Неметалічні елементи і неметали: загальна характеристика

Неметалічних елементів у періодичній системі лише 22 — решта 96 елементів належать до металічних. Усі неметалічні елементи розташовані в правому верхньому куті таблиці. Їх можна відокремити від металів умовною діагоналлю, яка проходить через елементи B — Si — As — Te — At. Усе, що праворуч і вгору від цієї діагоналі, — неметалічні елементи; усе, що ліворуч і вниз, — металічні.

У короткій формі періодичної системи неметалічні елементи зосереджені в головних підгрупах III–VIII груп:

• III група: Бор B

• IV група: Карбон C, Силіцій Si

• V група: Нітроген N, Фосфор P, Арсен As

• VI група: Оксиген O, Сульфур S, Селен Se, Телур Te

• VII група: Флуор F, Хлор Cl, Бром Br, Йод I, Астат At

• VIII група: інертні гази He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn

• Окремо стоїть Гідроген H — він у I групі (його іноді дублюють у VII групі), але це неметалічний елемент.

У довгій формі (Таблиця 2 довідкових матеріалів НМТ) усі неметалічні елементи, крім Гідрогену, розташовані в групах IIIa–VIIIa, проте в цих групах є й металічні елементи (Al, Sn, Pb, Bi тощо). Гідроген і Гелій належать до s-елементів, усі інші неметалічні елементи — до p-елементів.

Важливо запам’ятати закономірності: у межах одного періоду зліва направо неметалічні властивості посилюються, а в головній підгрупі згори вниз — слабшають. Найактивніший неметалічний елемент — Флуор. Ці закономірності пов’язані зі зміною радіуса атома й електронегативності (докладно — у юніті «Радіус атома й електронегативність: закономірності в періодичній системі»).

Головна особливість будови атомів неметалічних елементів — велика кількість електронів на зовнішньому енергетичному рівні: від 4 до 8. Для елементів головних підгруп число зовнішніх електронів дорівнює номеру групи. Розгляньмо основні приклади:

Є три важливі винятки. Гідроген H має лише 1 електрон на зовнішньому рівні (група I), Гелій He — 2 електрони (група VIII, але завершений рівень), а Бор B — 3 електрони (група III). Попри мале число зовнішніх електронів, ці елементи належать до неметалічних.

Атоми неметалічних елементів мають порівняно малий радіус і високу електронегативність. Їм легше приєднати 1–4 електрони до завершення зовнішнього рівня (октету), ніж віддати власні. Саме тому для неметалів типові окисні властивості — здатність приєднувати електрони (докладно — у юніті «Окисні й відновні властивості неметалів»).

У сполуках з металами й Гідрогеном неметалічні елементи виявляють від’ємні ступені окиснення:

• NaCl: Хлор має ступінь окиснення −1

• H₂S: Сульфур має ступінь окиснення −2

• NH₃: Нітроген має ступінь окиснення −3

• CH₄: Карбон має ступінь окиснення −4

Натомість у сполуках з Оксигеном неметалічні елементи (крім Флуору) мають додатні ступені окиснення: SO₂ (S⁺⁴), CO₂ (C⁺⁴), P₂O₅ (P⁺⁵). Виняток — OF₂: у ньому Флуор має ступінь окиснення −1, а Оксиген — +2.

Атоми неметалічних елементів сполучаються між собою ковалентними зв’язками. За типом будови розрізняють:

• Молекулярна будова: H₂, N₂, O₂, Cl₂, Br₂, I₂, P₄, S₈ — ці речовини складаються з окремих молекул

• Атомна будова: алмаз, графіт, кремній Si, бор B — атоми сполучені в гігантські ґратки

• Одноатомна будова: інертні гази He, Ne, Ar — складаються з окремих атомів

За агрегатним станом за звичайних умов неметали поділяються на гази, рідини й тверді речовини. Це одна з ключових відмінностей від металів, більшість яких за звичайних умов тверді (крім ртуті).

