Icke -metaller är kemiska grundämnen med typiskt icke-metalliska egenskaper som upptar det övre högra hörnet av det periodiska systemet . Kursiv stil indikerar metalloider vars egenskaper ligger nära de hos metaller.
| Grupp | jag | III | IV | V | VI | VII | VIII |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1:a perioden | H | han | |||||
| 2:a perioden | B | C | N | O | F | Ne | |
| 3:e perioden | Si | P | S | Cl | Ar | ||
| 4:e perioden | Som | Se | Br | kr | |||
| 5:e perioden | Te | jag | Xe | ||||
| 6:e perioden | På | Rn |
Till skillnad från metaller finns det mycket färre icke-metaller, totalt finns det 22 - 23 grundämnen.
Ett karakteristiskt särdrag för icke-metaller är ett större (jämfört med metaller ) antal elektroner på den yttre energinivån av deras atomer . Detta bestämmer deras större förmåga att fästa ytterligare elektroner, och manifestationen av en högre oxidativ aktivitet än metaller.
Icke-metaller har höga elektronaffinitetsvärden , stor elektronegativitet och hög redoxpotential.
På grund av den höga joniseringsenergin hos icke-metaller kan deras atomer bilda kovalenta kemiska bindningar med atomer av andra icke-metaller och amfotera element . I motsats till den övervägande joniska karaktären hos strukturen hos typiska metallföreningar , har enkla icke-metalliska ämnen, såväl som icke-metalliska föreningar, en kovalent karaktär av strukturen.
I fri form kan det finnas gasformiga icke-metalliska enkla ämnen - fluor , klor , syre , kväve , väte , inerta gaser , fast jod , astatin , svavel , selen , tellur , fosfor , arsenik , kol , kisel , bor rumstemperatur i flytande brom .
Vissa icke-metaller uppvisar allotropi . Så, gasformigt syre kännetecknas av två allotropa modifieringar - syre (O 2 ) och ozon (O 3 ), fast kol har många former - diamant , astralener , grafen , grafit , karbin , lonsdaleite , fullerener , glasartat kol , dikol , kolnanostrukturer ( nanoskum , nanokoner , nanorör , nanofibrer ) och amorft kol har redan upptäckts, och andra modifieringar är också möjliga, till exempel kaoit och metalliskt kol .
I molekylär form förekommer kväve , syre och svavel som enkla ämnen i naturen . Oftare är icke-metaller i en kemiskt bunden form: dessa är vatten , mineraler , stenar , olika silikater , fosfater , borater . När det gäller prevalens i jordskorpan skiljer sig icke-metaller avsevärt. De vanligaste är syre , kisel , väte ; de sällsynta är arsenik , selen , jod , tellur , astatin .
En icke-metall är ett kemiskt grundämne som bland annat har en relativt låg densitet och en måttlig till hög elektronegativitet . I allmänhet saknar de de typiska metallegenskaperna, såsom metallglans, deformerbarhet , god värme- och elektrisk ledningsförmåga och låg elektronegativitet. Eftersom det inte finns någon strikt definition av en icke-metall, kan det finnas viss variation mellan källorna om vilka grundämnen som klassificeras som icke-metaller. Sådana beslut beror på vilken eller vilka egenskaper som anses vara mest representativa för den icke-metalliska eller metalliska karaktären.
Även om Steudel erkände tjugotre element som icke-metaller 2020, är varje sådan lista öppen för utmaning. Fjorton grundämnen känns nästan alltid igen som sådana: väte, syre, kväve och svavel; frätande halogener fluor, klor, brom och jod; och ädelgaserna helium, neon, argon, krypton, xenon och radon; se till exempel Larrañaga et al. Även om samma författare erkände kol, fosfor och selen som icke-metaller, hade Vernon tidigare rapporterat att dessa tre grundämnen ibland betraktades som metalloider istället. De grundämnen som vanligtvis kallas metalloider, nämligen bor, kisel, germanium, arsenik, antimon och tellur, anses ibland vara en mellanklass mellan metaller och icke-metaller när kriterierna som används för att skilja mellan metaller och icke-metaller är osäkra; i andra fall anses de vara icke-metaller i ljuset av deras icke-metallkemi.
Av de 118 kända grundämnena kan 23 betraktas som icke-metaller; metaller överträffar dem flera gånger. Astatin, den femte halogenen, förbises ofta på grund av dess sällsynthet och höga radioaktivitet ; indirekta teoretiska och experimentella data indikerar övertygande att det är en metall. De supertunga elementen av copernicium ( Z = 112) och oganesson (118) kan visa sig vara icke-metaller ; deras faktiska status har ännu inte bekräftats.
