Niemetale
Substancje, które tworzą skorupę ziemską oraz które występują w powietrzu atmosferycznym, są zbudowane z pierwiastków chemicznych. Czy wszystkie te pierwiastki są składnikami substancji budujących ciało człowieka? Okazuje się, że około masy naszego organizmu stanowią zaledwie cztery pierwiastki. Pierwiastki te to niemetale: tlen, węgiel, wodór i azot. Są one składnikami wody, białek, tłuszczów, cukrów i soli. Czym są niemetale? Jakie są ich właściwości? Czym niemetale różnią się od metali?
właściwości substancji zaliczanych do właściwości fizycznych oraz zaliczanych do właściwości chemicznych;
sposób określenia właściwości fizycznych i chemicznych oraz sposób rozróżnienia ich;
symbole pierwiastków chemicznych;
kryteria klasyfikacji mieszanin;
właściwości fizyczne charakteryzujące metale;
zasady bezpieczeństwa, które należy zachować w szkolnej pracowni chemicznej.
wskazywać położenie niemetali w układzie okresowym pierwiastków;
opisywać właściwości fizyczne charakteryzujące niemetale;
wymieniać przykłady zastosowania niemetali w życiu codziennym;
projektować i przeprowadzać doświadczenia, które pozwolą zbadać wybrane właściwości fizyczne niemetali;
odróżniać metale od niemetali na podstawie ich właściwości fizycznych;
projektować i przeprowadzać doświadczenia, które umożliwią porównanie właściwości fizycznych metali i niemetali.
1. Z jakich niemetali jest zbudowany organizm człowieka?
Organizmy żywe (w tym ciało ludzkie) są zbudowane z różnego rodzaju substancji chemicznych, wśród których większość stanowią substancje złożone, a więc związki chemicznezwiązki chemiczne. Mogą one mieć różną budowę. W organizmie istnieją w postaci cząsteczek lub jonów. Niezależnie od budowy, utworzone są w zdecydowanej większości ze wspomnianych czterech pierwiastków chemicznych: węgla, wodoru, tlenu oraz azotu. Wymienione pierwiastki zaliczane są do niemetaliniemetali i stanowią około masy wszystkich substancji wchodzących w skład organizmu człowieka.
Niektóre związki chemiczne, które znajdują się w ludzkim organizmie, zbudowane są również z innych niemetali. Wśród nich należy wymienić fosfor oraz siarkę.
Na poniższej grafice zilustrowano przybliżoną procentową zawartość niemetali (w procentach masowych), występujących w organizmie człowieka w postaci odpowiednich związków chemicznych.
Oblicz masy poszczególnych niemetali (węgla, tlenu, wodoru, azotu, fosforu oraz siarki), które w postaci różnego rodzaju związków chemicznych wchodzą w skład organizmu człowieka o masie . Wyniki podaj w kilogramach (nie zaokrąglaj ich).
Analizowane pierwiastki chemiczne, a dokładnie substancje chemiczne, w skład których te pierwiastki wchodzą, spełniają wiele różnych funkcji w organizmie. Niektóre z nich, dla wybranych związków chemicznych, wymieniono na poniższym schemacie.
Pierwiastki chemiczne, wchodzące w skład związków chemicznych, które odpowiadają za budowę żywych organizmów, to tak zwane nutrientynutrienty (pierwiastki biogenne). Dzielą się one na mikroelementymikroelementy i makroelementymakroelementy. Makroelementy to takie pierwiastki chemiczne, które stanowią nie mniej niż masy organizmu człowieka (tak zwanej suchej masy ciała). Analizowane przez nas niemetale – węgiel, wodór, tlen, azot, siarka i fosfor, a także chlor – zaliczane są do makroelementów.
2. Jakie jest położenie niemetali w układzie okresowym?
Na poniższym schemacie przedstawiono uproszczony podział substancji chemicznych.
