1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

14 углерода и другим металлические и неметаллические компоненты

14 углерода и другим металлические и неметаллические компоненты

Изучение параграфа поможет вам:

· приводить примеры простых веществ металлов и неметаллов;

· различать металлы и неметаллы, металлические и неметаллические элементы;

· пользоваться периодической системой как справочной для определения размещения в ней некоторых неметаллических и металлических химических элементов.

КАКИЕ ВЕЩЕСТВА НАЛИВАТЬ ДО ПРОСТЫХ? Особенностью любой науки является то, что исследуемые объекты подлежат классификации . Химическая наука не является исключением, ведь вещества без надлежащей классификации изучать невозможно.

За качественным составом вещества подразделяют на простые и сложные.

Простые вещества — это вещества, образованные атомами одного химического элемента

В приведенном перечне формул: Fe, О2, Н2О, NaHCO3, NaCl, H2SO4, N2, Аl2O3, Аl, O3 найдем формулы простых веществ. Пользуясь указанным выше определением простых веществ, делаем вывод, что это будут формулы: Fe, O2, N2, Аl, В3. Другие формулы образованы из атомов разных химических элементов. Как вам известно из естествознания, это — сложные вещества.

Атомы одного химического элемента могут образовывать несколько простых веществ. Например, из атомов Кислорода состоят молекулы кислорода O2 и озона их химические формулы отличаются количеством атомов Кислорода. Именно это отражено на рисунке 55.

Рис. 55. Модели молекул кислорода (а) и озона (6)

* Разделение чего-либо по определенным признакам.

Рис. 56. Алмаз (а) и графит (в) и модели их структуры (6. г)

Из атомов Карбона образованы самое твердое природное вещество алмаз, и настолько мягкий, что оставляет надписи на бумаге, — графит. Химические формулы этих веществ записывают одинаково — С. Различия в свойствах алмазуq графита обусловлены не разным количественным или качественным составом, но разным пространственным размещение атомов Углерода в веществе относительно друг друга (рис. 56). У графита они размещены слоями, причем расстояния между атомами внутри одного слоя значительно меньше, чем между соседними слоями (рис. 56г.) Поэтому достаточно слегка нажать на карандаш и целостность между слоями нарушается. В алмазе атомы Углерода размещены таким образом, что находятся на одинаковом расстоянии друг от друга, а связи между ними направлены к вершинам тетраэдра (рис. 56б). Это обусловливает высокую твердость вещества.

Несмотря на приведенные примеры, подумайте, чего больше — химических элементов или простых веществ.

По современной украинской химической номенклатуре названия некоторых простых веществ не совпадают с названиями химических элементов, из которых они образовались. В таблице приведены примеры таких веществ. Ознакомьтесь с ними.

Найдите в таблице и выпишите в тетрадь названия и формулы простых веществ. в которых молекула образована двумя или более атомами.

Формулы и названия простых веществ

Обратите внимание! Названия простых веществ пишут с малой буквы, названия химических элементов — с большой.

МЕТАЛЛЫ И НЕМЕТАЛЛЫ. Простые вещества разделяют на металлы и неметаллы. К металлам относятся цинк Zn, калий К, кальций Са, магний Mg, олово Sn, свинец Pb, медь Cu, железо Fe, алюминий Аl, серебро Ag, золото Аи и другие (рис. 57).

Примерами неметаллов является водород H2кислород O2 иозон О3, азот N2, гелий Не, неон Ne, аргон Аг, углерод С (такую совместную наяву применяют к всех простых веществ Углерода), сера S, фосфор Р, хлор Сl2, йод I2 и другие (рис. 58).

Среди химических элементов преобладают металлические. Из известных на сегодня химических элементов неметаллическими только 22.

В параграфах 6 и 7 были рассмотрены основные физические свойства веществ. Ориентируясь на это, составим характеристики простых веществ металлов и неметаллов.

