Немета́ллы — химические элементы, как правило, не обладающие свойствами металлов. Занимают правый верхний угол Периодической системы элементов Менделеева и обычно отделены линией (лесенкой). Количество неметаллов составляет 22-23 элемента, в зависимости от классификации.

Характерной особенностью неметаллов является большее (по сравнению с металлами) число электронов на внешнем энергетическом уровне их атомов. Это определяет их большую способность к присоединению дополнительных электронов и проявлению более высокой окислительной активности, чем у металлов.

Неметаллы имеют высокие значения сродства к электрону, большую электроотрицательность и высокий окислительно-восстановительный потенциал.

Благодаря высоким значениям энергии ионизации неметаллов, их атомы могут образовывать ковалентные химические связи с атомами других неметаллов и с некоторыми переходными металами. Помимо ковалентных связей, неметаллы могут образовывать ионные связи с металлами, а для водорода характерны водородные связи. В отличие от преимущественно ионной природы строения соединений типичных металлов, простые неметаллические вещества, а также соединения неметаллов чаще всего имеют ковалентную природу строения.

В свободном виде при нормальных условиях пребывают в газообразном состоянии фтор, хлор, кислород, азот, водород, инертные газы, в твёрдом — иод, астат, сера, селен, теллур, фосфор, мышьяк, углерод, кремний, бор, при комнатной температуре в жидком состоянии существует лишь бром.

У некоторых неметаллов наблюдается проявление аллотропии. Так, для газообразного кислорода характерны две аллотропных модификации — кислород (O2) и озон (O3), у твёрдого углерода множество форм — алмаз, астралены, графен, графит, карбин, лонсдейлит, фуллерены, стеклоуглерод, диуглерод, углеродные наноструктуры (нанопена, наноконусы, нанотрубки, нановолокна) и аморфный углерод уже открыты, а ещё возможны и другие модификации, например чаоит и металлический углерод.

В молекулярной форме в виде простых веществ в природе встречаются азот, кислород и сера. Чаще неметаллы находятся в химически связанном виде: это вода, минералы, горные породы, различные силикаты, фосфаты, бораты. По распространённости в земной коре неметаллы существенно различаются.

Определение и применимые элементы

Неметалл — это химический элемент, обладающий, среди прочего, относительно большой электроотрицательностью. Неметалы отличаются от металов отсутствием таких свойств, как: металлический блеск, способность к деформации, хорошая тепло- и электропроводность и низкая электроотрицательность. Поскольку не существует строгого определения неметалла, среди источников могут встречаться некоторые различия в отношении того, какие элементы классифицируются как неметаллы. Такие решения зависят от того, какое свойство или свойства считаются наиболее характерными для неметаллического или металлического характера.

Хотя Steudel в 2020 году признал двадцать три элемента неметаллами, любой такой список открыт для оспаривания. Четырнадцать элементов практически всегда признаются таковыми: водород, кислород, азот и сера; коррозионно-активные галогены: фтор, хлор, бром и иод; и благородные газы: гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон; см., например, Larrañaga et al. Хотя те же авторы признали углерод, фосфор и селен неметаллами, Вернон ранее сообщал, что эти три элемента вместо этого иногда считались металлоидами. Элементы, обычно называемые металлоидами, а именно бор, кремний, германий, мышьяк, сурьма и теллур, иногда считаются промежуточным классом между металлами и неметаллами, когда критерии, используемые для различия между металлами и неметаллами, неубедительны; в других случаях они считаются неметаллами в свете их неметаллической химии.

Из 118 известных элементов 23 можно рассматривать как неметаллы; металлы превосходят их по численности в несколько раз. Астат, пятый галоген, часто игнорируется из-за его редкости и высокой радиоактивности; косвенные теоретические и экспериментальные данные убедительно свидетельствуют о том, что это металл. Неметаллами могут оказаться сверхтяжёлые элементы коперниций (Z = 112) и оганесон (118); их фактический статус ещё не подтверждён.

Общие свойства

Физические Внешне около половины неметаллических элементов при нормальных условиях являются бесцветными или окрашенными газами, а бо́льшая часть остальных представляет собой твёрдые вещества. Бром, единственная жидкость, в этих условиях настолько летуч, что обычно покрыт слоем его паров. Жидкие неметаллы имеют очень низкие плотности, температуры плавления и кипения и являются плохими проводниками тепла и электричества. Твёрдые неметаллические элементы имеют низкую плотность, являются хрупкими или рассыпчатыми с низкой механической и структурной прочностью, и проводниками от плохих до хороших.

Внутренняя структура и расположение связей неметаллов объясняют их различия в форме. Те неметаллы, что существуют в виде отдельных атомов (например, ксенон) или молекул (например, кислород, сера, бром), как правило, имеют низкие температуры плавления и кипения, поскольку они удерживаются вместе слабыми лондоновскими дисперсионными силами, действующими между их атомами или молекулами. Многие из них являются газами при комнатной температуре. Те, которые образуют гигантские структуры, такие как цепочки до 1000 атомов (например, селен), листы (углерод) или трёхмерные решётки (кремний), имеют более высокие температуры плавления и кипения, поскольку требуется больше энергии для преодоления их более сильной ковалентной связи, все они твёрдые. Те, что находятся ближе к левой части периодической таблицы или ниже по колонке, часто имеют некоторые слабые металлические взаимодействия между их молекулами, цепями или слоями в соответствии с их близостью к металлам; это происходит в боре, углероде, фосфоре, мышьяке, селене, сурьме, теллуре и иоде.

