Niemetale
Substancje tworzące skorupę ziemską oraz występujące w powietrzu atmosferycznym są zbudowane z 88 pierwiastków chemicznych. Czy te same pierwiastki są składnikami ciała człowieka? Okazuje się, że około 96% masy naszego organizmu stanowią zaledwie cztery pierwiastki – niemetale: tlen, węgiel, wodór i azot. Są one składnikami wody, białek, tłuszczów, cukrów i soli. Czym są niemetale? Jakie są ich właściwości? Czy niemetale różnią się od metali?
jakie właściwości ma materia w różnych stanach skupienia;
co to są symbole pierwiastków chemicznych i jak się nimi posługiwać;
w jaki sposób określić i rozróżnić właściwości fizyczne od chemicznych;
według jakich kryteriów klasyfikuje się mieszaniny;
jakie zasady bezpieczeństwa należy zachować w szkolnej pracowni chemicznej.
jakie niemetale znajdują się w układzie okresowym pierwiastków;
jakie jest zastosowanie niemetali w życiu codziennym;
planować doświadczenia pozwalające zbadać właściwości niemetali;
odróżniać metale od niemetali na podstawie właściwości;
planować doświadczenia pozwalające porównać właściwości metali i niemetali;
przestrzegania zasad bezpieczeństwa podczas wykonywania eksperymentów chemicznych.
1. Z jakich pierwiastków (niemetali) jest zbudowany organizm człowieka?
Organizmy żywe (w tym ciało ludzkie) są zbudowane w około 96% z czterech pierwiastków powszechnie występujących we Wszechświecie. Ich średnia masa u osoby ważącej 50 kg wynosi:
32,5 kg tlenu,
9,25 kg węgla,
4,75 kg wodoru,
1,6 kg azotu.
Średnia procentowa zawartość pierwiastków i wybrane funkcje, jakie pełnią w organizmie:
tlen (65%) – m.in. niezbędny do funkcjonowania mózgu, procesów oddychania i spalania w komórkach;
węgiel (18%) – budulec wszystkich żywych komórek;
wodór (10%) – wraz z tlenem tworzy wodę, która stanowi 60–80% masy organizmu, jest składnikiem m.in. białek, cukrów, tłuszczów;
azot (3%) – niezbędny w procesie budowy komórek, składnik białek;
fosfor (1%) – podobnie jak wapń (1,5%) jest składnikiem związków, z których zbudowane są zęby i kości;
w ilościach śladowych:
siarka – składnik paznokci i włosów;
jod – niezbędny do produkcji hormonów tarczycy.
Pierwiastek | Symbol | Zawartość w organizmie [%] |
tlen | 65,0 | |
węgiel | 18,0 | |
wodór | 10,0 | |
azot | 3,0 | |
wapń | 1,5 | |
fosfor | 1,0 | |
potas | 0,4 | |
siarka | 0,3 | |
sód | 0,2 | |
magnez | 0,1 |
2. Jakie jest położenie niemetali w układzie okresowym?
Obecnie znanych jest 118 pierwiastków chemicznych, spośród których oficjalnie uznano 114. Lewą stronę układu okresowego zajmują metale, natomiast prawą – niemetaleniemetale. Pierwiastki te tworzą ukośną granicę, z wyjątkiem wodoru usytuowanego w lewym górnym rogu. Podział na metale i niemetale był stosowany już w czasach starożytnych. Większość pierwiastków chemicznych stanowią metale, a tylko 22 z nich to niemetale. Najbardziej znane to: siarka, węgiel, tlen, azot, wodór, fosfor, jod i chlor. Niektóre pierwiastki mogą przyjmować różne postaci, np. węgiel, który występuje w kilku odmianach m.in. jako szaroczarny grafitu i bezbarwny diament.
2.1. W jakim stanie skupienia występują niemetale?
Wyszukaj w układzie okresowym wymienione niżej pierwiastki chemiczne, zapoznaj się z ich charakterystyką i zapisz w zeszycie informacje na temat ich stanu skupienia.
tlen
węgiel
siarka
azot
brom
chlor
Wypisz z układu okresowego nazwy niemetali o:
najniższej i najwyższej temperaturze wrzenia,
największej i najmniejszej gęstości.
Odmiany alotropowe węgla
Niektóre niemetale występują w przyrodzie w kilku odmianach różniących się między sobą budową wewnętrzną. Odmiany takie nazywamy alotropowymi. W odmianach alotropowych występują również niektóre metale, np. cyna (cyna biała i cyna szara).
