niemetale - Gimnazjum nr 4 im. Józefa Piłsudskiego w Otwocku
advertisement
NIEMETALE Autor: Jakub Cieślak, kl. 1d Gimnazjum nr 4 im. Józefa Piłsudskiego w Otwocku Co to są niemetale? Niemetale – pierwiastki chemiczne lub regeneryczne, które nie wykazują żadnych właściwości metalicznych. Inaczej niż w przypadku metali, nie można podać jednoznacznych cech wszystkich niemetali, gdyż są one bardzo zróżnicowane. Podstawowe właściwości niemetali Poza gazami szlachetnymi, które mają szczególne właściwości chemiczne i fizyczne, niemetale mają następujące właściwości: izolatory - słabe przewodnictwo elektryczne i przewodność cieplna w porównaniu z metalami, wysoka elektroujemność, tlenki niemetali wykazują raczej własności kwasowe niż zasadowe, formują one kryształy, które nie posiadają połysku i nie mają gładkiej powierzchni, mają zwykle niższe temperatury topnienia i wrzenia niż metale o zbliżonych masach atomowych - dzięki czemu wiele z nich jest w temperaturze pokojowej cieczami lub gazami. Przykłady niemetali 1) w postaci stałej, np.: węgiel, jod, siarka, fosfor, fluor, krzem, selen 2) w postaci ciekłej, np.: brom 3) w postaci gazowej, np.: chlor, azot, tlen, wodór, gazy szlachetne Legenda: Należy klikać na podkreślone części tekstu w celu przeniesienia się na slajdy dotyczące określonego zagadnienia. Strzałki na slajdach oznaczają powrót do slajdu wyjściowego dla danego zagadnienia. Niemetale w postaci stałej – wybrane przykłady WĘGIEL JOD SIARKA FLUOR KRZEM FOSFOR SELEN WĘGIEL Węgiel (łac. carboneum) – pierwiastek chemiczny o symbolu C oraz o liczbie atomowej 6. Należy do grupy 14 układu okresowego. Posiada cztery elektrony walencyjne. Istnieją trzy naturalnie występujące izotopy węgla: 12 C oraz 13 C - są stabilne, natomiast izotop 14 C jest promieniotwórczy o czasie połowicznego rozpadu równym około 5700 lat. Węgiel jest jednym z niewielu pierwiastków znanych w starożytności. Jako pierwszy polską nazwę – węgiel – zaproponował Filip Walter. Rozmieszczenie elektronów na powłokach atomu węgla Odmiany alotropowe węgla Znanych jest kilka odmian alotropowych węgla, z czego najbardziej znane to: grafit oraz diament. ZASTOSOWANIE WĘGLA Węgiel jest jednym z paliw kopalnych i ważnym źródłem nieodnawialnej energii. Uważa się, że spalanie węgla, a także innych kopalnych paliw przyczynia się do powstawania efektu cieplarnianego. Naturalna zawartość izotopu 14C wykorzystywana jest do tzw. datowania radiowęglowego. W czasie życia w organizmie żywym przyswajane są związki z węglem 14C i odkładane wewnątrz tkanek. Po śmierci węgiel rozpada się. Podczas określania wieku organizmu mierzy się proporcję węgla 14C do całkowitej ilości węgla. Grafit jest stosowany w poligrafii do produkcji ołówków oraz jako jedna z elektrod w spawalnictwie. Diament jest kamieniem szlachetnym stosowanym w jubilerstwie oraz ze względu na swoją wysoką twardość w urządzeniach pomiarowych, narzędziach do skrawania, zwłaszcza szlifowania i wiercenia. Węgiel bezpostaciowy jest używany w medycynie oraz jako węgiel aktywny do procesów filtracji i oczyszczania. JOD Jod (I, łac. iodum) – pierwiastek chemiczny, z grupy fluorowców w układzie okresowym. Jego nazwa pochodzi od gr. ioeides – fioletowy. W naturze