Não metal - Nonmetal

Enxofre como um pó amarelo. Quando derretido e resfriado rapidamente, ele se transforma em fitas elásticas de enxofre plástico , uma forma alotrópica .

O germânio parece metálico, conduz mal a eletricidade e se comporta quimicamente como um não metal.

Cerca de 25 ml de bromo , um líquido à temperatura ambiente e um oligoelemento essencial.

Uma ampola parcialmente cheia de xenônio liquefeito, colocada dentro de um cubo de acrílico. O xenônio é um gás incolor à temperatura ambiente.

Em química , um não metal é um elemento químico que geralmente ganha um ou mais elétrons ao reagir com um metal e forma um ácido quando combinado com oxigênio e hidrogênio . À temperatura ambiente, cerca de metade são gases, um ( bromo ) é um líquido e o resto são sólidos. A maioria dos não-metais sólidos é brilhante, enquanto o bromo é colorido e os não-metais gasosos restantes são coloridos ou incolores. Os sólidos são duros e quebradiços ou moles e quebradiços, e tendem a ser maus condutores de calor e eletricidade e não têm usos estruturais (como é o caso de não metais em geral).

Não existe um acordo universal sobre quais elementos não são metais; os números geralmente variam de quatorze a vinte e três, dependendo do critério ou critérios de interesse.

Diferentes tipos de elementos não metálicos incluem, por exemplo, (i) gases nobres ; (ii) halogênios ; (iii) elementos como o silício , que às vezes são chamados de metaloides ; e (iv) vários não-metais restantes, como hidrogênio e selênio . Os últimos não têm um nome coletivo amplamente reconhecido e são daqui em diante informalmente referidos como "não-metais não classificados". Os metalóides têm uma química predominantemente (fraca) não metálica. Os não metais não classificados são moderadamente não metálicos, em uma base líquida. Halogênios, como o bromo, são caracterizados por propriedades não metálicas mais fortes e uma tendência a formar compostos predominantemente iônicos com metais. Gases nobres como o xenônio se distinguem por sua relutância em formar compostos.

A distinção entre diferentes tipos de não metais não é absoluta. As sobreposições de limite, inclusive com os metaloides, ocorrem à medida que elementos periféricos entre cada um dos tipos de não metais mostram ou começam a mostrar propriedades menos distintas, semelhantes a híbridas ou atípicas.

Embora cinco vezes mais elementos sejam metais do que não metais, dois dos não metais - hidrogênio e hélio - constituem cerca de 99% do universo observável em massa. Outro não-metal, o oxigênio, constitui quase metade da crosta terrestre , dos oceanos e da atmosfera.

Os não-metais exibem amplamente uma gama de papéis na manutenção da vida. Os organismos vivos são compostos quase inteiramente de não metais, hidrogênio, oxigênio, carbono e nitrogênio . Um uso quase universal para não metais é na medicina e produtos farmacêuticos.

Definição e elementos aplicáveis

Não existe uma definição rigorosa de um não metal. Em termos gerais, qualquer elemento sem uma preponderância de propriedades metálicas, como brilho, deformabilidade e boa condutividade elétrica, pode ser considerado um não metal. Algumas variações podem ser encontradas entre os autores quanto a quais elementos são considerados não metais.

Os quatorze elementos efetivamente sempre reconhecidos como não-metais são hidrogênio, oxigênio, nitrogênio e enxofre; os halogênios corrosivos flúor , cloro , bromo e iodo; e os gases nobres hélio, néon , argônio , criptônio , xenônio e radônio . Até outros nove elementos podem ser contados como não metais, incluindo carbono, fósforo e selênio ; e os elementos normalmente reconhecidos como metalóides, nomeadamente boro ; silício e germânio ; arsênico e antimônio ; e telúrio , elevando o total para vinte e três não-metais.

Astatine , o quinto halogênio, é freqüentemente ignorado devido à sua raridade e intensa radioatividade; aqui é considerado um metal. Os elementos superpesados copernicium (Z = 112) e oganesson (118) podem ser não-metais; seu status real não é conhecido.

Uma vez que existem 118 elementos conhecidos, em setembro de 2021, os não-metais são muitas vezes superados pelos metais.

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  Boro, mostrado aqui na sua forma de β- romboédrica fase (a sua mais termodinamicamente estável forma )

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  Carbono (como grafite ). Os elétrons de valência deslocalizados dentro das camadas de grafite conferem-lhe uma aparência metálica.

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  Ebulição do oxigênio líquido (LOX). A densidade mais alta de LOX aumenta a probabilidade de interações de excitação entre duas moléculas de O ₂ e um fóton que resultam em uma cor azul.

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  Um tubo de ensaio de flúor líquido amarelo claro em um banho criogênico . Ao contrário do oxigênio do vizinho, que é incolor como um gás, o flúor retém sua coloração amarela na forma gasosa.

Origem e uso do termo

Uma taxonomia básica da matéria que mostra a localização hierárquica de não metais. Os arranjos de classificação abaixo do nível de sólidos podem variar dependendo das propriedades em interesse. Alguns autores dividem os elementos em metais, metalóides e não metais (embora, por motivos ontológicos , qualquer coisa que não seja um metal é um não metal).

A distinção entre metais e não metais surgiu, de uma maneira complicada, de um reconhecimento bruto de tipos naturais de matéria. Assim, a matéria pode ser dividida em substâncias e misturas puras; as substâncias puras eventualmente poderiam ser distinguidas como compostos e elementos; e elementos "metálicos" pareciam ter atributos amplamente distinguíveis que outros elementos não tinham, como sua capacidade de conduzir calor ou suas " terras " ( óxidos ) para formar soluções básicas em água, cal virgem (CaO) por exemplo. O uso da palavra não metal remonta ao trabalho de Lavoisier, Traité élémentaire de chimie, de 1789, no qual ele distinguiu entre substâncias metálicas simples e não metálicas.

