非金属元素
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非金属元素是一大类缺乏金屬特性的化学元素。有別於常溫常壓下多為固態的金屬,非金属元素在標準狀態下的形態十分多變,從無色氣體(如氫、氮、氧)到各種顏色的固體(如碳、磷、硫)。非金属元素通常是熱和電的不良導體,且其固態通常缺乏延展性而易碎,表面大多不具光澤。與金屬相比,非金屬元素大多具有更高的電離能、電子親和力、電負性和標準還原電位。通常一元素的這些值越高,其非金屬性越強。非金屬元素的原子之間主要以共價鍵相互連結,在化學反應中傾向於得到電子並形成酸性的化合物。
在元素週期表中,非金屬元素的占比不到四分之一,且隨著週期增大,元素的金屬性越強,非金屬元素因此越少。非金屬元素皆為主族元素,且除了位於第1族頂端的氢之外,其它非金属元素都排在表的右侧和上侧。大部分非金属属于p區,氢和氦則是s區元素。
非金属元素的範疇並沒有普遍認同的精確定義,通常包括氢、氦、硼、碳、氮、氧、氟、氖、硅、磷、硫、氯、氩、砷、硒、溴、氪、碲、碘、氙、氡等21種元素。也有觀點認為硼、矽、砷、碲等類金屬元素不屬於非金屬。[1]由於砈在自然界中極其稀有,且具有強烈的放射性,在討論非金屬的定義時經常被忽略,然而理論和實驗證據表明其性質較偏向於金屬。[2]超重元素鿬和鿫由於半衰期極短,目前尚無法透過實驗來證實其性質是否具有非金屬元素的特質。[3]
根據計算,氫和氦這兩種非金屬約佔可觀測宇宙中普通物質質量的99% 。氫、碳、氮、氧和矽等五種非金屬元素在地球的地殼、大氣、海洋和生物圈扮演著主要組分,地球上所有生物體的主要結構便是由氫、氧、碳和氮構成。
非金属元素在现在社会中占有重要位置,幾乎所有非金属元素在醫學、製藥、工業、電子、雷射和家居用品等領域中都有各自的用途。
性質
非金屬在室温下可以是氣體或固體(除了溴,惟一一個液體非金屬元素)。非金屬元素的固體大多沒有閃亮的表面,但不同的元素具有不同的顏色,例如碳是黑色的,而硫是黃色的。非金屬的硬度有明顯的差別,例如硫是很軟的,但鑽石(碳的同素異形體之一)卻是硬度最高的物質。固態的非金屬質地易碎,而且密度比金屬來得低。導熱性大多不佳(鑽石等除外),且多為電的絕緣體(石墨等除外)。
非金属性
非金属性是非金属元素的通性,它指某种非金属元素的原子得到电子的能力。某元素原子非金属性越强,即其得电子能力越强。
由元素周期表上看,靠右的元素非金属性比靠左的元素非金属性要强,靠上的元素非金属性比靠下的元素非金属性要强。
对于元素的单质,非金属性体现在单质的氧化性上。(参见元素周期律。)
单质
物理性质
非金属单质大多是分子晶体,少部分为原子晶体和过渡型的层状晶体。
单质共价键数大部分符合8-N规则
- 稀有气体:8-8=0(2-2=0),为单原子分子
- 卤素、氢:8-7=1(2-1=1),为双原子分子
- ⅥA族的硫、硒:8-6=2,为二配位的链形与环形分子
- ⅤA族的磷、砷:8-5=3,为三配位的有限分子P4,As4,灰砷和黑磷为层状分子
- ⅣA族的碳、硅:8-4=4,为四配位的金刚石型结构。
少数分子由于形成π键、大Π键或d轨道参与成键,键型发生变化,于是不遵守8-N规则。如N2、O2分子中的原子间的键不是单键;硼单质和石墨结构中,键的个数也不等于8-N个。
物理性质可分为三类
- 稀有气体及O2、N2、H2、F2、Cl2:一般状态下为气体,固体为分子晶体,熔沸点很低
- 多原子分子,S8、P4等:一般状态下为固体,分子晶体,熔沸点低,但比第一类高
- 大分子单质,金刚石、晶态硅等:原子晶体,熔沸点高
化学反应
活泼非金属元素,如F2、Cl2、Br2、O2、P、S等,能与金属形成简单阴离子化合物(如硫化物)或含氧酸盐等。非金属元素之间也能形成卤化物、氧化物、无氧酸、含氧酸等。
大部分单质不与水反应,仅卤素与高温下的碳能与水发生反应。
非金属一般不与非氧化性稀酸发生反应,但是硼、碳、磷、硫、碘、砷等可以被浓HNO3、浓H2SO4及王水氧化。
除碳、氮、氧外,一般可以和碱溶液发生反应,对于有变价的主要发生歧化反应;Si、B则是从碱溶液中置换出氢气;浓碱时,F2能氧化出O2
成键方式
非金属原子之间主要成共价键,而非金属元素与金属元素之间主要成离子键。
