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非金属单质的结构和性质


实验室k / 2019-03-09

       非金属元素与金属元素的根本区别在于原子的价电子层结构不同,多数金属元素的最外电子层上只有1、2个s电子,而非金属元素比较复杂。H、He有1、2个s电子,He以外的希有气体的价电子层结构为ns2np6,共有8个电子,第ⅢA族到ⅦA族元素的价电子层结构为ns2np(1~5),即有3~7个价电子。金属元素的价电子少,它们倾向于失去这些电子;而非金属元素的价电子多,它们倾向于得到电子。

       在单质结构上,金属的特点是以金属键形成球状紧密堆积,既没有饱和性又没有方向性,所以金属具有光译、延展性、导电和导热等通性。非金属单质大都是由2或2个以上的原子以共价键相结合的,分子中的键既有饱和性又有方向性。如以N代表非金属元素在周期表中的族数,则该元素在单质分子中的共价数等于8-N。对于H则为2-N。

       希有气体的共价等于8-8=0,共结构单元为单原子分子。这些单原子分子借范德华引力结合成分子型晶体。

       第ⅦA族,卤素原子的共价等于8-7=1。每两个原子以一个共价键形成双原子分子,然后借范德华力形成分子型晶体。H的共价为2-1=1,也属同一类型。

       第ⅥA族的氧、硫、硒等元素的共价为8-6=2。第ⅤA族的氮、磷,砷等元素的共价为8-5=3。在这两族元素中处于第2周期的氧和氮,由于内层只有1s电子,每两个原子之间除了形成σ健以外,还可以形成p-pπ键,所以它们的单质为多重键组成的双原子分子。第3、4周期的非金属元素加S、Se、P、As等,则因内层电子较多,最外层的p电子云难于重叠为p-pπ键,而倾向于形成尽可能多的σ单键,所以它们的单质往往是由一些原子以共价单键形成的多原子分子,如S3、Se8、P4及As4等等,(见图15-2(b)、(c)、(d)),然后由这些分子形成分子型晶体(图15-2(f)、(g))。


       第ⅣA族,碳族的共价为8-4=4,这一族的非金属C和Si的单质基本上属于原子晶体。在这些晶体中,原子通过由sp3杂化轨道所形成的共价单键而结合成庞大的分子。

       所以,非金属元素按其单质的结构和性质大致可以分成三类。第一类是小分子物质,如单原子分子的希有气体和双原子分子的X2(卤素)O2、N2及H2等。在通常状况下,它们是气体。其固体为分子型晶体,熔点、沸点都很低。第二类为多原子分子物质,如S8、P4和As4等。在通常状况下,它们是固体,为分子型晶体,熔点、沸点也不高,但比第一类物质的高,容易挥发。第三类为大分子物质,如金刚石、晶态硅和硼等都系原子型晶体,熔点、沸点都很高,且不容易挥发。在大分子物质中还有一类混合型晶体,如石墨,它也是由无数的原子结合而成的庞大分子,但键型复杂,晶体属于混合晶型。

       总之,绝大多数非金属单质不是分子型晶体就是原子型晶体,所以它们的熔点或沸点的差别都较大。

       非金属元素和金属元素的区别,还反映在生成化合物的性质上。例如,金属元素一般都易形成阳离子,而非金属元素容易形成单原子或多原子阴离子。在常见的非金属元素中,F、Cl、Br、O、P、S较活泼,而N、B,C、Si在常温下不活泼。活泼的非金属容易与金属元素形成卤化物、氧化物、硫化物、氢化物或含氧酸盐等等。非金属元素此之间也可以形成化物、氧化物、氢化物、无氧酸和含氧酸等。绝大部分非金属氧化物显酸性,能与强碱反应。准金属的氧化物既与强酸又与强碱反应而显两性。大部分非金属单质不与水反应,卤素仅部分地与水反应,碳在赤热的条件下才与水蒸气反应。非金属一般不与稀酸反应,碳、磷、硫、碘等能浓HNO3或浓H2SO4所氧化。有不少非金属单质在碱性水溶液中发生歧化反应(多变价元素),或者与强碱反应,但非歧化反应。例如

3Cl2+6NaOH=(加热)5NaCl+NaClO3+3H2O

3S+NaOH=(加热)2Na2S+Na2SO3+3H2O

4P+3NaOH+3H2O=3NaH2PO2+PH3↑

Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑

2B+2NaOH+2H2O=2NaBO2+3H2↑

碳、氮、氧、氟等单质无此反应。


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