Најважније из лекције
Неметали су елементи смештени претежно у десном горњем углу ПСЕ (уз водоник у 1. групи). Везују се неполарним ковалентним везама у молекуле или џиновске структуре, слабо проводе топлоту и струју (изузетак: графит).
Алотропија: Појава да исти елемент гради више различитих супстанци (нпр. дијамант/графит/фулерен за угљеник; бели/црвени за фосфор).
Оксиди:
Алотропија: Појава да исти елемент гради више различитих супстанци (нпр. дијамант/графит/фулерен за угљеник; бели/црвени за фосфор).
Оксиди:
- Кисели оксиди (анхидриди): \(CO_2, SO_2, SO_3, N_2O_3, N_2O_5, P_2O_5\) – са водом граде киселине, а са базама соли.
- Неутрални оксиди: \(CO, N_2O, NO\) – не реагују са водом, киселинама ни базама.
Неметали се налазе у горњем десном делу Периодног система елемената (групе 14–18), са изузетком водоника који се налази у 1. групи.
Посебни називи појединих група неметала:
- Халогени елементи (17. група): флуор (\(F\)), хлор (\(Cl\)), бром (\(Br\)), јод (\(I\)) – значење: градитељи соли.
- Халкогени елементи (16. група): кисеоник (\(O\)), сумпор (\(S\)), селен (\(Se\)) – значење: градитељи руде.
- Племенити гасови (18. група): хемијски стабилни и инертни елементи.
- 15. група: азот (\(N\)), фосфор (\(P\)).
- 14. група: угљеник (\(C\)).
Биогени елементи су елементи чија једињења изграђују жива бића. Неметали \(C\), \(H\), \(O\), \(N\), \(P\) и \(S\) чине чак око 99% масе свих ћелија. Јод је неопходан за правилан рад штитасте жлезде.
- Водоник (\(H\)): Најзаступљенији елемент у универзуму (међупланетарни простор, звезде, Сунце преко 70%). На Земљи је углавном у облику воде.
- Кисеоник (\(O\)): Најзаступљенији елемент у Земљиној кори и у живим бићима; у ваздуху чини око 21% запремине.
- Азот (\(N\)): Најзаступљенији гас у ваздуху (око 78% запремине).
- Халогени елементи: Због велике реактивности у природи се налазе искључиво у облику једињења (нпр. \(NaCl\)).
Колико грама кисеоника садржи \(2\text{ dm}^3\) воде чија је густина \(1,0\text{ g/cm}^3\), ако је масени удео кисеоника у води \(88,89\%\)?
\[ m(\text{вода}) = V \cdot \rho = 2\,000\text{ cm}^3 \cdot 1,0\text{ g/cm}^3 = 2\,000\text{ g} \]
\[ m(O) = \omega(O) \cdot m(\text{вода}) = 0,8889 \cdot 2\,000\text{ g} = 1\,777,8\text{ g} \]
Атоми неметала се у молекулима повезују неполарним ковалентним везама (удружујући валентне електроне).
Облици постојања:
- Двоатомни молекули: \(H_2, N_2, O_2, F_2, Cl_2, Br_2, I_2\)
- Троатомни молекули: озон (\(O_3\))
- Сложенији/вишеатомни облици: сумпор (\(S\)), фосфор (\(P\)), угљеник (\(C\)), селен (\(Se\))
Физичка својства:
- Слабо се растварају у води (осим оних који са водом хемијски реагују).
- Не проводе електричну струју (изузетак је графит).
- Слаби су проводници топлоте.
- Јављају се у сва три агрегатна стања на собној температури:
- Гасовито: \(H_2, O_2, N_2, F_2, Cl_2, O_3\) и племенити гасови
- Течно: \(Br_2\) (бром је једини течни неметал)
- Чврсто: \(C, S, P, I_2, Se\)
Хемијска својства: Атоми неметала углавном примају електроне градећи анјоне. Водоник (\(I\)), кисеоник (\(II\)) и флуор (\(I\)) имају сталне валенце, док већина осталих има променљиве валенце.