Jak już kilkukrotnie wspomnieliśmy, niemetale to pierwiastki chemiczne, a więc substancje proste. Niemetale w układzie okresowym położone są głównie w jego prawej części. Wyjątkiem jest wodór, który znajduje się po lewej stronie układu okresowego.
Podział na metale i niemetale był stosowany już w czasach starożytnych. Obecnie znanych jest pierwiastków chemicznych, wśród których niemetale stanowią mniejszość.
Niemetale występują w przyrodzie zarówno w stanie wolnym (np. tlen, węgiel, siarka), jak i w postaci związków chemicznych z innymi pierwiastkami.
Tak zwane gazy szlachetne, do których zaliczamy między innymi hel, neon, argon oraz krypton, w stanie wolnym występują w postaci atomowej. Z kolei pozostałe niemetale, spoza grupy gazów szlachetnych, w warunkach pokojowych tworzą zwykle odpowiednie cząsteczki. Przykładowo fluor, chlor, brom, jod, wodór, tlen i azot tworzą cząsteczki dwuatomowe (o wzorach kolejno: , , , , , i ), zaś fosfor, we wspomnianych warunkach, tworzy cząsteczki czteroatomowe ().
Niektóre niemetale występują w przyrodzie (w stanie wolnym) w kilku odmianach różniących się między sobą budową wewnętrzną. Odmiany takie nazywamy alotropowymi. W odmianach alotropowychodmianach alotropowych występują również niektóre metale, np. cyna (biała i szara). Znane są odmiany alotropowe węgla (np. diament, grafit, fulereny, grafen), siarki (rombowa i jednoskośna), fosforu (biały, czerwony, fioletowy i czarny) oraz tlenu (np. ditlen, ozon i tlen czerwony). Odmiany alotropowe tlenu różnią się między sobą liczbą atomów w cząsteczkach (ditlen tworzy cząsteczki dwuatomowe , ozon cząsteczki trójatomowe , a tlen czerwony cząsteczki czteroatomowe ).
Poniżej zamieszczono trzy krótkie materiały filmowe dotyczące wybranych odmian alotropowych węgla oraz siarki. Zapoznaj się z informacjami zamieszczonymi we wspomnianych filmach.
Indeks dolny Aby zobaczyć kolejny materiał, kliknij następny element harmonii. Indeks dolny koniecAby zobaczyć kolejny materiał, kliknij następny element harmonii.
Zastanów się, jakie negatywne skutki zdrowotne niesie za sobą ręczne wydobywanie siarki u zboczy wulkanu Kawah Ijen (czyt. kała idżen) w Indonezji. Poszukując odpowiedzi, skorzystaj z wiadomości zawartych w filmie, który dotyczy odmian alotropowych siarki, a także z dostępnych źródeł wiedzy (np. internetu). Przedyskutuj ten temat z kolegami i koleżankami.
3. Jakie właściwości mają niemetale?
Wszystkie metale posiadają pewne właściwości (cechy), które je definiują. Należą do nich: dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne, kowalność oraz charakterystyczny metaliczny połysk. Czy niemetale również odznaczają się wspólnymi właściwościami? Czy możemy wyznaczyć takie właściwości fizyczne, które w pewien sposób zdefiniowałyby grupę tych substancji prostych? Udzielenie odpowiedzi na to pytanie ułatwi Ci wykonanie poleceń od do .
Próbując odpowiedzieć na pytanie, czy niemetale mają takie same właściwości fizyczne, wykonaj doświadczenie . Określ stan skupienia i zabarwienie analizowanych niemetali. W przypadku ciał stałych, oceń, czy posiadają połysk. Zbadaj kowalność węgla (grafitu) i siarki. Jeśli nie masz możliwości przeprowadzenia doświadczenia lub nie dysponujesz próbkami wymienionych niemetali, skorzystaj z zamieszczonej pod instrukcją galerii zdjęć (jeśli nie dysponujesz próbkami niemetali w stałym stanie skupienia, nie zbadasz ich kowalności).