Газоподібні неметали

До газів належать: водень H₂, азот N₂, кисень O₂, озон O₃, флуор F₂ (світло-жовтий газ), хлор Cl₂ (жовто-зелений газ із різким задушливим запахом), а також усі інертні гази — гелій He, неон Ne, аргон Ar, криптон Kr, ксенон Xe, радон Rn.

Рідкий неметал — єдиний виняток

Єдиний неметал, який за звичайних умов є рідиною, — бром Br₂. Це червоно-бура летка отруйна рідина з неприємним запахом. Запам’ятай: бром — єдиний рідкий неметал. Не плутай зі ртуттю Hg, яка теж рідина, але це метал.

Тверді неметали

Твердих неметалів значно більше:

• Йод I₂ — темно-фіолетові кристали з металічним блиском. Під час нагрівання сублімує — переходить у пару, минаючи рідкий стан.

• Сірка S — жовта крихка речовина.

• Фосфор P — існує в кількох алотропних модифікаціях: білий (жовтуватий, м’який, отруйний) і червоний (темніший, неотруйний).

• Вуглець C — алмаз (найтвердіша природна речовина) і графіт (м’який, сірувато-чорний).

• Кремній Si — темно-сіра речовина з блиском.

• Бор B — тверда тугоплавка речовина.

Електропровідність і блиск

На відміну від металів, більшість неметалів не проводять електричного струму, погано проводять тепло, не мають металічного блиску й крихкі. Однак є важливі винятки, які треба знати:

Температури плавлення й леткість

Молекулярні неметали (O₂, N₂, Cl₂, Br₂, I₂, S₈, P₄) мають низькі температури плавлення й кипіння, вони легкоплавкі й леткі. Наприклад, кисень кипить за −183 °C, а йод легко випаровується вже за кімнатної температури (сублімує). Натомість неметали з атомною ґраткою (алмаз, кремній, бор) дуже тверді й тугоплавкі: алмаз — найтвердіша природна речовина, кремній плавиться за температури понад 1400 °C.

Густина газів-неметалів

Газ-неметал легший за повітря, якщо його молярна маса менша за середню молярну масу повітря (29 г/моль): H₂ (2 г/моль), He (4 г/моль), N₂ (28 г/моль). Важчий за повітря — якщо молярна маса більша за 29 г/моль: O₂ (32 г/моль), Cl₂ (71 г/моль).

Повітря — це суміш газів, переважно неметалів та їхніх сполук. Його склад за об’ємом потрібно знати точно:

Крім того, у повітрі містяться неон Ne, гелій He, криптон Kr, ксенон Xe і водяна пара. Середня молярна маса повітря — 29 г/моль.

Поширеність неметалічних елементів

Неметалічні елементи нерівномірно розподілені в природі:

• У земній корі найпоширеніші Оксиген (майже половина маси) і Силіцій (понад чверть маси).

• В атмосфері найбільше Нітрогену.

• У живих організмах переважають Оксиген, Карбон, Гідроген і Нітроген.

• У Всесвіті найпоширеніші Гідроген і Гелій.

Застосування неметалів

Кожен неметал знаходить практичне застосування завдяки своїм властивостям. Розгляньмо основні:

Розгляньмо п’ять типових завдань на тему «Неметалічні елементи і неметали: загальна характеристика», які можуть трапитися на НМТ.

Приклад 1. Який неметал за звичайних умов є рідиною?

Завдання: вибрати одну правильну відповідь з чотирьох.

Варіанти: А) йод I₂; Б) хлор Cl₂; В) бром Br₂; Г) ртуть Hg.

Розв’язання. За звичайних умов йод — темно-фіолетові кристали (тверда речовина), хлор — жовто-зелений газ. Ртуть — рідина, але це метал, а не неметал. Бром — єдиний неметал, який за звичайних умов є рідиною (червоно-бура летка рідина).

Відповідь: В) бром Br₂.

Чому інші варіанти неправильні: А — йод твердий, Б — хлор газоподібний, Г — ртуть метал, хоч і рідкий.

Приклад 2. Об’ємна частка якого газу в повітрі найбільша?

