Wydrukuj Zapisz jako PDF Dodaj do ulubionych Udostępnij materiał

Substancje tworzące skorupę ziemską oraz występujące w powietrzu atmosferycznym są zbudowane z 88 pierwiastków chemicznych. Czy te same pierwiastki są składnikami ciała człowieka? Okazuje się, że około 96% masy naszego organizmu stanowią zaledwie cztery pierwiastki – niemetale: tlen, węgiel, wodór i azot. Są one składnikami wody, białek, tłuszczów, cukrów i soli. Czym są niemetale? Jakie są ich właściwości? Czy niemetale różnią się od metali?

Już wiesz
  • jakie właściwości ma materia w różnych stanach skupienia;

  • co to są symbole pierwiastków chemicznych i jak się nimi posługiwać;

  • w jaki sposób określić i rozróżnić właściwości fizyczne od chemicznych;

  • według jakich kryteriów klasyfikuje się mieszaniny;

  • jakie zasady bezpieczeństwa należy zachować w szkolnej pracowni chemicznej.

Nauczysz się
  • jakie niemetale znajdują się w układzie okresowym pierwiastków;

  • jakie jest zastosowanie niemetali w życiu codziennym;

  • planować doświadczenia pozwalające zbadać właściwości niemetali;

  • odróżniać metale od niemetali na podstawie właściwości;

  • planować doświadczenia pozwalające porównać właściwości metali i niemetali;

  • przestrzegania zasad bezpieczeństwa podczas wykonywania eksperymentów chemicznych.

iRFeoLaNNN_d5e239

1. Z jakich pierwiastków (niemetali) jest zbudowany organizm człowieka?

Organizmy żywe (w tym ciało ludzkie) są zbudowane w około 96% z czterech pierwiastków powszechnie występujących we Wszechświecie. Ich średnia masa u osoby ważącej 50 kg wynosi:

  • 32,5 kg tlenu,

  • 9,25 kg węgla,

  • 4,75 kg wodoru,

  • 1,6 kg azotu.

Średnia procentowa zawartość pierwiastków i wybrane funkcje, jakie pełnią w organizmie:

  • tlen (65%) – m.in. niezbędny do funkcjonowania mózgu, procesów oddychania i spalania w komórkach;

  • węgiel (18%) – budulec wszystkich żywych komórek;

  • wodór (10%) – wraz z tlenem tworzy wodę, która stanowi 60–80% masy organizmu, jest składnikiem m.in. białek, cukrów, tłuszczów;

  • azot (3%) – niezbędny w procesie budowy komórek, składnik białek;

  • fosfor (1%) – podobnie jak wapń (1,5%) jest składnikiem związków, z których zbudowane są zęby i kości;

w ilościach śladowych:

  • siarka – składnik paznokci i włosów;

  • jod – niezbędny do produkcji hormonów tarczycy.

RxOF7GnpQBbzc1
Źródło: Dariusz Adryan, licencja: CC BY 3.0.
Zawartość procentowa pierwiastków w organizmie

Pierwiastek

Symbol

Zawartość w organizmie [%]

tlen

O

65,0

węgiel

C

18,0

wodór

H

10,0

azot

N

3,0

wapń

Ca

1,5

fosfor

P

1,0

potas

K

0,4

siarka

S

0,3

sód

Na

0,2

magnez

Mg

0,1

iRFeoLaNNN_d5e313

2. Jakie jest położenie niemetali w układzie okresowym?

Obecnie znanych jest 118 pierwiastków chemicznych, spośród których oficjalnie uznano 114. Lewą stronę układu okresowego zajmują metale, natomiast prawą – niemetaleniemetaleniemetale. Pierwiastki te tworzą ukośną granicę, z wyjątkiem wodoru usytuowanego w lewym górnym rogu. Podział na metale i niemetale był stosowany już w czasach starożytnych. Większość pierwiastków chemicznych stanowią metale, a tylko 22 z nich to niemetale. Najbardziej znane to: siarka, węgiel, tlen, azot, wodór, fosfor, jod i chlor. Niektóre pierwiastki mogą przyjmować różne postaci, np. węgiel, który występuje w kilku odmianach m.in. jako szaroczarny grafitu i bezbarwny diament.