Aprimorando o conceito

Qualquer uma ou mais de uma gama de propriedades foram usadas para aprimorar a distinção entre metais e não metais, incluindo:

• Físico - fusibilidade , maleabilidade e ductilidade ; opacidade ; número de coordenação em massa ; potencial mínimo de excitação ; sonoridade ; estado físico ; temperatura crítica ; Razão do critério de metalicidade de Goldhammer-Herzfeld ; entalpia de vaporização ; faixa de líquido ; coeficiente de resistividade de temperatura ; condutância atômica ; eficiência de embalagem ; Condutividade elétrica 3D; condutividade elétrica em zero absoluto; condutividade térmica ;

• Químico - formação de cátions ; caráter ácido-básico dos óxidos ; formação de sulfato ; solubilidade de óxido em ácidos; ou

• Elétrico - configuração de elétrons e estrutura de banda .

Johnson observou que as propriedades físicas podem indicar melhor as propriedades metálicas ou não metálicas de um elemento, com a condição de que outras propriedades serão necessárias em vários casos ambíguos.

Kneen at al. adicionou que:

"É apenas necessário estabelecer e aplicar um critério de metalicidade ... muitas classificações arbitrárias são possíveis, a maioria das quais, se escolhidas razoavelmente, seriam semelhantes, mas não necessariamente idênticas ... a relevância do critério só pode ser avaliada pela utilidade de a classificação relacionada. "

Uma vez que uma base para distinguir entre as "duas grandes classes de elementos" é estabelecida, os não-metais são aqueles sem as propriedades dos metais, em maior ou menor grau.

Propriedades

Fisica

Fisicamente, os não-metais em suas formas mais estáveis ​​existem como sólidos poliatômicos (carbono, por exemplo) com formas abertas; moléculas diatômicas, tais como hidrogênio (um gás) e bromo (um líquido); ou gases monoatômicos (como néon). Eles geralmente têm pequenos raios atômicos. Os metais, em contraste, são quase todos sólidos e compactados e, em sua maioria, têm raios atômicos maiores. Além do enxofre, os não-metais sólidos têm uma aparência submetálica e são quebradiços , ao contrário dos metais, que são brilhantes e geralmente dúcteis ou maleáveis . Os não-metais geralmente têm densidades mais baixas do que os metais; são principalmente condutores de calor e eletricidade mais pobres ; e tendem a ter pontos de fusão e pontos de ebulição significativamente mais baixos .

As diferenças físicas entre metais e não metais surgem de forças atômicas internas e externas. Internamente, a carga nuclear de um átomo atua para manter seus elétrons de valência no lugar. Externamente, os mesmos elétrons estão sujeitos a forças de atração das cargas nucleares em átomos próximos. Quando as forças externas são maiores ou iguais à força interna, espera-se que os elétrons de valência se tornem itinerantes e as propriedades metálicas sejam previstas. Caso contrário, propriedades não metálicas são antecipadas.

Químico

Quimicamente, os não-metais têm principalmente energias de ionização mais altas , afinidades eletrônicas mais altas , valores de eletronegatividade mais altos e potenciais de redução padrão mais altos do que os metais. Aqui, e em geral, quanto mais alta a energia de ionização de um elemento, afinidade eletrônica, eletronegatividade ou potenciais de redução padrão, mais não metálico esse elemento é.

Em reações químicas, os não-metais tendem a ganhar ou compartilhar elétrons, ao contrário dos metais, que tendem a doar elétrons. Mais especificamente, e dada a estabilidade dos gases nobres, os não metais geralmente ganham um número de elétrons suficiente para dar-lhes a configuração eletrônica do seguinte gás nobre, enquanto os metais tendem a perder elétrons o suficiente para deixá-los com a configuração eletrônica do gás nobre anterior . Para elementos não metálicos, essa tendência é encapsulada pelas regras de dueto e octeto (e para metais há uma regra de 18 elétrons seguida de forma menos rigorosa ). Um atributo chave dos não-metais é que eles nunca formam óxidos básicos; seus óxidos são geralmente ácidos. Além disso, não metais sólidos (incluindo metalóides) reagem com ácido nítrico para formar um óxido (carbono, silício, enxofre, antimônio e telúrio) ou um ácido (boro, fósforo, germânio, selênio, arsênio, iodo).

As diferenças químicas entre metais e não metais surgem em grande parte da força atrativa entre a carga nuclear positiva de um átomo individual e seus elétrons de valência carregados negativamente. Da esquerda para a direita em cada período da tabela periódica, a carga nuclear aumenta à medida que o número de prótons no núcleo aumenta. Há uma redução associada no raio atômico à medida que o aumento da carga nuclear atrai os elétrons de valência para mais perto do núcleo. Nos metais, a carga nuclear é geralmente mais fraca do que nos elementos não metálicos. Na ligação química, os metais tendem a perder elétrons e formar átomos ou íons carregados positivamente ou polarizados , enquanto os não metais tendem a ganhar esses mesmos elétrons devido à sua carga nuclear mais forte e formam íons carregados negativamente ou átomos polarizados.

O número de compostos formados por não metais é vasto. Os primeiros nove lugares em uma tabela "top 20" de elementos mais freqüentemente encontrados em 8.427.300 compostos, conforme listado no registro do Chemical Abstracts Service de julho de 1987, foram ocupados por não metais. Hidrogênio, carbono, oxigênio e nitrogênio foram encontrados na maioria (mais de 64%) dos compostos. O silício, um metalóide, ficou em 10º lugar. O metal com maior pontuação, com frequência de ocorrência de 2,3%, foi o ferro, em 11º lugar. Exemplos de compostos não metálicos são: ácido bórico H
₃BO
₃, usado em esmaltes cerâmicos ; selenocisteína ; C
₃H
₇NÃO
₂Se , o 21º aminoácido da vida; sesquisulfide de fósforo (P ₄ S ₃ ), em greve em qualquer lugar corresponde ; e teflon (C
₂F
₄) _n .

