p-блок: металлоиды, галогены и благородные газы

Шесть правых столбцов периодической таблицы, группы с 13-й по 18-ю, образуют p-блок, где последний электрон попадает на p-орбиталь. В s-блоке и d-блоке одни металлы, а в p-блоке бок о бок соседствуют металлы, металлоиды и неметаллы. Углерод, азот и кислород, из которых состоят живые организмы, кремний для электроники и аргон воздуха — все живут здесь, что делает эту часть таблицы самой разнообразной.

Общая картина

Свойства в p-блоке меняются в двух направлениях.

• Слева направо: атомы всё больше склонны присоединять электроны, а не отдавать их, поэтому металлические свойства ослабевают, а неметаллические усиливаются.
• Сверху вниз: атомы становятся крупнее и легче теряют внешние электроны, поэтому металлические свойства усиливаются.

Вот почему левый нижний угол p-блока (алюминий, олово, свинец, висмут) металлический, правый верхний (азот, кислород, фтор) неметаллический, а между ними от бора вниз к астату тянется диагональная полоса металлоидов.

Число электронов на внешней оболочке следует из номера группы: три в 13-й группе (s²p¹), четыре в 14-й, пять в 15-й, шесть в 16-й, семь в 17-й и восемь в 18-й (у гелия — два).

13-я группа: группа бора

Бор — металлоид; алюминий, галлий, индий и таллий — металлы. Алюминий — самый распространённый металл земной коры. Он лёгок, а тонкая плотная оксидная плёнка защищает его от коррозии. Галлий плавится примерно при 30 °C — достаточно низко, чтобы растаять в руке, а нитрид галлия — ключевой материал синих светодиодов. Индий используется в оксиде индия-олова — прозрачном проводнике сенсорных экранов.

Вниз по 13-й группе степень окисления +1 становится устойчивее по сравнению с +3, и таллий обычно образует соединения +1. Это происходит потому, что в тяжёлых атомах внешняя пара s-электронов неохотно участвует в образовании связей — эффект, известный как эффект инертной пары.

14-я группа: группа углерода

Углерод — неметалл, кремний и германий — металлоиды, олово и свинец — металлы. Это один из самых наглядных примеров того, как одна группа охватывает весь диапазон от неметалла до металла.

Углерод может связываться сам с собой в длинные цепи и кольца, образуя остов миллионов органических соединений. В зависимости от того, как соединены атомы, чистый углерод может быть алмазом, графитом, графеном или фуллеренами — аллотропными модификациями с поразительно разными свойствами. Кремний — второй по распространённости элемент земной коры после кислорода, встречающийся в основном в виде диоксида кремния в песке и горных породах. Сверхчистые кристаллы кремния — основа компьютерных микросхем и солнечных элементов. Свинец из-за эффекта инертной пары устойчивее в состоянии +2.

15-я группа: группа азота

Азот составляет около 78 процентов объёма воздуха, но два атома в молекуле N₂ скреплены настолько прочной тройной связью, что газ довольно инертен. У фосфора несколько аллотропных модификаций, в том числе белый, красный и чёрный фосфор; белый фосфор настолько активен, что самовоспламеняется на воздухе. Азот и фосфор необходимы для ДНК и АТФ и служат главными элементами питания в удобрениях. Мышьяк и сурьма — металлоиды, висмут — металл. Мышьяк печально известен как яд, но он же входит в электронные материалы, например арсенид галлия.

16-я группа: группа кислорода (халькогены)

Кислород — самый распространённый по массе элемент и в земной коре, и в теле человека. Помимо O₂ он образует озон O₃, поглощающий ультрафиолет в стратосфере. Сера — жёлтое твёрдое вещество, встречающееся у вулканов, и сырьё для серной кислоты. Селен и теллур проявляют полуметаллические свойства, а полоний — радиоактивный металл. Название группы, халькогены, происходит от греческих слов, означающих «рождающие руды».