RNEmndhrBy3Vs1
Aplikacja interaktywna zawierająca Układ Okresowy pierwiastków, w którym kliknięcie pola z pierwiastkiem powoduje podanie wszystkich jego podstawowych właściwości fizycznych, a także krótkiej informacji na temat zastosowania. Umożliwia ona też podświetlanie wszystkich pierwiastków z danej grupy lub okresu, wyróżnienie graficzne z uwzględnieniem wybranych cech, takich jak metaliczność lub stan skupienia w warunkach normalnych. W momencie uruchomienia aplikacji domyślnie włączony jest tryb wyświetlania Metale i niemetale.
Źródło: Michał Szymczak, licencja: CC BY 3.0.
iRFeoLaNNN_d5e347

2.1. W jakim stanie skupienia występują niemetale?

Polecenie 1
  1. Wyszukaj w układzie okresowym wymienione niżej pierwiastki chemiczne, zapoznaj się z ich charakterystyką i zapisz w zeszycie informacje na temat ich stanu skupienia.

    1. tlen

    2. węgiel

    3. siarka

    4. azot

    5. brom

    6. chlor

  2. Wypisz z układu okresowego nazwy niemetali o:

    1. najniższej i najwyższej temperaturze wrzenia,

    2. największej i najmniejszej gęstości.

Ciekawostka

Odmiany alotropowe węgla
Niektóre niemetale występują w przyrodzie w kilku odmianach różniących się między sobą budową wewnętrzną. Odmiany takie nazywamy alotropowymi. W odmianach alotropowych występują również niektóre metale, np. cyna (cyna biała i cyna szara).
Znane są odmiany alotropowe węgla (np. diament, grafit, fulereny, grafen), siarki (rombowa i jednoskośna) i fosforu (biały, czerwony, fioletowy i czarny) oraz tlenu, różniące się liczbą atomów w cząsteczce (tlen O2, ozon O3, tlen czerwony O4).

RVXfygDSRnBzp1
Źródło: Tomorrow Sp. z o.o., Mstroeck (https://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY-SA 3.0.

*Więcej na temat odmian alotropowych

R1eW386JndXF11
Film rozpoczyna prezentacja czterech odmian alotropowych węgla przypominająca tę zamieszczoną na zdjęciu powyżej. Następuje zmiana ujęcia na obrazek przedstawiający grafit i schemat jego struktury cząsteczkowej. Zmiana ujęcia na zdjęcie skrawka grafenu i schematu jego płaskiej struktury cząsteczkowej. Zmiana ujęcia na zbliżenie sterty czarnych, połyskujących kryształów fulerenu. Obok prezentowany jest schemat kulistej cząsteczki składającej się z sześćdziesięciu atomów. Zmiana ujęcia na zdjęcie żółtawego diamentu i widok jego schematu budowy cząsteczkowej. Następuje zmiana ujęcia na prezentację barwnych odmian diamentów. Komentarzowi lektora towarzyszą pojawienia się kamieni o kolejno wymienianych barwach trzymanych w szczypcach. Zmiana ujęcia na zdjęcie kopalni odkrywkowej diamentów mającą postać ogromnej, lejkowatej dziury w ziemi, wzdłuż krawędzi której ciągną się drogi prowadzące w dół. Dziura jest naprawdę wielka, na jej krawędzi w oddali znajdują się maleńkie zabudowania miasteczka, osiedla lub zakładu. Następuje zmiana ujęcia na fotografię przedstawiającą maszyny wydobywcze, na pierwszym planie wielką kołową, nieco dalej mniejszą gąsienicową, a w tle stacjonarny dźwig. Zmiana ujęcia na zdjęcie dwóch mijających się ciężarówek jadących pochyłą drogą wzdłuż zbocza kopalni. W Pod górę jedzie pojazd załadowany wydobytymi skałami, a w dół zjeżdża taki sam pojazd pusty. Zmiana ujęcia na serię fotografii przedstawiających kolejne etapy obróbki urobku: mielenie, płukanie i sortowanie na pojedyncze ziarna na taśmociągu z rowkami. Zmiana ujęcia na zdjęcie mężczyzny wypłukującego diamenty w tradycyjny sposób z żółtej gliny. Zmiana na zdjęcie skały z widocznym w niej diamentem. Przy części skalnej znajduje się podpis 250 ton, a przy zatopionym w niej błyszczącym kamieniu - 0,2 grama. Zmiana ujęcia na rysunek mapy świata z zaznaczonymi złożami diamentów na wszystkich kontynentach. W miarę omawiania przez lektora ciemniejszym kolorem wyróżniane są określone państwa.
ReHMEqrdA18wu1
Zdjęcia prezentujące: siarkę, kompleks wulkanicznego Ijen w Indonezji, mapa złóż siarki w Polsce
iRFeoLaNNN_d5e431