Complicações

Para complicar a química dos não-metais estão as anomalias vistas na primeira linha de cada bloco da tabela periódica , particularmente no hidrogênio (boro), carbono, nitrogênio, oxigênio e flúor; periodicidade secundária ou tendências periódicas não uniformes diminuindo a maioria dos grupos do bloco p; e estados de valência incomuns nos não-metais mais pesados.

Tabela periódica destacando a primeira linha de cada bloco. O hélio, mostrado aqui sobre o berílio, no grupo 2, com base na configuração eletrônica, está normalmente localizado acima do néon no grupo 18, uma vez que as linhas de tendência físico-química resultantes descendo no grupo são mais suaves.

Anomalia na primeira linha. A anomalia da primeira linha surge em grande parte das configurações eletrônicas dos elementos em questão. O hidrogênio é conhecido pelas diferentes maneiras como forma ligações. Mais comumente, forma ligações covalentes. Ele pode perder seu único elétron de valência em solução aquosa, deixando para trás um próton vazio com tremendo poder de polarização. Em seguida, ele se liga ao par de elétrons solitário de um átomo de oxigênio em uma molécula de água, formando assim a base da química ácido-base . Um átomo de hidrogênio em uma molécula pode formar uma segunda ligação, mais fraca, com um átomo ou grupo de átomos em outra molécula. Essa ligação "ajuda a dar aos flocos de neve sua simetria hexagonal, liga o DNA em uma dupla hélice ; dá forma às formas tridimensionais das proteínas ; e até aumenta o ponto de ebulição da água alto o suficiente para fazer uma xícara de chá decente".

Do boro ao néon, como a subcamada 2p não tem análogo interno e não experimenta efeitos de repulsão de elétrons, ela tem um raio relativamente pequeno, ao contrário das subcamadas 3p, 4p e 5p de elementos mais pesados. As energias de ionização e eletronegatividades entre esses elementos são consequentemente mais altas do que seria de outra forma esperado, tendo em conta as tendências periódicas . Os pequenos raios atômicos de carbono, nitrogênio e oxigênio facilitam a formação de ligações triplas ou duplas .

Valores de eletronegatividade dos elementos de calcogênio do grupo 16 mostrando uma alternância em forma de W ou periodicidade secundária descendo no grupo

Periodicidade secundária. Imediatamente após a primeira linha dos metais de transição, os elétrons 3d na 4ª linha dos elementos da tabela periódica, ou seja, no gálio (um metal), germânio, arsênio, selênio e bromo, não são tão eficazes em proteger o aumento da carga nuclear. O resultado líquido, especialmente para os elementos do grupo 13–15, é que há uma alternância em algumas tendências periódicas que vão para os grupos 13 a 17.

Estados de valência incomuns . Os raios atômicos maiores do grupo mais pesado de 15-18 não-metais permitem números de coordenação em massa mais altos e resultam em valores de eletronegatividade mais baixos que toleram melhor cargas positivas mais altas. Os elementos envolvidos são, portanto, capazes de exibir valências diferentes das mais baixas para o seu grupo (ou seja, 3, 2, 1 ou 0), por exemplo, em pentacloreto de fósforo (PCl ₅ ), hexafluoreto de enxofre (SF ₆ ), heptafluoreto de iodo (IF ₇ ) e difluoreto de xenônio (XeF ₂ ).

Subclasses

Extrato da tabela periódica, explodido para mostrar a frequência com que os autores listam elementos como não metais:

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Embora o hidrogênio (H) seja geralmente colocado no topo do grupo 1, na extremidade esquerda do extrato, às vezes é colocado sobre F, como é o caso aqui.

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O limite transversal espesso engloba não-metais conhecidos por sua resistência moderada a alta como agentes oxidantes e que, com exceção do iodo, têm uma aparência sem brilho.

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Metais próximos são mostrados para contexto.

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A linha tracejada em forma de degrau correndo para cada lado dos seis metaloides denota que os elementos na parte inferior esquerda da linha geralmente exibem um comportamento metálico crescente e que os elementos na parte superior direita exibem um comportamento não metálico crescente. Essa linha, que pode aparecer em configurações variadas, às vezes é chamada de " linha divisória entre metais e não metais ". A linha é difusa, pois não há distinção universalmente aceita entre metais e não metais.

As abordagens para classificar não - metais podem envolver desde duas subclasses até seis ou sete. Por exemplo, a tabela periódica da Enciclopédia Britânica contém gases nobres, halogênios e outros não-metais e divide os elementos comumente reconhecidos como metaloides entre os "outros metais" e os "outros não metais"; a tabela periódica da Royal Society of Chemistry mostra os elementos não metálicos ocupando sete grupos.

Da direita para a esquerda em termos de tabela periódica, três ou quatro tipos de não metais são mais ou menos comumente discernidos. Estes são:

• os gases nobres relativamente inertes;
• um conjunto de elementos halógenos quimicamente fortes - flúor, cloro, bromo e iodo - às vezes referidos como halogênios não metálicos (o termo usado aqui) ou halogênios estáveis;
• um conjunto de não-metais não classificados, incluindo elementos como hidrogênio, carbono, nitrogênio e oxigênio, sem um nome coletivo amplamente reconhecido; e
• os metaloides não metálicos quimicamente fracos, às vezes considerados não metais e às vezes não.