występuje tylko jeden trwały jego izotop 127I. Izotopy promieniotwórcze: 123I,125I,129I,131I. Jod w postaci gazowej Jod - kryształy ZASTOSOWANIE JODU * Jod ma zastosowanie w produkcji barwników oraz w fotografice. * W medycynie stosowany jest w leczeniu oraz profilaktyce chorób tarczycy oraz jako środek dezynfekcyjny w formie jodyny. Izotop promieniotwórczy jodu – 123I ma zastosowanie w rozpoznawaniu i leczeniu chorób tarczycy. * Służy do wykrywania skrobi w analizie chemicznej (Próba jodowa), w formie jodyny bądź płynu Lugola. * Ponadto pary jodu wykorzystywane są do wywoływania płytek do chromatografii cienkowarstwowej. FOSFOR Fosfor (P, gr. phosphoros ‘niosący światło’, łac. phosphorus) – pierwiastek chemiczny, niemetal. Jedynym stabilnym izotopem fosforu jest 31P. W wodzie i alkoholu jest on prawie nierozpuszczalny, nieco rozpuszcza się w eterze, łatwo – w trójchlorku fosforu, chlorku siarki i siarczku węgla. Z ostatniego z wymienionych rozpuszczalników fosfor wydziela się po odparowaniu w postaci kryształów układu regularnego o połysku diamentowym. ODMIANY FOSFORU Fosfor występuje w czterech odmianach alotropowych, jako: fosfor biały, czerwony, fioletowy oraz czarny. ZASTOSOWANIE FOSFORU * Tlenki fosforu używane są jako reduktory (P4O6) lub substancje wysuszające. * Kwas ortofosforowy (H3PO4) jest dodatkiem do napojów gazowanych typu cola. * Związki tego pierwiastka wykorzystywane są również w przemyśle chemicznym jako katalizatory. Fosforan(V) sodu stosuje się do proszków do prania; okazało się, że coraz powszechniejsze używanie detergentów powoduje zwiększanie stężenia związków fosforu w wodach rzek i jezior, zwłaszcza w Polsce, gdzie nie wszystkie ścieki są oczyszczane. Wynikiem tego jest eutrofizacja wód. * Fosfor jest również składnikiem lutu twardego (np. L-CuP6) stosowanego do lutowania rur miedzianych w instalacjach wodnych, gazowych lub freonowych. FLUOR Fluor (F, łac. fluorum) – pierwiastek chemiczny, niemetal z grupy fluorowców w układzie okresowym. Fluor w stanie wolnym występuje w postaci dwuatomowej cząsteczki F2. Jest żółtozielonym silnie trującym gazem o ostrym zapachu podobnym do chloru. Rozmieszczenie elektronów na powłokach atomu fluoru ZASTOSOWANIE FLUORU * jest najaktywniejszym niemetalem o największej elektroujemności, tworzącym związki z większością z innych pierwiastków (nawet z gazami szlachetnymi – kryptonem, ksenonem i radonem), * w przeciwieństwie do innych fluorowców fluor łączy się wybuchowo z wodorem tworząc fluorowodór bez dostępu światła i w niskiej temperaturze, * gazowego fluoru używa się przy produkcji monomerów, fluorowanych alkenów, z których otrzymuje się teflon i jego pochodne, * oprócz tego jest stosowany do produkcji halonów, które są stosowane jako ciecze chłodzące i hydrauliczne (np. freon), * jednoatomowy fluor jest używany w produkcji półprzewodników, * fluorek sodu był kiedyś używany jako insektycyd, głównie przeciwko karaluchom, * niektóre inne fluorki są często dodawane do past do zębów i (co budzi czasem kontrowersje) do wody pitnej, aby zapobiegać próchnicy zębów. SIARKA Siarka (S, łac. sulphur) – pierwiastek chemiczny, niemetal z bloku p w układzie okresowym. Izotopy stabilne siarki to 32S, 33S, 34S i 