5 Proprietà fondamentali dei non metalli
Una semplice tavola periodica che mostra simbolo atomico e numero atomico. Credit: WikiCommons CC0 1.0In chimica, il termine “non metallo” si riferisce a elementi e composti che non hanno un carattere metallico. Nonostante costituiscano solo 17 dei 118 elementi conosciuti, i non metalli sono alcuni degli elementi più importanti che sono essenziali per la vita come la conosciamo. Esempi di non metalli sono il carbonio, l’ossigeno, l’azoto e l’idrogeno, che sono i mattoni di base dei composti organici.
Rispetto ai metalli, i non metalli mostrano una gamma molto variabile di proprietà, in termini di comportamento atomico e chimico. Questo perché i non metalli differiscono ampiamente nella forza di legame interatomico e intermolecolare. La maggior parte dei non metalli tendono ad essere gas a temperature e pressioni standard e hanno basse densità. Tutti i non metalli si trovano a destra della tavola periodica nel blocco p degli elementi (tranne l’idrogeno). Le proprietà comunemente viste nei non metalli sono:
- per legami ionici/covalenti
- fragili e non malleabili
- bassi punti di fusione/ebollizione
- Alta energia di ionizzazione ed elettronegatività
- poco conduttori di calore ed elettricità
Questa lista di proprietà non è né essenziale né esaustiva. Alcuni non metalli hanno tutte queste proprietà, altri ne hanno pochissime. La grafite, per esempio, è un composto non metallico che è un ottimo conduttore di elettricità ed è usato nelle apparecchiature elettroniche. I polimeri come la plastica sono catene di molecole legate covalentemente che sono malleabili e possono essere modellate.
Tipi di non metalli
Generalmente, i non metalli sono divisi in due categorie: non metalli reattivi e alogeni. I non metalli reattivi tendono a mostrare più variazioni nelle loro proprietà fisiche e chimiche. Alcuni, come il carbonio e lo zolfo, sono solidi a temperatura ambiente e sono meno elettronegativi. Altri, come l’ossigeno, sono un gas a temperatura ambiente e sono molto elettronegativi. I non metalli reattivi includono anche gli alogeni, elementi del gruppo 17 della tavola periodica. Tutti gli alogeni hanno un guscio di valenza di 7 elettroni, quindi sono estremamente reattivi e formano facilmente ioni negativi. I diversi non metalli reattivi sono:
- Idrogeno (H)
- Carbonio (C)
- Nitrogeno (N)
- Ossigeno (O)
- Fosforo (P)
- Zolfo (S)
- Selenio (Se)
Gli alogeni sono:
- Fluoro (F)
- Cloro (Cl)
- Bromo (B)
- Iodio (I)
- Astatina (As)
Al contrario, i gas nobili sono caratterizzati dal loro comportamento chimico inerte. I gas nobili hanno un guscio di valenza completo di 8 elettroni, quindi esistono in una configurazione elettronica molto stabile. Come tali, i gas nobili tipicamente non reagiscono con altri elementi per formare composti. I gas nobili sono:
- Elio (He)
- Neon (Ne)
- Argon (Ar)
- Krypton (Kr)
- Xenon (Xe)
- Radon (Rn)
- elemento 118 (oganesson Og)
5 proprietà dei non metalli
Formano legami covalenti/ionici
Una delle caratteristiche principali dei non metalli è che formano composti chimici creando legami covalenti e ionici. Nei legami covalenti, due elementi condividono gli elettroni di valenza fino ad avere un guscio completo. I comuni composti covalenti di tutti i giorni includono l’anidride carbonica, l’etanolo (alcol), il glucosio e il tetracloruro di carbonio. Gli elementi nei composti covalenti condividono elettroni in modo da poter raggiungere ciascuno una configurazione elettronica stabile. I composti covalenti tendono a mostrare la maggior variazione nella loro geometria molecolare. I composti covalenti assumeranno una forma che minimizza la quantità di repulsione elettrostatica tra le coppie di elettroni. I legami covalenti si formano normalmente tra due non metalli.
Al contrario, i legami ionici tendono a formarsi tra non metalli e metalli. Nei legami ionici, un elemento prende elettroni da un altro elemento e crea un catione e un anione. Gli ioni di carica opposta si attraggono l’un l’altro e si raggruppano per formare composti ionici. I composti ionici comuni includono il sale da cucina, il carbonato, il solfato e il cloruro di potassio. I legami ionici tendono a formarsi tra elementi che differiscono notevolmente in elettronegatività (ΔEN > 2.0). La maggior parte dei composti ionici si organizzano in una struttura periodica di ioni nota come reticolo.
Fragile
La maggior parte dei composti covalenti e ionici fatti di non metalli tende ad essere fragile e si frantuma se viene applicata una forza abbastanza grande. A differenza dei metalli, i composti non metallici non sono malleabili e duttili. La maggior parte dei composti non metallici non può essere deformata oltre un certo punto senza rompersi e perderà la sua forza quando viene modellata.
I composti non metallici tendono ad essere fragili a causa della natura dei loro legami ionici e covalenti. Sia i legami ionici che quelli covalenti implicano la condivisione/cattura di elettroni. Entrambi i tipi di composti si dispongono in modo tale da minimizzare le repulsioni elettrostatiche. Per esempio, in un composto ionico, gli atomi positivi e negativi sono bloccati in una stretta struttura cristallina con gli ioni positivi allineati agli ioni negativi. L’applicazione di una forza può spostare l’allineamento degli ioni in modo che i positivi si allineino con i positivi e i negativi con i negativi. La repulsione causa la rottura del composto.