3. Jakie właściwości mają niemetale?

Niemetale, w przeciwieństwie do metali, różnią się właściwościami. W warunkach normalnych występują w trzech stanach skupienia.

  • Najczęściej są gazami, np.:

    • tlen, azot i wodór (bezbarwnymi i bezwonnymi);

    • chlor i fluor (o zielonożółtej barwie i o ostrym zapachu);

    • hel, neon, argon (bezbarwnymi i bezwonnymi gazami szlachetnymi).

  • Rzadziej są ciałami stałymi, np.:

    • węgiel, siarka, fosfor, krzem, jod.

  • W postaci cieczy występuje jedynie brom (ciemnobrunatny o drażniącym zapachu).

Niemetale mają różne barwy. Te, które są ciałami stałymi, nie mają charakterystycznego połysku (z wyjątkiem jodu) i są kruche. Niemetale możemy opisywać, badając ich właściwości fizyczne i chemiczne oraz odczytując dane z układu okresowego pierwiastków lub tablic chemicznych.

Badanie właściwości niemetali
Doświadczenie 1
Problem badawczy

Czy niemetale mają takie same właściwości?

Hipoteza

Wybierz jedną z przedstawionych hipotez, a następnie zweryfikuj ją.

Niemetale różnią się właściwościami.
Niemetale mają podobne właściwości.

Co będzie potrzebne
  • siarka,

  • węgiel w postaci grafitu,

  • fosfor czerwony,

  • chlor,

  • *fosfor biały,

  • *brom,

  • pęseta,

  • bibuła,

  • młotek,

  • okulary ochronne.

Instrukcja
  1. Określ stan skupienia i barwę substancji.

  2. Połóż na bibule węgiel w postaci grafitu oraz kilka kryształów siarki, a następnie uderz w nie młotkiem.

Podsumowanie

Siarka to substancja krystaliczna o żółtej barwie. Jest krucha. Węgiel w postaci grafitu to kruche ciało stałe o ciemnoszarej barwie i metalicznym połysku. Fosfor czerwony to proszek ociemnoczerwonej barwie. *Fosfor biały stanowi miękką, białą masę. Ze względu na łatwość samozapłonu przechowuje się go w wodzie. Z tych samych powodów kroi się go również pod wodą. Brom to ciecz o barwie ciemnobrunatnej*. Chlor to gaz o barwie zielonożółtej.
Niemetale w temperaturze pokojowej występują w trzech stanach skupienia. Mają różne barwy.

Badanie przewodnictwa elektrycznego niemetali
Doświadczenie 2
Problem badawczy

Czy niemetale przewodzą prąd elektryczny?

Hipoteza

Wybierz jedną z przedstawionych hipotez, a następnie zweryfikuj ją.

Niemetale przewodzą prąd elektryczny.
Niemetale nie przewodzą prądu elektrycznego.

Co będzie potrzebne
  • bateria,

  • żarówka,

  • przewody elektryczne,

  • próbki niemetali, np. siarka, węgiel w postaci gafitu i diamentu.

Instrukcja
  1. W odpowiednio zmontowany obwód wstaw próbkę badanego niemetalu.