Общими свойствами всех металлов является высокая теплопроводность и электропроводность; серый, серебристо-серый цвет (примеры исключений: золото — желтое, медь — кирпично-красная); отсутствие запаха; пластичность — их легко ковать, вытягивать в проволоку, прокатывать в листы. Все металлы при комнатной температуре находятся в твердом агрегатном состоянии, кроме ртути (жидкость).

Перечисленные свойства не характерные для неметаллов. Поэтому о них можно сказать, что это простые вещества, которые не имеют металлических свойств. Так, неметаллы не проводят или плохо проводят тепло и электрический ток, являются хрупкими, а не пластичными. Водород, кислород, азот, фтор, хлор, гелий, аргон и другие при комнатной температуре находятся в газообразном агрегатном состоянии. Фосфор, углерод, сера, йод являются твердыми веществами, бром — жидкость. У неметаллов наблюдается больше отличий по цвету, чем у металлов. Так, кислород и водород бесцветные, сера желтая, хлор — желто-зеленый, бром — темно-бурый.

Рис. 57. Образцы металлов: а — цинк; б — алюминий, в — железо, г — медь

Рис. 58. Образцы неметаллов: а — йод, сера, в — фосфор, г — хлор

Следует подчеркнуть, что разделение простых веществ только по физическим свойствам на металлы и неметаллы является неточным. Например, неметал йод имеет металлический блеск, а неметалу графита свойственна высокая электропроводность. В следующих классах вы расширите знания о деление простых веществ на металлы и неметаллы на основе различий строения их атомов и химических свойств.

РАЗМЕЩЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ И НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ. Химические элементы, атомы которых образованы простые вещества — металлы, называют металлическими, а химические элементы, атомы которых образованы простые вещества — неметаллы — неметаллическими.

В параграфе 12 вы впервые познакомились с периодической системой химических элементов. Теперь вам известно, что химические элементы размещены с увеличением заряда ядер атомов, и что за каждым элементом неизменно закреплена одна ячейка. А существует ли какая-то закономерность в размещении металлических и неметаллических элементов в периодической системе? Чтобы получить ответ на этот вопрос, поработаем с таблицей. Выберем для рассмотрения 1-й, 2-й и 3-й периоды. В первом периоде металлические элементы отсутствуют. Второй период начинается металлическим элементом Литием Li. Следующий элемент Бериллий Be тоже относится к металлических. Остальные элементы этого периода єнеметалічними.

Третий период также начинается металлическим элементом Натрием Na, после которого размещены еще два металлических элемента — Магний Mg и Алюминий Аl. Далее, как и во втором периоде, размещены неметаллические элементы.

Прочитайте вслух названия элементов 1-го, 2-го и 3-го периодов.

Несколько по-другому размещены металлические и неметаллические элементы в вертикальных столбиках таблицы — группах, пронумерованы римскими цифрами от i до VIII. Так, все ячейки i И II групп (кроме первой И в группе) заполнены металлическими элементами. В начале остальных групп размещены неметаллические элементы, а в конце — металлические.

Найдите с учителем и прочитайте вслух названия неметаллических элементов, которыми начинаются III— VIII группы.

Рассмотренные примеры иллюстрируют общее правило размещения металлических и неметаллических элементов в периодах и группах периодической системы:

Металлические элементы размещены в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева в начале периодов и в конце групп, а неметаллические — в конце периодов и в начале групп.

Рис. 59. Распространение химических элементов на Земле (по массе)

РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ В ПРИРОДЕ. Хотя в природе в составе различных веществ встречаются около 90 химических элементов, распространены они неравномерно. Есть элементы-лидеры, а есть такие, содержимое которых очень мал.

По рис. 59 выясните, три металлических и три неметаллических элементы самые распространенные на Земле. Металлические или неметаллические химические элементы преобладают в составе веществ на планете Земля?

