5 Grundlegende Eigenschaften von Nichtmetallen

Ein einfaches Periodensystem mit Atomsymbol und Ordnungszahl. Credit: WikiCommons CC0 1.0

In der Chemie bezieht sich der Begriff „Nichtmetall“ auf Elemente und Verbindungen, die keinen metallischen Charakter haben. Obwohl sie nur 17 der 118 bekannten Elemente ausmachen, sind Nichtmetalle einige der wichtigsten Elemente, die für das Leben, wie wir es kennen, unerlässlich sind. Beispiele für Nichtmetalle sind Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff; sie alle sind die Grundbausteine organischer Verbindungen.

Im Vergleich zu den Metallen weisen die Nichtmetalle ein sehr variables Eigenschaftsspektrum auf, was ihr atomares und chemisches Verhalten betrifft. Das liegt daran, dass sich Nichtmetalle in ihren interatomaren und intermolekularen Bindungsstärken stark unterscheiden. Die meisten Nichtmetalle sind bei Standardtemperaturen und -druck eher gasförmig und haben eine geringe Dichte. Alle Nichtmetalle befinden sich auf der rechten Seite des Periodensystems im p-Block der Elemente (außer Wasserstoff). Eigenschaften, die man bei Nichtmetallen häufig findet, sind:

• für ionische/kovalente Bindungen
• spröde und nicht schmiedbar
• niedrige Schmelz-/Siedepunkte
• hohe Ionisierungsenergie und Elektronegativität
• schlechte Wärme- und Stromleiter

Diese Liste von Eigenschaften ist weder wesentlich noch vollständig. Einige Nichtmetalle haben alle diese Eigenschaften, andere haben nur wenige. Graphit, zum Beispiel, ist eine Nichtmetallverbindung, die ein sehr guter elektrischer Leiter ist und in elektronischen Geräten verwendet wird. Polymere wie Kunststoffe sind kovalent gebundene Molekülketten, die formbar sind.

Arten von Nichtmetallen

Generell werden Nichtmetalle in zwei Kategorien unterteilt: reaktive Nichtmetalle und Halogene. Reaktive Nichtmetalle neigen dazu, mehr Variationen in ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften zu zeigen. Einige, wie Kohlenstoff und Schwefel, sind bei Raumtemperatur fest und weniger elektronegativ. Andere, wie Sauerstoff, sind bei Raumtemperatur gasförmig und sehr elektronegativ. Zu den reaktiven Nichtmetallen gehören auch die Halogene – Elemente der Gruppe 17 des Periodensystems. Alle Halogene haben eine Valenzschale von 7 Elektronen, so dass sie extrem reaktiv sind und leicht negative Ionen bilden können. Die verschiedenen reaktiven Nichtmetalle sind:

• Wasserstoff (H)
• Kohlenstoff (C)
• Stickstoff (N)
• Sauerstoff (O)
• Phosphor (P)
• Schwefel (S)
• Selenium (Se)

Die Halogene sind:

• Fluor (F)
• Chlor (Cl)
• Brom (B)
• Jod (I)
• Astat (As)

Im Gegensatz dazu zeichnen sich die Edelgase durch ihr inertes chemisches Verhalten aus. Edelgase haben eine volle Valenzschale von 8 Elektronen, so dass sie in einer sehr stabilen Elektronenkonfiguration vorliegen. Als solche reagieren Edelgase typischerweise nicht mit anderen Elementen zu Verbindungen. Die Edelgase sind:

• Helium (He)
• Neon (Ne)
• Argon (Ar)
• Krypton (Kr)
• Xenon (Xe)
• Radon (Rn)
• Element 118 (Oganesson Og)

5 Eigenschaften der Nichtmetalle

Bildet kovalente/ionische Bindungen

Eine der wichtigsten Eigenschaften der Nichtmetalle ist, dass sie chemische Verbindungen bilden, indem sie kovalente und ionische Bindungen eingehen. Bei kovalenten Bindungen teilen sich zwei Elemente Valenzelektronen, bis sie eine vollständige Schale haben. Zu den alltäglichen kovalenten Verbindungen gehören Kohlendioxid, Ethanol (Alkohol), Glukose und Tetrachlorkohlenstoff. Elemente in kovalenten Verbindungen teilen sich Elektronen, so dass sie jeweils eine stabile Elektronenkonfiguration erreichen können. Kovalente Verbindungen neigen dazu, die meisten Variationen in ihrer Molekülgeometrie zu zeigen. Kovalente Verbindungen nehmen eine Form an, die den Grad der elektrostatischen Abstoßung zwischen den Elektronenpaaren minimiert. Kovalente Bindungen bilden sich normalerweise zwischen zwei Nichtmetallen.