Similmente, i legami covalenti richiedono che gli elettroni e gli atomi siano disposti in un modo particolare. l’applicazione di una forza meccanica disturba questa disposizione causando la rottura del composto. Al contrario, i legami metallici possono muoversi e scivolare l’uno sull’altro grazie ai loro legami elettronici delocalizzati. Questo è il motivo per cui i metalli sono duttili e malleabili, possono cambiare la loro struttura atomica senza rompere i loro legami chimici.
Punti di fusione/bollitura bassi
Non è vero che tutti i composti non metallici hanno bassi punti di fusione e bollitura. Il sale, per esempio, ha un punto di fusione di 801 °C, che è molto alto. Tuttavia, rispetto ai metalli, i composti non metallici hanno punti di fusione e di ebollizione relativamente bassi. I punti di fusione e di ebollizione bassi spiegano perché la maggior parte dei non metalli sono gassosi a temperatura ambiente.
I composti non metallici, in particolare i composti covalenti, hanno punti di fusione e di ebollizione bassi a causa delle loro interazioni intermolecolari relativamente deboli. Il comportamento di fase di una sostanza è determinato dalla forza dei suoi legami intermolecolari. I metalli hanno punti di fusione e di ebollizione molto alti perché hanno attrazioni intermolecolari molto forti. I composti covalenti, d’altra parte, non hanno forti attrazioni intermolecolari. Questo perché la maggior parte delle molecole covalenti sono elettricamente neutre e quindi non attraggono i loro vicini, almeno non nella misura in cui lo fanno i metalli.
I composti ionici hanno punti di fusione/bollitura più alti dei composti covalenti, ma ancora inferiori a quelli dei metalli. Il riscaldamento di un composto ionico aumenta l’energia cinetica delle particelle. oltre una certa soglia, l’energia cinetica supera l’attrazione elettrostatica e la struttura reticolare si sfalda. Al contrario, i metalli hanno punti di fusione/bollitura molto alti perché i loro atomi possono spostarsi senza rompere i legami chimici.
Alta energia di ionizzazione/elettronegatività
I non metalli tendono ad avere alte energie di ionizzazione. Questo significa che è difficile rimuovere gli elettroni dagli atomi dei non metalli. I non metalli hanno alte energie di ionizzazione a causa di quanto sono grandi i loro nuclei rispetto a quanto sono pieni i loro gusci di elettroni. I nuclei grandi e carichi positivamente di atomi come l’ossigeno e il fluoro attraggono i loro elettroni molto fortemente, rendendoli difficili da rimuovere.
Lo stesso motivo spiega perché anche i non metalli tendono ad essere più elettronegativi dei metalli. In generale, più a sinistra si va sulla tavola periodica, più alte sono le energie di ionizzazione e le elettronegatività.
Poveri conduttori di calore ed elettricità
I non metalli tendono anche ad essere relativamente poveri conduttori di calore ed elettricità, anche se esistono alcune eccezioni. La ragione per cui i non metalli sono cattivi conduttori è legata alla ragione per cui i metalli sono relativamente buoni conduttori. I metalli conducono bene il calore perché possono assorbire molta energia cinetica senza rompere i loro legami. I non metalli, al contrario, hanno bisogno di una disposizione fissa degli atomi per rimanere stabili, quindi troppa energia cinetica supererà i loro legami. I metalli sono buoni conduttori di elettricità perché hanno numerosi orbitali aperti in cui gli elettroni possono muoversi. I non metalli tendono ad avere orbitali pieni, quindi gli elettroni non hanno nessun posto dove andare quando vengono introdotti ad una tensione.
Il curioso caso dell’idrogeno: Metallo o non metallo?
Generalmente, il primissimo elemento idrogeno è classificato come un non metallo. Tuttavia, l’idrogeno ha un mix molto particolare di proprietà che lo rendono difficile da classificare come metallo o non metallo. Per esempio, l’idrogeno si impegna in legami covalenti ed esiste naturalmente come un gas, come un non metallo. Tuttavia, l’idrogeno si libera facilmente del suo singolo elettrone per formare ioni con carica positiva, una proprietà che si riscontra soprattutto nei metalli. Il mix unico di proprietà dell’idrogeno è il risultato della sua struttura atomica molto semplice.
Nel 1935, i fisici Eugene Wigner e Hillard Huntington predissero che a temperature e pressioni estremamente elevate, l’idrogeno si sarebbe condensato in un liquido o solido metallico. Questa fase esotica dell’idrogeno è stata prevista per comportarsi come un metallo ed essere un ottimo conduttore di calore ed elettricità. Finora, l’idrogeno è stato osservato solo nel suo stato gassoso, anche se si ritiene che l’idrogeno metallico liquido possa esistere nei nuclei dei pianeti giganti gassosi come Giove o Saturno. Un nucleo denso di idrogeno metallico liquido spiegherebbe i campi magnetici estremamente potenti dei giganti gassosi che sono in contrasto con le previsioni classiche.
Per riassumere, un non metallo è una sostanza chimica che è caratterizzata dalla mancanza di proprietà metalliche. I non metalli sono tipicamente gassosi o liquidi a temperatura ambiente e si dividono tra i non metalli reattivi e i gas nobili. I non metalli si impegnano in legami covalenti, formano composti fragili, hanno bassi punti di fusione/bollitura, hanno alte energie di ionizzazione ed elettronegatività, e sono poveri conduttori di elettricità. I non metalli sono chimicamente più variabili dei metalli a causa della loro gamma relativamente ampia di dimensioni dei nuclei atomici e configurazioni degli elettroni. Tutti i non metalli si trovano nel blocco p della tavola periodica.
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