Среди простых веществ есть свои «чемпионы» из тех или иных физических свойств. Так, алмаз имеет самую высокую твердость, металл вольфрам — наиболее тугоплавкий. Самым легким металлом является литий, а самым легким неметалом — водород. Среди металлов самую высокую теплопроводностью обладают серебро, медь, алюминий. Низкая теплопроводность у висмута и ртути. Существуют мягкие металлы, которые можно резать ножом, например, натрий, калий, кальций, а наибольшую твердость среди металлов имеет хром — им можно резать стекло. Высокая пластичность у золота. Это позволяет изготавливать из него пленку всего лишь 0,003 мм толщиной.

1. Какие вещества называют простыми? Приведите примеры.

2. На какие группы подразделяют простые вещества? Представителей какой группы существует больше?

3. Назовите общие физические свойства металлов.

4. Что вам известно о расположении металлических и неметаллических элементов в периодической системе?

5. Каким металлическим элементом начинается 4-й период?

6. Каким неметалічним элементом начинается V группа?

7. Назовите по три распространенные на Земле неметаллические и металлические химические элементы.

8. Из перечня химических элементов выберите неметаллические и расположите их в порядке увеличения относительной атомной массы: Магний, Кислород, Водород, Железо, Азот, Хлор.

9. Пользуясь периодической системой химических элементов, назовите химический элемент, размещенный в 3-м периоде и VIII группе. До металлических или неметаллических элементов он принадлежит? Сколько протонов и электронов в составе его атома?

10. Заполните пропуски в предложениях словами «металлическим», «неметалічним» и названиями соответствующих элементов Второй период периодической системы начинается_________ элементом _________ , а заканчивается ________ элементом ___________.

Шестая группа периодической системы начинается элементом_________ , а заканчивается элементом ________ ,

11. Укажите как можно больше признаков, по которым заключен перечни простых веществ:

а) кислород, азот, водород;

6) серебро, железо, алюминий?

Выполните проект на тему «Химические элементы в составе различных небесных тел».

Неметаллы. Физические и химические свойства

Положение неметаллов в периодической системе

Как же определить, относится вещество к металлам или к неметаллам?

Если внимательно посмотреть на Периодическую систему Д.И. Менделеева (подробно с классификацией элементов знакомимся в параграфе 42 учебника по химии для 8 класса под редакцией Еремина В.В.) и провести условную диагональ от водорода через бор до астата и неоткрытого пока элемента № 118, таблица неметаллов займет правый верхний угол.

Каждый горизонтальный период таблицы заканчивается элементом с завершенным внешним энергетическим уровнем. Эта группа элементов носит название благородные газы и имеет особые свойства, с которыми можно познакомиться в параграфе 18 учебника «Химия» для 8 класса под редакцией Еремина В.В.

При рассмотрении электронного строения неметаллов можно заметить, что энергетические уровни атома заполнены электронами больше чем на 50% (исключение – бор), и у элементов, расположенных в таблице справа налево количество электронов на внешнем уровне увеличивается. Поэтому в химических реакциях эта группа веществ может быть как акцептором электронов с окислительными свойствами, так и донором электронов с восстановительными свойствами.

Вещества, образующие диагональ бор-кремний-германий-мышьяк-теллур, являются уникальными, и в зависимости от реакции и реагента могут проявлять как металлические, так и неметаллические свойства. Их называют металлоиды. В химических реакциях они проявляют преимущественно восстановительные свойства.

Физические свойства неметаллов. Аллотропия

Если смотреть на металлы, то невооруженным глазом можно заметить общие свойства — металлический блеск, твердое агрегатное состояние (исключение — жидкая ртуть), тепло- и электропроводность.

С неметаллами все намного сложнее. Они могут иметь молекулярное и немолекулярное строение. Благодаря различиям в строении, простые вещества неметаллы существуют в трех агрегатных состояниях:

  1. Молекулярные:
    • Летучие, газообразные, бесцветные кислород, водород.
    • Газообразные, окрашенные хлор, азот, фтор.
    • Единственный жидкий представитель — темно-красный бром.
    • Твердые, но хрупкие вещества с невысокой температурой плавления — кристаллы йода, серы, белого фосфора.
  2. Немолекулярные:
    • Твердые вещества с высокой температурой плавления — кремний, графит, алмаз и красный фосфор.

