На метал-неметалл рассчитайсь
В химии одними из самых важных понятий являются металл и неметалл. Поговаривают также о неких объектах, которые "ни рыба ни мясо", то есть то ли металл, то ли неметалл. Гермафродиты, короче. Но название дать им воздерживаются. Хотя соединения с их участием получили название амфотерных. (почему бы тогда сами эти объекты не назвать амфотерами?)
Но вот чего-чего, а определений этих важных понятий в книгах по химии вы не найдёте. Попробуем мы дать им определения.
На 1-ую вскидку на ум приходит следующее.
Металл – простое вещество, атомы которого при твёрдом состоянии вещества связаны металлической связью.
Неметалл – простое вещество, атомы которого связаны ковалентной неполярной связью.
Но как же тогда определить амфотер?
Простое вещество, атомы которого связаны то ли металлической, то ли ковалентной неполярной связью? Или, может, и той и этой? Странные какие-то определения.
Но потом, в результате анализа данных об электроотрицательности, возникает следующие альтернативные определения.
Металл – простое вещество, атомы которого имеют электроотрицательность менее 1.55.(марганец)
Неметалл - простое вещество, атомы которого имеют электроотрицательность более 2.54.(золото)
Амфотер – простое вещество, электроотрицательность атома которого находится в пределах от 1.55 (Марганец) до 2.54 (Золото)
Отсюда вопросы:
1)Но какой связью в кристаллическкой решётке связаны амфотеры?
И как связаны амфотеры с полупроводниками? Ведь известно, что полупроводники - это вещества, промежуточные по удельному электросопротивлению между проводниками и непроводниками (диэлектриками) Также и амфотеры - промежуточные между металлами и неметаллами.
Быть может, решением данной проблемы является выделение в отдельный тип элементов еще и полупроводников?
2)Поскольку свойства атомов металлов зависят от их степени окисления (а на самом деле - валентности)(чем она больше, тем больше металлы становятся неметаллами), то получается, что говорить о металличности элемента можно только в связи с валентностью его атома.
Как объяснить то, что при увеличении валентности атома он ставится всё более неметаллом? На увеличение валентности тратится энергия (потому что происходит это засчёт возбуждения атома), и чем больше это увеличение, тем больше затраты энергии. Электроотрицательность же атома тем больше, чем больше энергии выделяется при полном "присвоении" данным атомом электронной пары связи его с другим атомом. Отсюда и увеличение электроотрицательности возбужденного атома: накачанную в него при возбуждении энергию он стремится высвободить за счёт присоединения к себе чужого электрона.
То же самое происходит и при возбуждении атомов неметаллов: они становятся всё более неметалличными.
3)Вот еще соображение: поскольку элемент образует несколько аллотропных модификаций, отличающихся в том числе химическими свойствами, то не следует ли при отнесении элемента к металлам или неметаллам добавить к собственно элементу и валентности его атома еще и аллотропную модификацию элемента в данном веществе?
Еще вопросы:
1)Но тогда получается, что бывшие неметаллы, от кремния (1,90) до фосфора (2,19) становятся амфотерами. (включая водород (2,1))
И тогда как на кремний это похоже, т.к. существуют соли кремния (например, фосфат кремния, хлорид кремния и т.п. К тому же существует частица из неметаллов, способнная стать катионом - аммоний. Как вам это нравится?) А кремниевая "кислота" - вовсе не кислота, т.к. нерастворима в воде.
Похоже это и на водрод, т.к. он - начало оси амфотеров, а его оксид и как кислота никудышный и как основание, поскольку плохо растворятся, гы-гы, сам в себе.
Но остальные-то неметаллы, как-то бор (2,05), сурьма (2,05), теллур (2,10), мышьяк (2,18), а тем более фосфор (2,19) чем "провинились", что их сделали амфотерами?
Начнём с того, что бор, германий, мышьяк, сурьма, теллур, по данным Википедии, являются полуметаллами (=металлоидами), то есть веществами, для которых характерно наличие ковалентной кристаллической решётки и металлической проводимости.
(добавим сюда, что проводящие аллотропные модификации существуют также у углерода (графит) и фосфора (металлический фосфор) Как вам это нравится?).
