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非金屬元素

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元素週期表中的非金屬元素
氫（非金屬） 氦（貴氣體）
鋰（鹼金屬） 鈹（鹼土金屬） 硼（類金屬） 碳（非金屬） 氮（非金屬） 氧（非金屬） 氟（鹵素） 氖（貴氣體）
鈉（鹼金屬） 鎂（鹼土金屬） 鋁（貧金屬） 矽（類金屬） 磷（非金屬） 硫（非金屬） 氯（鹵素） 氬（貴氣體）
鉀（鹼金屬） 鈣（鹼土金屬） 鈧（過渡金屬） 鈦（過渡金屬） 釩（過渡金屬） 鉻（過渡金屬） 錳（過渡金屬） 鐵（過渡金屬） 鈷（過渡金屬） 鎳（過渡金屬） 銅（過渡金屬） 鋅（過渡金屬） 鎵（貧金屬） 鍺（類金屬） 砷（類金屬） 硒（非金屬） 溴（鹵素） 氪（貴氣體）
銣（鹼金屬） 鍶（鹼土金屬） 釔（過渡金屬） 鋯（過渡金屬） 鈮（過渡金屬） 鉬（過渡金屬） 鍀（過渡金屬） 釕（過渡金屬） 銠（過渡金屬） 鈀（過渡金屬） 銀（過渡金屬） 鎘（過渡金屬） 銦（貧金屬） 錫（貧金屬） 銻（類金屬） 碲（類金屬） 碘（鹵素） 氙（貴氣體）
銫（鹼金屬） 鋇（鹼土金屬） 鑭（鑭系元素） 鈰（鑭系元素） 鐠（鑭系元素） 釹（鑭系元素） 鉕（鑭系元素） 釤（鑭系元素） 銪（鑭系元素） 釓（鑭系元素） 鋱（鑭系元素） 鏑（鑭系元素） 鈥（鑭系元素） 鉺（鑭系元素） 銩（鑭系元素） 鐿（鑭系元素） 鑥（鑭系元素） 鉿（過渡金屬） 鉭（過渡金屬） 鎢（過渡金屬） 錸（過渡金屬） 鋨（過渡金屬） 銥（過渡金屬） 鉑（過渡金屬） 金（過渡金屬） 汞（過渡金屬） 鉈（貧金屬） 鉛（貧金屬） 鉍（貧金屬） 釙（貧金屬） 砹（類金屬） 氡（貴氣體）
鈁（鹼金屬） 鐳（鹼土金屬） 錒（錒系元素） 釷（錒系元素） 鏷（錒系元素） 鈾（錒系元素） 鎿（錒系元素） 鈈（錒系元素） 鎇（錒系元素） 鋦（錒系元素） 錇（錒系元素） 鐦（錒系元素） 鎄（錒系元素） 鐨（錒系元素） 鍆（錒系元素） 鍩（錒系元素） 鐒（錒系元素） 鑪（過渡金屬） 𨧀（過渡金屬） 𨭎（過渡金屬） 𨨏（過渡金屬） 𨭆（過渡金屬） 䥑（預測為過渡金屬） 鐽（預測為過渡金屬） 錀（預測為過渡金屬） 鎶（過渡金屬） 鉨（預測為貧金屬） 鈇（貧金屬） 鏌（預測為貧金屬） 鉝（預測為貧金屬） 鿬（預測為鹵素） 鿫（預測為貴氣體）

非金屬元素是一大類缺乏金屬特性的化學元素。有別於常溫常壓下多為固態的金屬，非金屬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）。非金屬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，非金屬元素的佔比不到四分之一，且隨着週期增大，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族頂端的氫之外，其它非金屬元素都排在表的右側和上側。大部分非金屬屬於p區，氫和氦則是s區元素。

非金屬元素的範疇並沒有普遍認同的精確定義，通常包括氫、氦、硼、碳、氮、氧、氟、氖、矽、磷、硫、氯、氬、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]由於砹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、海洋和生物圈扮演着主要組分，地球上所有生物體的主要結構便是由氫、氧、碳和氮構成。

非金屬元素在現在社會中佔有重要位置，幾乎所有非金屬元素在醫學、製藥、工業、電子、激光和家居用品等領域中都有各自的用途。

性質

非金屬在室溫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）。

非金屬性

非金屬性是非金屬元素的通性，它指某種非金屬元素的原子得到電子的能力。某元素原子非金屬性越強，即其得電子能力越強。

由元素週期表上看，靠右的元素非金屬性比靠左的元素非金屬性要強，靠上的元素非金屬性比靠下的元素非金屬性要強。

對於元素的單質，非金屬性體現在單質的氧化性上。（參見元素週期律。）

單質

物理性質

非金屬單質大多是分子晶體，少部分為原子晶體和過渡型的層狀晶體。

單質共價鍵數大部分符合8-N規則

  • 貴氣體：8-8=0（2-2=0），為單原子分子
  • 鹵素、氫：8-7=1（2-1=1），為雙原子分子
  • ⅥA族的硫、硒：8-6=2，為二配位的鏈形與環形分子
  • ⅤA族的磷、砷：8-5=3，為三配位的有限分子P4,As4，灰砷和黑磷為層狀分子
  • ⅣA族的碳、矽：8-4=4，為四配位的金剛石型結構。