Большинство из неметаллических веществ плохо проводят электричество и тепло.

Исключением является графит — разновидность углерода.

Аллотропия — уникальная способность неметаллического элемента образовывать несколько простых веществ. В естественной среде существуют аллотропные модификации элементов, которые отличаются физическими и химическими свойствами. К ним относятся озон и кислород, графит и алмаз. Подробнее о физических свойствах неметаллов вы можете узнать в учебнике «Химия. 9 класс».

Химические свойства неметаллов

Как мы разобрали выше, группа неметаллов довольно полиморфна и в зависимости от типа реакций, в которых они участвуют, могут проявлять и окислительные, и восстановительные свойства. Фтор — исключение в этом ряду. Он всегда окислитель.

В ряду F,O,N,CL,Br,I,S,C,Se,P,As,Si,H окислительные свойства уменьшаются. Восстановительные свойства кислород может проявлять только в отношении фтора.

В этом типе реакций проявляются окислительные свойства и неметаллы принимают электроны с образованием отрицательно заряженных частиц.

Практически все неметаллы реагируют с водородом. Лишь благородные газы составляют исключение для реакций данного типа. Продуктом реакции являются летучие водородные соединения:

  1. Реакции с кислородом.

Неметаллы образуют кислотные или несолеобразующие оксиды.
S + O2 = SO2

P + 5O2 = 2P2O5

4. Взаимодействие с водой и кислотами для неметаллов не характерно.

Что ещё почитать?

История открытия неметаллов

Медная посуда, железные орудия труда, золотые украшения — издавна человек замечал, что у всех этих веществ есть определенные общие свойства:

  • они проводят тепло и электрический ток;
  • для них характерен металлический блеск;
  • благодаря пластичности и ковкости им можно придать любую форму;
  • для всех веществ характерна металлическая кристаллическая решетка.

В противовес металлам были и другие вещества, не обладающие металлическими свойствами, и названные соответственно неметаллами. Практически до конца XVII века ученым-алхимикам было известно всего лишь два вещества-неметалла — углерод и сера.

В 1669 году Бранд в поисках «философского камня» открыл белый фосфор. И за короткий период с 1748 по 1798 годы было открыто около 15 новых металлов и 5 неметаллов.

Попытки открытия фтора стоили исследователям не только здоровья, но и жизни. Деви, братья Кнокс, Гей-Люссак — это неполный список жертв науки, что потеряли здоровье в попытках выделить фтор из плавикового шпата. Лишь в 1886 году Муассан решил сложную задачу способом электролиза. И получил первый галоген, а ещё – ядовитый хлор. Во времена Первой мировой войны его использовали как оружие массового поражения.

В настоящее время открыто 22 неметаллических элемента.

Компоненты и фазы в системе железо-углерод

Основные положения

Железо — металл серебристобелого цвета. Чистое железо, которое может быть получено в настоящее время, содержит 99,999 % Fe, а технические сорта 99,8—99,9 % Fe.

Температура плавления железа 1539 °С.

Железо известно в двух полиморфных модификациях α и γ . α -железо существует при температурах ниже 910 °С и выше 1392 °С (рис. 1). Для интервала температур 1392— 1539 °С α -железо нередко обозначают как δ -железо.

Рис. 1. Кривые нагрева и охлаждения железа

Кристаллическая решетка α -железа — объемноцентрированный куб с периодом решетки 0,28606 нм. До температуры 768 °С α -железо магнитно (ферромагнитно). Критическую точку (768 °С), соответствующую магнитному превращению, т. е. переходу из ферромагнитного состояния в парамагнитное называют точкой Кюри и обозначают А2.

Критическую точку α — γ превращення (рис. 1) при 910 °С обозначают соответственно Ас3 (при нагреве) и Аг3 (при охлаждении). Критическую точку α — γ превращення железа при 1392 °С обозначают Ас4 (при нагреве) и Аг4 (при охлаждении).