Uma vez que os metalóides ocupam um território de fronteira, onde os metais encontram os não-metais, seu tratamento varia de autor para autor. Alguns os consideram separados dos metais e dos não-metais; alguns os consideram como não metais ou como uma subclasse de não metais; outros consideram alguns deles como metais, por exemplo, arsênio e antimônio devido às suas semelhanças com metais pesados . Os metalóides são tratados aqui como não metais à luz de seu comportamento químico e para fins comparativos.

Além dos metaloides, algumas imprecisões e sobreposições de limites (como ocorre com esquemas de classificação em geral) podem ser discernidas entre as outras subclasses de não metais. Carbono, fósforo, selênio, iodo delimitam os metaloides e mostram algum caráter metálico, assim como o hidrogênio. Entre os gases nobres, o radônio é o mais metálico e começa a apresentar algum comportamento catiônico, o que é incomum para um não metal.

gases nobres

Seis não-metais são classificados como gases nobres: hélio , néon, argônio, criptônio, xenônio e o radônio radioativo. Nas tabelas periódicas convencionais, eles ocupam a coluna mais à direita. Eles são chamados de gases nobres devido à sua reatividade química caracteristicamente muito baixa .

Eles têm propriedades muito semelhantes, sendo todos incolores, inodoros e não inflamáveis. Com suas conchas de valência fechadas, os gases nobres têm forças de atração interatômicas fracas, resultando em pontos de fusão e ebulição muito baixos. É por isso que todos eles são gases em condições padrão , mesmo aqueles com massas atômicas maiores do que muitos elementos normalmente sólidos.

Quimicamente, os gases nobres têm energias de ionização relativamente altas, afinidades eletrônicas nulas ou negativas e eletronegatividades relativamente altas. Os compostos dos gases nobres chegam às centenas, embora a lista continue a crescer, com a maioria deles ocorrendo via oxigênio ou flúor combinados com criptônio, xenônio ou radônio.

Em termos de tabela periódica, uma analogia pode ser traçada entre os gases nobres e metais nobres como platina e ouro, com o último sendo igualmente relutante em entrar em combinação química.

Halogênios não metálicos

Embora os halogênios não metálicos sejam corrosivos e elementos marcadamente reativos, eles podem ser encontrados em compostos inócuos como o sal de mesa comum NaCl. Sua notável atividade química como não-metais pode ser contrastada com a igualmente notável atividade química dos metais alcalinos , como sódio e potássio, localizados na extremidade esquerda da tabela periódica.

Fisicamente, o flúor e o cloro são gases amarelo claro e verde amarelado; o bromo é um líquido marrom-avermelhado; e o iodo é um sólido metálico prateado. Eletricamente, os três primeiros são isolantes, enquanto o iodo é um semicondutor (ao longo de seus planos).

Quimicamente, eles têm altas energias de ionização, afinidades eletrônicas e valores de eletronegatividade, e são principalmente agentes oxidantes relativamente fortes . As manifestações desse status incluem sua natureza intrinsecamente corrosiva. Todos os quatro exibem uma tendência de formar compostos predominantemente iônicos com metais, enquanto os não-metais restantes, oxigênio em barra, tendem a formar compostos predominantemente covalentes com metais. A natureza reativa e fortemente eletronegativa dos halogênios não metálicos representa o epítome do caráter não metálico.

Em termos de tabela periódica, as contrapartes dos halogênios altamente não metálicos, no grupo 17, são os metais alcalinos altamente reativos, como sódio e potássio, no grupo 1.

Não-metais não classificados

Depois que os elementos não metálicos são classificados como gases nobres, halogênios ou metaloides (a seguir), os sete não metais restantes são hidrogênio, carbono, nitrogênio, oxigênio, fósforo, enxofre e selênio. Três são gases incolores (H, N, O); três têm aparência de metal (C, P, Se); e um é amarelo (S). Eletricamente, o carbono grafítico é um semimetal (ao longo de seus planos); fósforo e selênio são semicondutores; e hidrogênio, nitrogênio, oxigênio e enxofre são isolantes.

Eles são geralmente considerados muito diversos para merecer um exame coletivo e foram referidos como outros não-metais , ou mais simplesmente como não-metais , localizados entre metaloides e halogênios. Conseqüentemente, sua química tende a ser ensinada de forma díspar, de acordo com seus quatro respectivos grupos da tabela periódica , por exemplo: hidrogênio no grupo 1; o grupo 14 não-metais de carbono (carbono e possivelmente silício e germânio); o grupo 15 não-metais pnictogênicos (nitrogênio, fósforo e, possivelmente, arsênio e antimônio); e o grupo 16 calcogênio não-metais (oxigênio, enxofre, selênio e possivelmente telúrio). Outras subdivisões são possíveis de acordo com as preferências individuais dos autores.

O hidrogênio, em particular, se comporta em alguns aspectos como um metal e em outros como um não metal. Como um metal, pode (primeiro) perder seu único elétron de valência; pode representar metais alcalinos em estruturas típicas de metal alcalino; e é capaz de formar hidretos semelhantes a ligas , apresentando ligações metálicas, com alguns metais de transição . Por outro lado, é um gás diatômico isolante, como um não-metal típico, e em reações químicas mais gerais, tem tendência a atingir a configuração eletrônica do hélio. Ele faz isso por meio da formação de uma ligação covalente ou iônica ou, caso tenha perdido seu elétron de valência, ligando-se a um único par de elétrons.

