Урок 14. Обзор неметаллов. Свойства и применение важнейших неметаллов
Предмет: Химия, 11 класс

Конспект урока

Химия, 11 класс

Урок № 14. Обзор неметаллов. Свойства и применение важнейших неметаллов

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме: урок посвящён обобщению ранее изученной информации о неметаллах, выделены их общие черты и особенности каждой группы неметаллов. Рассмотрены свойства и применение важнейших неметаллов: углерода, кремния, азота, фосфора, кислорода, серы, фтора и хлора.

Глоссарий

Адсорбент – твёрдый пористый материал, способный задерживать на своей поверхности молекулы и ионы.

Валентность – способность атома образовывать определённое число химических связей при образовании молекул.

Восстановительные свойства – способность атома отдавать электроны.

Вулканизация – процесс взаимодействия каучука с серой или другими вулканизирующими агентами, в результате которого образуется единая пространственная сетка молекул, повышается прочность и твёрдость материала.

Галогены – простые вещества, типичные неметаллы, имеющие молекулярное строение, двухатомные молекулы. В периодической таблице элементов находятся в VIIA группе. Являются сильными окислителями.

Доменная печь – большая вертикально расположенная печь шахтного типа для выплавки чугуна и ферросплавов из железорудного сырья.

Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи – образование химической связи двумя атомами, один из которых (донор) предоставляет в общее пользование неподелённую пару электронов, а другой (акцептор) – свободную атомную орбиталь.

Карбиды – бинарные соединения металла и углерода, в которых углерод имеет отрицательную степень окисления.

Карборунд – карбид кремния SiC, обладает высокой твёрдостью, используется для шлифования.

Конвертер – вид печи для выплавки стали из расплавленного чугунного лома и шихты путём продувки техническим кислородом для окисления углерода.

Криолит – гексафторалюминат натрия Na3[AlF6], используется в производстве алюминия для снижения температуры расплава.

Неметаллы – простые вещества, не проявляющие металлических свойств, имеющие большое сродство к электрону, высокие значения относительной электроотрицательности, способные проявлять окислительные свойства.

Окислительные свойства – способность атома притягивать к себе электроны.

Относительная электроотрицательность – количественная характеристика, показывающая способность атома удерживать свои и притягивать чужие электроны.

Пестицид – вещество, используемое в сельском хозяйстве для борьбы с вредителями и болезнями растений, и сорняками.

Плавиковая кислота – раствор фтороводорода в воде, способный реагировать со стеклом и другими кремнийсодержащими материалами.

Промотирование электронов – разъединение (распаривание) пары электронов, в результате которого один из электронов переходит на свободную атомную орбиталь в пределах данного подуровня.

Силициды – бинарные соединения металлов с кремнием, в которых кремний имеет отрицательную степень окисления.

Технический углерод – аморфная тонкодисперсная форма углерода.

Ферросплав – сплавы железа с другими элементами, применяемые для легирования стали.

Фреоны – летучие фтор, хлорсодержащие углеводороды, используемые как хладагенты в холодильной технике. Разрушают озоновый слой Земли.

Фторопласты – вид пластмасс, в которых атомы водорода в углеводородах замещены атомами фтора.

Фуллерены – макромолекулы, представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, образованные большим количеством атомов углерода.

Хроматографический анализ – метод обнаружения и количественного определения веществ, основанный на различной способности взаимодействовать с адсорбентом.

Основная литература: Рудзитис, Г. Е., Фельдман, Ф. Г. Химия. 10 класс. Базовый уровень; учебник/ Г. Е. Рудзитис, Ф. Г, Фельдман – М.: Просвещение, 2018. – 224 с.

Дополнительная литература:

1. Рябов, М.А. Сборник задач, упражнений и тесто по химии. К учебникам Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман «Химия. 10 класс» и «Химия. 11 класс»: учебное пособие / М.А. Рябов. – М.: Экзамен. – 2013. – 256 с.

2. Рудзитис, Г.Е. Химия. 10 класс : учебное пособие для общеобразовательных организаций. Углублённый уровень / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – М. : Просвещение. – 2018. – 352 с.