Uwaga: Wszystkie czynności dotyczące bromu wykonuj w asyście osoby dorosłej, pod sprawnie działającym wyciągiem.
Zapoznaj się z poniższym opisem doświadczenia, a następnie wykonaj polecenie.
Problem badawczy:
Czy niemetale charakteryzują się takimi samymi właściwościami fizycznymi?
Hipoteza:
Niemetale różnią się właściwościami fizycznymi.
Co było potrzebne:
siarka;
węgiel w postaci grafitu;
fosfor czerwony;
chlor;
tlen;
jod;
brom;
pęseta;
bibuła;
młotek;
okulary ochronne.
Przebieg doświadczenia:
Określono stan skupienia, barwę i połysk wszystkich badanych niemetali. Na bibule położono grafit oraz kilka kryształów siarki, a następnie uderzono w nie młotkiem.
Obserwacje:
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 o ciemnoczerwonej barwie. Brom to z kolei ciecz o barwie ciemnobrunatnej. Chlor jest zaś gazem o barwie zielonożółtej. Tlen to bezbarwny gaz.
Zapisz wnioski z przeprowadzonego doświadczenia
Niemetale w temperaturze pokojowej występują w trzech stanach skupienia. Mają różne barwy.
Być może podczas wykonywania doświadczenia udało Ci się zwrócić uwagę na zapach kilku niemetali (np. siarki i chloru). Niektóre z nich charakteryzują się bowiem specyficznym zapachem. Inne – jak np. tlen czy azot – są bezwonne.
Niemetale, które są w temperaturze pokojowej ciałami stałymi, są na ogół kruche i matowe (wyjątkiem są jod i grafit – odmiana alotropowa węgla).
Sprawdź, czy siarka i grafit przewodzą prąd elektryczny. W tym celu wykonaj doświadczenie . Zapisz obserwacje i wnioski.
Skonstruowany przez Ciebie zestaw powinien wyglądać podobnie jak ten zilustrowany na poniższym schemacie:
Zapoznaj się z poniższym opisem doświadczenia, a następnie wykonaj polecenie.
Problem badawczy:
Czy siarka i grafit przewodzą prąd elektryczny?
Hipoteza:
Grafit przewodzi prąd elektryczny, a siarka nie.
Co było potrzebne:
bateria;
dioda LED;
przewody elektryczne;
siarka;
grafit (najlepiej pręt grafitowy).
Przebieg doświaczenia:
Z baterii, diody LED i przewodów elektrycznych zmontowano zestaw do badania przewodzenia prądu elektrycznego, a następnie umieszczono w nim próbkę badanego niemetalu (kolejno siarki i grafitu).
Obserwacje:
Zamknięcie obwodu elektrycznego prętem grafitowym powoduje świecenie diody LED. W przypadku siarki, LED się nie świeci.
Zapisz wnioski z przeprowadzonego doświadczenia.
Sprawdź, czy inne niemetale (podobnie jak metale) przewodzą prąd elektryczny. W tym celu przeprowadź poniższą symulację. Zapisz obserwacje i wnioski z przeprowadzonej symulacji.
Jak już zostało wspomniane, dobre przewodnictwo elektryczne jest właściwością (cechą) definicyjną metali. W przypadku niemetali nie moglibyśmy tej właściwości uznać za charakterystyczną dla tej grupy substancji. Większość z nich nie przewodzi prądu elektrycznego. Wyjątkami są dwie odmiany alotropowe węgla – grafit i grafen – oraz jedna z odmian alotropowych fosforu – fosfor czarny.
Sprawdź, czy siarka i grafit przewodzą ciepło. W tym celu wykonaj doświadczenie . Zapisz obserwacje i wnioski.
Problem badawczy:
Czy siarka i grafit przewodzą ciepło?
Hipoteza:
Grafit przewodzi ciepło, a siarka nie.