  2. Obserwuj, co się dzieje z żarówką.

Podsumowanie

Zamknięcie obwodu elektrycznego prętem grafitowym powoduje świecenie żarówki. W przypadku siarki i diamentu żarówka się nie świeci. Niemetale nie przewodzą prądu elektrycznego.
Wyjątkami są grafit, grafen oraz fosfor czarny.

R1K8nU4XW3lBi1
Umieść próbki w układzie elektrycznym, zamykając w ten sposób jego obwód. Obserwuj, kiedy żarówka się zaświeci.
Umieść próbki w układzie elektrycznym, zamykając w ten sposób jego obwód. Obserwuj, kiedy żarówka się zaświeci

Badane metale (żelazo, miedź i złoto) przewodzą prąd elektryczny (żarówka świeci się). Niemetale: węgiel w postaci grafitu oraz fosfor czarny przewodzą prąd elektryczny, siarka, fosfor czerwony i diament nie przewodzą prądu (żarówka nie świeci się).

Badanie przewodnictwa cieplnego niemetali
Doświadczenie 3
Problem badawczy

Czy niemetale przewodzą ciepło?

Hipoteza

Wybierz jedną z przedstawionych hipotez, a następnie zweryfikuj ją.

Niemetale przewodzą ciepło.
Niemetale nie przewodzą ciepła.

Co będzie potrzebne
  • statyw laboratoryjny z łapą,

  • palnik,

  • termometr cyfrowy z sondą,

  • okulary ochronne,

  • próbki niemetali: siarki, węgla (grafitu), *diamentu.

Instrukcja
  1. Zmierz temperaturę próbki, np. pręta grafitowego, kryształu siarki lub diamentu za pomocą sondy termometru cyfrowego.

  2. Ogrzewaj palnikiem jeden z końców pręta z grafitu, kryształu siarki lub diamentu przez około minutę, a następnie zmierz temperaturę na przeciwległym końcu.

    R16XzKOw4c5sY1
    Źródło: Tomorrow Sp.z o.o., licencja: CC BY 3.0.

Podsumowanie

Ogrzewanie jednego końca grafitowego pręta powoduje wzrost temperatury przeciwległego końca. Większość niemetali nie przewodzi ciepła. Wyjątki to grafit i diament, które są dobrymi przewodnikami ciepła.

RmftaI8suq0N71
Symulacja – Badanie temperatury topnienia niemetali
Wstaw próbki do pieca i włącz urządzenie. Obserwuj zachowanie się badanych próbek, zanotuj, temperatury topnienia poszczególnych niemetali
Właściwości niemetali

Niemetal (symbol)

Barwa

Stan skupienia

Połysk

Gęstość [kg/m³]

Temperatura topnienia [°C]

Temperatura wrzenia [°C]

węgiel (C) (grafit)

szaroczarna

ciało stałe

brak

2300

4000 (sublimacja)

węgiel (C) (diament)

bezbarwna

ciało stałe

brak

3500

4800 (sublimacja)

siarka (S)

żółta

ciało stałe

brak

2070

119

445

fosfor (P) (biały)

biała

ciało stałe

brak

1820

44

280

krzem (Si)

ciemnoszara

ciało stałe

metaliczny

2330

1417

3280

chlor (Cl)

zielonożółta

gaz

brak

3,2

–101

–34

brom (Br)

ciemnobrunatna

ciecz

brak

3119

–7

59,5

jod (I)

szaroczarna

ciało stałe

metaliczny

4940

114

185

R1cTKCNBpk06Y1
Prezentowany jest pokaz slajdów przedstawiający poszczególne niemetale omawiane przez lektora. Kolejno pojawia się: diament, grafit, siarka, fosfor, jod, brom, chlor i fuor.
Ciekawostka