Utåt är ungefär hälften av de icke-metalliska elementen under normala förhållanden färglösa eller färgade gaser, och de flesta av resten är glänsande fasta ämnen. Brom, den enda vätskan, är så flyktig att den vanligtvis täcks med ett lager av sin ånga; Svavel är den enda färgade fasta icke-metallen. Flytande icke-metaller har mycket låga densiteter, smält- och kokpunkter och är dåliga ledare av värme och elektricitet. Hårda icke-metalliska element har låg densitet, spröda eller smuliga med låg mekanisk och strukturell hållfasthet och dåliga till bra ledare.
Den inre strukturen och arrangemanget av bindningar av icke-metaller förklarar deras skillnader i form. De icke-metaller som existerar som individuella atomer (t.ex. xenon) eller molekyler (t.ex. syre, svavel, brom) tenderar att ha låga smält- och kokpunkter eftersom de hålls samman av svaga London-spridningskrafter som verkar mellan deras atomer eller molekyler. Många av dem är gaser vid rumstemperatur. De som bildar gigantiska strukturer, såsom kedjor med upp till 1000 atomer (som selen), ark (kol) eller tredimensionella gitter (kisel), har högre smält- och kokpunkter eftersom mer energi krävs för att övervinna deras starkare kovalenta bindning , de är alla solida. De som är närmare den vänstra sidan av det periodiska systemet, eller lägre ner i kolumnen, har ofta några svaga metalliska interaktioner mellan sina molekyler, kedjor eller lager, i överensstämmelse med deras närhet till metaller; detta förekommer i bor, kol, fosfor, arsenik, selen, antimon, tellur och jod.
Konduktiviteten hos icke-metaller och sprödheten hos fasta ämnen är också relaterade till deras inre struktur. God termisk och elektrisk ledningsförmåga och plasticitet (duktilitet, duktilitet) är vanligtvis förknippade med närvaron av fritt rörliga och likformigt fördelade elektroner i metaller; med få undantag saknar elektroner i icke-metaller vanligen sådan rörlighet. Bland de icke-metalliska elementen:
De fysiska skillnaderna mellan metaller och icke-metaller härrör från inre och yttre atomkrafter. Inuti en atom håller den positiva kärnladdningen sina yttre elektroner på plats. Utåt är samma elektroner föremål för attraktionskrafter från kärnladdningar i närliggande atomer. När de yttre krafterna är större än eller lika med den inre kraften, förväntas de externa elektronerna bli strövande (fria att röra sig mellan atomer) och metalliska egenskaper förutsägs. Annars förväntas icke-metalliska egenskaper.
| Aspekt | Metaller | icke-metaller |
|---|---|---|
| elektronnegativitet | Lägre än icke-metaller
med vissa undantag |
Måttlig till hög |
| Kemisk
förbindelse |
Formar sällan
kovalenta bindningar |
Formar ofta
kovalenta bindningar |
| Metallbindningar (legeringar)
mellan metaller |
kovalenta bindningar
mellan icke-metaller | |
| Jonbindningar mellan icke-metaller och metaller | ||
| Oxidationstillstånd | Positiv | negativ eller positiv |
| oxider | Basisk i lägre oxider;
surare i högre oxider |
Syra; aldrig större |
| I vattnet
lösning |
De finns som katjoner. | De finns som anjoner.
eller oxyanjoner |
Icke-metaller har måttliga till höga elektronegativitetsvärden och tenderar att bilda sura föreningar i kemiska reaktioner. Till exempel reagerar fasta icke-metaller (inklusive metalloider) med salpetersyra för att bilda antingen en syra eller en oxid som är sur eller har övervägande sura egenskaper.
De tenderar att få eller dela elektroner när de reagerar, till skillnad från metaller som tenderar att donera elektroner. Mer specifikt, och med tanke på stabiliteten hos ädelgaselektronkonfigurationer (fyllda yttre skal), får icke-metaller vanligtvis tillräckligt med elektroner för att få elektronkonfigurationen för nästa ädelgas, medan metaller tenderar att förlora tillräckligt med elektroner för att behålla dem. med den elektroniska konfigurationen av föregående ädelgas. För icke-metalliska element är denna tendens inkapslad av de empiriska reglerna för duett och oktett (och för metaller finns det en mindre strikt 18-elektronregel).
Kvantitativt har icke-metaller i allmänhet högre joniseringsenergier, högre elektronaffiniteter, högre elektronegativitetsvärden och högre standardreduktionspotentialer än metaller. I allmänhet gäller att ju högre dessa värden är, desto mer icke-metalliskt är elementet i fråga.
De kemiska skillnaderna mellan metaller och icke-metaller beror till stor del på attraktionskraften mellan den positiva kärnladdningen hos en enskild atom och dess negativt laddade yttre elektroner. Från vänster till höger, i varje period i det periodiska systemet, ökar kärnans laddning när antalet protoner i kärnan ökar. Det finns en associerad minskning av atomradien eftersom den ökande kärnladdningen drar de yttre elektronerna närmare kärnan. I metaller är inverkan av kärnladdningen vanligtvis svagare än i icke-metalliska grundämnen. Sålunda, vid kemisk bindning, tenderar metaller att förlora elektroner och bilda positivt laddade eller polariserade atomer eller joner, medan icke-metaller tenderar att få samma elektroner på grund av sin starkare kärnladdning och bilda negativt laddade joner eller polariserade atomer.