Реакције неметала са металом (настају јонска једињења – соли) и са водоником:
\[ 2\text{Na} + \text{Cl}_2 \longrightarrow 2\text{NaCl} \]
\[ \text{N}_2 + 3\text{H}_2 \longrightarrow 2\text{NH}_3 \quad (\text{амонијак}) \]
Халогени елементи су изразити неметали: флуор (\(F_2\)), хлор (\(Cl_2\)), бром (\(Br_2\)) и јод (\(I_2\)). Атоми имају 7 валентних електрона и теже да приме још 1 електрон (најчешћа валенца је \(I\)).
Хемијска реактивност халогених елемената опада у групи одозго надоле: \(F_2 > Cl_2 > Br_2 > I_2\).
| Елемент | Формула | Агрегатно стање | Боја |
|---|---|---|---|
| Флуор | \(F_2\) | Гасовито | Жутозелена |
| Хлор | \(Cl_2\) | Гасовито | Зеленожута |
| Бром | \(Br_2\) | Течно (лако испарава) | Смеђа |
| Јод | \(I_2\) | Чврсто (лако сублимује) | Тамно плавичастосива (пара је љубичаста) |
\[ \text{H}_2 + \text{Cl}_2 \longrightarrow 2\text{HCl(g)} \quad (\text{хлороводоник}) \]
\[ \text{HCl(g)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}} \text{H}^+ + \text{Cl}^- \quad (\text{хлороводонична киселина / електролитичка дисоцијација}) \]
- Хлороводонична (сона) киселина (\(HCl\)): Раствор масеног удела 16–20% користи се у домаћинству за уклањање каменца и рђе; саставни је део желудачног сока (око 0,5%).
- Хлор (\(Cl_2\)): Дезинфекција воде у базенима (убија бактерије).
- Флуориди: Производња пасти за зубе (спречавање каријеса), тефлона и фреона.
- Јод (\(I_2\)): Медицинско дезинфекционо средство; јодирање кухињске соли ради спречавања гушавости.
Сумпор (\(_{16}\text{S}\)) има распоред електрона \(K(2), L(8), M(6)\). Налази се у 3. периоди и 16. групи ПСЕ. У једињењима има валенце \(II\), \(IV\) и \(VI\), а са изразитим металима гради сулфидни јон (\(S^{2-}\)).
Алотропске модификације су појавни облици истог хемијског елемента у елементарном стању који се разликују по структури и својствима. Сумпор постоји као кристални (жути кристали) и аморфни сумпор (жути прах).
\[ \text{S} + \text{O}_2 \longrightarrow \overset{\text{IV}}{\text{SO}_2} \quad (\text{сумпор(IV)-оксид, гас оштрог мириса, отрован, избељивач}) \]
\[ 2\overset{\text{IV}}{\text{SO}_2} + \text{O}_2 \longrightarrow 2\overset{\text{VI}}{\text{SO}_3} \quad (\text{сумпор(VI)-оксид}) \]
\[ \overset{\text{VI}}{\text{SO}_3} + \text{H}_2\text{O} \longrightarrow \overset{\text{VI}}{\text{H}_2\text{SO}_4} \quad (\text{сумпорна киселина}) \]
Оксиди сумпора су кисели оксиди (анхидриди киселина) јер реагују са базама дајући соли:
- \(SO_2\) даје соли сулфите: \(SO_2 + 2NaOH \longrightarrow Na_2SO_3 + H_2O\)
- \(SO_3\) даје соли сулфате: \(SO_3 + 2NaOH \longrightarrow Na_2SO_4 + H_2O\)
Правило за разблаживање киселина: Концентрована сумпорна киселина (\(\omega \approx 96\%\)) увек се сипа у танушном млазу у воду уз мешање, никада вода у киселину!
- Сумпор: Производња гуме (вулканизација), шибица, барута и боја.
- Сумпор(IV)-оксид (\(SO_2\)): Избељивање текстила, стерилизација сувог воћа и дезинфекција бачви.
- Сумпорна киселина (\(H_2SO_4\)): Производња вештачких ђубрива, акумулатора, боја, лекова и експлозива.
Азот (\(_{7}\text{N}\): \(K(2), L(5)\)) и фосфор (\(_{15}\text{P}\): \(K(2), L(8), M(5)\)) имају најважније валенце \(III\) и \(V\) (азот може имати и \(I, II, IV\)).
Облици и алотропија:
- Азот (\(N_2\)): Гас без боје, мириса и укуса; слабе реактивности због јаке троструке ковалентне везе (\(N \equiv N\)).
