1. Niemetale : czy da się je jakoś scharakteryzować ?

Spróbujemy trochę zagłębić się w meandrach skomplikowanej chemii niemetali^[1]. Właściwości niemetali w dużej mierze wynikają z odległości pomiędzy atomami niemetali oraz siły wiązań.

W sumie jedna z lepszych definicji niemetali to taka, która mówi, że to te pierwiastki, które nie są metalami. Nie ma co jednak ukrywać że jest to średnio satysfakcjonująca definicja. Dlaczego tak jest?

Bo tutaj jest trochę inaczej niż w przypadku metali, bo dla niemetali nie bardzo można podać jednoznacznych cech wszystkich niemetali, bo za bardzo się od siebie różnią. Możemy jednak spróbować podać chociaż kilka cech wspólnych :

➦ Niemetale z reguły są izolatorami, czyli mają słabe przewodnictwo elektryczne i przewodność cieplną w porównaniu z metalami.

➦ Niemetale mają (całkiem) dużą wartość elektroujemności

➦ Niemetale w połączeniu z tlenem dają tlenki o charakterze kwasowym (oprócz gazów szlachetnych^[2]).

➦ Zwykle niemetale mają niższe temperatury topnienia i wrzenia niż metale (wiadomo − porównujemy tylko takie metale i niemetale o zbliżonej wartości masy molowej). To przyznam szczerze może się wydawać mało interesuje (tzn. chodzi mi o to, że wydaje się to jak informacja nie do zapamiętania), ale chodzi tu tak naprawdę o stan skupienia w warunkach normalnych/pokojowych. Metale w takich warunkach są z reguły ciałami stałymi (wyjątek : rtęć, która jest cieczą), natomiast niemetale są z reguły gazami (i dla równowagi też jeden wyjątek : brom, który jest cieczą).

➦ Występują w dużej mierze jako cząsteczki dwuatomowe (N₂ , O₂ , F₂ , Cl₂ , Br₂ oraz I₂ ), ale nie tylko (np. fosfor P₄ czy siarka S₈) . Jako ciała stałe często są kruche i matowe, mają mniejsze gęstości.

➦ Niemetale występują w dużej mierze w postaci oksoanionów (np. SO₄^2ー czy  PO₄^3ー)

2. Najważniejsze niemetale

Fosfor występuje w różnych odmianach alotropowych − opisz je krótko.

➤  Fosfor biały to podstawowa odmiana alotropowa fosforu, która występuje w warunkach normalnych i składa się z cząsteczek P₄ . Budowa (tetraedryczna) tej formy jest bardzo ważna, należy ją koniecznie zapamiętać. Fosfor biały uznaje się za stan standardowy fosforu, chociaż tak naprawdę taka forma jest metastabilna, co wynika z naprężenia pomiędzy atomami fosforu (niskie wartości kątów wynoszące tylko 60°). Poniżej zaprezentowano dwa rysunki przedstawiające budowę fosforu białego (zwróć uwagę, że tetraedr widać tutaj z dwóch stron, linia przerywana oznacza wiązania będące z tyłu : w oficjalnym rozwiązaniu nie trzeba tego tak rysować, powinno się stosować zwykłe wiązania (linie ciągłe ―). Fosfor biały jest trujący! Przechowuje się go pod wodą, ponieważ może ulegać samozapaleniu.

Fosfor biały ze względu na swoje naprężenie ma niską wartość energii wiązania, co oznacza, że jest on reaktywny. Bardzo łatwo reaguje z tlenem, tworząc P₄O₁₀ . Utlenianie fosforu jest odpowiedzialne za jego chemiluminescencję, czyli świecenie (w ciemności) związane z przebiegającymi reakcjami.  

P₄  +  5O₂   ⟶   P₄O₁₀ 

➤  Fosfor czerwony to odmiana alotropowa o barwie czerwonej oczywiście. Jest mniej reaktywna. Fosfor czerwony znajdziemy z boku opakowania zapałek.  