Antalet föreningar som bildas av icke-metaller är enormt. De tio bästa platserna på "Top 20"-tabellen över de grundämnen som oftast finns i de 895 501 834 föreningarna listade i Chemical Abstracts Service-registret den 2 november 2021 är icke-metaller. Väte, kol, syre och kväve finns i de flesta (80%) föreningar. Silicon, en metalloid, var på 11:e plats. Den högst rankade metallen med en förekomstfrekvens på 0,14 % var järn, som kom på 12:e plats. Exempel på icke-metalliska föreningar är: borsyra (H 3 BO 3 ) som används i keramiska glasyrer; selenocystein (C 3 H 7 NO 2 Se), den 21:a aminosyran som krävs för; fosforseskvisulfid (P 4 S 3 ), sammanfaller vid nedslagsplatsen; och Teflon ( ( C2F4 ) n ) .
Kemin av icke-metaller kompliceras av de anomalier som observeras i den första raden i varje block i det periodiska systemet. Dessa anomalier är märkbara i väte, bor (oavsett om det är i form av en icke-metall eller metalloid), kol, kväve, syre och fluor; och sträcker sig till sekundär periodicitet eller olikformiga periodiska trender som går ner i de flesta p-boxgrupper; och ovanliga oxidationstillstånd i tyngre icke-metaller.
Avvikelse på första radenFrån och med väte, uppstår den första radens anomali huvudsakligen från de elektroniska konfigurationerna av elementen i fråga. Väte är känt för olika sätt att bilda bindningar. Bildar oftast kovalenta bindningar. Den kan förlora sin enda elektron i en vattenlösning och lämna efter sig en naken proton med enorm polariserande kraft. Detta fäster sig därför vid det ensamma elektronparet i syreatomen i vattenmolekylen, och bildar därmed grunden för syra-baskemin. En väteatom i en molekyl kan bilda en andra, svagare bindning med en atom eller grupp av atomer i en annan molekyl. Denna bindning "hjälper till att ge snöflingorna deras hexagonala symmetri, binder DNA:t till en dubbelspiral; bildar tredimensionella former av proteiner; och till och med höjer vattnets kokpunkt tillräckligt högt för att göra en anständig kopp te."
För väte och helium, och från bor till neon, eftersom 1s- och 2p-underskalen inte har några inre motsvarigheter (dvs. det finns inget nollskal och 1p-underskal) och därför inte upplever elektronavstötningseffekter, har de relativt små radier, däremot till subshell 1p. 3p, 4p och 5p subshells av tyngre element. Joniseringsenergierna och elektronegativiteten bland dessa grundämnen är därför högre än man annars skulle förvänta sig, med hänsyn tagen till periodiska trender. De små atomradierna av kol, kväve och syre underlättar bildandet av dubbel- eller trippelbindningar.
Även om väte och helium i allmänhet förväntas sitta ovanpå de tungt metalliska s-blockelementen baserat på deras elektronkonfiguration, är den första radens anomali i dessa två element tillräckligt stark för att motivera en alternativ placering. Väte sitter ibland ovanför fluor i grupp 17 snarare än litium i grupp 1. Helium sitter vanligtvis ovanför neon i grupp 18 snarare än beryllium i grupp 2.
Sekundär periodicitetOmedelbart efter den första raden av övergångsmetaller är 3d-elektronerna i den fjärde raden av element, det vill säga i gallium (metall), germanium, arsenik, selen och brom, inte lika effektiva för att skydda kärnans ökade positiva laddning . En liknande effekt följer med uppkomsten av de fjorton f-blockmetallerna mellan barium och lutetium, vilket slutligen resulterar i mindre än förväntade atomradier för grundämnena från hafnium (Hf) och framåt. Slutresultatet, särskilt för grupperna 13-15, är en växling av vissa periodiska trender som går ner i grupperna 13 till 17.
Ovanliga oxidationstillståndDe större atomradierna i den tyngre gruppen 15-18 icke-metaller ger högre bulkkoordinationstal och resulterar i lägre elektronegativitetsvärden som bättre tolererar högre positiva laddningar. Således kan de inblandade elementen uppvisa andra oxidationstillstånd än de lägsta i sin grupp (dvs. 3, 2, 1 eller 0), till exempel i fosforpentaklorid (PCl 5 ), svavelhexafluorid (SF 6 ), jodheptafluorid (IF ) 7 ) och xenondifluorid ( XeF2 )
Tillvägagångssätt för klassificering av icke-metaller kan inkludera från två till sex eller sju underklasser. Till exempel har Encyclopædia Britannicas periodiska system ädelgaser, halogener och andra icke-metaller, och grundämnen som vanligtvis anses vara metalloider delas in i "andra metaller" och "andra icke-metaller"; medan det periodiska systemet för Royal Society of Chemistry använder olika färger för var och en av sina åtta huvudgrupper, och icke-metaller kan hittas i sju av dem.
