Nekovy

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 9. prosince 2021; kontroly vyžadují 26 úprav .

Nekovy jsou chemické prvky s typicky nekovovými vlastnostmi, které zaujímají pravý horní roh periodické tabulky . Kurzíva označuje metaloidy , jejichž vlastnosti se blíží vlastnostem kovů.

Skupina III IV PROTI VI VII VIII
1. období H On
2. období B C N Ó F Ne
3. období Si P S Cl Ar
4. období Tak jako Se Br kr
5. období Te Xe
6. období V Rn

Na rozdíl od kovů je zde mnohem méně nekovů, celkem je zde 22 - 23 prvků.

Charakteristickým znakem nekovů je větší (ve srovnání s kovy ) počet elektronů na vnější energetické úrovni jejich atomů . To určuje jejich větší schopnost připojovat další elektrony a projev vyšší oxidační aktivity než u kovů.

Nekovy mají vysoké hodnoty elektronové afinity , velkou elektronegativitu a vysoký redoxní potenciál.

Vzhledem k vysokým ionizačním energiím nekovů mohou jejich atomy tvořit kovalentní chemické vazby s atomy jiných nekovů a amfoterních prvků . Na rozdíl od převážně iontové povahy struktury typických sloučenin kovů , jednoduché nekovové látky, stejně jako nekovové sloučeniny, mají kovalentní povahu struktury.

Ve volné formě mohou být plynné nekovové jednoduché látky - fluor , chlor , kyslík , dusík , vodík , inertní plyny , pevná látka - jód , astat , síra , selen , telur , fosfor , arsen , uhlík , křemík , bór , at v kapalném bromu .

Některé nekovy vykazují alotropii . Plynný kyslík je tedy charakterizován dvěma alotropními modifikacemi - kyslík (O 2 ) a ozón (O 3 ), pevný uhlík má mnoho forem - diamant , astraleny , grafen , grafit , karabina , lonsdaleit , fullereny , sklovitý uhlík , dikarbon , uhlíkové nanostruktury ( nanopěna , nanokony , nanotrubice , nanovlákna ) a amorfní uhlík , možné jsou i další modifikace, například chaoit a kovový uhlík .

V molekulární formě se dusík , kyslík a síra vyskytují v přírodě jako jednoduché látky . Častěji jsou nekovy v chemicky vázané formě: jedná se o vodu , minerály , horniny , různé silikáty , fosfáty , boritany . Z hlediska rozšíření v zemské kůře se nekovy výrazně liší. Nejběžnější jsou kyslík , křemík , vodík ; nejvzácnější jsou arsen , selen , jód , telur , astat .

Definice a použitelné prvky

Nekov je chemický prvek, který má mimo jiné relativně nízkou hustotu a střední až vysokou elektronegativitu . Obecně jim chybí typické kovové vlastnosti, jako je kovový lesk, deformovatelnost , dobrá tepelná a elektrická vodivost a nízká elektronegativita. Protože neexistuje žádná přísná definice nekovu, mohou mezi zdroji existovat určité rozdíly v tom, které prvky jsou klasifikovány jako nekovy. Taková rozhodnutí závisí na tom, která vlastnost nebo vlastnosti jsou považovány za nejreprezentativnější z nekovového nebo kovového charakteru.

Přestože Steudel v roce 2020 uznal 23 prvků jako nekovy, každý takový seznam je otevřený. Čtrnáct prvků je téměř vždy rozpoznáno jako takové: vodík, kyslík, dusík a síra; korozivní halogeny fluor, chlor, brom a jod; a vzácné plyny helium, neon, argon, krypton, xenon a radon; viz například Larrañaga et al. Ačkoli stejní autoři uznali uhlík, fosfor a selen za nekovy, Vernon již dříve uvedl, že tyto tři prvky byly místo toho někdy považovány za metaloidy. Prvky běžně označované jako metaloidy, jmenovitě bor, křemík, germanium, arsen, antimon a telur, jsou někdy považovány za střední třídu mezi kovy a nekovy, když kritéria používaná k rozlišení mezi kovy a nekovy jsou neprůkazná; v ostatních případech jsou považovány za nekovy ve světle jejich nekovové chemie.

Ze 118 známých prvků lze 23 považovat za nekovy; kovy je několikanásobně převyšují. Astatin, pátý halogen, je často přehlížen kvůli své vzácnosti a vysoké radioaktivitě ; nepřímá teoretická a experimentální data přesvědčivě naznačují, že jde o kov. Supertěžké prvky kopernicium ( Z = 112) a oganesson (118) se mohou ukázat jako nekovy ; jejich skutečný stav musí být ještě potvrzen.

Obecné vlastnosti

Fyzická

Navenek je asi polovina nekovových prvků za normálních podmínek bezbarvé nebo barevné plyny a většina zbytku jsou lesklé pevné látky. Brom, jediná kapalina, je tak těkavý, že je obvykle pokryt vrstvou jeho páry; Síra je jediný barevný pevný nekov. Kapalné nekovy mají velmi nízké hustoty, teploty tání a varu a jsou špatnými vodiči tepla a elektřiny. Tvrdé nekovové prvky mají nízkou hustotu, jsou křehké nebo drobivé s nízkou mechanickou a strukturální pevností a špatné až dobré vodiče.

Vnitřní struktura a uspořádání vazeb nekovů vysvětluje jejich tvarové rozdíly. Ty nekovy, které existují jako jednotlivé atomy (např. xenon) nebo molekuly (např. kyslík, síra, brom), mívají nízké body tání a varu, protože jsou drženy pohromadě slabými londýnskými disperzními silami působícími mezi jejich atomy nebo molekulami. Mnohé z nich jsou plyny při pokojové teplotě. Ty, které tvoří obří struktury, jako jsou řetězce až 1000 atomů (jako selen), pláty (uhlík) nebo trojrozměrné mřížky (křemík), mají vyšší body tání a varu, protože k překonání jejich silnější kovalentní vazby je potřeba více energie. , všechny jsou pevné. Ti, kteří jsou blíže levé straně periodické tabulky nebo níže ve sloupci, často mají mezi svými molekulami, řetězci nebo vrstvami nějaké slabé kovové interakce, což je v souladu s jejich blízkostí ke kovům; k tomu dochází u boru, uhlíku, fosforu, arsenu, selenu, antimonu, teluru a jódu.