36S. Siarka posiada kilka odmian alotropowych, z których trzy najważniejsze to: siarka rombowa, jednoskośna i amorficzna. Siarka jest pierwiastkiem występującym w wielu odmianach alotropowych, zawierających cząsteczki o budowie pierścieniowej, składające się z 6, 7, 8, 9-15, 18 i 20 atomów. Siarka romboedryczna W zwykłej temperaturze siarka jest mało aktywna. Bardzo łatwo łączy się ona tylko z fluorem, a już trudniej z chlorem. Z innymi pierwiastkami, jak np. z wodorem, łączy się dopiero w podwyższonej temperaturze. Z metalami tworzy po ogrzaniu siarczki. Na powietrzu, po inicjacji zapłonu, spala się samorzutnie niebieskim płomieniem do dwutlenku siarki (SO2). Rozmieszczenie elektronów na powłokach atomu siarki Płonąca siarka ZASTOSOWANIE SIARKI Siarka jest coraz częściej używana jako składnik nawozów mineralnych. Zapotrzebowanie roślin na siarkę jest zbliżone do zapotrzebowania roślin na fosfor. Związki siarkoorganiczne są używane jako leki, substancje barwiące i agrochemikalia (chemikalia stosowane w rolnictwie). Wiele ważnych leków zawiera w swojej budowie siarkę, jak np. sulfonamidy. Siarka jest składnikiem wielu substancji antybakteryjnych. Większość antybiotyków beta laktamowych, włączając w to penicyliny, cefalosporyny i inne antybiotyki laktamowe zawierają heterocykliczną siarkę. Siarczan magnezu, znany jako sól gorzka, może być używany jako środek przeczyszczający, dodatek do kąpieli (mający na celu delikatne złuszczanie naskórka), źródło magnezu dla roślin czy w końcu jako środek osuszający, stosowany w laboratoriach chemicznych. W rolnictwie ekologicznym siarka jedynym fungicydem używanym w uprawach ekologicznych. KRZEM Krzem (Si, łac. silicium) – pierwiastek chemiczny, z grupy półmetali w układzie okresowym. Izotopy stabilne krzemu to 28Si, 29Si i 30Si. Wartościowość: 4 (w większości związków), 5 i 6. Krzem został zidentyfikowany jako pierwiastek przez Antoine Lavoisiera w 1787. Humphry Davy, w 1800 r. błędnie uznał, że krzem jest związkiem chemicznym i opinia ta przetrwała aż do 1824 r. kiedy to Jöns Jacob Berzelius otrzymał czysty krzem z krzemionki SiO2, przeprowadzając ją kwasem fluorowodorowym w SiF4 i redukując go potasem. ZASTOSOWANIE KRZEMU * Krzem (monokryształy krzemu) jest wykorzystywany powszechnie w przemyśle elektronicznym. * Najważniejsze związki krzemu to krzemionka, będąca podstawowym składnikiem piasku i szkła, kwasy krzemowe H2nSimO2m+n, ich sole - krzemiany, które są składnikami szkła wodnego oraz chlorosilany i alkoksysilany podstawowe substraty do produkcji polisiloksanów i żeli krzemionkowych. SELEN Selen (Se, łac. selenium) – pierwiastek chemiczny z grupy niemetali w układzie okresowym. Znanych jest kilkanaście jego izotopów z przedziału mas 65-91, z których trwałych jest 6. Pierwiastek ten został odkryty w roku 1817 przez J. J. Berzeliusa. Nazwa pochodzi od greckiego słowa selene – księżyc (bo zawsze występował obok telluru, łac. tellus – ziemia). Selen ma trzy odmiany alotropowe: 1) odmiana α to srebrzystoszary, kruchy metal. 2) odmiana β to czerwone ciało amorficzne. 