- Бели фосфор (\(P_4\)): Чврст, изразито отрован и самозапаљив на ваздуху, због чега се чува под водом.
- Црвени фосфор (\(P\)): Мање реактиван, полимеран, није отрован; користи се за паљење шибица (на кутији).
\[ \text{N}_2 + 3\text{H}_2 \longrightarrow 2\text{NH}_3 \quad (\text{амонијак}) \]
\[ \text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{NH}_4^+ + \text{OH}^- \quad (\text{водени раствор амонијака је базан}) \]
- \(N_2O\) (азот(I)-оксид, „гас смејавац”) и \(NO\) (азот(II)-оксид) су неутрални оксиди (не реагују са водом, киселинама ни базама).
- \(\overset{\text{III}}{N_2O_3}\) с водом даје азотасту киселину (\(\overset{\text{III}}{HNO_2}\)), чије су соли нитрити.
- \(\overset{\text{V}}{N_2O_5}\) с водом даје азотну киселину (\(\overset{\text{V}}{HNO_3}\)), чије су соли нитрати: \[ N_2O_5 + H_2O \longrightarrow 2HNO_3 \]
- \(\overset{\text{V}}{P_2O_5}\) (анхидрид фосфорне киселине) с водом гради фосфорну киселину (\(H_3PO_4\)), чије су соли фосфати: \[ P_2O_5 + 3H_2O \longrightarrow 2H_3PO_4 \]
Концентрована азотна киселина (\(\omega \approx 68\%\)) је безбојна, отровна течност која у контакту са кожом ствара карактеристичне жуте опекотине. Концентрована фосфорна киселина је густа течност (\(\omega \approx 85\%\)).
Угљеник (\(_{6}\text{C}\): \(K(2), L(4)\)) налази се у 2. периоди и 14. групи ПСЕ. Може градити једноструке, двоструке и троструке везе и дугачке ланце, због чега гради више десетина милиона органских једињења.
Алотропске модификације угљеника:
- Графит: Слојевита кристална решетка, крт, мекан (оставља траг на папиру), једини неметал који проводи струју. Користи се за оловке и електроде.
- Дијамант: Просторна атомска решетка, најтврђа позната природна супстанца, прелама светлост, не проводи струју. Користи се за сечење, брушење и накит.
- Фулерени: Сферни молекули (нпр. \(C_{60}\) облика фудбалске лопте), користе се у нанотехнологији.
- Аморфни угљеник: Активни угаљ, чађ, кокс.
\[ 2\text{C} + \text{O}_2 \longrightarrow 2\text{CO} \quad (\text{непотпуно сагоревање: угљеник(II)-оксид}) \]
\[ \text{C} + \text{O}_2 \longrightarrow \text{CO}_2 \quad (\text{потпуно сагоревање: угљеник(IV)-оксид}) \]
\[ \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_2\text{CO}_3 \quad (\text{угљена киселина, нестабилна}) \]
Поређење оксида угљеника:
- \(CO\) (угљен-моноксид): Неутрални оксид, без боје, мириса и укуса, слабо се раствара у води, изузетно токсичан.
- \(CO_2\) (угљен-диоксид): Кисели оксид, без боје и мириса, тежи од ваздуха, не гори нити подржава горење (гаси пламен свеће). Користи се у противпожарним апаратима и газираним пићима.
Доказивање \(CO_2\) кречном водом: Увођењем \(CO_2\) у бистар раствор \(Ca(OH)_2\) јавља се бело замућење услед таложења нерастворног калцијум-карбоната:
\[ \text{CO}_2 + \text{Ca(OH)}_2 \longrightarrow \text{CaCO}_3\downarrow + \text{H}_2\text{O} \]
Већина оксида неметала су кисели оксиди (анхидриди киселина) – у реакцији са водом дају киселине, а са базама соли. Изузетак су неутрални оксиди (\(CO, N_2O, NO\)) који не реагују ни са водом, ни са киселинама, ни са базама.
