — твердые, тугоплавкие, нелетучие.

Ответ: Главное различие заключается в типе кристаллической решетки: у серы и белого фосфора она молекулярная, а у алмаза, кремния, бора и красного фосфора — атомная. Это приводит к различиям в строении структурных единиц (отдельные молекулы против единого атомного каркаса) и, как следствие, к кардинально разным физическим свойствам, таким как твердость и температура плавления.