3) odmiana γ to szkliste szaroróżowe ciało stałe. ZASTOSOWANIE SELENU Dzięki zależności przewodnictwa elektrycznego od naświetlenia selen znalazł zastosowanie w fotokomórkach i kserokopiarkach, a jego związki są stosowane w ogniwach fotowoltaicznych; jako półprzewodnik wykorzystywany był przez kilkadziesiąt lat w prostownikach selenowych (zanim nie wyparły go prostowniki funkcjonujące w oparciu o inne materiały, najpierw german, a obecnie najczęściej krzem). Ponadto używany jest jako dodatek do szkła i stali. Siarczek selenu (SeS2) stosowany jest w szamponach przeciwłupieżowych i w lekach przeciw grzybiczych, a selenian sodu (Na2SeO3) jest silnym insektycydem. Niemetale w postaci ciekłej Jedynym przedstawicielem niemetali ciekłych jest brom Brom (Br, łac. bromium) – pierwiastek chemiczny, niemetal z grupy fluorowców w układzie okresowym. W warunkach normalnych jest brunatnoczerwoną cieczą o ostrym, nieprzyjemnym zapachu zbliżonym do zapachu chloru. Znane są 4 izotopy bromu o liczbach masowych 77, 79, 81 oraz 82, z których 79 i 81 są trwałe i występują w naturze w proporcji ok. 1:1. Brom w ampułce ZASTOSOWANIE BROMU * Stosuje się go w wielu reakcjach np. do syntezy bromków alkilowych, które są bardziej reaktywne od odpowiednich chlorków. * Bromek srebra jest masowo wykorzystywany w technikach litograficznych i fotograficznych. Niemetale w postaci gazowej – wybrane przykłady TLEN WODÓR AZOT CHLOR GAZY SZLACHETNE TLEN Tlen (O, łac. oxygenium) – pierwiastek chemiczny, niemetal z grupy tlenowców w układzie okresowym. Stabilnymi izotopami tlenu są 16O (stanowi ponad 99% tlenu naturalnego), 17O oraz 18O. Tlen w stanie wolnym występuje w postaci cząsteczek dwuatomowych O2 oraz trójatomowych – ozonu O3 (głównie w ozonosferze). Szczególną jego odmianą jest odkryty w latach 90. XX w. „czerwony tlen” o wzorze O4. Tlen jest paramagnetykiem. Ciekły tlen ma barwę niebieską. ZASTOSOWANIE TLENU Tlen jest stosowany w medycynie, do sporządzania mieszanek oddechowych do nurkowania, w przemyśle jako utleniacz, np. w palnikach acetylenowo-tlenowych. Ciekły tlen AZOT Azot (N, łac. nitrogenium) – pierwiastek chemiczny z grupy niemetali. Zawartość w górnych warstwach Ziemi wynosi 0,0019%. Stabilnymi izotopami azotu są 14N i 15N. Azot w stanie wolnym występuje w postaci dwuatomowej cząsteczki N2. Azot jest podstawowym składnikiem powietrza (78,09% objętości). Wchodzi w skład wielu związków, takich jak: amoniak, kwas azotowy, azotany oraz wielu ważnych związków organicznych (kwasy nukleinowe, białka i wiele innych). Azot w fazie stałej występuje w sześciu odmianach alotropowych nazwanych od kolejnych liter greckich (α, β, γ, δ, ε, ζ). Najnowsze badania wykazują prawdopodobne istnienie kolejnych dwóch odmian (η, θ). Ciekły azot ZASTOSOWANIE AZOTU * Ciekły azot jest stosowany jako środek chłodzący do uzyskiwania temperatur poniżej -100 °C. * W postaci gazowej azot wykorzystywany jest jako najtańsza z dostępnych atmosfer ochronnych w wielu procesach przemysłowych, a także jako gaz roboczy w niektórych układach pneumatycznych. * Z azotu otrzymuje się amoniak oraz tlenki azotu wykorzystywane w produkcji kwasu azotowego, związki o dużym znaczeniu przemysłowym. Ponadto szeroko wykorzystuje się azotany, azotyny, hydrazynę, hydroksyloaminę i in. związki zawierające azot WODÓR Wodór (H, łac. hydrogenium) – pierwiastek chemiczny, niemetal z bloku s