Znane są odmiany alotropowe węgla (np. diament, grafit, fulereny, grafen), siarki (rombowa i jednoskośna) i fosforu (biały, czerwony, fioletowy i czarny) oraz tlenu, różniące się liczbą atomów w cząsteczce (tlen , ozon , tlen czerwony ).
*Więcej na temat odmian alotropowych
3. Jakie właściwości mają niemetale?
Niemetale, w przeciwieństwie do metali, różnią się właściwościami. W warunkach normalnych występują w trzech stanach skupienia.
Najczęściej są gazami, np.:
tlen, azot i wodór (bezbarwnymi i bezwonnymi);
chlor i fluor (o zielonożółtej barwie i o ostrym zapachu);
hel, neon, argon (bezbarwnymi i bezwonnymi gazami szlachetnymi).
Rzadziej są ciałami stałymi, np.:
węgiel, siarka, fosfor, krzem, jod.
W postaci cieczy występuje jedynie brom (ciemnobrunatny o drażniącym zapachu).
Niemetale mają różne barwy. Te, które są ciałami stałymi, nie mają charakterystycznego połysku (z wyjątkiem jodu) i są kruche. Niemetale możemy opisywać, badając ich właściwości fizyczne i chemiczne oraz odczytując dane z układu okresowego pierwiastków lub tablic chemicznych.
Czy niemetale mają takie same właściwości?
Wybierz jedną z przedstawionych hipotez, a następnie zweryfikuj ją.
Niemetale różnią się właściwościami.
Niemetale mają podobne właściwości.
siarka,
węgiel w postaci grafitu,
fosfor czerwony,
chlor,
*fosfor biały,
*brom,
pęseta,
bibuła,
młotek,
okulary ochronne.
Określ stan skupienia i barwę substancji.
Połóż na bibule węgiel w postaci grafitu oraz kilka kryształów siarki, a następnie uderz w nie młotkiem.
Siarka to substancja krystaliczna o żółtej barwie. Jest krucha. Węgiel w postaci grafitu to kruche ciało stałe o ciemnoszarej barwie i metalicznym połysku. Fosfor czerwony to proszek ociemnoczerwonej barwie. *Fosfor biały stanowi miękką, białą masę. Ze względu na łatwość samozapłonu przechowuje się go w wodzie. Z tych samych powodów kroi się go również pod wodą. Brom to ciecz o barwie ciemnobrunatnej*. Chlor to gaz o barwie zielonożółtej.
Niemetale w temperaturze pokojowej występują w trzech stanach skupienia. Mają różne barwy.
Czy niemetale przewodzą prąd elektryczny?
Wybierz jedną z przedstawionych hipotez, a następnie zweryfikuj ją.
Niemetale przewodzą prąd elektryczny.
Niemetale nie przewodzą prądu elektrycznego.
bateria,
żarówka,
przewody elektryczne,
próbki niemetali, np. siarka, węgiel w postaci gafitu i diamentu.
W odpowiednio zmontowany obwód wstaw próbkę badanego niemetalu.
Obserwuj, co się dzieje z żarówką.
Zamknięcie obwodu elektrycznego prętem grafitowym powoduje świecenie żarówki. W przypadku siarki i diamentu żarówka się nie świeci. Niemetale nie przewodzą prądu elektrycznego.
Wyjątkami są grafit, grafen oraz fosfor czarny.
Badane metale (żelazo, miedź i złoto) przewodzą prąd elektryczny (żarówka świeci się). Niemetale: węgiel w postaci grafitu oraz fosfor czarny przewodzą prąd elektryczny, siarka, fosfor czerwony i diament nie przewodzą prądu (żarówka nie świeci się).
Czy niemetale przewodzą ciepło?
Wybierz jedną z przedstawionych hipotez, a następnie zweryfikuj ją.
Niemetale przewodzą ciepło.
Niemetale nie przewodzą ciepła.
statyw laboratoryjny z łapą,
palnik,
termometr cyfrowy z sondą,
okulary ochronne,
próbki niemetali: siarki, węgla (grafitu), *diamentu.
Zmierz temperaturę próbki, np. pręta grafitowego, kryształu siarki lub diamentu za pomocą sondy termometru cyfrowego.
Ogrzewaj palnikiem jeden z końców pręta z grafitu, kryształu siarki lub diamentu przez około minutę, a następnie zmierz temperaturę na przeciwległym końcu.