非金属原子之间成共价键的原因是,两种原子均有获得电子的能力,都倾向于获得对方的电子使自己达到稳定的构型,于是两者就共用电子对以达此目的。
而金属原子失去电子的能力较强,与非金属相遇时就一者失电子、一者得电子,双方均达到稳定结构。
多原子的共价分子常常出现的一种现象是轨道杂化,这使得中心原子更易和多个原子成键。
非金属原子之间形成的共价键中,除了一般的σ键和π键,还有一种大Π键。大Π键是离域的,可以增加共价分子或离子的稳定性。
化合物
由于非金属元素复杂的成键方式,几乎所有的化合物中都含有非金属元素。
如果非金属元素与金属元素一同形成无机化合物,则可以形成无氧酸盐、含氧酸盐及配合物这几类物质。如果只由非金属元素形成无机物,则可以形成一系列共价化合物,如酸等。
非金属元素碳是有机化合物的基础。
分子氢化物
除稀有气体以外,所有非金属元素都能形成最高价态的共价型简单氢化物。
- 熔沸点:同一族的熔点、沸点从上到下递增。但NH3、H2O、HF的沸点因为存在氢键而特别高。
- 热稳定性:同一周期自左向右依次增加,同一族自上而下减少,与非金属元素电负性变化规律一样。
- 还原性:除HF外都具有还原性,其变化规律与稳定性相反,稳定性大的还原性小。
此外C、Si、B能分别形成碳烷、硅烷、硼烷一系列非金属原子数≥2的氢化物。
含氧酸及其盐
除稀有气体(氙除外)外,所有非金属元素都能形成含氧酸,且在酸中呈正氧化态。同一族从下到上、同一周期从左到右,非金属最高价含氧酸的酸性逐渐增强。但其他价含氧酸不遵循此规律。
非金属含氧酸中,高氧化态的强酸常具有氧化性,如硫酸(H2SO4)、硝酸(HNO3)等;一些弱酸如次氯酸也是氧化性酸。还原性酸包括亚硫酸、亚磷酸等。
造字法
在中文中,非金属元素的名称都没有金字旁,而是以它们在常温下的状态分别加气字头、三点水、石字旁。
參考文獻
引文
參考書目
- Hermann A, Hoffmann R & Ashcroft NW 2013, "Condensed Astatine: Monatomic and metallic", Physical Review Letters, vol. 111, doi:10.1103/PhysRevLett.111.116404
- Larrañaga MD, Lewis RJ & Lewis RA 2016, Hawley's Condensed Chemical Dictionary, 16th ed., Wiley, Hoboken, New York, ISBN 978-1-118-13515-0
- Mewes et al. 2019, Copernicium: A relativistic noble liquid, Angewandte Chemie International Edition, vol. 58, pp. 17964–17968, doi:10.1002/anie.201906966
- Restrepo G, Llanos EJ & Mesa H 2006, "Topological space of the chemical elements and its properties", Journal of Mathematical Chemistry, vol. 39, doi:10.1007/s10910-005-9041-1
- Smits et al. 2020, Oganesson: A noble gas element that is neither noble nor a gas, Angewandte Chemie International Edition, vol. 59, pp. 23636–23640, doi:10.1002/anie.202011976
- Thornton BF & Burdette SC 2010, "Finding eka-iodine: Discovery priority in modern times (页面存档备份,存于互联网档案馆)", Bulletin for the history of chemistry, vol. 35, no. 2, accessed September 14, 2021
参见
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