Открытые электронные ресурсы:

Единое окно доступа к информационным ресурсам [Электронный ресурс]. М. 2005 – 2018. URL: http://window.edu.ru/ (дата обращения: 01.06.2018).

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ

Зависимость свойств неметаллов от положения в периодической таблице элементов Д.И. Менделеева

В периодической таблице элементов Д.И. Менделеева неметаллы сосредоточены в верхней правой части таблицы. В периоде заряд ядра атома увеличивается слева направо, размеры атома при этом уменьшаются. Поэтому неметаллы сильнее удерживают электроны, чем металлы, расположенные в том же периоде. В группе сверху вниз увеличивается число электронных слоёв. Радиус атома при этом возрастает. Способность удерживать электроны снижается. Для неметаллов характерны окислительные свойства, они возрастают слева направо и снизу-вверх. Окислительную способность элемента характеризует величина относительной электроотрицательности. Чем больше это значение, тем сильнее проявляются окислительные свойства. Сильнее всего окислительные свойства выражены у фтора, он не проявляет восстановительных свойств. Все остальные неметаллы могут проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства.

Строение простых веществ - неметаллов

Простые вещества – неметаллы могут иметь как молекулярное строение, так и немолекулярное. Типичные неметаллы: галогены, кислород, азот, водород – имеют молекулярное строение. В твёрдом состояние такие вещества образуют молекулярную кристаллическую решётку. В нормальных условиях – это газообразные вещества, легкокипящие жидкости или твердые вещества с низкой температурой плавления. Неметаллы бор, кремний и углерод имеют немолекулярное строение, образуют атомные кристаллические решётки, что обусловливает высокую твёрдость и тугоплавкость веществ. Углерод, кремний и бор могут образовывать кристаллы, и встречаются в аморфном состоянии. Кристаллические модификации этих неметаллов очень твёрдые, в химические реакции вступают с трудом. Активность аморфных модификаций этих веществ выше.

Углерод и кремний

Углерод и кремний расположены в IVА группе периодической таблицы элементов, поэтому на внешнем электронном уровне у них по 4 электрона. Электроны с 2s подуровня у атома углерода и с 3s подуровня у атома кремния могут переходить на свободную р-орбиталь, таким образом, максимальная валентность углерода и кремния равна 4. В реакциях с металлами углерод и кремний проявляют окислительные свойства, образуя карбиды и силициды. Углерод способен окислить водород. Более характерными для углерода и кремния являются восстановительные свойства. Оба неметалла окисляются кислородом, галогенами. Кремний растворяется в горячем концентрированном растворе щелочей. С кислотами, кроме плавиковой кислоты, кремний не реагирует. Углерод окисляется азотной и концентрированной серной кислотами.

Алмазы используют в наконечниках резцов, в свёрлах и для бурения горных пород и в ювелирных украшениях. Графит – в атомной промышленности как замедлитель быстрых нейтронов, из него делают электроды, смазочный материал. Уголь – хороший адсорбент для очистки воздуха и воды. Технический углерод используют как наполнитель при изготовлении шин и как пигмент для чёрной краски. Фуллерены нашли применение в электронной промышленности. Кокс используют в металлургии для восстановления металлов из руды.

Кремний используют как добавку для повышения кислотоупорных свойств сталей. Особо чистый кремний – в электронной промышленности как полупроводник для изготовления транзисторов, выпрямителей переменного тока, фотоэлементов для солнечных панелей. Из кремния производят сверхтвёрдый материал карборунд SiC.

Азот и фосфор

Азот и фосфор расположены в VА группе периодической таблицы элементов, на внешнем уровне у них по 5 электронов. Но у атома азота, расположенного во втором периоде, нет d- орбиталей, поэтому спаренные электроны с 2s подуровня не могут разъединяться. Азот может образовывать три ковалентные связи и одну связь по донорно-акцепторному механизму.