Alguns ou todos esses não-metais, no entanto, têm várias propriedades compartilhadas. Seu caráter físico e químico é "moderadamente não metálico", em uma base líquida. Por serem menos reativos que os halogênios, a maioria deles, exceto o fósforo, pode ocorrer naturalmente no meio ambiente. Eles têm aspectos biológicos e geoquímicos proeminentes . Quando combinados com halogênios, os não-metais não classificados formam ligações covalentes (polares). Quando combinados com metais, eles podem formar compostos duros ( intersticiais ou refratários ), em vista de seus raios atômicos relativamente pequenos e valores de energia de ionização suficientemente baixos. Ao contrário dos halogênios, os não-metais não classificados mostram uma tendência a catenar , especialmente em compostos de estado sólido. Relações diagonais entre esses não-metais refletem relações semelhantes entre os metaloides.

Em termos de tabela periódica, uma analogia geográfica é vista entre os não-metais não classificados e os metais de transição. Os não-metais não classificados ocupam um território entre os halogênios fortemente não metálicos à direita e os metaloides fracamente não metálicos à esquerda. Os metais de transição ocupam território, "entre os metais 'virulentos e violentos' à esquerda da tabela periódica e os metais 'calmos e satisfeitos' à direita ... [e] ... formam" uma ponte de transição entre os dois".

Metalóides

Os seis elementos mais comumente reconhecidos como metalóides são boro, silício, germânio, arsênio, antimônio e telúrio, cada um com uma aparência de metal. Em uma tabela periódica padrão, eles ocupam uma área diagonal no bloco p que se estende do boro no canto superior esquerdo ao telúrio no canto inferior direito, ao longo da linha divisória entre metais e não metais mostrada em algumas tabelas periódicas.

Eles são frágeis e condutores justos de eletricidade e calor. Boro, silício, germânio, telúrio são semicondutores. O arsênio e o antimônio têm as estruturas de banda eletrônica dos semimetais, embora ambos tenham alótropos semicondutores menos estáveis .

Quimicamente, os metalóides geralmente se comportam como não metais (fracos). Entre os elementos não metálicos, eles tendem a ter as menores energias de ionização, afinidades eletrônicas e valores de eletronegatividade; e são agentes oxidantes relativamente fracos. Eles demonstram ainda uma tendência para formar ligas com metais.

Como o hidrogênio entre os não-metais não classificados, o boro é quimicamente semelhante aos metais em alguns aspectos. Ele tem menos elétrons do que orbitais disponíveis para ligação. Analogias com metais de transição ocorrem na formação de complexos e adutos (por exemplo, BH ₃ + CO → BH ₃ CO e, da mesma forma, Fe (CO) ₄ + CO → Fe (CO) ₅ ), bem como na geometria e estruturas eletrônicas de espécies de cluster , como [B ₆ H ₆ ] ²⁻ e [Ru ₆ (CO) ₁₈ ] ²⁻ .

À esquerda dos metalóides fracamente não metálicos, em termos da tabela periódica, é encontrado um conjunto indeterminado de metais fracamente metálicos (como estanho , chumbo e bismuto ), às vezes referido como metais pós-transição .

Comparação

As propriedades dos metais e das (sub) classes de metalóides, não metais não classificados, halogênios não metálicos e gases nobres estão resumidas nas duas tabelas a seguir. As propriedades físicas se aplicam aos elementos em suas formas mais estáveis ​​em condições ambientais, a menos que especificado de outra forma, e são listadas em ordem vaga de facilidade de determinação. As propriedades químicas são listadas de gerais a específicas e, a seguir, às descritivas. A linha tracejada ao redor dos metaloides denota que, dependendo do autor, os elementos envolvidos podem ou não ser reconhecidos como uma classe ou subclasse distinta de elementos. Os metais são incluídos como um ponto de referência.

Fisica

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  O fósforo branco é a forma menos estável e mais reativa. É o alótropo de fósforo mais comum, industrialmente importante e facilmente reproduzível e, por essas três razões, é considerado o estado padrão do elemento.

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  Cristais de fósforo negro , a forma mais estável, em uma ampola selada

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  Um pequeno pedaço de argônio sólido que derrete rapidamente. É o terceiro gás mais abundante na atmosfera da Terra , depois do nitrogênio e do oxigênio.

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  Os cristais de iodo sob luz branca têm um brilho metálico.

Químico

Alótropos

A maioria dos elementos não metálicos existe em formas alotrópicas. O carbono, por exemplo, ocorre como grafite e como diamante. Esses alótropos podem exibir propriedades físicas que são mais metálicas ou menos não metálicas.

Entre os halogênios não metálicos e não metais não classificados:

• O iodo é conhecido em uma forma amorfa semicondutora .
• Grafite, o estado padrão do carbono, é um condutor elétrico bastante bom. O diamante alótropo de carbono é claramente não metálico, sendo translúcido e um condutor elétrico extremamente pobre. O carbono é ainda conhecido em várias outras formas alotrópicas, incluindo buckminsterfullereno semicondutor (C ₆₀ ).
• O nitrogênio pode formar tetranitrogênio gasoso (N ₄ ), uma molécula poliatômica instável com vida útil de cerca de um microssegundo.
• O oxigênio é uma molécula diatômica em seu estado padrão; também existe como ozônio (O ₃ ), um alótropo não metálico instável com meia-vida de cerca de meia hora.
• O fósforo, exclusivamente, existe em várias formas alotrópicas que são mais estáveis ​​do que em seu estado padrão como fósforo branco (P ₄ ). Os alótropos branco , vermelho e preto são provavelmente os mais conhecidos; o primeiro é um isolante; os dois últimos são semicondutores. O fósforo também existe como difósforo (P ₂ ), um alótropo diatômico instável.
• O enxofre tem mais alótropos do que qualquer outro elemento. O enxofre amorfo , uma mistura metaestável desses alótropos, é conhecido por sua elasticidade.
• O selênio tem vários alótropos não metálicos, todos muito menos condutores de eletricidade do que seu estado padrão de selênio "metálico" cinza.