Grafen – materiał przyszłości
Opis teoretyczny grafenu powstał już w 1947 roku, zaś w 2010 roku przyznano za jego odkrycie Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Grafen to najbardziej wytrzymały materiał w przyrodzie – sto razy mocniejszy niż stal. Doskonale przewodzi ciepło i prąd elektryczny. Ma małą gęstość, jest cienki (złożony z jednej warstwy atomów węgla) i przezroczysty. Jednym gramem grafenu można pokryć powierzchnię kilku boisk futbolowych.
W Polsce badania nad otrzymaniem wysokiej jakości grafenu trwały od 2006 roku, ale dopiero w roku 2013 osiągnięto sukces komercyjny i rozpoczęto produkcję.
Gdyby udało się wytwarzać z grafenu przedmioty codziennego użytku, zrewolucjonizowałaby one nasze życie bardziej niż krzem. Mogłyby powstać rozciągliwe i przezroczyste tablety dające się zwinąć w rulonik i włożyć do kieszeni, procesory kilkaset razy szybsze od krzemowych albo sztuczne ścięgna do wszczepiania w stawy.

R1G6LmCvwxbCi1
Źródło: Tomorrow Sp.z o.o., licencja: CC BY 3.0.
RthA6t4JPRYUE1
Zdjęcia przedstawiające: odkrywców grafenu, sposób odkrycia grafenu, strukturę grafenu, wizualizację wytrzymałości grafenu
iRFeoLaNNN_d5e684

4. Gdzie stosuje się niemetale?

Niemetale, dzięki różnorodnym właściwościom, znalazły wiele zastosowań. Są używane m.in. do produkcji nawozów sztucznych, barwników, leków, środków odkażających, materiałów wybuchowych, sztucznych ogni, a należące do nich gazy szlachetne – m.in. w technice oświetleniowej, do wypełniania neonów.
Niemetale, podobnie jak metale, odgrywają znaczącą rolę we właściwym funkcjonowaniu organizmu człowieka, np. fluor bierze udział w procesach tworzenia kości i zębów oraz zapobiega próchnicy.

Zastosowanie niemetali

Pierwiastek

Zastosowanie

wodór

paliwo rakietowe (mieszanina ciekłego wodoru z ciekłym tlenem)

paliwo w ogniwach paliwowych do samochodów

stosowany do utwardzania tłuszczów pochodzenia roślinnego

hel

ciekły – chłodziwo w reaktorach atomowych

składnik mieszaniny, którą oddychają nurkowie głębinowi

gaz do wypełniania balonów, lamp jarzeniowych (podobnie jak inne gazy szlachetne) i niektórych termometrów

węgiel

diament – po oszlifowaniu ceniony kamień jubilerski (brylant), nasadki świdrów górniczych, składnik materiałów polerskich

grafit – materiał do wyrobu elektrod, wkładów do ołówków, ognioodpornych tygli, składnik smarów

węgiel C‑14 – stosowany do datowania wieku przedmiotów w badaniach archeologicznych, pozwala ustalić wiek zabytku pochodzenia organicznego od 200 do 30 000 lat z dokładnością do 30 lat

azot

ciekły – chłodziwo do przechowywania materiału biologicznego, np. krwi, w medycynie do zamrażania kurzajek pochodzenia wirusowego

stosowany jako gaz do pakowania produktów spożywczych

związki azotu – nawozy sztuczne, materiały wybuchowe, leki

tlen

proces uzdatniania wody (ozonowanie)

butle z tlenem wykorzystywane m.in. w przemyśle (uzyskiwanie wysokich temperatur do cięcia i spawania trudno topliwych metali w procesach spalania np. acetylenu)

w medycynie

składnik paliwa pojazdów kosmicznych

fluor

związki fluoru – składnik pasty do zębów

związki fluoru – teflon: patelnie, tostery, narty, protezy stawów

związki fluoru – odzież i buty

krzem

układy scalone w urządzeniach elektronicznych, m.in. komputerach, odtwarzaczach MP3

fotoogniwa w bateriach słonecznych

składnik stali transformatorowej

fosfor

draska na pudełkach zapałek

dodatek w stopach – podwyższa ich twardość

związek fosforu – składnik napojów typu cola

siarka

proces wulkanizacji (dodawana do kauczuków w procesie produkcji gumy)

związki siarki – składnik leków

związki siarki – składnik nawozów, barwników

chlor

związki chloru – środki dezynfekujące i wybielające, np. dezynfekcja wody w basenie