Från höger till vänster, i termer av det periodiska systemet, särskiljs mer eller mindre vanligtvis tre eller fyra typer av icke-metaller. Det:
Eftersom metalloider upptar ett gränsområde där metaller möter icke-metaller, varierar deras tolkning från författare till författare. Vissa anser att de är separata från både metaller och icke-metaller; vissa anser dem vara icke-metaller eller en underklass av icke-metaller. Andra anser att några av dem är metaller, såsom arsenik och antimon, på grund av deras likhet med tungmetaller. Metalloider behandlas här som icke-metaller i ljuset av deras kemiska beteende och i jämförande syfte.
Förutom metalloider kan viss luddighet och överlappning urskiljas bland andra underklasser av icke-metaller (som vanligtvis förekommer med klassificeringsscheman). Kol, fosfor, selen, jod gränsar till metalloider och uppvisar viss metallisk karaktär, liksom väte. Bland ädelgaserna är radon den mest metalliska och börjar uppvisa ett visst katjoniskt beteende, vilket är ovanligt för en icke-metall.
Sex icke-metaller klassificeras som ädelgaser: helium, neon, argon, krypton, xenon och radioaktivt radon. I vanliga periodiska system upptar de kolumnen längst till höger. De kallas ädelgaser på grund av deras mycket låga reaktivitet.
De har mycket liknande egenskaper: de är alla färglösa, luktfria och icke brandfarliga. De fyllda yttre elektronskalen av inerta gaser orsakar deras svaga krafter av interatomisk attraktion, vilket leder till mycket låga smält- och kokpunkter. Därför är de alla gaser under standardförhållanden, även de med en atommassa som är större än många normalt fasta grundämnen.
Ur kemisk synvinkel har ädelgaser relativt höga joniseringsenergier, noll eller negativ elektronaffinitet och relativt hög elektronegativitet. Inerta gasföreningar räknas i hundra, även om listan fortsätter att växa, och de flesta härrör från kombinationen av syre eller fluor med krypton, xenon eller radon.
När det gäller det periodiska systemet kan en analogi dras mellan ädelgaser och ädelmetaller som platina och guld, de senare är också ovilliga att ingå i en kemisk kombination. Som ett annat exempel bildar xenon i oxidationstillståndet +8 en blekgul explosiv oxid, XeO 4 , och osmium, en annan ädelmetall, bildar en gul starkt oxiderande oxid, OsO 4 . Det finns också paralleller i formlerna för oxifluorider: XeO 2 F 4 och OsO 2 F 4 , samt XeO 3 F 2 och OsO 3 F 2 .
Jordens atmosfär innehåller cirka 10 15 ton inerta gaser. Helium finns också i naturgas i en mängd på upp till 7 %. Radon diffunderar från bergarter, där det bildas under naturligt sönderfall av uran och torium. 2014 rapporterades att jordens kärna kunde innehålla ca. 10 13 ton xenon, i form av stabila intermetalliska XeFe 3 och XeNi 3 . Detta kan förklara varför "studier av jordens atmosfär har visat att mer än 90% av den förväntade mängden Xe har utarmats."
Även om icke-metalliska halogener är frätande grundämnen, kan de finnas i ofarliga föreningar som vanligt bordssalt (NaCl). Deras höga reaktivitet som icke-metaller kan jämföras med den lika höga reaktiviteten hos alkalimetaller som natrium och kalium .
Fysiskt sett är fluor och klor blekgula och gulgröna gaser; brom är en rödbrun vätska (vanligtvis täckt av ett lager av rök); och jod i vitt ljus är ett metalliskt fast ämne. Elektriskt är de tre första isolatorer, och jod är en halvledare (ledningsförmågan är högre längs kristallplanen).
Kemiskt sett har de höga joniseringsenergier, elektronaffiniteter och elektronegativitetsvärden och är i allmänhet relativt starka oxidationsmedel. Manifestationer av denna status inkluderar deras inneboende frätande natur. Alla fyra tenderar att bilda övervägande joniska föreningar med metaller, medan de återstående icke-metallerna, förutom syre, tenderar att bilda övervägande kovalenta föreningar med metaller. Den reaktiva och starkt elektronegativa naturen hos de icke-metalliska halogenerna representerar utföringsformen av den icke-metalliska karaktären.
När det gäller det periodiska systemet är analogerna av de höggradigt icke-metalliska halogenerna i grupp 17 de mycket reaktiva metallerna såsom natrium och kalium i grupp 1. halogener.
Icke-metallhalogener finns i saltmineraler. Fluor finns i fluorit, som är ett utbrett mineral. Saltlösningarna innehåller klor, brom och jod. Som ett undantag rapporterade en studie från 2012 närvaron av 0,04 % naturligt fluor (F 2 ) i vikt i antosonit, vilket tillskrev dessa inneslutningar till strålning från närvaron av små mängder uran.