Проводимость неметаллов и хрупкость твёрдых тел также связаны с их внутренним устройством. Хорошая тепло- и электропроводность и пластичность (ковкость, пластичность) обычно связаны с наличием в металлах свободно движущихся и равномерно распределённых электронов; за некоторыми исключениями, электроны в неметаллах обычно лишены такой подвижности. Среди неметаллических элементов:

хорошая тепло- и электропроводность наблюдается только у углерода, мышьяка и сурьмы; сравнимые с металлами значения теплопроводности в остальном очевидны только для бора, кремния, фосфора и германия; такая проводимость передаётся через колебания кристаллических решёток этих элементов; умеренная электропроводность наблюдается у бора, кремния, фосфора, германия, селена, теллура и иода; и пластичность проявляется в ограниченных обстоятельствах только у углерода, фосфора, серы, селена и металлоидных неметаллов.

Физические различия между металлами и неметаллами возникают из-за внутренних и внешних атомных сил. Внутри атома положительный ядерный заряд удерживает его внешние электроны на месте. Внешне те же самые электроны подвержены силам притяжения от ядерных зарядов в соседних атомах. Когда внешние силы больше или равны внутренней силе, ожидается, что внешние электроны станут блуждающими (свободными перемещаться между атомами), и предсказываются металлические свойства. В противном случае ожидаются неметаллические свойства.

Химические +Некоторые типичные различия между металлами и неметаллами, основанные на химииАспектМеталлыНеметаллыэлектроотрицательностьНиже, чем у неметаллов, за некоторыми исключениямиОт умеренного до высокогоХимическая связьРедко образуют ковалентные связиЧасто образуют ковалентные связиМеталлические связи (сплавы) между металламиКовалентные связи между неметалламиИонные связи между неметаллами и металламиСтепени окисленияПоложительныйОтрицательный или положительныйОксидыОсновной в низших оксидах; более кислая в высших оксидахКислотный; никогда не основныеВ водном раствореСуществуют в виде катионовСуществуют в виде анионов или оксианионов Неметаллы имеют значения электроотрицательности от умеренных до высоких и в химических реакциях склонны образовывать кислые соединения. Например, твёрдые неметаллы (в том числе металлоиды) реагируют с азотной кислотой с образованием либо кислоты, либо оксида, который является кислотным или имеет преобладающие кислотные свойства.

Они имеют тенденцию получать или делиться электронами, когда реагируют, в отличие от металлов, которые имеют тенденцию отдавать электроны. Более конкретно, и учитывая стабильность электронных конфигураций благородных газов (заполненные внешние оболочки), неметаллы обычно приобретают количество электронов, достаточное для придания им электронной конфигурации следующего благородного газа, тогда как металлы имеют тенденцию терять электроны, достаточные для того, чтобы их оставить. с электронной конфигурацией предшествующего благородного газа. Для неметаллических элементов эта тенденция инкапсулируется эмпирическими правилами дуэта и октета (а для металлов существует менее строгое правило 18-электронов).

Количественно неметаллы в основном имеют более высокие энергии ионизации, более высокое сродство к электрону, более высокие значения электроотрицательности и более высокие стандартные восстановительные потенциалы, чем металлы. В общем, чем выше эти значения, тем более неметаллическим является рассматриваемый элемент.

Химические различия между металлами и неметаллами в значительной степени возникают из-за силы притяжения между положительным ядерным зарядом отдельного атома и его отрицательно заряженными внешними электронами. Слева направо в каждом периоде таблицы Менделеева заряд ядра увеличивается по мере увеличения числа протонов в ядре. Существует связанное с этим уменьшение атомного радиуса по мере того, как увеличивающийся заряд ядра притягивает внешние электроны ближе к ядру. В металлах влияние заряда ядра обычно слабее, чем в неметаллических элементах. Таким образом, при химической связи металлы имеют тенденцию терять электроны и образовывать положительно заряженные или поляризованные атомы или ионы.тогда как неметаллы имеют тенденцию приобретать те же самые электроны из-за их более сильного ядерного заряда и образовывать отрицательно заряженные ионы или поляризованные атомы.

Количество соединений, образованных неметаллами, огромно. Первые десять мест в таблице «20 лучших» элементов, наиболее часто встречающихся в 895 501 834 соединениях, перечисленных в реестре Chemical Abstracts Service на 2 ноября 2021 г., заняли неметаллы. Водород, углерод, кислород и азот обнаружены в большинстве (80 %) соединений. Кремний, металлоид, оказался на 11-м месте. Металлом с самым высоким рейтингом с частотой встречаемости 0,14 % было железо, занявшее 12-е место. Примерами соединений неметаллов являются: борная кислота (H3BO3), используемый в керамических глазурях; селеноцистеин (C3H7NO2Se), 21-я аминокислота; сульфид фосфора (P4S3); и тефлон ((C2F4)n).

Сложности

Химию неметаллов усложняют аномалии, наблюдаемые в первой строке каждого блока периодической таблицы. Эти аномалии заметны в водороде, боре (будь то в виде неметалла или металлоида), углероде, азоте, кислороде и фторе; и распространяться на вторичную периодичность или неравномерные периодические тренды, идущие вниз по большинству групп p-блоков; и необычные степени окисления в более тяжёлых неметаллах.

Аномалия первого ряда