Co było potrzebne:
statyw laboratoryjny z łapą;
palnik;
termometr cyfrowy z sondą;
okulary ochronne;
siarka (najlepiej podłużna, jak najdłuższa próbka);
grafit (najlepiej pręt grafitowy).
Przebieg doświadczenia:
Zmierzono temperaturę badanej próbki za pomocą sondy termometru cyfrowego. Badaną próbkę umieszczono w łapie na statywie, a następnie jeden z końców próbki ogrzewano palnikiem, co kilka sekund mierząc temperaturę na przeciwległym jej końcu.
Obserwacje:
Ogrzewanie jednego końca grafitowego pręta powoduje wzrost temperatury przeciwległego końca. Ogrzewanie jednego końca próbki siarki nie powoduje wzrostu temperatury przeciwległego jej końca. Siarka, w miejscu ogrzewania, topi się.
Zapisz wnioski z przeprowadzonego doświadczenia.
Dobrego przewodnictwa cieplnego, podobnie jak przewodnictwa elektrycznego, nie możemy uznać za wspólną właściwość wszystkich niemetali. Większość z nich nie przewodzi ciepła. Wyjątek stanowią odmiany alotropowe węgla – diament i grafit.
W poniższej tabeli zamieszczono przybliżone wartości temperatur topnienia wybranych niemetali.
Nazwa niemetalu | Temperatura topnienia, |
---|---|
siarka | |
jod | |
krzem | |
fosfor biały |
Indeks górny Źródło: W. Mizerski, Tablice chemiczne, Warszawa 2004, s. 18. Indeks górny koniecŹródło: W. Mizerski, Tablice chemiczne, Warszawa 2004, s. 18.
Zamieszczone w powyższej tabeli dane, przedstaw w formie wykresu słupkowego. Na wykresie uporządkuj niemetale zgodnie ze wzrastającymi temperaturami topnienia. Temperatury wyraź w kelwinach.
Poniżej podano temperatury topnienia wybranych niemetali:
siarka – ;
jod – ;
krzem – ;
fosfor biały – .
Niemetale charakteryzują się zróżnicowanymi temperaturami topnienia. Również odmiany alotropowe poszczególnych niemetali będą się różniły temperaturami topnienia.
Na poniższym wykresie zamieszczono temperatury wrzenia wybranych niemetali.
Na kolumnowym wykresie interaktywnym przedstawiono temperatury wrzenia wybranych metali:
siarka –
fosfor biały –
krzem –
chlor –
brom –
jod –
W poniższej tabeli zamieszczono gęstość wybranych niemetali w temperaturze pokojowej.
Nazwa niemetalu | Gęstość w temperaturze |
---|---|
siarka | |
fosfor biały | |
krzem | |
chlor | |
brom | |
jod |
Indeks górny Źródło: W. Mizerski, Tablice chemiczne, Warszawa 2004, s. 18. Indeks górny koniecŹródło: W. Mizerski, Tablice chemiczne, Warszawa 2004, s. 18.
Niemetale, podobnie jak metale, charakteryzują się różną gęstością i różnymi temperaturami wrzenia. Najniższymi temperaturami wrzenia odznaczają się niemetale występujące w temperaturze pokojowej w stanie gazowym, a więc te o najmniejszej gęstości.
Poniżej zamieszczono materiał filmowy, który opisuje niektóre właściwości wybranych niemetali. Zapoznaj się z informacjami zawartymi w tym materiale, a następnie rozwiąż znajdujące się pod nim ćwiczenie.
Po przeanalizowaniu powyższego materiału, odpowiedź na postawione na początku tego paragrafu pytanie wydaje się oczywista. Trudno jest wyznaczyć jakieś wspólne właściwości, za pomocą których moglibyśmy zdefiniować niemetale.