R16XzKOw4c5sY1
Ogrzewanie jednego końca grafitowego pręta powoduje wzrost temperatury przeciwległego końca. Większość niemetali nie przewodzi ciepła. Wyjątki to grafit i diament, które są dobrymi przewodnikami ciepła.
Niemetal (symbol) | Barwa | Stan skupienia | Połysk | Gęstość [kg/m³] | Temperatura topnienia [°C] | Temperatura wrzenia [°C] |
węgiel () (grafit) | szaroczarna | ciało stałe | brak | 2300 | 4000 (sublimacja) | – |
węgiel () (diament) | bezbarwna | ciało stałe | brak | 3500 | 4800 (sublimacja) | – |
siarka () | żółta | ciało stałe | brak | 2070 | 119 | 445 |
fosfor () (biały) | biała | ciało stałe | brak | 1820 | 44 | 280 |
krzem () | ciemnoszara | ciało stałe | metaliczny | 2330 | 1417 | 3280 |
chlor () | zielonożółta | gaz | brak | 3,2 | –101 | –34 |
brom () | ciemnobrunatna | ciecz | brak | 3119 | –7 | 59,5 |
jod () | szaroczarna | ciało stałe | metaliczny | 4940 | 114 | 185 |
Grafen – materiał przyszłości
Opis teoretyczny grafenu powstał już w 1947 roku, zaś w 2010 roku przyznano za jego odkrycie Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Grafen to najbardziej wytrzymały materiał w przyrodzie – sto razy mocniejszy niż stal. Doskonale przewodzi ciepło i prąd elektryczny. Ma małą gęstość, jest cienki (złożony z jednej warstwy atomów węgla) i przezroczysty. Jednym gramem grafenu można pokryć powierzchnię kilku boisk futbolowych.
W Polsce badania nad otrzymaniem wysokiej jakości grafenu trwały od 2006 roku, ale dopiero w roku 2013 osiągnięto sukces komercyjny i rozpoczęto produkcję.
Gdyby udało się wytwarzać z grafenu przedmioty codziennego użytku, zrewolucjonizowałaby one nasze życie bardziej niż krzem. Mogłyby powstać rozciągliwe i przezroczyste tablety dające się zwinąć w rulonik i włożyć do kieszeni, procesory kilkaset razy szybsze od krzemowych albo sztuczne ścięgna do wszczepiania w stawy.
4. Gdzie stosuje się niemetale?
Niemetale, dzięki różnorodnym właściwościom, znalazły wiele zastosowań. Są używane m.in. do produkcji nawozów sztucznych, barwników, leków, środków odkażających, materiałów wybuchowych, sztucznych ogni, a należące do nich gazy szlachetne – m.in. w technice oświetleniowej, do wypełniania neonów.
Niemetale, podobnie jak metale, odgrywają znaczącą rolę we właściwym funkcjonowaniu organizmu człowieka, np. fluor bierze udział w procesach tworzenia kości i zębów oraz zapobiega próchnicy.
Pierwiastek | Zastosowanie |
wodór | paliwo rakietowe (mieszanina ciekłego wodoru z ciekłym tlenem) |
paliwo w ogniwach paliwowych do samochodów | |
stosowany do utwardzania tłuszczów pochodzenia roślinnego | |
hel | ciekły – chłodziwo w reaktorach atomowych |
składnik mieszaniny, którą oddychają nurkowie głębinowi | |
gaz do wypełniania balonów, lamp jarzeniowych (podobnie jak inne gazy szlachetne) i niektórych termometrów | |
węgiel | diament – po oszlifowaniu ceniony kamień jubilerski (brylant), nasadki świdrów górniczych, składnik materiałów polerskich |
grafit – materiał do wyrobu elektrod, wkładów do ołówków, ognioodpornych tygli, składnik smarów | |
węgiel C‑14 – stosowany do datowania wieku przedmiotów w badaniach archeologicznych, pozwala ustalić wiek zabytku pochodzenia organicznego od 200 do 30 000 lat z dokładnością do 30 lat | |
azot | ciekły – chłodziwo do przechowywania materiału biologicznego, np. krwi, w medycynie do zamrażania kurzajek pochodzenia wirusowego |
stosowany jako gaz do pakowania produktów spożywczych | |
związki azotu – nawozy sztuczne, materiały wybuchowe, leki | |
tlen | proces uzdatniania wody (ozonowanie) |