Кристаллическая решетка γ -железа — гранецентрированныи куб с периодом 0,3645 нм при температуре 910 °С. Плотность железа выше, чем железа, и равна 8,0-8,1 г/см3. При превращении α — γ происходит сжатие. Объемный эффект сжатия составляет примерно 1%.

Углерод является неметаллическим элементом. Углерод полиморфен. В обычных условиях он находится в виде модификации графита, но может существовать и в виде метастабильной модификации алмаза.

Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, а также может быть в виде химического соединения — цементита, а в высокоуглеродистых сплавах и в виде графита.

При этом в сплавах могут образовываться следующие структурные составляющие: феррит, аустенит, цементит, перлит, ледебурит и др.

Феррит — твердый раствор углерода и других примесей в α -железе.
Это почти чистое железо, так как растворимость углерода в железе чрезвычайно мала (0,006. 0,03 %). Феррит устойчив до температуры 911 °С, имеет очень небольшие твердость и прочность, но высокую пластичность, поэтому хорошо деформируется в холодном состоянии (штампуется, прокатывается, протягивается). Чем больше феррита в железоуглеродистом сплаве, тем сплав пластичнее.

Аустенит — твердый раствор углерода и других примесей в γ -железе. Предельная растворимость углерода в у-железе — 2,14%. Предельная растворимость углерода в железе — 2,14 %. Характерная особенность аустенита в том, что он может существовать в железоуглеродистых сплавах только при высоких температурах (от 1539 до 727 °С). Аустенит по пластичности соизмерим с ферритом, но по твердости превосходит его примерно в 2 раза.

Цементит — это химическое соединение железа с углеродом — карбид железа Fe3C. В цементите содержится 6,67 % углерода. Цементит имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов. Температура плавления цементита около 1600 °С. Содержание углерода в цементите составляет 6,67 %, и это самая твердая и хрупкая структурная составляющая железоуглеродистых сплавов. Цементит имеет высокую твердость и не обладает пластичностью. Чем больше цементита в железоуглеродистых сплавах, тем они тверже и более хрупки.

Перлит — механическая смесь феррита и цементиту, подразделяется на пластинчатый и зернистый в зависимости от формы кристаллов цементита, имеющих вид соответственно либо пластинок, либо округлых мелких зерен. Такую смесь называют эв-тектоидной, так как она хотя и подобна эвтектической, но образовалась в отличие от нее не при кристаллизации, а в процессе распада твердого раствора.

Ледебурит — эвтектическая смесь аустенита и цементита. Температура образования ледебурита 1147 °С. Он может существовать до температуры 727 °С, ниже этой температуры аустенит распадается на перлит и цементит.

Структурные составляющие сталей и чугунов

Диаграмма состояния железо—углерод (Fe—С)

На диаграмме состояния железо—углерод (рис. 2) приведен фазовый состав и структура сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67 % С).

Рис. 2. Диаграмма железо-углерод

Линии диаграммы определяют превращения в структуре и свойствах сплавов, происходящие при изменении температуры. Чистое железо плавится и затвердевает при постоянной температуре 1539 °С, все остальные сплавы железа с углеродом плавятся (затвердевают) и испытывают превращения структуры в некотором интервале температур.

Рассматривая эти превращения, можно выделить два их типа: превращение структуры сплавов при переходе из жидкого состояния в твердое (первичная кристаллизация) и превращения в твердом состоянии (вторичная кристаллизация).

Первичная кристаллизация для всех сплавов начинается при снижении температуры по линии ликвидуса ACD. При этом сплавы, содержащие 0. 4,3% С, начинают затвердевать по линии АС с выделением зерен аустенита, а сплавы с содержанием углерода выше 4,3 % затвердевают по линии CD, выделяя зерна цементита, называемого первичным. В точке С при температуре 1147 °С и содержании 4,3 % углерода из жидкого сплава кристаллизуется одновременно аустенит и первичный цементит, образуется эвтектическая смесь — ледебурит, который присутствует во всех сплавах, относящихся к чугунам.