S jejich vnitřní strukturou souvisí i vodivost nekovů a křehkost pevných látek. Dobrá tepelná a elektrická vodivost a plasticita (duktilita, tažnost) jsou obvykle spojeny s přítomností volně se pohybujících a rovnoměrně distribuovaných elektronů v kovech; až na malé výjimky elektrony v nekovech takovou pohyblivost obvykle postrádají. Mezi nekovové prvky:

Fyzikální rozdíly mezi kovy a nekovy vyplývají z vnitřních a vnějších atomových sil. Uvnitř atomu kladný jaderný náboj drží jeho vnější elektrony na místě. Navenek jsou stejné elektrony vystaveny přitažlivým silám jaderných nábojů v sousedních atomech. Když jsou vnější síly větší nebo rovné vnitřní síle, očekává se, že se vnější elektrony budou pohybovat (volně se pohybovat mezi atomy) a předpokládají se kovové vlastnosti. Jinak se očekávají nekovové vlastnosti.

Chemické

Některé typické rozdíly mezi kovy a nekovy na základě chemie
Aspekt Kovy nekovy
elektronegativita Nižší než nekovy

až na výjimky

Střední až Vysoká
Chemikálie

spojení

Zřídka forma

kovalentní vazby

Často formou

kovalentní vazby

Kovové spoje (slitiny)

mezi kovy

kovalentní vazby

mezi nekovy

Iontové vazby mezi nekovy a kovy
Oxidační stavy Pozitivní negativní nebo pozitivní
oxidy Zásadité v nižších oxidech;

kyselejší ve vyšších oxidech

Kyselina; nikdy hlavní
Ve vodě

řešení

Existují jako kationty. Existují jako anionty.

nebo oxyanionty

Nekovy mají střední až vysoké hodnoty elektronegativity a při chemických reakcích mají tendenci tvořit kyselé sloučeniny. Například pevné nekovy (včetně metaloidů) reagují s kyselinou dusičnou za vzniku kyseliny nebo oxidu, který je kyselý nebo má převážně kyselé vlastnosti.

Mají tendenci získávat nebo sdílet elektrony, když reagují, na rozdíl od kovů, které mají tendenci elektrony darovat. Konkrétněji a vzhledem ke stabilitě elektronových konfigurací vzácných plynů (vyplněné vnější obaly) nekovy typicky získávají dostatek elektronů, aby získaly elektronovou konfiguraci dalšího vzácného plynu, zatímco kovy mají tendenci ztrácet dostatek elektronů, aby si je udržely. s elektronickou konfigurací předchozího vzácného plynu. U nekovových prvků je tato tendence zapouzdřena empirickými pravidly duetu a oktetu (a pro kovy existuje méně přísné 18-elektronové pravidlo).

Kvantitativně mají nekovy obecně vyšší ionizační energie, vyšší elektronové afinity, vyšší hodnoty elektronegativity a vyšší standardní redukční potenciály než kovy. Obecně platí, že čím vyšší jsou tyto hodnoty, tím je dotyčný prvek nekovový.

Chemické rozdíly mezi kovy a nekovy do značné míry vyplývají z přitažlivé síly mezi kladným jaderným nábojem jednotlivého atomu a jeho záporně nabitými vnějšími elektrony. Zleva doprava se v každé periodě periodické tabulky zvyšuje náboj jádra se zvyšujícím se počtem protonů v jádře. S tím souvisí i zmenšení atomového poloměru, protože rostoucí jaderný náboj přitahuje vnější elektrony blíže k jádru. U kovů je vliv jaderného náboje obvykle slabší než u nekovových prvků. Při chemickém spojení tedy kovy mají tendenci ztrácet elektrony a vytvářet kladně nabité nebo polarizované atomy nebo ionty, zatímco nekovy mají tendenci získávat stejné elektrony díky svému silnějšímu jadernému náboji a vytvářet záporně nabité ionty nebo polarizované atomy.

Množství sloučenin tvořených nekovy je obrovské. Prvních deset míst v tabulce „Top 20“ prvků, které se nejčastěji vyskytují v 895 501 834 sloučeninách uvedených v registru Chemical Abstracts Service k 2. listopadu 2021, jsou nekovy. Vodík, uhlík, kyslík a dusík se nacházejí ve většině (80 %) sloučenin. Křemík, metaloid, byl na 11. místě. Nejvýše hodnoceným kovem s četností výskytu 0,14 % bylo železo, které se umístilo na 12. místě. Příklady nekovových sloučenin jsou: kyselina boritá (H 3 BO 3 ) používaná v keramických glazurách; selenocystein ​​(C 3 H 7 NO 2 Se), 21. aminokyselina potřebná pro; seskvisulfid fosforu (P 4 S 3 ), koinciduje v místě dopadu; a teflon ( ( C2F4 ) n ) .

Obtíže

Chemie nekovů je komplikována anomáliemi pozorovanými v prvním řádku každého bloku periodické tabulky. Tyto anomálie jsou patrné u vodíku, boru (ať už ve formě nekovu nebo metaloidu), uhlíku, dusíku, kyslíku a fluoru; a rozšířit se na sekundární periodicitu nebo nejednotné periodické trendy klesající u většiny skupin p-boxů; a neobvyklé oxidační stavy v těžších nekovech.

Anomálie prvního řádku

Počínaje vodíkem vzniká anomálie první řady hlavně z elektronických konfigurací příslušných prvků. Vodík je známý pro různé způsoby vytváření vazeb. Nejčastěji tvoří kovalentní vazby. Ve vodném roztoku může ztratit svůj jediný elektron a zanechat za sebou holý proton s obrovskou polarizační silou. To se proto připojí k osamocenému elektronovému páru atomu kyslíku v molekule vody, čímž se vytvoří základ acidobazické chemie. Atom vodíku v molekule může vytvořit druhou, slabší vazbu s atomem nebo skupinou atomů v jiné molekule. Tato vazba „pomáhá dát sněhovým vločkám jejich hexagonální symetrii, váže DNA do dvojité šroubovice; tvoří trojrozměrné formy proteinů; a dokonce zvýší bod varu vody dostatečně vysoko na to, aby si uvařila pořádný šálek čaje."