Но каким же образом получится металлическая проводимость в ковалентной решётке? Ведь для 1-ой необходимо наличие свободных электронов. Откуда же они возьмутся в ковалентной решётке? При нормальной температуре - да, их нет. (потому что металлоиды, в отличие от чистых металлов, всё-таки более неметалличны, потому энергия связи валентного электрона с ядром у них больше, чем у чистых металлов. Вот почему у чистых металлов и при нормальной температуре уже есть свободные электроны) Но если повысить температуру, то энергия электронов в атомах станет больше, а поэтому они приобретут способность отрываться от атома даже в металлоидах (а если температуру поднять еще больше, то и в диэлектриках появятся свободные электроны (см. молния, например. Или свечение люминесцентной лампы. Это электрический ток в газе.)
Остаётся объяснить еще то, что удельное электросопротивление полупроводников при повышении температуры падает, а проводников - растёт. Казалось бы, чем выше температура, то и полупроводниках и в проводниках концентрация свободных электронов растёт, а поэтому падает и удельное электросопротивление.
Но не тут-то было, для проводников! Ибо для них возникает еще одно явление: "испарение" свободных электронов из проводникового тела. Ибо свободные электроны, подойдя к поверхности тела, имеют шанс покинуть тело, а поэтому понизить концентрацию свободных электронов в нём, а значит и повысить его удельное электросопротивление. (причём значительно больше, чем засчёт повышения концентрации свободных электронов вследствие повышения их энергии в атоме.)
И это всё благодаря тому, что энергия связи электрона с ядром в металлах очень мала. В металлоидах же испарения электронов из тела нет, по крайней мере в зоне не очень высоких температур, т.к. энергия связи валентных электронов с ядром в них больше, чем в чистых металлах.
Да, вот еще вопрос: а почему в металлах нет дырок? (то есть атомов, потерявших по праву принадлежащий им электрон)
На самом деле это неверно, т.к. в металлах "дырки" (то есть положительные ионы) есть. (ведь как без этого, если от атома отделить электрон? Который только и станет свободным.) Другое дело, что нет движения этих дырок, ибо нет ни одного атома, не превратившегося в дырку. Тогда как в полупроводниках такие атомы есть. Вот поэтому в них и возникает так называемое (виртуальное) движение "дырок". Почему так называемое? Да потому что дырка - это не атом и даже не ион, это отсутствие электрона в данном атоме. А поэтому движение "дырок" - аналогично движению света по дорожке из лампочек.
Но остался еще один вопрос: чем металлоид отличается от полупроводника?
В отличие от полупроводников полуметаллы обладают электрической проводимостью вблизи абсолютного нуля температуры, в то время как полупроводники (тем более диэлектрики) в этих условиях — изоляторы.
Но это - не важно для химии, поэтому принимаем, что полуметаллы=полупроводники=амфотеры.
Отсюда и выходит 3х-, а не 2х-зонная классификация ...нет, не элементов, а атомов с конкретной валентностью (и, возможно, встроенных в конкретную аллотропную модификацию)
Итак, классификация такова: металлы, амфотеры, неметаллы.
Следовательно, необходимо так скорректировать данные выше определения:
Металл – тип атома конкретной валентности, электроотрицательность которого менее 1.55.(марганец)
Неметалл - тип атома с конкретной валентностью, электроотрицательность которого более 2.54.(золото)
Амфотер – тип атома с конкретной валентностью, электроотрицательность которого находится в пределах от 1.55 (Марганец) до 2.54 (Золото)
**
Найдём, где же находится центр амфотеров, найдя электроотрицательность этого элемента.
А именно, так (x(Mn)+x(Au))/2=(1.55+2.54)/2=2.045
Отсюда понятно, что центр амфотеров – это не водород (как хотелось бы думать)(2,10), не полоний (2,0) и не висмут (2,02), а сурьма (2,05).
То есть сурьма – это ровно настолько же металл, насколько и неметалл. То есть это «настоящий полковник» среди амфотеров. Хотя, впрочем, и водород недалёк от этой позиции. А то, что мы не признали его таковым, можно списать на погрешность расчётов.(и измерений)
А отсюда выводы: висмут (2,02), германий (2,01), полоний (2,0) – скорее металлы, чем неметаллы. Чего не скажешь о теллуре (2,1) и водороде (2,1), это скорее неметаллы, чем металлы.