butle z tlenem wykorzystywane m.in. w przemyśle (uzyskiwanie wysokich temperatur do cięcia i spawania trudno topliwych metali w procesach spalania np. acetylenu) | |
w medycynie | |
składnik paliwa pojazdów kosmicznych | |
fluor | związki fluoru – składnik pasty do zębów |
związki fluoru – teflon: patelnie, tostery, narty, protezy stawów | |
związki fluoru – odzież i buty | |
krzem | układy scalone w urządzeniach elektronicznych, m.in. komputerach, odtwarzaczach MP3 |
fotoogniwa w bateriach słonecznych | |
składnik stali transformatorowej | |
fosfor | draska na pudełkach zapałek |
dodatek w stopach – podwyższa ich twardość | |
związek fosforu – składnik napojów typu cola | |
siarka | proces wulkanizacji (dodawana do kauczuków w procesie produkcji gumy) |
związki siarki – składnik leków | |
związki siarki – składnik nawozów, barwników | |
chlor | związki chloru – środki dezynfekujące i wybielające, np. dezynfekcja wody w basenie |
związek chloru – składnik wykładzin PCW | |
związek chloru – fosgen gaz bojowy | |
związeki chloru – stosowane w fotografii | |
brom | związki bromu – składnik leków, barwników |
związki bromu – składnik niektórych tworzyw sztucznych | |
związki bromu – stosowane w fotografii | |
jod | alkoholowy roztwór jodu (jodyna) – środek dezynfekujący w medycynie |
leczenie i profilaktyka chorób tarczycy | |
jod i związki – stosowane w produkcji barwników oraz fotografii |
Gazy szlachetne
Gazy szlachetne: hel, neon, argon i ksenon występują w niewielkich ilościach w powietrzu. Wykorzystywane są m.in. do napełniania żarówek i neonów, w których podczas przepływu prądu po podgrzaniu świecą charakterystycznymi barwami.
Gazy szlachetne a Deklaracja niepodległości USA
Gazy szlachetne znajdują także zastosowanie do przechowywania i eksponowania wartościowych, zabytkowych dokumentów – zapobiegają niszczeniu materiałów pod wpływem składników powietrza, głównie tlenu. Oryginał konstytucji i Deklaracji niepodległości USA przechowuje się w gablocie wypełnionej helem.
Podsumowanie
Pierwiastki chemiczne dzielimy na metale i niemetale.
Niemetale tworzą prawą część układu okresowego, wyjątek stanowi wodór, który znajduje się w I grupie.
Niemetale:
występują we wszystkich stanach skupienia,
mają różne barwy,
mogą mieć charakterystyczne zapachy,
mają różny zakres temperatur wrzenia i topnienia,
zazwyczaj są złymi przewodnikami prądu elektrycznego oraz złymi przewodnikami ciepła. Węgiel w postaci grafitu i grafenu oraz fosfor czarny, mimo iż są niemetalami, przewodzą prąd elektryczny oraz ciepło. Diament przewodzi tylko ciepło,
w większości stanowią gazy w temperaturze pokojowej.
Przedstaw w formie tabeli porównanie właściwości metali i niemetali.
Sporządź notatkę na temat zastosowania niemetali w najbliższym otoczeniu.
Zdaj relację z wywiadu, np. z lekarzem lub dietetykiem, na temat niedoboru niemetali w organizmie.
Opisz zastosowania niemetali i zilustruj je, wykonując trzy zdjęcia.
Słowniczek
pierwiastki chemiczne, które w odróżnieniu od metali źle przewodzą prąd elektryczny (z wyjątkiem grafitu, grafenu i fosforu czarnego) i ciepło (z wyjątkiem diamentu, grafitu i fosforu czarnego); w stanie stałym są na ogół kruche, bez metalicznego połysku (z wyjątkiem jodu, krzemu, grafitu)
Zadania
Zaznacz odpowiednie pola obok podanych zdań, wskazując, czy są one prawdziwe, czy fałszywe.
Prawda | Fałsz | |
Brom to jedyny niemetal, który w temperaturze pokojowej występuje w stanie ciekłym. | □ | □ |
Do niemetali zaliczamy węgiel i siarkę. | □ | □ |
Niemetale występują w warunkach normalnych tylko w dwóch stanach skupienia – jako ciała stałe lub gazy. | □ | □ |
Niemetale nie przewodzą prądu elektrycznego. | □ | □ |