Pro vodík a helium a od boru po neon, protože 1s a 2p podslupky nemají žádné vnitřní protějšky (tj. neexistuje žádná nulová slupka a 1p podslupka), a proto nevykazují účinky odpuzování elektronů, mají relativně malé poloměry. do podskořápky 1p. 3p, 4p a 5p podslupky těžších prvků. Ionizační energie a elektronegativita mezi těmito prvky jsou proto vyšší, než by se jinak očekávalo, vezmeme-li v úvahu periodické trendy. Malé atomové poloměry uhlíku, dusíku a kyslíku usnadňují tvorbu dvojných nebo trojných vazeb.

Ačkoli se obecně očekává, že vodík a helium budou sedět na vršku silně kovových prvků s-bloku na základě jejich elektronové konfigurace, anomálie první řady v těchto dvou prvcích je dostatečně silná, aby zaručila alternativní umístění. Vodík někdy sedí nad fluorem ve skupině 17 spíše než lithium ve skupině 1. Helium obvykle sedí nad neonem ve skupině 18 spíše než beryllium ve skupině 2.

Sekundární periodicita

Bezprostředně po první řadě přechodných kovů nejsou 3d elektrony ve 4. řadě prvků, tj. v galliu (kovu), germaniu, arsenu, selenu a bromu, tak účinné při stínění zvýšeného kladného náboje jádra. . Podobný efekt doprovází výskyt čtrnácti f-blokových kovů mezi baryem a luteciem, což nakonec vede k menším než očekávaným atomovým poloměrům pro prvky od hafnia (Hf) dále. Konečným výsledkem, zejména u skupin 13-15, je střídání některých periodických trendů sestupných ve skupinách 13 až 17.

Neobvyklé oxidační stavy

Větší atomové poloměry těžších nekovů skupiny 15-18 poskytují vyšší objemová koordinační čísla a vedou k nižším hodnotám elektronegativity, které lépe snášejí vyšší kladné náboje. Zúčastněné prvky tak mohou vykazovat oxidační stavy jiné než nejnižší ze své skupiny (tj. 3, 2, 1 nebo 0), například v chloridu fosforečném (PCl 5 ), fluoridu sírovém (SF 6 ), heptafluoridu jodu (IF 7 ) a xenondifluorid ( XeF2 )

Podtřídy

Přístupy ke klasifikaci nekovů mohou zahrnovat dvě až šest nebo sedm podtříd. Například periodická tabulka Encyclopædia Britannica obsahuje vzácné plyny, halogeny a jiné nekovy a prvky běžně považované za metaloidy se dělí na „jiné kovy“ a „jiné nekovy“; zatímco Periodická tabulka Royal Society of Chemistry používá různé barvy pro každou ze svých osmi hlavních skupin a nekovy lze nalézt v sedmi z nich.

Zprava doleva se z hlediska periodické tabulky víceméně obvykle rozlišují tři nebo čtyři druhy nekovů. To:

  • relativně inertní vzácné plyny;
  • soubor reaktivních halogenových prvků – fluoru, chloru, bromu a jodu – někdy nazývaných nekovové halogeny (tento termín zde použitý) nebo stabilní halogeny;
  • soubor nezařazených nekovů, včetně prvků jako vodík, uhlík, dusík a kyslík, bez obecně uznávaného souhrnného názvu; a
  • chemicky slabě aktivní nekovové metaloidy jsou někdy považovány za nekovy a někdy ne.

Vzhledem k tomu, že metaloidy zaujímají hraniční oblast, kde se kovy setkávají s nekovy, jejich interpretace se liší od autora k autorovi. Někteří je považují za oddělené od kovů i nekovů; někteří je považují za nekovy nebo podtřídu nekovů. Jiní považují některé z nich za kovy, jako je arsen a antimon, kvůli jejich podobnosti s těžkými kovy. Metaloidy jsou zde z hlediska jejich chemického chování a pro účely srovnání považovány za nekovy.

Kromě metaloidů lze mezi jinými podtřídami nekovů rozeznat určitou neostrost a překrývání (jak se běžně vyskytuje u klasifikačních schémat). Uhlík, fosfor, selen, jód hraničí s metaloidy a vykazují určitý kovový charakter, stejně jako vodík. Mezi vzácnými plyny je radon nejkovovější a začíná vykazovat určité kationtové chování, což je u nekovů neobvyklé.

Vzácné plyny

Šest nekovů je klasifikováno jako vzácné plyny: helium, neon, argon, krypton, xenon a radioaktivní radon. V běžných periodických tabulkách zaujímají sloupec úplně vpravo. Pro jejich velmi nízkou reaktivitu se jim říká vzácné plyny .

Mají velmi podobné vlastnosti: všechny jsou bezbarvé, bez zápachu a nehořlavé. Naplněné vnější elektronové obaly inertních plynů způsobují jejich slabé meziatomové přitažlivé síly, což vede k velmi nízkým bodům tání a varu. Proto jsou všechny plyny za standardních podmínek, dokonce i ty s atomovou hmotností větší, než má mnoho normálně pevných prvků.

Z chemického hlediska mají vzácné plyny relativně vysoké ionizační energie, nulovou nebo zápornou elektronovou afinitu a relativně vysokou elektronegativitu. Sloučeniny inertních plynů se počítají ve stovkách, ačkoli seznam stále roste, přičemž většina z nich je výsledkem kombinace kyslíku nebo fluoru s kryptonem, xenonem nebo radonem.

Pokud jde o periodickou tabulku, lze nakreslit analogii mezi vzácnými plyny a vzácnými kovy , jako je platina a zlato, přičemž posledně jmenované se také zdráhají vstoupit do chemické kombinace. Jako další příklad xenon v oxidačním stavu +8 tvoří světle žlutý výbušný oxid Xe04 a osmium, další ušlechtilý kov, tvoří žlutý vysoce oxidační oxid Os04 . Ve vzorcích oxyfluoridů jsou také paralely : Xe02F4 a Os02F4 , stejně jako Xe03F2 a Os03F2 .