Efter att icke-metaller har klassificerats som ädelgaser, halogener eller metalloider (se nedan), är de återstående sju icke-metallerna väte, kol, kväve, syre, fosfor, svavel och selen. Tre av dem i de mest stabila allotroperna är färglösa gaser (H, N, O); tre är metalliska (C, P, Se); och en gul (S). Elektriskt är grafitkol en halvmetall längs sina plan och en halvledare i en riktning vinkelrät mot dess plan; fosfor och selen är halvledare; och väte, kväve, syre och svavel är isolatorer. De anses allmänt vara för olika för att förtjäna kollektiva studier, och kallas andra icke-metaller [eller, enklare, icke-metaller , belägna mellan metalloiderna och halogenerna. Därför tenderar deras kemi att läras ut på olika sätt, enligt deras respektive fyra grupper i det periodiska systemet, till exempel: väte i grupp 1; grupp 14 kol icke-metaller (kol och eventuellt kisel och germanium); icke-metaller från grupp 15 pnictogen (kväve, fosfor och eventuellt arsenik och antimon); och grupp 16 kalkogen icke-metaller (syre, svavel, selen och möjligen tellur). Andra uppdelningar är möjliga enligt författarnas individuella preferenser.
I synnerhet beter sig väte som en metall i vissa avseenden och som en icke-metall i andra. Liksom en metall kan den (först) förlora sin enda elektron; det kan ersätta alkalimetaller i typiska alkalimetallstrukturer; och kan bilda metallbundna legeringsliknande hydrider med vissa övergångsmetaller. Å andra sidan är det en isolerande diatomisk gas, som en typisk icke-metall, och i mer allmänna kemiska reaktioner tenderar den att nå heliums elektronkonfiguration. Den gör detta genom att bilda en kovalent eller jonisk bindning eller, om den har förlorat sin elektron, genom att förena ett ensamt elektronpar.
Vissa eller alla av dessa icke-metaller delar dock flera egenskaper. De flesta av dem, som är mindre reaktiva än halogener, kan förekomma naturligt i miljön. De spelar en framträdande biologisk och geokemisk roll. Även om deras fysikaliska och kemiska egenskaper är "måttligt icke-metalliska", är de i allmänhet alla frätande. Väte kan korrodera metaller. Kolkorrosion kan förekomma i bränsleceller. Surt regn orsakas av löst kväve eller svavel. Syre korroderar järn genom rost. Vit fosfor, den mest instabila formen, antänds i luften för att bilda en rest av fosforsyra. Obehandlat selen i jord kan leda till bildning av frätande väteselenidgas. När de kombineras med metaller kan oklassificerade icke-metaller bilda fasta (inbäddade eller eldfasta) föreningar på grund av deras relativt små atomradier och ganska låga joniseringsenergier. De tenderar att binda med varandra, särskilt i fasta tillståndsföreningar. Förhållandena i det diagonala periodiska systemet bland dessa icke-metaller upprepar liknande samband mellan metalloiderna.
När det gäller det periodiska systemet finns det en geografisk analogi mellan oklassificerade icke-metaller och övergångsmetaller. De oklassificerade ickemetallerna ockuperar territoriet mellan de starkt ickemetalliska halogenerna till höger och de svagt ickemetalliska metalloiderna till vänster. Övergångsmetaller ockuperar territorium "mellan de giftiga och frätande metallerna till vänster om det periodiska systemet och de lugna och belåtna metallerna till höger ... [och] ... bildar en bro mellan dem."
Oklassificerade icke-metaller förekommer vanligtvis i elementära former (syre, svavel) eller förekommer i samband med något av dessa två element:
De sex grundämnen som oftast kallas metalloider är bor, kisel, germanium, arsenik, antimon och tellur, som alla har ett metalliskt utseende. I det vanliga periodiska systemet upptar de en diagonal region i p-blocket, som sträcker sig från bor uppe till vänster till tellur längst ner till höger längs skiljelinjen mellan metaller och icke-metaller som visas i vissa periodiska system.
De är spröda och leder inte värme och elektricitet bra. Bor, kisel, germanium och tellur är halvledare. Arsenik och antimon har halvmetalliska elektroniska strukturer, även om båda har mindre stabila halvledarallotroper.
Kemiskt beter sig metalloider i allmänhet som (svaga) icke-metaller. Bland de icke-metalliska elementen tenderar de att ha de lägsta joniseringsenergierna, elektronaffiniteterna och elektronegativitetsvärdena; och är relativt svaga oxidationsmedel. Dessutom visar de en tendens att bilda legeringar med metaller.