Im Gegensatz dazu bilden sich ionische Bindungen eher zwischen Nichtmetallen und Metallen. Bei Ionenbindungen nimmt ein Element Elektronen von einem anderen auf, wodurch ein Kation und ein Anion entstehen. Entgegengesetzt geladene Ionen ziehen sich gegenseitig an und verklumpen, um ionische Verbindungen zu bilden. Häufige ionische Verbindungen sind Kochsalz, Carbonat, Sulfat und Kaliumchlorid. Ionische Bindungen bilden sich meist zwischen Elementen, die sich in ihren Elektronegativitäten stark unterscheiden (ΔEN > 2.0). Die meisten ionischen Verbindungen ordnen sich in einer periodischen Struktur von Ionen an, die als Gitter bekannt ist.

Spröde

Die meisten kovalenten und ionischen Verbindungen aus Nichtmetallen neigen dazu, spröde zu sein und zu zerbrechen, wenn eine ausreichend große Kraft angewendet wird. Im Gegensatz zu Metallen sind Nichtmetallverbindungen nicht verformbar und dehnbar. Die meisten Nichtmetallverbindungen können nicht über einen bestimmten Punkt hinaus verformt werden, ohne zu brechen und verlieren ihre Festigkeit, wenn sie geformt werden.

Nichtmetallische Verbindungen neigen aufgrund der Art ihrer ionischen und kovalenten Bindungen dazu, spröde zu sein. Sowohl bei ionischen als auch bei kovalenten Bindungen werden Elektronen geteilt/eingefangen. Beide Arten von Verbindungen ordnen sich so an, dass elektrostatische Abstoßungen minimiert werden. Zum Beispiel sind in einer ionischen Verbindung positive und negative Atome in einer engen Kristallstruktur mit positiven Ionen, die zu negativen Ionen ausgerichtet sind, an ihrem Platz eingeschlossen. Die Anwendung einer Kraft kann die Ausrichtung der Ionen verschieben, so dass sich die positiven mit den positiven und die negativen mit den negativen Ionen ausrichten. Die Abstoßung führt dazu, dass die Verbindung bricht.

Auch bei kovalenten Bindungen müssen Elektronen und Atome in einer bestimmten Weise angeordnet sein. Die Anwendung einer mechanischen Kraft stört diese Anordnung, wodurch die Verbindung bricht. Im Gegensatz dazu können sich metallische Bindungen aufgrund ihrer delokalisierten Elektronenbindungen bewegen und aneinander vorbeigleiten. Deshalb sind Metalle dehnbar und verformbar, sie können ihre atomare Struktur verändern, ohne ihre chemischen Bindungen zu brechen.

Niedrige Schmelz-/Siedepunkte

Es stimmt nicht, dass alle Nichtmetallverbindungen niedrige Schmelz- und Siedepunkte haben. Salz zum Beispiel hat einen Schmelzpunkt von 801 °C, was sehr hoch ist. Im Vergleich zu Metallen haben nichtmetallische Verbindungen jedoch relativ niedrige Schmelz- und Siedepunkte. Niedrige Schmelz- und Siedepunkte erklären, warum die meisten Nichtmetalle bei Raumtemperatur gasförmig sind.

Nichtmetallverbindungen, insbesondere kovalente Verbindungen, haben niedrige Schmelz- und Siedepunkte aufgrund ihrer relativ schwachen intermolekularen Wechselwirkungen. Das Phasenverhalten eines Stoffes wird durch die Stärke seiner intermolekularen Bindungen bestimmt. Metalle haben sehr hohe Schmelz- und Siedepunkte, weil sie sehr starke intermolekulare Anziehungskräfte besitzen. Kovalente Verbindungen hingegen haben keine starken zwischenmolekularen Anziehungen. Das liegt daran, dass die meisten kovalenten Moleküle elektrisch neutral sind und daher ihre Nachbarn nicht anziehen, zumindest nicht in dem Maße, wie es bei Metallen der Fall ist.

Ionische Verbindungen haben höhere Schmelz-/Siedepunkte als kovalente Verbindungen, aber immer noch weniger als die von Metallen. Das Erhitzen einer ionischen Verbindung erhöht die kinetische Energie der Teilchen. Über einen bestimmten Schwellenwert hinaus überwindet die kinetische Energie die elektrostatische Anziehung und die Gitterstruktur löst sich auf. Im Gegensatz dazu haben Metalle sehr hohe Schmelz-/Siedepunkte, weil ihre Atome ihren Platz wechseln können, ohne chemische Bindungen zu brechen.