Кристаллизация сплавов заканчивается по линии солидуса AECF.

Дальнейшие изменения структуры сплавов происходят при понижении температуры в твердом состоянии, т.е. при вторичной кристаллизации.

Вторичная кристаллизация в сплаве железо—углерод связана с аллотропным превращением у-железа в a-железо и характеризуется линиями диаграммы GSEF и PSK.

Линия GS показывает начало превращения аустенита в феррит, поэтому в области GSP будет структура аустенит + феррит. Критические точки, лежащие на линии GS, обозначаются либо Ас3 при нагреве, либо Аг3 при охлаждении.

Линия SE показывает снижение растворимости углерода в железе с понижением температуры. Критические точки на этой линии обозначают Аст. Если в точке Е при температуре 1147 °С растворимость углерода максимальная и достигает 2,14 %, то в точке S при 727 °С растворимость углерода составляет всего 0,8 %. Следовательно, во всех сталях в интервале концентраций углерода 0,8. 2,14 % из аустенита выделяется избыточный углерод, который, соединяясь с железом, образует цементит, называемый вторичным, а сталь имеет структуру аустенит + цементит вторичный.

Точка S является концом равновесного существования аустенита и называется эвтектоидной точкой. Она делит все стали на две типичные группы: левее точки S находятся доэвтектоидные стали со структурой феррит + перлит, правее — заэвтектоидные со структурой цементит вторичный + перлит. В точке S сталь содержит 0,8 % углерода, имеет структуру перлита и называется эвтектоидной.

При охлаждении аустенита с низким содержанием углерода в результате его превращения в феррит в области QPG образуется однофазная ферритная структура.

Для всех сплавов железо—углерод распад аустенита заканчивается по линии PSK (727 °С). Критические точки, лежащие на этой линии, обозначаются при нагреве Ac1 и при охлаждении Ar1.

Итак, рассматривая превращения в железоуглеродистых сплавах по диаграмме состояния, можно отметить следующие особенности:
• точки С и S являются характерными точками структурных превращений. Выше точки С находится жидкий раствор, а выше точки S — твердый раствор (аустенит);
• в точке С сходятся линии ликвидуса АС и CD, указывающие соответственно на начало выделения кристаллов аустенита и первичного цементита из жидкого раствора (процесс первичной кристаллизации); в этой точке образуется эвтектическая механическая смесь — ледебурит;
• в точке S сходятся ветви линии солидуса GS и ES, указывающие на начало выделения кристаллов феррита и вторичного цементита из твердого раствора (процесс вторичной кристаллизации) и образование эвтектоидной механической смеси — перлита.

Рассмотрим превращения структуры стали под воздействием температуры. Все описанные ранее структуры стали — ферритно-перлитная, перлитная и перлитно-цементитная — обратимы. Так, при нагреве доэвтектоидных сталей до температуры выше 727 °С (линия критических точек) перлит превращается в аустенит. При дальнейшем нагреве феррит растворяется в аустените и заканчивается процесс превращения по линии GS (критические точки). У эвтектоидной стали (0,8 % С) перлит превращается в аустенит в точке S. При нагреве заэвтектоидной стали перлит превращается в аустенит при температуре 727 °С (линия критических точек), и при дальнейшем нагреве происходит растворение цементита (вторичного) в аустените, которое заканчивается по линии SE (критические точки).

Таким образом, при нагреве стали до температур выше точки S и линий критических точек ее структура представляет собой аустенит. Однако вновь образующийся аустенит оказывается неоднородным, так как содержание углерода будет большим в тех местах, где находятся пластинки цементита. Для получения однородного аустенита необходимо не только нагреть сталь до температуры на 30. 50°С выше критических точек, но и выдержать ее при этой температуре некоторое время для завершении диффузионных процессов.

