化学では、「非金属」という用語は、金属の性質を欠く元素および化合物を指します。知られている 118 の元素のうち 17 しか構成していませんが、非金属は、私たちが知っている生命にとって不可欠な最も重要な元素の一部です。非金属の例には、炭素、酸素、窒素、および水素が含まれます。これらはすべて、有機化合物の基本的なビルディング ブロックです。
金属と比較して、非金属は原子的および化学的挙動に関して非常に多様な特性を示します。これは、非金属の原子間および分子間の結合強度が大きく異なるためです。ほとんどの非金属は、標準の温度と圧力で気体になる傾向があり、密度が低くなります。すべての非金属は、元素の p ブロックの周期表の右側にあります (水素を除く)。非金属に一般的に見られる特性は次のとおりです:
- イオン/共有結合用
- もろく、順応性がない
- 低融点/低沸点
- 高いイオン化エネルギーと電気陰性度
- 熱と電気の伝導体が弱い
このプロパティのリストは必須でも網羅的でもありません。これらの特性をすべて備えた非金属もあれば、ほとんど備えていない非金属もあります。たとえば、グラファイトは非常に優れた電気伝導体であり、電子機器に使用される非金属化合物です。プラスチックなどのポリマーは共有結合した分子の鎖であり、順応性があり、形を整えることができます。
非金属の種類
一般に、非金属は次の 2 つのカテゴリに分けられます。反応性非金属 および ハロゲン .反応性の非金属は、物理的および化学的特性においてより多くの変化を示す傾向があります。炭素や硫黄のように、室温で固体であり、電気陰性度が低いものもあります。酸素のような他のものは、室温で気体であり、非常に電気陰性です。反応性非金属には、周期表の第 17 族の元素であるハロゲンも含まれます。すべてのハロゲンは 7 個の電子の原子価殻を持っているため、非常に反応性が高く、容易に負イオンを形成します。さまざまな反応性非金属は次のとおりです。
- 水素 (H)
- カーボン (C)
- 窒素 (N)
- 酸素 (O)
- リン (P)
- 硫黄 (S)
- セレン (Se)
ハロゲンは次のとおりです。
- フッ素 (F)
- 塩素 (Cl)
- 臭素 (B)
- ヨウ素 (I)
- アスタチン (As)
対照的に、希ガスは、その不活性な化学的挙動によって特徴付けられます。希ガスは 8 個の電子の完全な原子価殻を持っているため、非常に安定した電子配置で存在します。そのため、希ガスは通常、他の元素と反応して化合物を形成することはありません。希ガスは次のとおりです。
- ヘリウム (He)
- ネオン (Ne)
- アルゴン (Ar)
- クリプトン (Kr)
- キセノン (Xe)
- ラドン (Rn)
- 要素 118 (oganesson Og)
非金属の 5 つの特性
1.共有結合/イオン結合を形成
非金属の主な特徴の 1 つは、共有結合とイオン結合によって化合物を形成することです。共有結合では、2 つの元素は完全な殻を持つまで価電子を共有します。一般的な日常の共有結合化合物には、二酸化炭素、エタノール (アルコール)、ブドウ糖、および四塩化炭素が含まれます。共有結合化合物の要素は、それぞれが安定した電子配置を達成できるように電子を共有します。共有結合化合物は、その分子構造のバリエーションが最も多い傾向があります。共有結合化合物は、電子対間の静電反発の量を最小限に抑える形状をとります。共有結合は通常、2 つの非金属間で形成されます。
対照的に、イオン結合は、非金属と金属の間で形成される傾向があります。イオン結合では、ある元素が別の元素から電子を受け取り、陽イオンと陰イオンを生成します。反対に荷電したイオンは互いに引き合い、凝集してイオン化合物を形成します。一般的なイオン性化合物には、食卓塩、炭酸塩、硫酸塩、塩化カリウムなどがあります。イオン結合は、電気陰性度が大きく異なる元素間で形成される傾向があります (ΔEN> 2.0)。ほとんどのイオン性化合物は、格子として知られるイオンの周期構造に配置されます。
2.もろい
非金属から作られたほとんどの化合物共有結合およびイオン化合物は脆くなる傾向があり、十分に大きな力が加えられると粉々になります。金属とは異なり、非金属化合物は可鍛性や延性がありません。ほとんどの非金属化合物は、特定のポイントを超えると壊れずに変形できず、成形時に強度を失います.