17-я группа: галогены

Фтор, хлор, бром, иод, астат и теннессин образуют 17-ю группу. «Галоген» означает «рождающий соль», поскольку эти элементы легко соединяются с металлами, образуя соли, например хлорид натрия.

У атома галогена семь внешних электронов, и ему нужен лишь один, чтобы достичь устойчивой конфигурации благородного газа, поэтому он сильно притягивает электроны. Внешний вид элементов закономерно меняется вниз по группе.

Молекулы вниз по группе становятся крупнее, поэтому силы между ними растут, а температуры плавления и кипения повышаются.

Реакционная способность растёт к верху группы. У фтора самая высокая электроотрицательность среди всех элементов, и он бурно реагирует даже со стеклом и водой. Реакции замещения наглядно показывают порядок. Если пропустить хлор через раствор бромида калия, выделится бром, и раствор станет оранжевым:

Cl₂ + 2KBr → 2KCl + Br₂

Бром не может вытеснить хлорид в обратном направлении. Ряд F > Cl > Br > I отражает, насколько сильно каждый элемент притягивает лишний электрон.

Галогены повсюду вокруг нас: хлор обеззараживает водопроводную воду и бассейны, фторид в зубной пасте помогает предотвращать кариес, а иод используется как антисептик и нужен для гормонов щитовидной железы. Однако сами простые вещества — газы и жидкости — токсичны и едки.

18-я группа: благородные газы

Гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон и оганесон образуют 18-ю группу. Их внешние оболочки заполнены, и долгое время считалось, что они вообще не образуют соединений; их часто называли «инертными газами».

Это убеждение рухнуло в 1962 году. Нил Бартлетт, британский химик, работавший в Канаде, обнаружил, что гексафторид платины (PtF₆) — достаточно сильный окислитель, чтобы отнять электрон у молекулы кислорода. Заметив, что первая энергия ионизации ксенона почти такая же, как у O₂, он провёл реакцию ксенона с PtF₆ и получил оранжево-жёлтое твёрдое вещество — первое соединение благородного газа. В том же году другая группа получила тетрафторид ксенона (XeF₄) прямо из ксенона и фтора. Вскоре последовали многие другие соединения ксенона, включая XeF₂, XeF₆ и оксид XeO₃, а позже было показано, что и криптон образует соединения, например KrF₂.

У более тяжёлых благородных газов атомы крупнее, а внешние электроны дальше от ядра, поэтому их энергии ионизации ниже и образование соединений становится возможным. Устойчивых нейтральных соединений гелия и неона не известно. После этих открытий группу стали называть «благородной» (очень малоактивной), а не «инертной» (совсем не реагирующей), хотя в русском языке термин «инертные газы» по-прежнему широко употребляется.

Все их применения основаны на этой низкой активности:

• Гелий: воздушные шары и дирижабли, охлаждение сверхпроводящих магнитов МРТ-томографов.
• Неон: красно-оранжевое свечение неоновых вывесок.
• Аргон: защитный газ при сварке и газ-наполнитель ламп накаливания. Составляя около 0,93 процента воздуха, это самый распространённый благородный газ.
• Криптон и ксенон: лампы высокой интенсивности, некоторые автомобильные фары и рабочее тело ионных двигателей космических аппаратов.
• Радон: радиоактивный газ, просачивающийся из почвы и горных пород и способный накапливаться в подвалах, повышая риск рака лёгких.

Ещё раз о металлоидах

Металлоиды p-блока — бор, кремний, германий, мышьяк, сурьма и теллур — сочетают металлические и неметаллические черты. Важнее всего то, что их электропроводность сильно зависит от температуры и от ничтожных количеств примесей. Добавка небольшого количества фосфора к кремнию даёт полупроводник n-типа с избытком электронов; добавка бора — полупроводник p-типа с их недостатком. Этот приём — легирование элемента 14-й группы атомами 13-й или 15-й группы — лежит в основе всех современных электронных устройств. Номера групп периодической таблицы напрямую превращаются в правила проектирования полупроводниковой техники.