На структуру стали и ее свойства оказывает влияние не только нагрев, но и режим охлаждения, от которого зависит характер структуры, образующейся в результате превращения аустенита. При медленном непрерывном охлаждении аустенит превращается в равновесные, т. е. устойчивые при нормальных температурах и нагреве до температур ниже критических, структуры — перлит, феррит и цементит. При быстром охлаждении будет иметь место переохлаждение аустенита и образуются новые неравновесные мелкозернистые ферритно-цементитные структуры — сорбит, троостит и бейнит, которые различаются между собой механическими свойствами и прежде всего твердостью вследствие наличия в структуре разных по размерам и форме пластинок феррита и цементита. Твердость этих структур возрастает по мере снижения температуры их образования.

Сорбит представляет собой более мелкую, чем перлит, механическую смесь феррита с цементитом и имеет твердость НВ 2500. 3000 МПа, а также более высокие прочность и упругость при достаточной вязкости.

У троостита смесь феррита с цементитом мельче, чем у сорбита, и его твердость равна 3500. 4000 МПа. Троостит по сравнению с сорбитом обладает и более высокими упругими свойствами, но меньшей вязкостью.

У бейнита игольчатая структура состоит из несколько перенасыщенного твердого раствора, претерпевшего мартенситное превращение, и частиц цементита. Поэтому твердость бейнита выше, чем троостита.

Если сильно переохладить аустенит, то произойдет бездиффузионное превращение γ -железа в α -железо, в результате которого образуется пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в железе — структура, называемая мартенситом. Данная структура состоит из игл разных размеров. Мартенсит имеет самую высокую из структурных составляющих сплавов железа твердость, хорошее сопротивление износу, но низкие эластичность и вязкость, большие внутренние напряжения. Он является основной закалочной структурой.

Основные превращения в железоуглеродистых сплавах при медленном нагревании и охлаждении

Общая характеристика неметаллов

Химических элементов-неметаллов всего 16, но два из них, кислород и кремний составляют 76 % от массы земной коры. Неметаллы составляют 98,5 % от массы растений и 97,6 % от массы человека. Из углерода, водорода, кислорода, серы, фосфора и азота состоят все важнейшие органические вещества, они являются элементами жизни. Водород и гелий – основные элементы Вселенной из них состоят все космические объекты, включая наше Солнце.

Неметаллы – это химические элементы, атомы которых принимают электроны для завершения внешнего энергетического уровня, образуя при этом отрицательно заряженные ионы. Практически все неметаллы имеют сравнительно малые радиусы и большое число электронов на внешнем энергетическом уровне от 4 до 7, для них характерны высокие значения электроотрицательности и окислительные свойства.

Если в Периодической системе провести диагональ от бериллия к астату, то справа вверх по диагонали будут находиться элементы-неметаллы, а слева снизу – металлы, к ним же относятся элементы всех побочных подгрупп, лантаноиды и актиноиды. Элементы, расположенные вблизи диагонали, например, бериллий, алюминий, титан, германий, сурьма, обладают двойственным характером и относятся к металлоидам. Элементы 18 группы – инертные газы, имеют полностью завершенный внешний электронный слой, их иногда относят к неметаллам, но формально, по физическим признакам.

Электронные конфигурации валентных электронов элементов-неметаллов приведены в таблице:

Закономерности в изменении свойств элементов-неметаллов

В периоде с ростом заряда ядра (слева направо):

  • радиус атома уменьшается,
  • число электронов на внешнем энергетическом уровне увеличивается,
  • электроотрицательность увеличивается,
  • окислительные свойства усиливаются,
  • неметаллические свойства усиливаются.

В группе с ростом заряда ядра (сверху вниз):

  • радиус атома увеличивается,
  • число электронов на внешнем энергетическом уровне не изменяется,
  • электроотрицательность уменьшается,
  • окислительные свойства ослабевают,
  • неметаллические свойства ослабевают.

Таким образом, чем правее и выше стоит элемент в Периодической системе, тем ярче выражены его неметаллические свойства.