Zemská atmosféra obsahuje asi 10 15 tun inertních plynů. Helium je také obsaženo v zemním plynu v množství až 7 %. Radon difunduje z hornin, kde vzniká při přirozeném rozpadu uranu a thoria. V roce 2014 bylo oznámeno, že zemské jádro by mohlo obsahovat cca. 10 13 tun xenonu, ve formě stabilních intermetalických látek XeFe 3 a XeNi 3 . To může vysvětlovat, proč „studie zemské atmosféry ukázaly, že více než 90 % očekávaného množství Xe bylo vyčerpáno“.

Halogeny

Přestože jsou nekovové halogeny žíravé prvky, lze je nalézt v neškodných sloučeninách, jako je kuchyňská sůl (NaCl). Jejich vysoká reaktivita jako nekovů může být porovnána se stejně vysokou reaktivitou alkalických kovů , jako je sodík a draslík .

Fyzikálně jsou fluor a chlór světle žluté a žlutavě zelené plyny; brom je červenohnědá kapalina (obvykle pokrytá vrstvou kouře); a jód v bílém světle je kovová pevná látka. Elektricky jsou první tři izolanty a jód je polovodič (vodivost je vyšší podél krystalových rovin).

Chemicky mají vysoké ionizační energie, elektronové afinity a hodnoty elektronegativity a jsou obecně relativně silnými oxidačními činidly. Mezi projevy tohoto stavu patří jejich vlastní korozivní povaha. Všechny čtyři mají tendenci tvořit převážně iontové sloučeniny s kovy, zatímco zbývající nekovy, kromě kyslíku, mají tendenci tvořit s kovy převážně kovalentní sloučeniny. Reaktivní a silně elektronegativní povaha nekovových halogenů představuje ztělesnění nekovového charakteru.

Z hlediska periodické tabulky jsou analogy vysoce nekovových halogenů ve skupině 17 vysoce reaktivní kovy, jako je sodík a draslík ve skupině 1. halogeny.

Nekovové halogeny se nacházejí v solných minerálech. Fluor se nachází ve fluoritu, což je široce rozšířený minerál. Solanky obsahují chlór, brom a jód. Jako výjimku uvádí studie z roku 2012 přítomnost 0,04 % přírodního fluoru (F 2 ) na hmotnost v anthosonitu, což přisuzuje tyto inkluze záření z přítomnosti malých množství uranu.

Nezařazené nekovy

Poté, co jsou nekovy klasifikovány jako vzácné plyny, halogeny nebo metaloidy (viz níže), zbývajících sedm nekovů je vodík, uhlík, dusík, kyslík, fosfor, síra a selen. Tři z nich v nejstabilnějších alotropech jsou bezbarvé plyny (H, N, O); tři jsou kovové (C, P, Se); a jedna žlutá (S). Elektricky je grafitický uhlík polokov podél svých rovin a polovodič ve směru kolmém k jeho rovinám; fosfor a selen jsou polovodiče; a vodík, dusík, kyslík a síra jsou izolanty. Obecně jsou považovány za příliš rozmanité na to, aby si zasloužily kolektivní studium, a jsou označovány jako jiné nekovy [nebo jednodušeji nekovy , umístěné mezi metaloidy a halogeny. Jejich chemie má tedy tendenci být vyučována odlišně, podle jejich příslušných čtyř skupin periodické tabulky, například: vodík ve skupině 1; uhlíkaté nekovy skupiny 14 (uhlík a případně křemík a germanium); nekovy pniktogenů skupiny 15 (dusík, fosfor a případně arsen a antimon); a chalkogenní nekovy skupiny 16 (kyslík, síra, selen a případně telur). Další dělení je možné dle individuálních preferencí autorů.

Zejména vodík se v některých ohledech chová jako kov a v jiných jako nekov. Jako kov může (nejprve) ztratit svůj jediný elektron; může nahradit alkalické kovy v typických strukturách alkalických kovů; a je schopen tvořit s některými přechodnými kovy hydridy podobné slitinám vázané na kov. Na druhou stranu je to izolační dvouatomový plyn, jako typický nekov, a v obecnějších chemických reakcích má tendenci dosahovat elektronové konfigurace helia. Dělá to vytvořením kovalentní nebo iontové vazby nebo, pokud ztratil svůj elektron, spojením osamoceného páru elektronů.

Některé nebo všechny tyto nekovy však sdílejí několik vlastností. Většina z nich, jsou méně reaktivní než halogeny, se mohou přirozeně vyskytovat v životním prostředí. Hrají významnou biologickou a geochemickou roli. Přestože jejich fyzikální a chemické vlastnosti jsou "středně nekovové", obecně jsou všechny korozivní. Vodík může korodovat kovy. V palivových článcích může docházet ke korozi uhlíku. Kyselé deště jsou způsobeny rozpuštěným dusíkem nebo sírou. Kyslík koroduje železo prostřednictvím rzi. Bílý fosfor, nejnestabilnější forma, se na vzduchu vznítí a vytvoří zbytek kyseliny fosforečné. Neupravený selen v půdě může vést k tvorbě korozivního plynného selenovodíku. V kombinaci s kovy mohou neklasifikované nekovy tvořit pevné (zapuštěné nebo žáruvzdorné) sloučeniny kvůli jejich relativně malým atomovým poloměrům a spíše nízkým ionizačním energiím. Mají tendenci se vzájemně vázat, zejména ve sloučeninách v pevném stavu. Poměry diagonální periodické tabulky mezi těmito nekovy opakují podobné vztahy mezi metaloidy.

Z hlediska periodické tabulky existuje geografická analogie mezi nezařazenými nekovy a přechodnými kovy. Nezařazené nekovy zaujímají území mezi silně nekovovými halogeny vpravo a slabě nekovovými metaloidy vlevo. Přechodné kovy zabírají území „mezi jedovatými a korozivními kovy nalevo od periodické tabulky a klidnými a spokojenými kovy napravo ... [a] ... tvoří mezi nimi most."