W temperaturze pokojowej występują głównie w stałym lub gazowym stanie skupienia (wyjątkiem jest ciekły brom) i charakteryzują się różnymi gęstościami oraz temperaturami wrzenia i topnienia. Mają różne barwy i na ogół są pozbawione połysku (wyjątkami są np. jod i grafit – odmiana alotropowa węgla). Zwykle słabo przewodzą ciepło oraz prąd elektryczny (tutaj ponownie jako wyjątek można przedstawić chociażby grafit, a także jod i krzem). Niektóre z niemetali (w przeciwieństwie do metali) mają również charakterystyczny zapach. Jak zatem zdefiniować niemetale?
Do ich określenia najłatwiej będzie użyć definicji metali. Przypomnijmy – metale to pierwiastki chemiczne, które charakteryzują się dobrym przewodnictwem cieplnym i elektrycznym, kowalnością i połyskiem. Jeżeli badana substancja prosta nie posiada którejkolwiek z wymienionych właściwości definicyjnych metali, zaliczana jest do niemetali.
Oznacza to, że niemetale mogą posiadać niektóre cechy (właściwości) metali. Przykładowo, przytaczany już kilkukrotnie grafit, dobrze przewodzi prąd elektryczny oraz ciepło, charakteryzuje się metalicznym połyskiem, ale nie jest kowalny.
4. Gdzie stosuje się niemetale?
Niemetale, dzięki różnorodnym właściwościom, znalazły wiele zastosowań. Są używane między innymi do produkcji nawozów sztucznych, barwników, leków, środków odkażających, materiałów wybuchowych czy sztucznych ogni. Należące do niemetali gazy szlachetne wykorzystuje się między innymi 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.
Korzystając z dostępnych źródeł informacji (np. encyklopedii, czasopism naukowych lub internetu), sporządź notatkę, w której wymienisz po kilka zastosowań przynajmniej dziesięciu wybranych niemetali. Notatkę przedstaw w formie mapy myśli, korzystając z poniższego generatora. W tym celu kliknij ikonkę „edytuj”, która znajduje się w prawym górnym rogu pola generatora.
Korzystając z dostępnych źródeł informacji (np. encyklopedii, czasopism naukowych lub internetu), sporządź notatkę, w której wymienisz po kilka zastosowań przynajmniej dziesięciu wybranych niemetali.
Gazy szlachetne – hel, neon, argon, krypton i ksenon – występują w niewielkich ilościach w powietrzu. Wykorzystywane są między innymi do napełniania żarówek i neonów, w których podczas przepływu prądu po podgrzaniu świecą charakterystycznymi barwami.
Gazy szlachetne znajdują także zastosowanie do przechowywania i eksponowania wartościowych, zabytkowych dokumentów – zapobiegają niszczeniu materiałów pod wpływem składników powietrza, głównie tlenu. Przykładowo, oryginał konstytucji i deklaracji niepodległości USA przechowuje się w gablocie wypełnionej helem.
Podsumowanie
Pierwiastki chemiczne dzielimy na metale i niemetale.
Niemetale znajdują się w prawej części układu okresowego. Wyjątek stanowi wodór, który znajduje się po lewej jego stronie.
Niemetale nie mają wspólnych właściwości, za pomocą których można je zdefiniować:
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 że są niemetalami, przewodzą prąd elektryczny oraz ciepło;
diament przewodzi ciepło;
w większości, w temperaturze pokojowej, występują w stałym stanie skupienia.
Przedstaw w formie tabeli porównanie właściwości metali i niemetali. Skorzystaj z treści zawartych w niniejszym materiale oraz w lekcji dotyczącej metali, a także z dostępnych źródeł informacji (np. internetu).
Przedstaw w formie notatki porównanie właściwości metali i niemetali. Skorzystaj z treści zawartych w niniejszym materiale oraz w lekcji dotyczącej metali, a także z dostępnych źródeł informacji (np. Internetu).