związek chloru – składnik wykładzin PCW

związek chloru – fosgen gaz bojowy

związeki chloru – stosowane w fotografii

brom

związki bromu – składnik leków, barwników

związki bromu – składnik niektórych tworzyw sztucznych

związki bromu – stosowane w fotografii

jod

alkoholowy roztwór jodu (jodyna) – środek dezynfekujący w medycynie

leczenie i profilaktyka chorób tarczycy

jod i związki – stosowane w produkcji barwników oraz fotografii

R1C15DII0aiDJ1
Zastosowanie niemetali
Ciekawostka

Gazy szlachetne
Gazy szlachetne: hel, neon, argon i ksenon występują w niewielkich ilościach w powietrzu. Wykorzystywane są m.in. do napełniania żarówek i neonów, w których podczas przepływu prądu po podgrzaniu świecą charakterystycznymi barwami.

RRhDA60OoLgPO1
Barwy lamp neonowych wypełnionych helowcami
Ciekawostka

Gazy szlachetne a Deklaracja niepodległości USA
Gazy szlachetne znajdują także zastosowanie do przechowywania i eksponowania wartościowych, zabytkowych dokumentów – zapobiegają niszczeniu materiałów pod wpływem składników powietrza, głównie tlenu. Oryginał konstytucji i Deklaracji niepodległości USA przechowuje się w gablocie wypełnionej helem.

RPUtxp1iHYWYx1
Deklaracja niepodległości USA przechowywana w szczelnie zamkniętym pojemniku z helem
iRFeoLaNNN_d5e740

Podsumowanie

  • Pierwiastki chemiczne dzielimy na metale i niemetale.

  • Niemetale tworzą prawą część układu okresowego, wyjątek stanowi wodór, który znajduje się w I grupie.

  • Niemetale:

    • występują we wszystkich stanach skupienia,

    • mają różne barwy,

    • mogą mieć charakterystyczne zapachy,

    • mają różny zakres temperatur wrzenia i topnienia,

    • zazwyczaj są złymi przewodnikami prądu elektrycznego oraz złymi przewodnikami ciepła. Węgiel w postaci grafitu i grafenu oraz fosfor czarny, mimo iż są niemetalami, przewodzą prąd elektryczny oraz ciepło. Diament przewodzi tylko ciepło,

    • w większości stanowią gazy w temperaturze pokojowej.

Praca domowa
Polecenie 2.1

Przedstaw w formie tabeli porównanie właściwości metali i niemetali.

Polecenie 2.2

Sporządź notatkę na temat zastosowania niemetali w najbliższym otoczeniu.

Polecenie 2.3

Zdaj relację z wywiadu, np. z lekarzem lub dietetykiem, na temat niedoboru niemetali w organizmie.

Polecenie 2.4

Opisz zastosowania niemetali i zilustruj je, wykonując trzy zdjęcia.

iRFeoLaNNN_d5e895

Słowniczek

niemetale
niemetale

pierwiastki chemiczne, które w odróżnieniu od metali źle przewodzą prąd elektryczny (z wyjątkiem grafitu, grafenu i fosforu czarnego) i ciepło (z wyjątkiem diamentu, grafitu i fosforu czarnego); w stanie stałym są na ogół kruche, bez metalicznego połysku (z wyjątkiem jodu, krzemu, grafitu)

iRFeoLaNNN_d5e937

Zadania

Ćwiczenie 1
R1JazvdMpI99d1
zadanie interaktywne
Źródło: Małgorzata Bartoszewicz, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 2
RloeoalARIRaD1
zadanie interaktywne
Źródło: Małgorzata Bartoszewicz, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 3
RW9XHt400D6un1
zadanie interaktywne
Źródło: Małgorzata Bartoszewicz, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 4
R1ZLbIHD0tiSc1
zadanie interaktywne
Źródło: Małgorzata Bartoszewicz, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 5
RduuSY2rprkQW1
zadanie interaktywne
Źródło: Małgorzata Bartoszewicz, licencja: CC BY 3.0.