Nezařazené nekovy se obvykle vyskytují v elementárních formách (kyslík, síra) nebo se vyskytují ve spojení s kterýmkoli z těchto dvou prvků:

  • Vodík se nachází ve Světovém oceánu ve složení vody a v zemním plynu - ve složení metanu a sirovodíku.
  • Uhlík se vyskytuje ve vápencích, dolomitu a mramoru ve formě uhličitanů. Méně známý je uhlík ve formě grafitu, který se nachází především v metamorfovaných silikátových horninách v důsledku stlačování a zahřívání sedimentárních uhlíkatých sloučenin.
  • Kyslík je obsažen v atmosféře; v oceánech jako součást vody; a v zemské kůře ve formě oxidových minerálů.
  • Minerály fosforu jsou široce rozšířeny, obvykle ve formě fosforečnanů a fosforečnanů.
  • Elementární síru lze nalézt v horkých pramenech a vulkanických oblastech nebo v jejich blízkosti v mnoha částech světa. Sirné minerály jsou rozšířené, obvykle ve formě sulfidů nebo kyslíko-sírových síranů.
  • Selen se nachází v rudách sulfidů kovů, kde částečně nahrazuje síru; někdy se vyskytuje elementární selen.

Metaloidy (polokovy)

Šest prvků nejčastěji označovaných jako metaloidy jsou bor, křemík, germanium, arsen, antimon a telur, z nichž všechny mají kovový vzhled. Ve standardní periodické tabulce zaujímají diagonální oblast v p-bloku, táhnoucí se od boru vlevo nahoře k teluru vpravo dole podél dělicí čáry mezi kovy a nekovy, jak je znázorněno v některých periodických tabulkách.

Jsou křehké a špatně vedou teplo a elektřinu. Bor, křemík, germanium a tellur jsou polovodiče. Arsen a antimon mají polokovové elektronické struktury, ačkoli oba mají méně stabilní polovodičové allotropy.

Chemicky se metaloidy obecně chovají jako (slabé) nekovy. Mezi nekovovými prvky mívají nejnižší ionizační energie, elektronové afinity a hodnoty elektronegativity; a jsou relativně slabými oxidačními činidly. Navíc vykazují tendenci vytvářet slitiny s kovy.

Z hlediska periodické tabulky je nalevo od slabě nekovových metaloidů neurčitá sada slabě kovových kovů (jako je cín, olovo a vizmut), někdy nazývaných kovy po přechodu. Dingle vysvětluje situaci takto:

... s "nepochybnými" kovy zcela vlevo na stole a nespornými neziskovkami zcela vpravo... mezeru mezi těmito dvěma extrémy vyplňují nejprve chudé (post-transition) kovy a poté metaloidy , které by se snad na stejném principu daly všechny dohromady přejmenovat na „chudáky neziskovky“.

Metaloidy se obecně vyskytují ve formách spojených s kyslíkem nebo sírou, nebo v případě telluru se zlatem nebo stříbrem. Bór je obsažen v boro-kyslíkatých boritanových minerálech, a to i ve vodách sopečných pramenů. Křemík se vyskytuje v křemičitém minerálu silika (písek). Ve složení sulfidických rud se nachází především germanium, arsen a antimon. Tellur se vyskytuje v teluridových minerálech zlata nebo stříbra. Byly hlášeny přírodní formy arsenu, antimonu a teluru.

Allotropy

Většina nekovových prvků existuje v alotropních formách. Uhlík se například vyskytuje jako grafit a diamant. Takové allotropy mohou vykazovat fyzikální vlastnosti, které jsou více kovové nebo méně nekovové.

Mezi nekovové halogeny a nezařazené nekovy:

  • Jód je znám v polovodičové amorfní formě.
  • Grafit, standardní stav uhlíku, je docela dobrý vodič elektřiny. Diamantový allotrop uhlíku je jasně nekovový, průsvitný a jako izolant je velmi špatným elektrickým vodičem. Uhlík je také znám v několika dalších alotropních formách, včetně polovodičového buckminsterfullerenu, amorfních a parakrystalických (smíšených amorfních a krystalických) odrůd.
  • Dusík může tvořit plynný tetradusík (N 4 ), nestabilní polyatomární molekulu s životností asi jedné mikrosekundy.
  • Kyslík ve standardním stavu je dvouatomová molekula; existuje také jako ozón (O 3 ), nestabilní nekovový allotrop s „vnitřním“ poločasem rozpadu asi půl hodiny ve srovnání s asi třemi dny v okolním vzduchu při 20 °C.
  • Fosfor existuje jedinečně v několika alotropních formách, které jsou stabilnější než jeho standardní stav bílého fosforu (P 4 ). Bílé, červené a černé allotropy jsou pravděpodobně nejznámější; první izolátor; poslední dva jsou polovodiče. Fosfor také existuje jako difosfor (P 2 ), nestabilní dvouatomový allotrop.
  • Síra má více alotropů než jakýkoli jiný prvek. Amorfní síra, metastabilní směs takových allotropů, je známá svou elasticitou.
  • Selen má několik nekovových allotropů, z nichž všechny jsou mnohem méně elektricky vodivé než jeho standardní šedý „kovový“ selen.

Všechny prvky, které jsou nejčastěji považovány za metaloidy, tvoří allotropy:

  • Bór je znám v několika krystalických a amorfních formách.
  • Nedávno byl křemík znám pouze v krystalické (diamantové) a amorfní formě; syntéza ortorombického allotropu Si24 byla hlášena v roce 2014.
  • Při tlaku cca. Při 10–11 GPa přechází germanium do kovové fáze se stejnou tetragonální strukturou jako cín. Během dekomprese a v závislosti na rychlosti uvolňování tlaku vytváří kovové germanium řadu allotropů, které jsou metastabilní za okolních podmínek.
  • Arsen a antimon tvoří několik dobře známých alotropů (žlutý, šedý a černý).
  • Tellur je známý v krystalické a amorfní formě.