Todos os elementos mais comumente reconhecidos como metalóides formam alótropos. O boro é conhecido em várias formas cristalinas e amorfas . A descoberta de uma molécula alotrópica quase esférica, o borosfereno (B ₄₀ ), foi anunciada em 2014. Mais recentemente, o silício era conhecido apenas em suas formas cristalina e amorfa. A síntese de um alótropo ortorrômbico , Si ₂₄ , foi subsequentemente relatada em 2014. A uma pressão de c. 10-11 GPa, o germânio se transforma em uma fase metálica com a mesma estrutura tetragonal do estanho; quando descomprimido - e dependendo da velocidade de liberação da pressão - o germânio metálico forma uma série de alótropos que são metaestáveis em condições ambientais. O arsênico e o antimônio formam vários alótropos bem conhecidos (amarelo, cinza e preto). O telúrio é conhecido em suas formas cristalina e amorfa.

Outras formas alotrópicas de elementos não metálicos são conhecidas, sob pressão ou em monocamadas . Sob pressões suficientemente altas, pelo menos metade dos elementos não metálicos que são semicondutores ou isolantes, começando com fósforo a 1,7 GPa, foram observados para formar alótropos metálicos. Formas bidimensionais de camada única de não metais incluem borofeno (boro), grafeno (carbono), siliceno (silício), fosforeno (fósforo), germaneno (germânio), arseneno (arsênico), antimoneno (antimônio) e telureno (telúrio), coletivamente referido como " xenes ".

Abundância, ocorrência, extração e custo

Abundância

Estima-se que o hidrogênio e o hélio representem aproximadamente 99% de toda a matéria comum do universo e mais de 99,9% de seus átomos. O oxigênio é considerado o próximo elemento mais abundante, em c. 0,1%. Acredita-se que menos de 5% do universo seja feito de matéria comum, representada por estrelas, planetas e seres vivos. O equilíbrio é feito de energia escura e matéria escura , ambas mal compreendidas atualmente.

Hidrogênio, carbono, nitrogênio e oxigênio constituem a maior parte da atmosfera terrestre, oceanos, crosta e biosfera ; os não-metais restantes têm abundância de 0,5% ou menos. Em comparação, 35% da crosta é formada pelos metais sódio , magnésio , alumínio , potássio e ferro ; junto com um metalóide, o silício. Todos os outros metais e metalóides têm abundância na crosta, nos oceanos ou na biosfera de 0,2% ou menos.

Ocorrência

gases nobres

Cerca de 10 a ¹⁵ toneladas de gases nobres estão presentes na atmosfera terrestre. O hélio também é encontrado no gás natural em até 7%. O radônio se difunde ainda mais a partir das rochas, onde é formado durante a seqüência natural de decomposição do urânio e do tório . Em 2014, foi relatado que o núcleo da Terra pode conter c. 10 ¹³ toneladas de xenônio, na forma de compostos intermetálicos estáveis ​​XeFe ₃ e XeNi ₃ . Isso pode explicar porque "estudos da atmosfera da Terra mostraram que mais de 90% da quantidade esperada de Xe se esgotou."

Halogênios não metálicos

Os halogênios não metálicos são encontrados em minerais relacionados ao sal. O flúor ocorre na fluorita , sendo este um mineral muito difundido. Cloro, bromo e iodo são encontrados em salmouras . Excepcionalmente, um estudo de 2012 relatou a presença de 0,04% de flúor nativo ( F
₂) por peso na antozonita , atribuindo essas inclusões à radiação da presença de pequenas quantidades de urânio .

Não-metais não classificados

Carbono como diamante , mostrado aqui na forma nativa. O carbono diamantina é termodinamicamente menos estável do que o carbono grafítico.

Não-metais não classificados ocorrem normalmente em formas elementares (oxigênio, enxofre) ou são encontrados em associação com qualquer um desses dois elementos.

• O hidrogênio ocorre nos oceanos do mundo como um componente da água e no gás natural como um componente do metano e do sulfeto de hidrogênio .
• O carbono, assim como o grafite, ocorre principalmente em rochas de silicato metamórfico como resultado da compressão e aquecimento de compostos de carbono sedimentares .
• O oxigênio é encontrado na atmosfera; nos oceanos como um componente da água; e na crosta como minerais óxidos .
• Minerais fósforo são comuns, geralmente como fósforo-oxigênio fosfatos .
• O enxofre elementar pode ser encontrado perto de fontes termais e regiões vulcânicas em muitas partes do mundo; minerais sulfurados são generalizada, geralmente como sulfuretos ou oxigénio-enxofre sulfatos .
• O selênio ocorre em minérios de sulfeto de metal, onde substitui parcialmente o enxofre; selênio elementar é encontrado ocasionalmente.

Metalóides

Os metalóides tendem a ser encontrados em formas combinadas com oxigênio ou enxofre ou, no caso do telúrio, ouro ou prata. O boro é encontrado em minerais de borato de boro-oxigênio, incluindo em águas de nascentes vulcânicas. O silício ocorre na sílica mineral silício-oxigênio (areia). Germânio, arsênio e antimônio são encontrados principalmente como componentes de minérios sulfetados . O telúrio ocorre em minerais teluretos de ouro ou prata. Formas nativas de arsênio, antimônio e telúrio foram relatadas.