| Оксид неметала (анхидрид) | Одговарајућа киселина | Назив киселине | Назив соли |
|---|---|---|---|
| \(\text{CO}_2\) | \(\text{H}_2\text{CO}_3\) | Угљена киселина | Карбонати |
| \(\text{N}_2\text{O}_3\) | \(\text{HNO}_2\) | Азотаста киселина | Нитрити |
| \(\text{N}_2\text{O}_5\) | \(\text{HNO}_3\) | Азотна киселина | Нитрати |
| \(\text{P}_2\text{O}_5\) | \(\text{H}_3\text{PO}_4\) | Фосфорна киселина | Фосфати |
| \(\text{SO}_2\) | \(\text{H}_2\text{SO}_3\) | Сумпораста киселина | Сулфити |
| \(\text{SO}_3\) | \(\text{H}_2\text{SO}_4\) | Сумпорна киселина | Сулфати |
Правила за именовање киселина и њихових соли:
- Бескисеоничне киселине: Назив соли се завршава на -ид (нпр. \(HCl\) даје хлориде, \(H_2S\) сулфиде).
- Кисеоничне киселине:
- Мањи број атома кисеоника (нижа валенца): наставак -аста за киселину, а -ит за со (нпр. сумпораста \(\rightarrow\) сулфити).
- Већи број атома кисеоника (виша валенца): наставак -на за киселину, а -ат за со (нпр. сумпорна \(\rightarrow\) сулфати).
Киселе кише настају растварањем оксида сумпора (\(SO_2, SO_3\)) и азота (\(NO_2, N_2O_5\)) у атмосферској води, стварајући киселе падавине које оштећују шуме, земљиште и споменике.
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Који је једини неметал који се на собној температури налази у течном агрегатном стању, а који једини неметал проводи електричну струју?
Једини течни неметал је бром (\(Br_2\)), а једини неметал који проводи електричну струју је графит (алотропска модификација угљеника).
Задатак 2 (средњи): Напишите једначину хемијске реакције између фосфор(V)-оксида и калијум-хидроксида, као и назив настале соли.
Фосфор(V)-оксид је кисели оксид (\(P_2O_5\)) и реакцијом са базом (\(KOH\)) даје одговарајућу со фосфат и воду:
\[ \text{P}_2\text{O}_5 + 6\text{KOH} \longrightarrow 2\text{K}_3\text{PO}_4 + 3\text{H}_2\text{O} \]
Назив настале соли је калијум-фосфат.
Задатак 3 (средњи): Објасните зашто се приликом удувавања издахнутог ваздуха у кречну воду појављује замућење и напишите одговарајућу једначину реакције.
У издахнутом ваздуху налази се угљеник(IV)-оксид (\(CO_2\)). Кречна вода је бистар водени раствор калцијум-хидроксида (\(Ca(OH)_2\)). У њиховој реакцији настаје у води слабо растворан калцијум-карбонат (\(CaCO_3\)) који се таложи у облику белог замућења:
\[ \text{CO}_2 + \text{Ca(OH)}_2 \longrightarrow \text{CaCO}_3\downarrow + \text{H}_2\text{O} \]
Задатак 4 (тежак): Израчунајте масу сумпорне киселине која настаје када \(16\text{ g}\) сумпора потпуно сагори до сумпор(IV)-оксида, а затим се оксидује до сумпор(VI)-оксида и раствори у води. (Моларне масе: \(M(S) = 32\text{ g/mol}\), \(M(H_2SO_4) = 98\text{ g/mol}\)).
Сумарни ток реакција:
\[ \text{S} \xrightarrow{+\text{O}_2} \text{SO}_2 \xrightarrow{+\text{O}_2} \text{SO}_3 \xrightarrow{+\text{H}_2\text{O}} \text{H}_2\text{SO}_4 \]
Из стехиометрије следи да из \(1\text{ mol}\) атома сумпора (\(32\text{ g}\)) настаје \(1\text{ mol}\) сумпорне киселине (\(98\text{ g}\)).
Постављањем пропорције: \[ \frac{16\text{ g}}{32\text{ g/mol}} = 0,5\text{ mol сумпора} \] \[ m(\text{H}_2\text{SO}_4) = n \cdot M = 0,5\text{ mol} \cdot 98\text{ g/mol} = 49\text{ g} \] Одговор: Настаће \(49\text{ g}\) сумпорне киселине.
Постављањем пропорције: \[ \frac{16\text{ g}}{32\text{ g/mol}} = 0,5\text{ mol сумпора} \] \[ m(\text{H}_2\text{SO}_4) = n \cdot M = 0,5\text{ mol} \cdot 98\text{ g/mol} = 49\text{ g} \] Одговор: Настаће \(49\text{ g}\) сумпорне киселине.