Jsou známy i jiné alotropní formy nekovových prvků, buď pod tlakem nebo ve formě monovrstev. Při dostatečně vysokých tlacích bylo zjištěno, že alespoň polovina nekovových prvků, které jsou polovodiče nebo izolátory, počínaje fosforem při 1,7 GPa, tvoří kovové allotropy. Mezi jednovrstvé dvourozměrné formy nekovů patří borofen (bór), grafen (uhlík), silicen (křemík), fosforen (fosfor), germanen (germanium), arsenen (arsen), antimonen (antimon). a teluren (tellurium), společně označované jako xenos.

Prevalence a dostupnost

Hojnost

Přibližné nekovové složení Země a její hmotnostní biomasa
Doména Hlavní komponenty Další

Množství

Kůra 61 %, 20 % H 2,9 %
Atmosféra H 78 %, O 21 % od 0,5 %
Hydrosféra O 66,2 %, H 33,2 % Cl 0,3 %
Biomasa O 63 %, C 20 %, H 10 % H 3,0 %

Odhaduje se, že vodík a helium tvoří přibližně 99 % veškeré běžné hmoty ve vesmíru a více než 99,9 % jeho atomů. Kyslík je považován za další nejhojnější prvek, na ca. 0,1 %. Předpokládá se, že méně než pět procent vesmíru tvoří obyčejná hmota, kterou představují hvězdy, planety a živé bytosti. Rovnováha se skládá z temné energie a temné hmoty, které jsou v současné době špatně pochopeny.

Pět nekovů, jmenovitě vodík, uhlík, dusík, kyslík a křemík, tvoří většinu zemské kůry, atmosféry, hydrosféry a biomasy v množstvích uvedených v tabulce.

Extrakce

Nekovy a metaloidy se v surové formě získávají z:

  • solanka  - chlor, brom, jód;
  • kapalný vzduch  - dusík, kyslík, neon, argon, krypton, xenon;
  • minerály  - bór (boritanové minerály); uhlík (uhlí; diamant; grafit); fluor (fluorit); silikon (silikagel); fosfor (fosfáty); antimon (stibnit, tetraedrit); jód (jako jodičnan sodný a jodid sodný);
  • zemní plyn  - vodík, helium, síra; a
  • rudy , jako vedlejší produkty zpracování - germanium (zinkové rudy); arsen (rudy mědi a olova); selen, telur (měděné rudy); a radon (rudy obsahující uran).

Cena

Od ledna 2022, i když jsou neradioaktivní nekovy relativně levné, existují určité výjimky. Bór, germanium, arsen a brom mohou stát kdekoli od 3 do 11 USD za gram (srov. stříbro kolem 0,75 USD za gram). Ceny mohou prudce klesnout, pokud jde o velkoobchodní šarže. Fosfor ve své nejstabilnější černé formě „může stát až 1 000 dolarů za gram“ (asi 15krát více než cena zlata), zatímco běžný bílý fosfor je k dispozici za 30 dolarů za 100 gramů. Vědci doufají, že se jim podaří snížit cenu černého fosforu na 1 dolar za gram. Do roku 2013 byl radon k dispozici od National Institute of Standards and Technology za 1 636 $ za 0,2 ml jednotku, což odpovídá cca. 86 000 000 $ za gram bez slev pro hromadné šarže.

Historie, prehistorie a taxonomie

Objev

Většina nekovů byla objevena v 18.–19. století. Předtím byly ve starověku známy uhlík, síra a antimon; arsen byl objeven ve středověku (Albert Veliký); a Hennig Brand izolovali fosfor z moči v roce 1669. Helium (1868) je považováno za první (a zatím jediný) prvek neobjevený na Zemi. Radon byl posledním objeveným nekovem, který byl objeven až na konci 19. století.

Techniky založené na chemii nebo fyzice používané při pokusech o izolaci zahrnovaly spektroskopii, frakční destilaci, detekci záření, elektrolýzu, okyselování rudy, spalování, substituční reakce a ohřev: některé nekovy se přirozeně vyskytují jako volné prvky.

Ze vzácných plynů bylo helium detekováno jeho žlutou čárou v koronálním spektru Slunce a později pozorováním bublinek unikajících z uranitu UO 2 rozpuštěného v kyselině.Neon byl získán přes xenon frakční destilací vzduchu. Radon byl poprvé objeven ve sloučeninách thoria tři roky po objevu záření Henri Becquerelem v roce 1896.

Nekovové halogeny byly připraveny z jejich halogenidů elektrolýzou, přidáním kyseliny nebo substitucí. Někteří chemici zemřeli v důsledku svých experimentů s izolací fluoru.

Mezi nezařazenými nekovy byl uhlík známý (nebo vyrobený) jako dřevěné uhlí, saze, grafit a diamant; dusík byl pozorován ve vzduchu, ze kterého byl odstraněn kyslík; kyslík byl získán zahříváním oxidu rtuťnatého; fosfor se uvolňuje při zahřívání hydrogenfosforečnanu amonného (Na(NH 4 )HPO 4 ), který se nachází v moči; se sírou se v přírodě setkáváme jako s volným prvkem; a selen byl nalezen jako zbytek v kyselině sírové.

Většina prvků běžně považovaných za metaloidy byla izolována zahřátím jejich oxidů (bór, křemík, arsen, telur) nebo sulfidů (germanium). Antimon byl známý ve své přirozené formě a také v tom, že mohl být izolován zahřátím svého sulfidu.

Původ konceptu

Rozdíl mezi kovy a nekovy vznikl složitým způsobem z hrubého poznání přírodních druhů hmoty, jmenovitě čistých látek, směsí, sloučenin a prvků. Hmotu tak bylo možné rozdělit na čisté látky (jako je sůl, hydrogenuhličitan sodný nebo síra) a směsi (jako je aqua regia, střelný prach nebo bronz) a čisté látky lze nakonec rozlišit jako sloučeniny a prvky. Zdálo se, že „kovové“ prvky mají široce rozlišitelné vlastnosti, které jiné prvky nemají, jako je jejich schopnost vést teplo nebo jejich „země“ (oxidy.) vytvářet ve vodě zásadité roztoky, jako se to stalo u nehašeného vápna (CaO). ).