➤  Fosfor czarny to z kolei najtrwalsza odmiana fosforu. Ma on szarą barwę, metaliczny połysk i przewodzi prąd elektryczny i wykazuje tendencję do polimeryzacji. 

➤  Fosfor fioletowy to inaczej fosfor Hittorfa o bardzo skomplikowanej budowie.  

Azot to bezbarwny, bezwonny gaz, który stanowi 78% (może być ważne w zadaniach obliczeniowych) atmosfery. Ze względu na mocne potrójne wiązanie pomiędzy atomami azotu jest mało reaktywny. W podwyższonej temperaturze natomiast reaguje z większością metali. 

Ciekły azot ma zastosowanie jako środek chłodniczy. Jest to pierwiastek o dużym znaczeniu biologicznym − składnik m.in białek, DNA oraz potrzebny roślinom do wzrostu. Otrzymuje się go poprzez rozkład azydku sodu, co przy okazji wykorzystuje się w wybuchających poduszkach powietrznych w samochodach. W wyobrażeniu o tym, jak energiczna jest ta reakcja, może pomóc fakt, że poduszka strzela z prędkością 300 km/h i zła pozycja rąk na kierownicy prowadzi do złamania nosa kierowcy i to na dodatek jego własną ręką!

2NaN₃  ⟶  2Na  +  3N₂

Siarka niestety wykazuje wyjątkowe bogactwo odmian zarówno w stanie ciekłym jak i stałym. Występuje ona w postaci różnych odmian alotropowych. 

➤  siarka rombowa, inaczej siarka alfa (S_𝛼) czyli żółte kryształki. To jest forma siarki w stanie standardowym. Ta odmiana nazywa się też cyklo−oktasiarką, ponieważ występuje w postaci cyklicznej (cyklo) złożonej z ośmiu (okta) atomów siarki. 

Atom siarki ma na swojej powłoce walencyjnej dwie wolne pary elektronowe oraz dwa elektrony, które są wykorzystywane do wiązania kolejnych atomów siarki. Cząsteczka S₈ ma budowę pierścieniową i rdzenie siarki powiązane są wiązaniami kowalencyjnymi. Wzór elektronowy oraz budowa przestrzenna cyklo−oktasiarki zostały przedstawione poniżej. Kąty S − S − S wynoszą około 107°, co świadczy o hybrydyzacji sp³ orbitali walencyjnych atomów siarki

➤  siarka jednoskośna, inaczej jasnożółta siarka beta(S_ꞵ)  powstająca w temperaturze około 100 stopni Celsjusza. Różni się od siarki rombowej sposobem ułożenia cząsteczek S₈ . Ogrzewanie tej postaci siarki prowadzi do tak zwanej katena−polisiarki (tak zwana siarka μ :  S_μ), która ma budowę łańcuchową. Charakterystyczne jest to, że podczas jej tworzenia lepkość cieczy wzrasta 2000 razy!
➤  istnieją inne, mniej trwałe odmiany jak cyklo−heptasiarka (S₇) , cyklo−heksasiarka (S₆)  i inne.

3. Reakcje niemetali

Jeśli chodzi o reakcje niemetali to trudno nie macie na tej maturze. Zobaczcie sami, co jest oficjalnie wymagane :

No to co, dużo tego nie ma, więc jedziemy :

➦ Reakcje niemetali z wodorem :

H₂ + S ⟶ H₂S

Mieszanina wodoru i tlenu w stosunku 2 : 1 to tak zwana mieszanina piorunująca. Dlaczego? Bo reakcji tej przeprowadzonej w probówce towarzyszy wybuch, który wywołuje charakterystyczny dźwięk przypominający szczeknięcie.

➦ Reakcje chloru, bromu i siarki z metalami :

^[1] A w ogóle najtrudniejszym pierwiastkiem jest bor, tworzy naprawdę trudne i dzikie związki. Nieprzypadkowo pojawia się bardzo często na Olimpiadzie Chemicznej.

^[2] Tak, to może być całkiem szokujące, ale gazy szlachetne zalicza się do niemetali!