Korzystając z dostępnych źródeł informacji (np. encyklopedii, czasopism naukowych i medycznych lub Internetu), opisz krótko skutki niedoboru wybranych sześciu niemetali w organizmie. Swoją notatkę możesz przedstawić w formie mapy myśli. Skorzystaj z poniższego generatora, klikając przycisk „edytuj”, który znajduje się w prawym górnym rogu pola generatora.
Korzystając z dostępnych źródeł informacji (np. encyklopedii, czasopism naukowych i medycznych lub internetu), opisz krótko skutki niedoboru wybranych sześciu niemetali w organizmie.
Przeprowadź wywiad, np. z lekarzem lub dietetykiem, na temat niedoboru niemetali w organizmie. Relacją z wywiadu podziel się na forum klasy.
W najbliższym Ci otoczeniu odszukaj „ślady” zastosowania niemetali. Zrób zdjęcia. Stwórz mini album fotograficzny, w którym opiszesz sfotografowane zastosowania niemetali.
W najbliższym Ci otoczeniu odszukaj „ślady” zastosowania niemetali. Stwórz notatkę, w której opiszesz zastosowania wybranych niemetali.
Słownik
(gr. állos „obcy, inny”, trópos „sposób, postać”) występowanie tego samego pierwiastka chemicznego w dwóch lub więcej odmianach, różniących się budową krystaliczną (sposobem połączenia atomów w strukturze krystalicznej) lub liczbą atomów pierwiastka w cząsteczkach; do niemetali występujących w różnych odmianach alotropowych należą między innymi węgiel (grafit, diament, fulereny, grafen), fosfor (fosfor czerwony, fosfor biały, fosfor czarny) oraz tlen (ditlen, ozon, tetratlen)
pierwiastki chemiczne niezbędne do życia i prawidłowego funkcjonowania organizmu, występujące w organizmie w ilościach od jego suchej masy; makroelementami wśród niemetali są m.in.: węgiel, tlen, azot, wodór oraz siarka
pierwiastki chemiczne niezbędne do życia i prawidłowego funkcjonowania organizmu, występujące w organizmie w bardzo małych (śladowych) ilościach; mikroelementami wśród niemetali są m.in.: bor, jod, fluor
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); w uproszczeniu – pierwiastki chemiczne, które nie posiadają jednocześnie wszystkich czterech cech (właściwości) definicyjnych metali: dobrego przewodnictwa prądu i ciepła, połysku metalicznego i kowalności; brak którejkolwiek z wymienionych (czterech) właściwości pozwala na zaklasyfikowanie badanej substancji prostej do niemetali
inaczej: biopierwiastki, pierwiastki, biogenne; pierwiastki chemiczne niezbędne do życia i prawidłowego funkcjonowania organizmu; wśród nutrientów wyróżnia się mikroelementy i makroelementy
substancja złożona, składająca się z przynajmniej dwóch różnych, trwale ze sobą połączonych pierwiastków chemicznych; pierwiastki te występują w danym związku chemicznym w ściśle określonych proporcjach; związek chemiczny ma inne właściwości fizykochemiczne niż poszczególne pierwiastki, z których został utworzony
Ćwiczenia
Na pojemniku, w którym przechowywany jest brom, można znaleźć następujące piktogramy:
Spośród podanych poniżej zagrożeń, wybierz i zaznacz te, które wynikają bezpośrednio z zamieszczonych piktogramów i które należy uwzględnić w laboratorium chemicznym podczas pracy z bromem.
Spośród podanych poniżej zagrożeń, wybierz i zaznacz te, które należy uwzględnić w laboratorium chemicznym podczas pracy z bromem.
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. | □ | □ |
Bibliografia
Encyklopedia PWN.
Pazdro K. M., Chemia. Pierwiastki i związki nieorganiczne, Warszawa 2012.
Łasiński D., Sporny Ł., Strutyńska D., Wróblewski P., Chemia. Podręcznik dla klasy siódmej szkoły podstawowej, Kielce 2020.