非金属化合物は、イオン結合と共有結合の性質のために脆くなる傾向があります。イオン結合と共有結合の両方に、電子の共有/捕獲が含まれます。どちらの種類の化合物も、静電反発を最小限に抑えるように配置されています。たとえば、イオン性化合物では、正と負の原子が密な結晶構造に固定され、正イオンが負イオンに整列しています。力を加えるとイオンの配置が変化し、正が正に、負が負に整列します。反発力により、コンパウンドが破壊されます。
同様に、共有結合では、電子と原子を特定の方法で配置する必要があります。機械的な力を加えると、その配置が乱れ、化合物が破壊されます。対照的に、金属結合は、非局在化された電子結合のために移動したり、互いにすり抜けたりすることができます。これが、金属が延性があり可鍛性があり、化学結合を壊すことなく原子構造を変えることができる理由です。
3.低融点/沸点
すべての非金属化合物が融点と沸点が低いというわけではありません。たとえば、塩の融点は 801 °C と非常に高いです。ただし、金属と比較して、非金属化合物は比較的低い融点・沸点を持っています。非金属の大部分が室温で気体である理由は、融点と沸点が低いことで説明できます。
非金属化合物、特に共有結合化合物は、分子間相互作用が比較的弱いため、融点と沸点が低くなります。物質の相挙動は、分子間結合の強さによって決まります。金属は分子間引力が非常に強いため、融点と沸点が非常に高くなります。一方、共有結合化合物は分子間引力が強くありません。これは、ほとんどの共有結合分子が電気的に中性であるため、少なくとも金属ほどではなく、隣接する分子を引き付けないためです。
イオン性化合物は、共有結合性化合物よりも高い融点/沸点を持っていますが、それでも金属の融点/沸点よりは低くなります。イオン化合物を加熱すると、粒子の運動エネルギーが増加します。特定のしきい値を超えると、運動エネルギーが静電引力に打ち勝ち、格子構造が崩壊します。対照的に、金属は化学結合を壊さずに原子が移動できるため、融点/沸点が非常に高くなります。
4.高いイオン化エネルギー/電気陰性度
非金属は高いイオン化エネルギーを持つ傾向があります。これは、非金属原子から電子を取り除くことが難しいことを意味します。非金属は、電子殻の充満度に比べて核の大きさが大きいため、高いイオン化エネルギーを持っています。酸素やフッ素のような正に帯電した大きな原子核は、電子を非常に強く引き寄せるため、除去が困難になります。
同じ理由で、非金属が金属よりも電気陰性度が高くなる傾向がある理由も説明できます。非金属の正に帯電した原子核は、電子を強く引き寄せ、隣接する原子から電子を引き離すことがあります。一般に、周期表で左に行くほど、イオン化エネルギーと電気陰性度が高くなります。
5.熱と電気の伝導体
非金属はまた、いくつかの例外はありますが、熱と電気の伝導率が比較的低い傾向があります。非金属が悪い導体である理由は、金属が比較的良い導体である理由に関連しています。金属は、結合を壊すことなく多くの運動エネルギーを吸収できるため、熱をよく伝導します。対照的に、非金属は安定性を維持するために原子の固定配置を必要とするため、運動エネルギーが多すぎるとそれらの結合を克服します。金属は、電子が移動できる多数の開いた軌道を持っているため、電気の優れた導体です。非金属は完全な軌道を持つ傾向があるため、電圧が印加されたときに電子は行き場がありません。
水素の興味深い事例:金属か非金属か?
一般に、最初の要素である水素は非金属に分類されます。ただし、水素には、金属または非金属として分類することを困難にする非常にユニークな特性の組み合わせがあります。たとえば、水素は共有結合に関与し、非金属のような気体として自然に存在します。しかし、水素はその単一電子を容易に放出して正電荷を帯びたイオンを形成します。これは主に金属に見られる特性です。水素の特性のユニークな組み合わせは、その非常に単純な原子構造の結果です。
1935 年、物理学者のユージーン ウィグナーとヒラード ハンティントンは、非常に高い温度と圧力で水素が凝縮して金属の液体または固体になると予測しました。水素のこのエキゾチックな相は、金属のように振る舞い、熱と電気の非常に優れた伝導体であると予測されています。木星や土星のような巨大ガス惑星の核には、液体の金属水素が存在する可能性があると考えられていますが、現在のところ、水素は気体の状態で存在することが観察されているだけです。液体金属水素の高密度のコアは、古典的な予測と矛盾する巨大ガス惑星の非常に強力な磁場を説明するでしょう.
要約すると、非金属は、金属特性の欠如を特徴とする化学物質です。非金属は通常、室温で気体または液体であり、反応性非金属と希ガスに分けられます。非金属は、共有結合に関与し、壊れやすい化合物を形成し、融点/沸点が低く、イオン化エネルギーと電気陰性度が高く、電気の伝導性が低くなります。非金属は、原子核のサイズと電子配置の範囲が比較的広いため、金属よりも化学的に変化しやすいです。すべての非金属は、周期表の p ブロックにあります。