В атоме фосфора электрон с 3s подуровня может переходить на свободную 3d-орбиталь, таким образом, фосфор может образовывать пять ковалентных связей. В молекуле азота N2 два атома соединены тройной прочной связью, что объясняет большую инертность азота. Азот вступает в реакции только при высоких температурах. Как окислитель азот может реагировать с активными металлами и водородом. В реакции с кислородом азот является восстановителем. Фосфор существует в виде молекул Р4, имеет четыре аллотропных модификации. Наиболее активным из них является белый фосфор. Окислительные свойства фосфора выражены слабее, чем у азота, поэтому как окислитель он реагирует только с щелочными и щелочноземельными металлами. Восстановительные свойства фосфора выражены сильнее, чем у азота.

Азот – сырьё для синтеза аммиака. Аммиак используется в производстве азотной кислоты и азотных минеральных удобрений. Азотом заполняют электрические лампы, используют для создания инертной среды в химическом синтезе. В хроматографическом анализе азот используют как газ-носитель.

Фосфор используют в органическом синтезе и в производстве фосфидов галлия и индия для светодиодов. Красный фосфор используют в производстве спичек.

Кислород и сера

Кислород и сера находятся в VIA группе периодической таблицы элементов, на внешнем уровне у них по 6 электронов. Кислород расположен во втором периоде, его атом имеет всего два электронных слоя, в составе которых нет d-орбиталей. Спаренные электроны, расположенные на 2s и 2р подуровнях, не имеют возможности для промотирования. Поэтому кислород может образовывать только две ковалентные связи. Спаренные электроны могут принимать участие в образовании связей по донорно-акцепторному механизму. Сера расположена в третьем периоде, во внешнем, третьем слое, есть свободные 3d-орбитали. Поэтому спаренные электроны с 3s и 3р подуровней могут распариваться. Максимальная валентность серы равна шести. Кислород – второй по силе после фтора окислитель среди неметаллов. Он окисляет практически все металлы, многие неметаллы и даже благородные газы. Восстановителем кислород выступает только в реакциях с фтором. В реакциях с активными металлами и водородом сера является окислителем, а в реакциях с кислородом и галогенами проявляет восстановительные свойства.

Кислород применяют для дыхания в авиации и в подводных лодках, в медицине, используют в конвертерном производстве стали, для кислородного дутья в доменных печах, в производстве ферросплавов, выплавке цветных металлов, для резки и сварки металлов. Жидкий кислород используют как окислитель в ракетных двигателях.

Сера – сырьё для производства серной кислоты, сероуглерода, используется для вулканизации каучука в производстве резины и как пестицид в растениеводстве. Серу также используют в производстве спичек.

Фтор и хлор

Фтор и хлор расположены в VIIA группе периодической таблицы элементов Д.И. Менделеева. На внешнем уровне у них по семь электронов. Атом фтора, как элемент второго периода, имеет только два электронных слоя, d-орбитали у него отсутствуют. Спаренные электроны с 2s и 2р подуровней не могут разъединяться. Таким образом, у атома фтора всего один неспаренный электрон, в соединениях фтор одновалентен. Хлор находится в третьем периоде, на внешнем, третьем слое есть свободный 3d-подуровень, спаренные электроны с 3s и 3р подуровней могут переходить на свободные 3d-орбитали. Все семь внешних электронов могут оказаться неспаренными. Максимальная валентность хлора равна 7. Фтор и хлор, наиболее яркие представители галогенов, являются сильными окислителями. Фтор может окислить даже кислород и благородные газы. Восстановительные свойства для фтора не характерны. Хлор окисляет большинство металлов, водород, фосфор. Может вытеснять менее активные галогены из их солей. Восстановительные свойства хлор проявляется только в реакциях с фтором, а также в составе некоторых кислородсодержащих соединений.

Фтор используют для производства фторопластов – термостойких, прочных, химически стойких пластмасс, как сырье для получения криолита – вещества, используемого в производстве алюминия. Фтор – основной компонент для синтеза плавиковой кислоты, фреонов CF2Cl2, используемые в холодильной технике. В настоящее время фреонам ищут замену, так как они разрушают озоновый слой. Фтор входит в состав многих пестицидов – средств для борьбы с вредителями растений.