Завдання: вибрати одну правильну відповідь з чотирьох.

Варіанти: А) кисень O₂; Б) аргон Ar; В) карбон(IV) оксид CO₂; Г) азот N₂.

Розв’язання. Склад повітря за об’ємом: N₂ ≈ 78 %, O₂ ≈ 21 %, Ar ≈ 0,9 %, CO₂ ≈ 0,04 %. Найбільша частка — в азоту.

Відповідь: Г) азот N₂.

Чому інші варіанти неправильні: А — кисню лише 21 %, Б — аргону менше 1 %, В — CO₂ близько 0,04 %.

Приклад 3. Атом якого неметалічного елемента має на зовнішньому енергетичному рівні шість електронів?

Завдання: вибрати одну правильну відповідь з чотирьох.

Варіанти: А) Хлор; Б) Сульфур; В) Фосфор; Г) Карбон.

Розв’язання. Число зовнішніх електронів для елементів головних підгруп дорівнює номеру групи. Хлор — VII група (7 e⁻), Сульфур — VI група (6 e⁻), Фосфор — V група (5 e⁻), Карбон — IV група (4 e⁻). Отже, шість зовнішніх електронів має Сульфур.

Відповідь: Б) Сульфур.

Чому інші варіанти неправильні: А — Хлор має 7 e⁻, В — Фосфор має 5 e⁻, Г — Карбон має 4 e⁻.

Приклад 4. Оцінка двох тверджень

Завдання: вибрати одну правильну відповідь з чотирьох.

I. Жоден неметал не проводить електричного струму.

II. Найпоширеніші в земній корі неметалічні елементи — Оксиген і Силіцій.

Варіанти: А) правильне лише I; Б) правильне лише II; В) правильні обидва; Г) обидва неправильні.

Розв’язання. Твердження I хибне: графіт (алотропна модифікація вуглецю) добре проводить електричний струм, а кремній є напівпровідником. Твердження II правильне: у земній корі найпоширеніші неметалічні елементи — Оксиген (≈ 47 % маси) і Силіцій (≈ 27 % маси).

Відповідь: Б) правильне лише II.

Чому інші варіанти неправильні: А — I хибне, В — I хибне, Г — II правильне.

Приклад 5. Завдяки якій властивості аргон використовують як захисне середовище під час зварювання металів?

Завдання: вибрати одну правильну відповідь з чотирьох.

Варіанти: А) добра розчинність у воді; Б) здатність підтримувати горіння; В) хімічна інертність; Г) висока електропровідність.

Розв’язання. Аргон — інертний газ, він майже не вступає в хімічні реакції. Під час зварювання його подають у зону горіння дуги, щоб витіснити кисень і запобігти окисненню розплавленого металу. Саме хімічна інертність робить аргон ідеальним захисним газом.

Відповідь: В) хімічна інертність.

Чому інші варіанти неправильні: А — аргон погано розчиняється у воді, це не має значення для зварювання; Б — аргон не підтримує горіння, навпаки, він його гасить; Г — аргон не проводить електричного струму.

Під час вивчення теми «Неметалічні елементи і неметали» учні часто припускаються однотипних помилок. Розгляньмо найпоширеніші з них, щоб ти міг їх уникнути на НМТ.

• Вважати, що жоден неметал не проводить електричного струму. Це не так: графіт — провідник (використовують в електродах), а кремній — напівпровідник. Запам’ятай ці винятки.

• Називати ртуть рідким неметалом. Єдиний рідкий неметал за звичайних умов — бром Br₂. Ртуть Hg — рідкий метал, а не неметал.

• Вважати кисень основним складником повітря. За об’ємом у повітрі азоту ≈ 78 %, а кисню ≈ 21 %. Найбільше в повітрі саме азоту.

• Плутати неметалічний елемент і просту речовину-неметал. Оксиген — це хімічний елемент (O), а кисень O₂ і озон O₃ — прості речовини, утворені цим елементом. Те саме: Нітроген — елемент, азот N₂ — проста речовина.