Неметаллами в главной подгруппе IV группы Периодической системы Д.И. Менделеева являются углерод и кремний. На внешнем энергетическом уровне этих элементов находятся 4 электрона (ns 2 np 2 ). В своих неорганических соединениях углерод имеет степень окисления +2 (в невозбужденном состоянии) и +4 (в возбужденном состоянии). В органических соединениях степень окисления углерода может быть любой от –4 до +4.

Для кремния наиболее устойчива степень окисления +4. Углерод и кремний образуют кислотные оксиды общей формулы ЭО2 , а также летучие водородные соединения общей формулы ЭН4 .

Неметаллами в V группе главной подгруппе Периодической системы Д.И. Менделеева являются азот, фосфор, мышьяк. На внешнем энергетическом уровне этих элементов находятся пять электронов: ns 2 np 3 . Азот в своих соединениях может проявлять степени окисления –3, –2, +1, +2, +3, +4, +5.
Для фосфора характерны степени окисления –3, +3, +5. Поскольку атом азота не имеет d-подуровня, он не может быть пятивалентным, но способен образовывать четвертую ковалентную связь по донорно-акцепторному механизму. С увеличением порядкового номера внутри подгруппы увеличиваются радиусы атомов и ионов, уменьшается энергия ионизации. Происходит ослабление неметаллических свойств и усиление металлических.
С кислородом элементы главной подгруппы V группы образуют высшие оксиды состава R2O5 . Все они являются кислотными оксидами. С водородом азот, фосфор и мышьяк образуют летучие газообразные соединения состава ЭН3 .

Неметаллами главной подгруппы VI группы Периодической системы Д.И. Менделеева являются кислород, сера, селен и теллур. Конфигурация внешнего электронного уровня этих элементов ns 2 np 4 . В своих соединениях они проявляют наиболее характерные степени окисления –2, +4, +6 (кроме кислорода). С возрастанием порядкового номера в пределах подгруппы уменьшается энергия ионизации, увеличиваются размеры атомов и ионов, ослабляются неметаллические признаки элементов и нарастают металлические. Сера и селен образуют высшие оксиды типа RO3 . Эти соединения являются типичными кислотными оксидами, которым соответствуют сильные кислоты типа H2RO4 . Для неметаллов главной подгруппы VI группы характерны летучие водородные соединения общей формулой H2R. При этом полярность и прочность связи ослабевает от H2O к H2Te. Все водородные соединения, кроме воды, являются газообразными веществами. Водные растворы H2S, H2Se, H2Te являются слабыми кислотами.

Элементы VII группы главной подгруппы — фтор, хлор, бром, иод являются типичными неметаллами. Групповое название этих элементов — галогены от греческого halos — соль и genes — рождающий. Конфигурация внешнего электронного уровня этих галогенов ns 2 np 5 . Наиболее характерная степень окисления галогенов –1. Кроме того, хлор, бром и иод могут проявлять степени окисления + 3, + 5, + 7. В пределах каждого периода галогены — наиболее электроотрицательные элементы. Внутри подгруппы при переходе от фтора к астату происходит увеличение радиуса атома, неметаллические свойства уменьшаются, происходит уменьшение окислительных и увеличение восстановительных свойств. Все галогены образуют простые вещества — двухатомные молекулы Hal2 . Фтор — самый электроотрицательный из химических элементов. Во всех своих соединениях имеет степени окисления –1. Высшие оксиды галогенов (кроме фтора) имеют общую формулу R2O7 , являются кислотными оксидами. Им соответствуют сильные кислоты общей формулы HRO4 (R = Cl, Br). Водородные соединения галогенов — галогеноводороды имеют общую формулу HHal. Их водные растворы являются кислотами, сила которых возрастает от HF к HI. Для галогенов существует закономерность: каждый предыдущий галоген способен вытеснять последующий из его соединений с металлами и водородом, например: Cl2 + 2KBr = 2KCl + Br2 .

0 0 vote
Article Rating
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector