4.2. Взаимодействие металлов с неметаллами

Металлы взаимодействуют с неметаллами с образованием бинарных – двухэлементных - соединений.

mМе + nЭ → Меⁿ⁺_mЭ^m-_n

металл неметалл бинарное соединение

восстановитель окислитель

Реакция может протекать самопроизвольно, если изменение свободной энергии Гиббса имеет отрицательное значение: ∆G_T < 0. Для стандартных условий это соответствует отрицательному значению стандартной энергии образования Гиббса (∆G⁰_298,обр Ме_mЭ_n) соответствующего бинарного соединения (таблица). Результат реакции зависит от восстановительной способности металла, окислительной способности неметалла и устойчивости образующегося продукта.

4.2.1. Общие тенденции изменения окислительной способности неметаллов

Восстановление неметалла проходит через следующие стадии:

Е_хим.св Е_{срод ат к е}

1/nЭ_n → Э_(газ) → Э^m-_(газ)

^{1 2}

1 стадия: разрыв химической связи между атомами неметалла в простом веществе и образование изолированных атомов в газовой фазе, сопровождается затратами энергии равными энергии химической связи (Е_хим.св). Энергия химической связи (Е_хим.св) неметалла зависит от радиуса атомов, кратности связи, структуры простого вещества неметалла. Как правило, полимерные модификации имеют большую энергию химической связи, чем молекулярные.

2 стадия: присоединение электронов к атомам неметаллов и образование изолированных простых анионов в газовой фазе сопровождается выделением (VIIА – подгруппа) или поглощением энергии, равной суммарной энергии сродства атома к электрону (Е_{срод.ат.к е})

Таблица 12. Структура и химическая активность простых веществ элементов 2 периода

Простое вещество	C(графит)	N2	O2	F2
Структура	Cn	N≡N	O=O	F–F
	Полимерная (слоистая)	молекулярная	молекулярная	молекулярная
Кратность (порядок) связи	1,5*	3	2	1
Ехим.св, кДж/моль	715,6	472,8	249,4	79
Есрод.ат.к е,эВ	-1,27	0	-1,47	-3,37
∆G0298,обр кДж/моль	CaC2 -67	Ca3N2 -369	CaO -604	CaF2 -1163
Увеличение окислительной способности неметаллов
* - каждый атом углерода образует 4 связи

В подгруппах с увеличением заряда ядра атома элемента (вертикальная периодичность в направлении сверху вниз) радиус атома увеличивается, вследствие чего энергия химической связи в аналогичных аллотропных модификациях уменьшается. Однако определяющим фактором является уменьшение для элементов одной подгруппы «сродства атомов к электрону». В подгруппах с увеличением заряда ядра атома элемента (вертикальная периодичность в направлении сверху вниз) окислительная способность неметаллов уменьшается. Для одного и того же элемента химическая активность различных аллотропных модификаций может сильно различаться. Например, фосфор белый, состоящий из молекул Р₄ чрезвычайно реакционно-способное вещество, тогда как фосфор черный – полимерная модификация - инертный.

В периодах с увеличением заряда ядра атома элемента (горизонтальная периодичность в направлении слева направо) окислительная способность неметаллов увеличивается. Это связано как с увеличением «сродства атомов к электрону», так и с уменьшением энергии химической связи в простых веществах неметаллов в результате либо уменьшения кратности связи, либо изменения структуры простого вещества от полимерной к молекулярной. Например, для элементов 2 периода (таблица 12).