Extração

Não metais e metalóides são extraídos em suas formas brutas de:

• salmoura - cloro, bromo, iodo;
• ar líquido - nitrogênio, oxigênio, néon, argônio, criptônio, xenônio;
• minerais - boro ( minerais de borato ); carbono (carvão; diamante; grafite); flúor ( fluorita ); silício ( sílica ); fósforo (fosfatos); antimônio ( estibnita , tetraedrita ); iodo (em iodato de sódio e iodeto de sódio );
• gás natural - hidrogênio, hélio, enxofre; e
• minérios , como subprodutos do processamento - germânio ( minérios de zinco ); arsênio ( minérios de cobre e chumbo ); selênio, telúrio (minérios de cobre); e radônio ( minérios portadores de urânio ).

Custo

Embora os não-metais não radioativos sejam relativamente baratos, existem algumas exceções. Em julho de 2021, boro, germânio, arsênico e bromo podem custar de US $ 3-10 por grama (cf. prata em cerca de US $ 1 por grama). Os preços podem cair drasticamente se grandes quantidades estiverem envolvidas. O fósforo preto é produzido apenas em quantidades de gramas por fornecedores de butique - um único cristal produzido por transporte de vapor químico pode custar até US $ 1.000 por grama (cerca de dezessete vezes o custo do ouro); em contraste, o fósforo vermelho custa cerca de 50 centavos de dólar o grama ou US $ 227 o quilo. Até 2013, o radônio estava disponível no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia por $ 1.636 por unidade de 0,2 ml de emissão, equivalente a c. $ 86.000.000 por grama (sem indicação de desconto para grandes quantidades).

Usos compartilhados

Os usos quase universais de não metais são para acessórios domésticos; lasers e iluminação; e medicamentos e produtos farmacêuticos . Um ou dois de germânio, arsênico e / ou radônio estarão ausentes. Da mesma forma, a maioria dos metais tem usos estruturais. Na medida em que os metalóides apresentam caráter metálico, eles têm usos especiais que se estendem a (por exemplo) vidros de óxido, componentes de liga e semicondutores.

Outros usos compartilhados de diferentes subconjuntos de não metais abrangem sua presença ou usos específicos nos campos de substituições de ar (inertes); criogenia e refrigerantes ; fertilizantes ; retardadores de chama ou extintores de incêndio ; ácidos minerais ; veículos híbridos plug-in ; gases de soldagem ; e telefones inteligentes .

• 

  O ácido nítrico fumegante , aqui contaminado com dióxido de nitrogênio amarelo , é frequentemente usado na indústria de explosivos.

• 

  Um disjuntor de alta tensão que emprega hexafluoreto de enxofre (SF ₆ ) como meio de interrupção inerte (substituição de ar)

• 

  Um sistema COIL ( laser de iodo de oxigênio químico ) montado em uma variante do Boeing 747 conhecida como YAL-1 Airborne Laser

• 

  Cilindros contendo gás argônio para uso na extinção de incêndio sem danificar o equipamento do servidor do computador

Descoberta

The Alchemist Discovering Phosphorus (1771) por Joseph Wright . O alquimista é Hennig Brand ; o brilho emana da combustão do fósforo dentro do frasco.

A maioria dos elementos não metálicos só foi descoberta depois que Hennig Brand isolou o fósforo da urina em 1669. Antes disso, o carbono, o enxofre e o antimônio eram conhecidos na antiguidade , e o arsênico foi descoberto durante a Idade Média (por Albertus Magnus ). O restante foi isolado nos séculos XVIII e XIX. Hélio (1868), foi o primeiro elemento não descoberto na Terra. O radônio foi descoberto no final do século XIX.

Elementos de arsênio, fósforo e não metálicos subsequentemente descobertos foram isolados usando uma ou mais das ferramentas de químicos ou físicos, nomeadamente espectroscopia ; destilação fracionada ; detecção de radiação ; eletrólise ; adicionar ácido a um minério; combustão ; reações de deslocamento ; ou aquecimento:

• Dos gases nobres, o hélio foi detectado por meio de sua linha amarela no espectro coronal do sol e, posteriormente, pela observação das bolhas que escapavam da uranita UO ₂ dissolvida em ácido; néon através de xenônio foram obtidos por destilação fracionada de ar; e radônio radioativo foi observado emanando de compostos de tório , quatro anos após a descoberta da radiação, em 1895, por Henri Becquerel .

• Os halogênios não metálicos foram obtidos a partir de seus haletos , seja por eletrólise ; adicionar um ácido; ou deslocamento . Alguns químicos morreram como resultado de seus experimentos tentando isolar o flúor.

• Entre os não-metais não classificados, o nitrogênio foi observado no ar do qual o oxigênio foi removido; o oxigênio foi obtido por aquecimento de óxido mercuroso ; o fósforo foi liberado pelo aquecimento do hidrogenofosfato de sódio e amônio Na (NH ₄ ) HPO ₄ , encontrado na urina ; e selênio foi detectado como um resíduo em ácido sulfúrico .

• Os elementos comumente reconhecidos como metalóides foram isolados pelo aquecimento de seus óxidos ( boro , silício , arsênio , telúrio ) ou um sulfeto ( germânio ).

Veja também

• CHON
• Pressão de metalização
• Propriedades de não metais (e metalóides) por grupo

Notas

Referências

Citações

Bibliografia

Monografias

• Steudel R 2020, Chemistry of the Non-metal: Syntheses - Structures - Bonding - Applications , em colaboração com D Scheschkewitz, Berlin, Walter de Gruyter, doi : 10.1515 / 9783110578065 .

  Vinte e três não-metais, incluindo B, Si, Ge, As, Se, Te e At, mas não Sb (nem Po). Os não-metais são identificados com base em sua condutividade elétrica em zero absoluto, sendo putativamente próxima de zero, em vez de finita, como no caso dos metais. Isso não funciona para As, no entanto, que tem a estrutura eletrônica de um semimetal (como Sb).