När det gäller det periodiska systemet, till vänster om de svagt icke-metalliska metalloiderna finns en obestämd uppsättning av svagt metalliska metaller (som tenn, bly och vismut), ibland kallade post-transition metaller. Dingle förklarar situationen så här:
... med "otvivelaktiga" metaller längst till vänster på bordet, och obestridda icke-metaller längst till höger... gapet mellan de två ytterligheterna fylls först av dåliga (post-transition) metaller, och sedan av metalloider , som kanske på samma princip skulle kunna döpas om till "fattiga icke-metaller".Metalloider förekommer i allmänhet i former förknippade med syre eller svavel, eller, i fallet med tellur, med guld eller silver. Bor finns i bor-syreboratmineraler, inklusive i vattnet i vulkaniska källor. Kisel förekommer i kiseldioxidmineralet kiseldioxid (sand). Germanium, arsenik och antimon finns främst i sammansättningen av sulfidmalmer. Tellur förekommer i telluridmineralerna av guld eller silver. Naturliga former av arsenik, antimon och tellur har rapporterats.
De flesta icke-metalliska grundämnen finns i allotropa former. Kol förekommer till exempel som grafit och diamant. Sådana allotroper kan uppvisa fysikaliska egenskaper som är mer metalliska eller mindre icke-metalliska.
Bland icke-metalliska halogener och oklassificerade icke-metaller:
Alla grundämnen som oftast anses vara metalloider bildar allotroper:
Andra allotropa former av icke-metalliska grundämnen är också kända, antingen under tryck eller i form av monoskikt. Vid tillräckligt höga tryck har minst hälften av de icke-metalliska grundämnena som är halvledare eller isolatorer, som börjar med fosfor vid 1,7 GPa, visat sig bilda metalliska allotroper. Enskikts tvådimensionella former av icke-metaller inkluderar borofen (bor), grafen (kol), silicen (kisel), fosforen (fosfor), germanen (germanium), arsenen (arsenik), antimonen (antimon). och telluren (tellur), gemensamt kallad xenos.
| Domän | Huvudkomponenter | Nästa på
kvantitet |
|---|---|---|
| Skorpa | 61 %, 20 % | H 2,9 % |
| Atmosfär | H 78 %, O 21 % | Från 0,5 % |
| Hydrosfär | O 66,2 %, H 33,2 % | Cl 0,3% |
| Biomassa | O 63 %, C 20 %, H 10 % | H 3,0 % |
Väte och helium beräknas utgöra cirka 99 % av all vanlig materia i universum och mer än 99,9 % av dess atomer. Syre anses vara det näst vanligaste grundämnet, vid ca. 0,1 %. Man tror att mindre än fem procent av universum består av vanlig materia, representerad av stjärnor, planeter och levande varelser. Balansen består av mörk energi och mörk materia, som för närvarande är dåligt förstådda.
Fem icke-metaller, nämligen väte, kol, kväve, syre och kisel, utgör huvuddelen av jordskorpan, atmosfären, hydrosfären och biomassan i de mängder som anges i tabellen.
Icke-metaller och metalloider extraheras i sin råa form från:
Från och med januari 2022, även om icke-radioaktiva icke-metaller är relativt billiga, finns det några undantag. Bor, germanium, arsenik och brom kan kosta allt från $3 till $11 per gram (jfr silver på cirka $0,75 per gram). Priserna kan sjunka kraftigt när det gäller partier. Fosfor i sin mest stabila svarta form "kan kosta upp till 1 000 dollar per gram" (cirka 15 gånger guldpriset), medan vanlig vit fosfor är tillgänglig för 30 dollar per 100 gram. Forskarna hoppas att de kan få ner kostnaden för svart fosfor till 1 dollar per gram. Fram till 2013 fanns radon tillgängligt från National Institute of Standards and Technology för 1 636 USD per 0,2 ml enhet, motsvarande ca. $86 000 000 per gram utan rabatter för bulkpartier.
De flesta icke-metaller upptäcktes på 1700-1800-talen. Dessförinnan var kol, svavel och antimon kända i antiken; arsenik upptäcktes på medeltiden (av Albert den store); och Hennig Brand isolerade fosfor från urin 1669. Helium (1868) anses vara det första (och hittills det enda) grundämnet som inte upptäckts på jorden. Radon var den sista icke-metallen som upptäcktes, upptäcktes först i slutet av 1800-talet.
Tekniker baserade på kemi eller fysik som användes i försök till isolering innefattade spektroskopi, fraktionerad destillation, strålningsdetektering, elektrolys, försurning av malmen, förbränning, substitutionsreaktioner och uppvärmning: vissa icke-metaller förekommer naturligt som fria grundämnen.
Av ädelgaserna detekterades helium genom sin gula linje i solens koronala spektrum, och senare genom att observera bubblor som flydde från uranit UO 2 löst i syra.Neon erhölls genom xenon genom fraktionerad destillation av luft. Radon upptäcktes först i toriumföreningar tre år efter upptäckten av strålning av Henri Becquerel 1896.