układu okresowego. Jest to najprostszy możliwy pierwiastek o liczbie atomowej 1, składający się z jednego protonu i jednego elektronu. Rozpoczyna układ okresowy. Jest wyznacznikiem w szeregu aktywności metali, który oddziela metale wypierające wodór i na niewypierające go. Istnieje w postaci dwóch stabilnych izotopów 1H (prot) i 2H (deuter, D) oraz niestabilnego – 3H (tryt, T). Mimo iż wodór jest niemetalem, w warunkach wysokiego ciśnienia przechodzi do stanu metalicznego. Wodór jest najpowszechniej występującym pierwiastkiem we Wszechświecie. Występuje w gwiazdach i obłokach międzygwiazdowych. W stanie wolnym występuje w postaci gazowych cząsteczek dwuatomowych H2, tworząc wodór cząsteczkowy. Na Ziemi w tej postaci występuje w górnej warstwie atmosfery (0,9%). W postaci związanej wchodzi w skład wielu związków nieorganicznych (np.: wody, kwasów, zasad, wodorotlenków) oraz związków organicznych (węglowodory i ich pochodne). ZASTOSOWANIE WODRU * Dawniej wodór był stosowany do napełniania balonów i sterowców, lecz z powodu ryzyka pożaru i wybuchu obecnie zastępowany jest zazwyczaj helem. * Skroplony wodór znalazł zastosowanie jako paliwo w silnikach rakietowych. * Wodór może również służyć jako paliwo dla silników o spalaniu wewnętrznym (np. silnik spalinowy tłokowy wykorzystywany w samochodzie osobowym). Wykorzystywany jest także w ogniwach paliwowych do generowania prądu elektrycznego. Wodór świecący CHLOR Chlor (Cl, łac. chlorum, od gr. χλωρός chloros, „zielonożółty”) — pierwiastek chemiczny, niemetal o liczbie atomowej 17, fluorowiec. Izotopy stabilne to 35Cl i 37Cl. Chlor jest żółtozielonym gazem około dwa i pół razy cięższym od powietrza, o nieprzyjemnym, duszącym zapachu, silnie trującym. Jest silnym utleniaczem, wybielaczem oraz środkiem dezynfekującym. Jest składnikiem wielu powszechnie spotykanych soli oraz innych związków. Chlor ZASTOSOWANIE CHLORU * Chlor używany jest w instalacjach do uzdatniania wody, na ostatnim etapie procesu, gdzie w reakcji gazowego chloru z wodą tworzy się, posiadający silne właściwości dezynfekujące, kwas chlorowy(I) oraz HCl. * Do ogólnie pojętej dezynfekcji stosuje się wiele różnych związków chloru (przede wszystkim chloroaminy), szerokie zastosowanie znalazł także jako wybielacz (papieru, tkanin). * Chlor był stosowany jako gaz bojowy podczas I wojny światowej, ale został wyparty przez bardziej „skuteczne” środki. Ciekły chlor GAZY SZLACHETNE Gazy szlachetne (helowce) – pierwiastki chemiczne ostatniej, 18 (dawn. 0 lub VIII głównej) grupy układu okresowego. Gazy szlachetne emitujące światło widzialne w silnym polu elektrycznym. Hel, neon, argon i ksenon występują w niewielkich ilościach w powietrzu i dlatego podstawowym sposobem ich otrzymywania jest destylacja frakcjonująca powietrza. Krypton i radon są końcowymi produktami rozpadu promieniotwórczego uranu i toru i towarzyszą zwykle złożom rud tych metali, dzięki czemu można te złoża stosunkowo łatwo wykrywać. PRZYKŁADY GAZÓW SZLACHETNYCH Do gazów szlachetnych tych zalicza się: hel, neon, argon, krypton, ksenon, radon. Prawdopodobnie gazem szlachetnym jest również syntetyczny pierwiastek ununoctium. PREZENTACJA ZOSTAŁA WYKONANA JAKO POMOC DYDAKTYCZNA NA ZAJĘCIA Z CHEMII