• Halka M & Nordstrom B 2010, "Nonmetals" , Facts on File, Nova York, ISBN  978-0-8160-7367-2

  Um livro de nível de leitura 9+ cobrindo H, C, N, O, P, S, Se. Livros complementares dos mesmos autores examinam (a) os metais pós-transição (Al, Ga, In, Tl, Sn, Pb e Bi) e metalóides (B, Si, Ge, As, Sb, Te e Po); e (b) os halogênios e gases nobres.

• Woolins JD 1988, Non-Metal Rings, Cages and Clusters , John Wiley & Sons, Chichester, ISBN  978-0-471-91592-8 .

  Um texto mais avançado que cobre H; B; C, Si, Ge; N, P, As, Sb; O, S, Se e Te.

• Steudel R 1977, Chemistry of the Non-Metals: With an Introduction to Atomic Structure and Chemical Bonding , edição em inglês de FC Nachod & JJ Zuckerman, Berlin, Walter de Gruyter, ISBN  978-3-11-004882-7 .

  Vinte e três não-metais, incluindo B, Si, Ge, As, Se, Te e Po.

• Powell P & Timms PL 1974, The Chemistry of the Non-Metals , Chapman & Hall, London, ISBN  978-0-470-69570-8 .

  Vinte e dois não-metais, incluindo B, Si, Ge, As e Te. O estanho e o antimônio são mostrados como intermediários entre os metais e os não-metais; eles são mostrados posteriormente como metais ou não metais. Astatine é considerado um metal.

• Emsley J 1971, The Inorganic Chemistry of the Non-metais , Methuen Educational, London, ISBN  978-0-423-86120-4 .

  Vinte não-metais. H é colocado sobre F; B e Si são contados como não metais; Ge, As, Sb e Te são contados como metalóides.

• Johnson RC 1966, Introductory Descriptive Chemistry: Selected Nonmetals, their Properties, and Behavior , WA Benjamin, New York.

  Dezoito não metais. H é mostrado flutuando sobre B e C. Silicon, Ge, As, Sb, Te, Po e At são mostrados como semimetais. Em é mostrado posteriormente como um não metal (p. 133).

• Jolly WL 1966, The Chemistry of the Non-Metals , Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey.

  Vinte e quatro não-metais, incluindo B, Si, Ge, As, Sb, Te e At. H é colocado sobre F.

• Sherwin E & Weston GJ 1966, Chemistry of the Non-Metal Elements , Pergamon Press, Oxford.

  Vinte e três não metais. H é mostrado sobre Li e F; Germânio, As, Se e Te são mais tarde referidos como metaloides; Sb é mostrado como um não metal, mas posteriormente referido como um metal. Eles escrevem: "Embora esses elementos mais pesados ​​[Se e Te] pareçam metálicos, eles mostram as propriedades químicas de não metais e, portanto, entram na categoria de" metaloides "(p. 64).

• Phillips CSG & Williams RJP 1965, Inorganic Chemistry , vol. 1, Princípios e não metais, Oxford University Press, Clarendon.

  Vinte e três não metais, excluindo Sb, incluindo At. Um trabalho avançado para a época, apresentando a química inorgânica como o assunto difícil e complexo que era, com muitos novos insights.

• Yost DM & Russell Jr, H 1946 Systematic Inorganic Chemistry of the Fifth-and-Six-Group Nonmetallic Elements , Prentice-Hall, New York, acessado em 8 de agosto de 2021.

  Inclui telúrio como elemento não metálico.

• Bailey GH 1918, The Tutorial Chemistry, Parte 1: The Non-Metals , 4ª ed., W Briggs (ed.), University Tutorial Press, Londres.

  Quatorze não metais (excluindo os gases nobres), incluindo B, Si, Se e Te. O autor escreve que o arsênio e o antimônio se assemelham aos metais em seu brilho e condutividade de calor e eletricidade, mas que em suas propriedades químicas se assemelham aos não-metais, visto que formam óxidos ácidos e insolúveis em ácidos minerais diluídos; “tais elementos são chamados de metaloides” (p. 530).

• Appleton JH 1897, The Chemistry of the Non-Metals: An Elementary Text-Book for Schools and Colleges , Snow & Farnham Printers, Providence, Rhode Island

  Dezoito não metais: He, Ar; F, Cl, Br, I; O, S, Se, Te; N, P, As, Sb; C, Si; B; H. Néon, germânio, criptônio e xenônio são listados como elementos novos ou duvidosos. Para Sb, Appleton escreve:

"O antimônio às vezes é classificado como metal, às vezes como não metal. No caso de vários outros elementos, a questão da classificação é difícil - na verdade, a classificação é de conveniência, em certo sentido, mais do que de absoluta certeza científica. Em algumas de suas relações, especialmente em suas propriedades físicas, o antimônio se assemelha aos metais bem definidos - em suas relações químicas, ele cai no grupo que contém boro, nitrogênio, fósforo, arsênico, não metais bem definidos. " (p. 166).

• Appleton JH 1888, Manual de Química para Iniciantes: O Assunto Desenvolvido por Fatos e Princípios Extraídos Principalmente dos Não-metais , Chautauqua Press, Nova York.

  Quinze não-metais, incluindo B, Si, As, Sb e Se (os seis gases nobres não eram conhecidos; Ge só havia sido descoberto em 1886). Te é mostrado em uma lista de elementos químicos, mas não é mencionado em outro lugar.

• Gmelin L 1849, Handbook of Chemistry , vol. 2, Elementos não metálicos, H Watts (trad.), Cavendish Society, London.

  Doze não metais (então chamados de "metalóides"): H, B, C, N, O, F, P, S, Cl, Se, Br, I.

links externos

• Mídia relacionada a não metais no Wikimedia Commons