Icke-metallhalogener har framställts från deras halogenider genom elektrolys, syraaddition eller substitution. Vissa kemister har dött som ett resultat av deras fluorisoleringsexperiment.
Bland de oklassificerade icke-metallerna var kol känt (eller producerat) som träkol, sot, grafit och diamant; kväve har observerats i luft från vilken syre har avlägsnats; syre erhölls genom upphettning av kvicksilveroxid; fosfor frigörs när ammonium-natriumvätefosfat (Na(NH 4 )HPO 4 ) upphettas, vilket finns i urinen; svavel påträffades i naturen som ett fritt grundämne; och selen hittades som en rest i svavelsyra.
De flesta grundämnen som vanligtvis anses vara metalloider har isolerats genom att värma upp deras oxider (bor, kisel, arsenik, tellur) eller sulfider (germanium). Antimon var känt i sin naturliga form, och även genom att det kunde isoleras genom att värma dess sulfid.
Skillnaden mellan metaller och icke-metaller uppstod, på ett intrikat sätt, från ett grovt erkännande av naturliga typer av materia, nämligen rena ämnen, blandningar, föreningar och grundämnen. Sålunda kunde materia delas in i rena ämnen (som salt, natriumbikarbonat eller svavel) och blandningar (som aqua regia, krut eller brons), och rena ämnen kunde i slutändan särskiljas som föreningar och grundämnen. De "metalliska" grundämnena verkade då ha vitt särskiljbara egenskaper som andra grundämnen inte hade, såsom deras förmåga att leda värme, eller deras "jordar" (oxider.) för att bilda baslösningar i vatten, såsom hände med bränd kalk (CaO) ).
Termen "icke-metallisk" går tillbaka till 1566. I en medicinsk avhandling publicerad samma år nämnde Loys de L'Aunay (en fransk läkare) egenskaperna hos växtämnen från metalliska och "icke-metalliska" jordarter.
I tidig kemi nämnde Wilhelm Homberg (en tysk naturforskare) "icke-metalliskt" svavel i Des Essais de Chimie (1708). Han ifrågasatte den femfaldiga uppdelningen av all materia i svavel, kvicksilver, salt, vatten och jord, som postulerades av Étienne de Clave [fr] (1641) i The New Philosophical Light of the True Principles and Elements of Nature. Hombergs synsätt representerar "ett viktigt steg mot det moderna begreppet elementet".
Lavoisier publicerade i sitt "revolutionära" arbete från 1789, Traité élémentaire de chimie, den första moderna listan över kemiska grundämnen, där han skiljde mellan gaser, metaller, icke-metaller och jordar (värmestabila oxider). Under de första sjutton åren av hans arbete trycktes Lavoisier om i tjugotre upplagor på sex språk och "bar ... [hans] nya kemi i hela Europa och Amerika".
År 1809 "förstörde" Humphry Davys upptäckt av natrium och kalium gränslinjen mellan metaller och icke-metaller. Metaller kännetecknades förr av sin tunga vikt eller relativt höga densitet. Natrium och kalium, å andra sidan, flöt på vattenytan och var ändå tydligt metaller baserat på deras kemiska beteende.
Sedan 1811 har olika egenskaper - fysikaliska, kemiska och de som är förknippade med elektroner - använts i försök att klargöra skillnaden mellan metaller och icke-metaller. Den bifogade tabellen listar 22 sådana fastigheter efter typ och datumordning.
Den förmodligen mest kända egenskapen är att den elektriska ledningsförmågan hos en metall ökar med sjunkande temperatur, medan den elektriska ledningsförmågan hos en icke-metall ökar. Detta schema fungerar dock inte för plutonium, kol, arsenik och antimon. Plutonium, som är en metall, ökar sin elektriska ledningsförmåga vid upphettning i temperaturområdet från -175 till +125 °C. Kol, trots att det allmänt anses vara en icke-metall, ökar också dess ledningsförmåga vid upphettning. Arsenik och antimon klassificeras ibland som icke-metaller men fungerar på liknande sätt som kol.
Emsley noterade att "Ingen egenskap ... kan användas för att klassificera alla element som metaller eller icke-metaller." Kneen et al. föreslog att icke-metaller kunde särskiljas efter att ett [enkelt] kriterium för metallicitet hade valts, och tillade att "många godtyckliga klassificeringar är möjliga, av vilka de flesta, om de väljs med omtanke, kommer att vara liknande, men inte nödvändigtvis identiska." Jones, däremot, observerade att "klasser vanligtvis definieras av mer än två attribut."
Johnson föreslog att fysikaliska egenskaper bäst kan indikera de metalliska eller icke-metalliska egenskaperna hos ett element, förutsatt att andra egenskaper skulle krävas i tvetydiga fall. I synnerhet observerade han att alla gasformiga eller icke-ledande element är icke-metaller; hårda icke-metaller - metaller är hårda och spröda eller mjuka och smuliga, medan metaller vanligtvis är formbara och formbara; och oxider av icke-metaller är sura.