В органическом синтезе хлор используют в качестве хлорирующего агента в производстве пластмасс, медикаментов, красителей, для отбеливания ткани, бумаги. На водопроводных станциях с помощью хлора обеззараживают воду. Хлор является сырьём для производства хлороводорода. В исследовательских химических лабораториях хлор используют как окислитель.

На основе закономерностей в изменении свойств элементов в зависимости от их положения в периодической таблице элементов Д.И. Менделеева можно описать свойства и других неметаллов.

ПРИМЕРЫ И РАЗБОР РЕШЕНИЙ ЗАДАЧ ТРЕНИРОВОЧНОГО МОДУЛЯ

1. Расчёт количества продукта в процессе синтеза аммиака

Условие задачи: При производстве аммиака под давлением 15 МПа из 500 л азота получили 890 л аммиака при повышении давления до 25 МПа выход аммиака увеличился на 4,5%. Сколько литров аммиака удалось получить при проведении синтеза при давлении 25 МПа? (Считать, что все объёмы измерены в нормальных условиях). Ответ запишите в виде целого числа.

Шаг первый: запишем уравнение реакции синтеза аммиака из азота и водорода:

N2 + 3H2 = 2NH3.

Из одного моля азота при 100%-ном выходе образуется 2 моля аммиака.

Шаг второй: найдём объём аммиака, который образуется из 500 л азота при 100%-ном выходе. Для этого составим пропорцию:

Из 1 моль азота (22,4 л при н.у.) образуется 2 моль аммиака 2·22,4 = 44,8 л при н.у.);

из 500 л азота образуется х л аммиака.

х = (500·44,8) : 22,4 = 1000 (л).

Шаг третий: найдём выход аммиака при давлении 15 МПа.

Для этого реально полученный объём аммиака (890 л) разделим на теоретически возможный (1000 л) и умножим на 100%:

η = (890 : 1000)·100 = 89 (%).

Шаг четвёртый: найдём выход аммиака при проведении синтеза под давлением 25 МПа. Для этого к найденному выходу прибавим величину, на которую он возрос:

89 + 4,5 = 93,5 (%).

Шаг пятый: найдём объём аммиака, полученный при проведении процесса под давлением 25 МПа.

Для этого теоретически возможный объём аммиака умножим на выход продукта и разделим на 100%:

V = (1000·93,5) : 100 = 935 (л).

Ответ: 935.

2. Расчёт необходимого количество хлора для обеззараживания воды.

Условие задачи: Для обеззараживания воды, содержащей патогенные микроорганизмы, требуется 2 мг хлора на 1 л воды. Какой объём хлора (м3) в сутки, измеренный при нормальных условиях, требуется на станции водоподготовки, если в хлоратор поступает 200 м3 воды в час? Станция водоподготовки работает 24 часа в сутки.

Шаг первый: рассчитаем объём воды, который проходит через станцию водоподготовки в сутки. Для этого расход воды в час умножим на 24 часа:

200·24 = 4800 м3.

Шаг второй: переведём объём воды в литры:

4800 м3 = 4,8·106 л.

Шаг третий: найдём массу хлора, необходимую для обеззараживания найденного объёма воды.

Для этого расход хлора на 1 л умножим на объём воды:

2·4,8·106 = 9,6·106 (мг) = 9,6·103 (г).

Шаг четвёртый: найдём количество хлора (моль), которое содержится в вычисленной массе хлора.

Для этого найдём молярную массу хлора и разделим массу хлора на его молярную массу:

М(Cl2) = 2·35,5 = 71 (г/моль).

ν = 9,6·103 : 71 = 135,2 (моль).

Шаг пятый: найдём, какой объём занимают 135,2 моль хлора при нормальных условиях.

Для этого найденное количество хлора (моль) умножим на 22,4 (л/моль):

135,2·22,4 = 3028,7 (л) = 3 (м3).

Ответ: 3.