少數分子由於形成π鍵、大Π鍵或d軌態參與成鍵，鍵型發生變化，於是不遵守8-N規則。如N2、O2分子中的原子間的鍵不是單鍵；硼單質和石墨結構中，鍵的個數也不等於8-N個。

物理性質可分為三類

  1. 貴氣體及O2、N2、H2、F2、Cl2：一般狀態下為氣體，固體為分子晶體，熔沸點很低
  2. 多原子分子，S8、P4等：一般狀態下為固體，分子晶體，熔沸點低，但比第一類高
  3. 大分子單質，金剛石、晶態矽等：原子晶體，熔沸點高

化學反應

活潑非金屬元素，如F2、Cl2、Br2、O2、P、S等，能與金屬形成簡單陰離子化合物（如硫化物）或含氧酸鹽等。非金屬元素之間也能形成鹵化物、氧化物、無氧酸、含氧酸等。

大部分單質不與水反應，僅鹵素與高溫下的碳能與水發生反應。

非金屬一般不與非氧化性稀酸發生反應，但是硼、碳、磷、硫、碘、砷等可以被濃HNO3、濃H2SO4及王水氧化。

除碳、氮、氧外，一般可以和鹼溶液發生反應，對於有變價的主要發生歧化反應；Si、B則是從鹼溶液中置換出氫氣；濃鹼時，F2能氧化出O2

成鍵方式

非金屬原子之間主要成共價鍵，而非金屬元素與金屬元素之間主要成離子鍵。

非金屬原子之間成共價鍵的原因是，兩種原子均有獲得電子的能力，都傾向於獲得對方的電子使自己達到穩定的構型，於是兩者就共用電子對以達此目的。

而金屬原子失去電子的能力較強，與非金屬相遇時就一者失電子、一者得電子，雙方均達到穩定結構。

多原子的共價分子常常出現的一種現象是軌態雜化，這使得中心原子更易和多個原子成鍵。

非金屬原子之間形成的共價鍵中，除了一般的σ鍵和π鍵，還有一種大Π鍵。大Π鍵是離域的，可以增加共價分子或離子的穩定性。

化合物

由於非金屬元素複雜的成鍵方式，幾乎所有的化合物中都含有非金屬元素。

如果非金屬元素與金屬元素一同形成無機化合物，則可以形成無氧酸鹽、含氧酸鹽及配合物這幾類物質。如果只由非金屬元素形成無機物，則可以形成一系列共價化合物，如酸等。

非金屬元素碳是有機化合物的基礎。

分子氫化物

除貴氣體以外，所有非金屬元素都能形成最高價態的共價型簡單氫化物。

  • 熔沸點：同一族的熔點、沸點從上到下遞增。但NH3、H2O、HF的沸點因為存在氫鍵而特別高。
  • 熱穩定性：同一週期自左向右依次增加，同一族自上而下減少，與非金屬元素電負性變化規律一樣。
  • 還原性：除HF外都具有還原性，其變化規律與穩定性相反，穩定性大的還原性小。

此外C、Si、B能分別形成碳烷、矽烷、硼烷一系列非金屬原子數≥2的氫化物。

含氧酸及其鹽

除貴氣體（氙除外）外，所有非金屬元素都能形成含氧酸，且在酸中呈正氧化態。同一族從下到上、同一週期從左到右，非金屬最高價含氧酸的酸性逐漸增強。但其他價含氧酸不遵循此規律。

非金屬含氧酸中，高氧化態的強酸常具有氧化性，如硫酸(H2SO4)、硝酸(HNO3)等；一些弱酸如次氯酸也是氧化性酸。還原性酸包括亞硫酸、亞磷酸等。

造字法

在中文中，非金屬元素的名稱都沒有金字旁，而是以它們在常溫下的狀態分別加氣字頭、三點水、石字旁。

參考文獻

引文

  1. ^ Larrañaga, Lewis & Lewis 2016, p. 988
  2. ^ Restrepo et al. 2006, p. 411; Thornton & Burdette 2010, p. 86; Hermann, Hoffmann & Ashcroft 2013, pp. 11604‒1‒11604‒5
  3. ^ Mewes et al. 2019; Smits et al. 2020

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 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）", Bulletin for the history of chemistry, vol. 35, no. 2, accessed September 14, 2021

參見

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