• Шукати неметалічні елементи лише в VI–VIII групах. Не забувай про Бор (III група), Карбон і Силіцій (IV група), Нітроген і Фосфор (V група). Неметалічні елементи є в групах III–VIII.

• Плутати кольори галогенів. Хлор Cl₂ — жовто-зелений газ, бром Br₂ — червоно-бура рідина, йод I₂ — темно-фіолетові кристали. Флуор F₂ — світло-жовтий газ.

Програма НМТ з хімії (тема 2.1.1) вимагає від тебе вміти називати найпоширеніші неметалічні елементи, знати якісний і кількісний склад повітря, порівнювати й характеризувати неметали за фізичними властивостями.

Формат завдань

У тесті НМТ ця тема перевіряється в завданнях з вибором однієї відповіді з чотирьох (номери 1–18). Кожне таке завдання оцінюється в 1 бал. Завдання можуть стосуватися положення неметалічних елементів у періодичній системі, будови їхніх атомів, фізичних властивостей простих речовин-неметалів, складу повітря, поширеності й застосування неметалів.

Довідкові матеріали

У довідкових матеріалах НМТ клітинка періодичної системи містить лише символ елемента, протонне число й відносну атомну масу. Назв елементів там немає. Тому відповідність символів і назв треба знати напам’ять: S — Сульфур, N — Нітроген, Si — Силіцій, O — Оксиген, C — Карбон, P — Фосфор, Cl — Хлор, Br — Бром, I — Йод, F — Флуор.

Приклад із демоваріанта 2026

У демоваріанті НМТ 2026 року тема 2.1.1 є основною в завданні 9 (вибір однієї відповіді з чотирьох, 1 бал). У ньому перевіряється взаємодія газоподібних сполук неметалічних елементів з Гідрогеном. Хоча це вже виходить за межі суто загальної характеристики, знання про неметалічні елементи є базою для таких завдань.

Стратегія виконання

• У завданнях на фізичні властивості неметалів спершу перевір винятки: бром (рідина), графіт (провідник), кремній (напівпровідник), йод (блиск, сублімація).

• Число зовнішніх електронів визначай за номером групи в короткій формі періодичної системи (для елементів головних підгруп).

• Склад повітря запам’ятай у порядку спадання: N₂ (78 %) → O₂ (21 %) → Ar (0,9 %) → CO₂ (0,04 %).

• Поширеність у земній корі: Оксиген (≈ 47 %) → Силіцій (≈ 27 %).

• Неметалічні елементи розташовані в правому верхньому куті періодичної системи — праворуч і вгору від діагоналі B — Si — As — Te — At. Їх близько двох десятків.

• Усі неметалічні елементи, крім H і He, — p-елементи. H і He — s-елементи.

• На зовнішньому енергетичному рівні в неметалічних елементів 4–8 електронів (винятки: H — 1, He — 2, B — 3). Число зовнішніх електронів дорівнює номеру групи для елементів головних підгруп.

• Атоми неметалів мають малий радіус і високу електронегативність, тому вони схильні приєднувати електрони (окисні властивості).

• За звичайних умов: гази — H₂, N₂, O₂, F₂, Cl₂, інертні гази; рідина — лише Br₂; тверді — I₂, S, P, C (алмаз, графіт), Si, B.

• Більшість неметалів не проводять електричного струму. Винятки: графіт (провідник) і кремній (напівпровідник). Йод, графіт і кремній мають блиск.

• Склад повітря за об’ємом: N₂ ≈ 78 %, O₂ ≈ 21 %, Ar ≈ 0,9 %, CO₂ ≈ 0,04 %. Середня молярна маса повітря — 29 г/моль.

• У земній корі найпоширеніші неметалічні елементи — Оксиген (≈ 47 % маси) і Силіцій (≈ 27 % маси).

• Застосування: азот — інертне середовище, синтез амоніаку; хлор — знезараження води; сірка — сульфатна кислота, вулканізація; графіт — електроди, олівці; кремній — напівпровідники, сонячні батареї; аргон — захисне середовище для зварювання; неон — світлова реклама; гелій — повітряні кулі.