Použití termínu

Termín „nekovový“ pochází z roku 1566. V lékařském pojednání vydaném ve stejném roce se Loys de L'Aunay (francouzský lékař) zmínil o vlastnostech rostlinných látek z kovových a „nekovových“ zemin.

V rané chemii se Wilhelm Homberg (německý přírodovědec) zmínil o „nekovové“ sírě v Des Essais de Chimie (1708). Zpochybnil pětinásobné rozdělení veškeré hmoty na síru, rtuť, sůl, vodu a zemi, jak to postuloval Étienne de Clave [fr] (1641) v The New Philosophical Light of the True Principles and Elements of Nature. Hombergův přístup představuje „důležitý krok k modernímu pojetí prvku“.

Lavoisier ve svém „revolučním“ díle z roku 1789 Traité élémentaire de chimie publikoval první moderní seznam chemických prvků, ve kterém rozlišoval plyny, kovy, nekovy a zeminy (tepelně stabilní oxidy). V prvních sedmnácti letech své práce byl Lavoisier přetištěn ve dvaceti třech vydáních v šesti jazycích a „nesl ... [jeho] novou chemii po celé Evropě a Americe“.

Doporučená kritéria pro rozlišení

V roce 1809 Humphry Davyův objev sodíku a draslíku „zničil“ demarkační linii mezi kovy a nekovy. Kovy se dříve vyznačovaly vysokou hmotností nebo relativně vysokou hustotou. Sodík a draslík naproti tomu plavaly na hladině vody a přesto byly na základě svého chemického chování jednoznačně kovy.

Od roku 1811 se při pokusech o objasnění rozdílu mezi kovy a nekovy používají různé vlastnosti – fyzikální, chemické a ty spojené s elektrony. Přiložená tabulka uvádí 22 takových vlastností podle typu a pořadí podle data.

Asi nejznámější vlastností je, že elektrická vodivost kovu roste s klesající teplotou, zatímco elektrická vodivost nekovu roste. Toto schéma však nefunguje pro plutonium, uhlík, arsen a antimon. Plutonium, což je kov, zvyšuje svou elektrickou vodivost při zahřívání v teplotním rozsahu od -175 do +125 °C. Uhlík, přestože je široce považován za nekov, také zvyšuje svou vodivost při zahřívání. Arsen a antimon jsou někdy klasifikovány jako nekovy, ale působí podobným způsobem jako uhlík.

Emsley poznamenal, že "Žádnou vlastnost... nelze použít ke klasifikaci všech prvků jako kovů nebo nekovů." Kneen a kol. navrhl, že nekovy by bylo možné rozlišit poté, co bylo zvoleno [jediné] kritérium metalicity, a dodal, že „je možných mnoho libovolných klasifikací, z nichž většina, pokud je vybrána uvážlivě, bude podobná, ale ne nutně identická“. Jones naproti tomu poznamenal, že „třídy jsou obvykle definovány více než dvěma atributy“.

Johnson navrhl, že fyzikální vlastnosti by mohly nejlépe indikovat kovové nebo nekovové vlastnosti prvku za předpokladu, že v nejednoznačných případech budou vyžadovány jiné vlastnosti. Zejména pozoroval, že všechny plynné nebo nevodivé prvky jsou nekovy; tvrdé nekovy – kovy jsou tvrdé a křehké nebo měkké a drobivé, zatímco kovy jsou obvykle kujné a tažné; a oxidy nekovů jsou kyselé.

Jakmile je stanoven základ pro rozlišení „dvou velkých tříd prvků“, zjistí se, že nekovy ve větší či menší míře postrádají vlastnosti kovů. Někteří autoři dále dělí prvky na kovy, metaloidy a nekovy, i když vše, co není kov, je na základě klasifikace nekovem.

Vývoj podtřídy

Základní taxonomii nekovů vytvořil v roce 1844 francouzský lékař, lékárník a chemik Alphonse Dupasquier. Aby usnadnil studium nekovů, napsal:

Budou rozděleny do čtyř skupin nebo sekcí, jak je uvedeno níže: Organogeny O, N, H, C Sulfuridy S, Se, P Chloridy F, Cl, Br, I Boroidy B, C.

V moderních podtřídách lze vidět ozvěnu Dupasquierovy čtyřdílné klasifikace. Organogeny a sirníky jsou souborem nezařazených nekovů. Různé konfigurace těchto sedmi nekovů se nazývají například základní nekovy. biogeny; centrální nekovy; CHNOPS; hlavní prvky; "nekovy"; osiřelé nekovy; nebo redoxní nekovy; Chloridy nekovů se začaly nezávisle označovat jako halogeny. Boroidní nekovy expandovaly do metaloidů. , počínaje rokem 1864. Vzácné plyny, jako samostatná skupina, byly od roku 1900 klasifikovány jako nekovy.

Srovnání

Některé vlastnosti kovů a metaloidů, nezařazených nekovů, nekovových halogenů a inertních plynů jsou uvedeny v tabulce. Fyzikální vlastnosti se týkají prvků v jejich nejstabilnějších formách za podmínek prostředí a nejsou uvedeny v žádném konkrétním pořadí pro snadnou identifikaci. Chemické vlastnosti jsou uvedeny od obecných k popisným a poté ke specifickým. Tečkovaná čára kolem metaloidů znamená, že v závislosti na autorovi mohou nebo nemusí být příslušné prvky rozpoznány jako samostatná třída nebo podtřída prvků. Kovy jsou zahrnuty jako referenční bod.

Většina vlastností vykazuje progresi zleva doprava od kovového k nekovovému charakteru nebo průměrné hodnoty. Periodickou tabulku lze tedy podmíněně rozdělit na kovy a nekovy a mezi nekovy je víceméně jasná gradace.