När väl grunden för att särskilja de "två stora klasserna av grundämnen" är etablerad, har icke-metaller visat sig sakna egenskaperna hos metaller i större eller mindre utsträckning. Vissa författare delar vidare grundämnena i metaller, metalloider och icke-metaller, även om allt som inte är en metall, baserat på klassificeringen, är en icke-metall.
Den grundläggande taxonomin för icke-metaller skapades 1844 av den franske läkaren, farmaceuten och kemisten Alphonse Dupasquier. För att underlätta studiet av icke-metaller skrev han:
De kommer att delas in i fyra grupper eller sektioner enligt nedan: Organogener O, N, H, C Sulfurides S, Se, P Kloriderna F, Cl, Br, I Boroider B, C.Ett eko av Dupasquiers fyrdelade klassificering kan ses i moderna underklasser. Organogener och sulfuroider är en samling oklassificerade icke-metaller. Olika konfigurationer av dessa sju icke-metaller kallas till exempel grundläggande icke-metaller. biogener; centrala icke-metaller; CHNOPS; huvudelement; "icke-metaller"; föräldralösa icke-metaller; eller redox-icke-metaller; Kloriderna av icke-metaller kom att självständigt benämnas halogener. Boroida icke-metaller expanderade till metalloider. , med start från 1864. Ädelgaser, som en separat grupp, klassificerades som icke-metaller sedan 1900.
Vissa egenskaper hos metaller och metalloider, oklassificerade icke-metaller, icke-metalliska halogener och inerta gaser anges i tabellen. Fysiska egenskaper hänvisar till grundämnena i deras mest stabila former under miljöförhållanden och är listade i ingen speciell ordning för att underlätta identifieringen. Kemiska egenskaper listas från allmänt till beskrivande och sedan till specifikt. Den prickade linjen runt metalloiderna betyder att, beroende på författaren, de inblandade elementen kan eller inte kan kännas igen som en separat klass eller underklass av element. Metaller ingår som referenspunkt.
De flesta egenskaper visar en progression från vänster till höger från metallisk till icke-metallisk karaktär eller medelvärden. Således kan det periodiska systemet villkorligt delas in i metaller och icke-metaller, och bland icke-metaller finns en mer eller mindre tydlig gradering.
| Vissa egenskaper mellan underklasser | |||||
| fysikalisk egenskap | Metaller | Metalloider | Oklassificerade icke-metaller | Icke-metalliska halogener | ädelgaser |
|---|---|---|---|---|---|
| Alkali, jordalkali, lantanid, aktinid, övergångs- och post-transition metaller | Bor, kisel, germanium, arsenik, antimon (Sb), tellur | Väte, kol, kväve, fosfor, syre, svavel, selen | Fluor, klor, brom, jod | Helium, neon, argon, krypton, xenon, radon | |
| Form och vikt |
|
|
|
|
|
| Utseende | lysande | lysande |
|
|
färglös |
| Elasticitet | mestadels formbar och formbar (Hg-vätska) | ömtålig |
|
jod är ömtåligt | oanvändbar |
| elektrisk konduktivitet | Bra |
|
|
|
fattig |
| Elektronisk struktur | metall (Bi - halvmetall) | halvmetall (As, Sb) eller halvledare |
|
halvledare (I) eller isolator | isolator |
| kemiska egenskaper | Metaller | Metalloider | Oklassificerade icke-metaller | Icke-metalliska halogener | ädelgaser |
| Alkali, jordalkali, lantanid, aktinid, övergångs- och post-transition metaller | Bor, kisel, germanium, arsenik, antimon (Sb), tellur | Väte, kol, kväve, fosfor, syre, svavel, selen | Fluor, klor, brom, jod | Helium, neon, argon, krypton, xenon, radon | |
| Allmänt kemiskt beteende |
|
svagt icke-metallisk | måttligt icke-metallisk | starkt icke-metallisk |
|
| oxider |
|
|
|
|
|
| Anslutningar med metaller | legeringar eller intermetalliska föreningar | tenderar att bilda legeringar eller intermetalliska föreningar |
|
mestadels joniska | enkla föreningar vid omgivningsförhållanden okända |
| Joniseringsenergi (kJ mol −1 )†
(datasida) |
|
|
|
|
|
| Elektronegativitet (Pauling-skala) †
(datasida) |
|
|
|
|
|
| † Beteckningarna " låg", "medel", "hög" och " mycket hög " är godtyckliga baserat på värdeintervallen som anges i tabellen.
‡ Väte kan också bilda legeringsliknande hydrider | |||||
| Periodiska systemet | |
|---|---|
| Format |
|
| Objektlistor efter | |
| Grupper | |
| Perioder | |
| Familjer av kemiska grundämnen |
|
| Periodiska systemet block | |
| Övrig | |
| |
| Periodiskt system av kemiska element av D. I. Mendeleev | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||