Hohe Ionisierungsenergie/Elektronegativität

Nichtmetalle neigen dazu, hohe Ionisierungsenergien zu haben. Dies bedeutet, dass es schwierig ist, Elektronen aus Nichtmetallatomen zu entfernen. Nichtmetalle haben hohe Ionisierungsenergien, weil ihre Kerne im Vergleich zu ihren vollen Elektronenschalen sehr groß sind. Die großen, positiv geladenen Kerne von Atomen wie Sauerstoff und Fluor ziehen ihre Elektronen sehr stark an, wodurch sie schwer zu entfernen sind.

Der gleiche Grund erklärt auch, warum Nichtmetalle tendenziell elektronegativer sind als Metalle. Die positiv geladenen Kerne der Nichtmetalle üben eine starke Anziehungskraft auf die Elektronen aus, stark genug, um sie manchmal aus benachbarten Atomen zu entfernen. Im Allgemeinen gilt, je weiter man im Periodensystem nach links geht, desto höher werden die Ionisierungsenergien und Elektronegativitäten.

Schlechte Wärme- und Stromleiter

Nichtmetalle sind auch relativ schlechte Wärme- und Stromleiter, obwohl es einige Ausnahmen gibt. Der Grund, warum Nichtmetalle schlechte Leiter sind, hängt mit dem Grund zusammen, warum Metalle vergleichsweise gute Leiter sind. Metalle leiten Wärme gut, weil sie viel kinetische Energie aufnehmen können, ohne ihre Bindungen zu brechen. Nichtmetalle hingegen benötigen eine feste Anordnung der Atome, um stabil zu bleiben, so dass zu viel kinetische Energie ihre Bindungen überwindet. Metalle sind gute Stromleiter, weil sie zahlreiche offene Orbitale haben, durch die sich Elektronen bewegen können. Nichtmetalle neigen dazu, volle Orbitale zu haben, so dass die Elektronen keinen Platz haben, wo sie hingehen können, wenn sie einer Spannung ausgesetzt werden.

Der kuriose Fall von Wasserstoff: Metall oder Nichtmetall?

Gemeinsam wird das allererste Element Wasserstoff als Nichtmetall klassifiziert. Allerdings hat Wasserstoff eine sehr einzigartige Mischung von Eigenschaften, die es schwer machen, ihn als Metall oder Nichtmetall zu klassifizieren. Zum Beispiel geht Wasserstoff kovalente Bindungen ein und existiert natürlich als Gas, wie ein Nichtmetall. Allerdings gibt Wasserstoff auch gerne sein einzelnes Elektron ab, um positiv geladene Ionen zu bilden – eine Eigenschaft, die man sonst nur bei Metallen findet. Die einzigartige Mischung von Eigenschaften des Wasserstoffs ist ein Ergebnis seiner sehr einfachen atomaren Struktur.

Im Jahr 1935 sagten die Physiker Eugene Wigner und Hillard Huntington voraus, dass Wasserstoff bei extrem hohen Temperaturen und Drücken zu einer metallischen Flüssigkeit oder einem Feststoff kondensieren würde. Diese exotische Phase des Wasserstoffs soll sich wie ein Metall verhalten und ein sehr guter Leiter für Wärme und Elektrizität sein. Bisher wurde Wasserstoff nur in seinem gasförmigen Zustand beobachtet, obwohl man glaubt, dass flüssiger metallischer Wasserstoff in den Kernen von Gasriesenplaneten wie Jupiter oder Saturn existieren könnte. Ein dichter Kern aus flüssigem metallischem Wasserstoff würde die extrem starken Magnetfelder der Gasriesen erklären, die im Widerspruch zu den klassischen Vorhersagen stehen.

Zusammenfassend ist ein Nichtmetall eine Chemikalie, die durch das Fehlen metallischer Eigenschaften gekennzeichnet ist. Nichtmetalle sind bei Raumtemperatur typischerweise gasförmig oder flüssig und werden in die reaktiven Nichtmetalle und Edelgase unterteilt. Nichtmetalle gehen kovalente Bindungen ein, bilden spröde, zerbrechliche Verbindungen, haben niedrige Schmelz-/Siedepunkte, haben hohe Ionisierungsenergien und Elektronegativität und sind schlechte Leiter für Elektrizität. Nichtmetalle sind chemisch variabler als Metalle, da sie eine relativ große Bandbreite an Atomkerngrößen und Elektronenkonfigurationen aufweisen. Alle Nichtmetalle befinden sich im p-Block des Periodensystems.