Některé vlastnosti mezi podtřídami
fyzické vlastnosti Kovy Metaloidy Nezařazené neziskovky Nekovové halogeny vzácné plyny
Alkálie, kovy alkalických zemin, lanthanoidy, aktinidy, přechodné a post-přechodné kovy Bór, křemík, germanium, arsen, antimon (Sb), telur Vodík, uhlík, dusík, fosfor, kyslík, síra, selen Fluor, chlor, brom, jod Helium, neon, argon, krypton, xenon, radon
Tvar a hmotnost
  • pevný
  • často s vysokou hustotou, jako je Fe, Pb a W
  • některé lehké kovy včetně Be, Mg a Al
  • pevný
  • nízká až vysoká hustota
  • vše je lehčí než Fe
  • pevné nebo plynné
  • nízká hustota
  • H lehčí než vzduch
  • pevné, kapalné nebo plynné
  • nízká hustota
  • plynný
  • nízká hustota
  • Je lehčí než vzduch
Vzhled brilantní brilantní
  • lesklé: C, P, Se
  • bezbarvý: H, N, O
  • barva: S
  • barevné: F, Cl, Br
  • lesklý: já
bezbarvý
Pružnost většinou kujné a tažné (Hg kapalina) křehký
  • C, černá P, S a Se křehká
  • stejné čtyři mají méně stabilní nekřehké formy
jód je křehký nepoužitelný
elektrická vodivost Dobrý
  • střední: B, Si, Ge, Te
  • dobrý: As, Sb
  • špatné: H, N, O, S
  • mírní: P, Se
  • dobrý :C
  • špatný: F, Cl, Br
  • moderovat: I
chudý
Elektronická struktura kov (Bi - polokovový) polokovové (As, Sb) nebo polovodičové
  • polokov: C
  • polovodič: P, Se
  • izolant: H, N, O, S
polovodič (I) nebo izolant izolátor
chemická vlastnost Kovy Metaloidy Nezařazené neziskovky Nekovové halogeny vzácné plyny
Alkálie, kovy alkalických zemin, lanthanoidy, aktinidy, přechodné a post-přechodné kovy Bór, křemík, germanium, arsen, antimon (Sb), telur Vodík, uhlík, dusík, fosfor, kyslík, síra, selen Fluor, chlor, brom, jod Helium, neon, argon, krypton, xenon, radon
Obecné chemické chování
  • silné až slabé kovové
  • ušlechtilé kovy nemají tendenci reagovat
slabě nekovové středně nekovové silně nekovové
  • inertní vůči nekovům
  • Rn vykazuje určité kationtové chování
oxidy
  • základna; některé amfoterní nebo kyselé
  • V; Po, Út; AI, In, TI; cín, olovo; Bi - formovače skla
  • iontové, polymerní, vrstvené, řetězové a molekulární struktury
  • amfoterní nebo mírně kyselé
  • B, Si, Ge, As, Sb, Te jsou sklotvorné látky
  • polymerní ve struktuře
  • kyselé (NOT 2, H 2OUR 5, SO 3 a SeO 3 silně tak) nebo neutrální (H 2 O, CO, NO, N 2 O)
  • P, S, Se jsou sklotvorné látky; CO 2 tvoří sklo při 40 GPa
  • většinou molekulární
  • C, P, S, Se jsou známy v alespoň jedné polymerní formě
  • kyselý; ClO 2, Cl 2OUR 7 a I 2OUR 5 silně tak
  • sklářů neuvedeno
  • molekulární
  • jod je znám alespoň v jedné polymerní formě , I205
  • metastabilní Xe03 kyselý ; stabilní XeO 4 silně tak
  • sklářů neuvedeno
  • molekulární
  • polymer Xe02 _
Spojení s kovy slitiny nebo intermetalické sloučeniny mají tendenci vytvářet slitiny nebo intermetalické sloučeniny
  • soli podobné až kovalentní: H‡, C, N, P, S, Se
  • většinou iontové: O
většinou iontové jednoduché sloučeniny za neznámých okolních podmínek
Ionizační energie (kJ mol −1 )†

(datová stránka)

  • nízké až vysoké
  • Od 376 do 1007
  • v průměru 643
  • mírný
  • 762 až 947
  • v průměru 833
  • střední až vysoká
  • 941 až 1402
  • v průměru 1152
  • vysoký
  • od roku 1008 do roku 1681
  • v průměru 1270
  • vysoké až velmi vysoké
  • od 1037 do 2372
  • v průměru 1589
Elektronegativita (Paulingova stupnice) †

(datová stránka)

  • nízké až vysoké
  • 0,79 až 2,54
  • průměr 1,5
  • mírný
  • 1.9 až 2.18
  • průměr 2,05
  • střední až vysoká
  • 2,19 až 3,44
  • průměr 2,65
  • vysoký
  • 2,66 až 3,98
  • průměr 3,19
  • střední (Rn) až velmi vysoká
  • 2.2 až 5.2
  • průměr 3,38
† Označení „ nízká“, „střední“, „vysoká“ a „ velmi vysoká “ jsou libovolná na základě rozsahů hodnot uvedených v tabulce.

‡ Vodík může také tvořit slitiny podobné hydridům

Viz také

Poznámky

Komentáře

  1. H; N; O, S; F, Cl, Br, I; He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn [1]
  2. C; P; Se. [2] Na druhé straně byly tyto tři prvky počítány jako metaloidy v přehledu 194 seznamů metaloidů, 16krát, 10krát a 46krát. [3]
  3. B; Si, Ge; As, Sb; Te [4] [5]
  4. Al, Ga, In, Tl; Sn, Pb; Bi; Po; V
  5. Vodík byl historicky umístěn nad jedním nebo více z lithia, boru, [6] uhlíku nebo fluoru; [7] nebo nad žádnou skupinou; nebo přes všechny hlavní skupiny současně, a proto mohou nebo nemusí sousedit s jinými nekovy. [osm]

Zdroje

  1. Larrañaga, Lewis & Lewis 2016, str. 988
  2. Larrañaga, Lewis & Lewis 2016, str. 988
  3. Vernon R 2013, "Které prvky jsou metaloidy?", Journal of Chemical Education , sv. 90, č. 12, 1703‒1707, doi : 10.1021/ed3008457
  4. Hérold 2006, s. 149–50
  5. Vernon 2020, str. 220
  6. Luchinskii & Trifonov 1981, pp. 200–220
  7. Jolly 1966, vnitřní obálka
  8. Rayner-Canham 2020, str. 212