5 Fundamentele eigenschappen van niet-metalen

Een eenvoudig periodiek systeem met atoomsymbool en atoomnummer. Credit: WikiCommons CC0 1.0

In de scheikunde verwijst de term “niet-metaal” naar elementen en verbindingen die geen metallisch karakter hebben. Hoewel ze slechts 17 van de 118 bekende elementen vormen, behoren niet-metalen tot de belangrijkste elementen die essentieel zijn voor het leven zoals wij dat kennen. Voorbeelden van niet-metalen zijn koolstof, zuurstof, stikstof en waterstof; al deze elementen zijn de basisbouwstenen van organische verbindingen.

Vergeleken met metalen vertonen niet-metalen een zeer variabel scala van eigenschappen, in termen van hun atomaire en chemische gedrag. Dit komt doordat niet-metalen sterk verschillen in interatomaire en intermoleculaire bindingssterkten. De meeste niet-metalen zijn meestal gassen bij standaardtemperatuur en -druk en hebben een lage dichtheid. Alle niet-metalen bevinden zich rechts van het periodiek systeem in het p-blok van de elementen (behalve waterstof). Eigenschappen die men gewoonlijk bij niet-metalen aantreft zijn:

• voor ionische/covalente bindingen
• bros en niet-smeltbaar
• laag smelt/kookpunt
• hoge ionisatie-energie en elektronegativiteit
• slechte geleiders van warmte en elektriciteit

Deze lijst van eigenschappen is noch essentieel, noch uitputtend. Sommige niet-metalen hebben al deze eigenschappen, andere maar heel weinig. Grafiet, bijvoorbeeld, is een niet-metaalverbinding die een zeer goede geleider van elektriciteit is en wordt gebruikt in elektronica-apparatuur. Polymeren zoals plastic zijn covalent gebonden ketens van moleculen die kneedbaar zijn en gevormd kunnen worden.

Soorten niet-metalen

Over het algemeen worden niet-metalen in twee categorieën verdeeld: reactieve niet-metalen en halogenen. Reactieve niet-metalen vertonen meestal meer variatie in hun fysische en chemische eigenschappen. Sommige, zoals koolstof en zwavel, zijn vast bij kamertemperatuur en zijn minder elektronegatief. Andere, zoals zuurstof, zijn een gas bij kamertemperatuur en zijn zeer elektronegatief. Tot de reactieve niet-metalen behoren ook de halogenen, de elementen van groep 17 van het periodiek systeem. Alle halogenen hebben een valentieschil van 7 elektronen, zodat ze zeer reactief zijn en gemakkelijk negatieve ionen vormen. De verschillende reactieve niet-metalen zijn:

• Hydrogen (H)
• Carbon (C)
• Nitrogen (N)
• Oxygen (O)
• Phosphorus (P)
• Sulfur (S)
• Selenium (Se)

De halogenen zijn:

• Fluor (F)
• Chloor (Cl)
• Broom (B)
• Jood (I)
• Astatine (As)

De edelgassen daarentegen worden gekenmerkt door hun inerte chemische gedrag. Edelgassen hebben een volledige valentieschil van 8 elektronen, zodat ze in een zeer stabiele elektronenconfiguratie bestaan. Als zodanig reageren edelgassen gewoonlijk niet met andere elementen om verbindingen te vormen. De edelgassen zijn:

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

5 Eigenschappen van niet-metalen

Vormen covalente/ionische bindingen

Een van de belangrijkste eigenschappen van niet-metalen is dat ze chemische verbindingen vormen door covalente en ionische bindingen aan te gaan. Bij covalente bindingen delen twee elementen valentie-elektronen tot ze een volledige schil hebben. Veel voorkomende alledaagse covalente verbindingen zijn kooldioxide, ethanol (alcohol), glucose, en tetrachloorkoolstof. Elementen in covalente verbindingen delen elektronen, zodat ze elk een stabiele elektronenconfiguratie kunnen bereiken. Covalente verbindingen hebben de neiging om de meeste variatie in hun moleculaire geometrie te vertonen. Covalente verbindingen zullen een vorm aannemen die de hoeveelheid elektrostatische afstoting tussen elektronenparen minimaliseert. Covalente bindingen worden normaliter gevormd tussen twee niet-metalen.

Ionische bindingen worden daarentegen meestal gevormd tussen niet-metalen en metalen. Bij ionische bindingen neemt een element elektronen van een ander element over, waardoor een kation en een anion ontstaan. Tegengesteld geladen ionen trekken elkaar aan en klonteren samen om ionische verbindingen te vormen. Veel voorkomende ionische verbindingen zijn keukenzout, carbonaat, sulfaat en kaliumchloride. Ionische bindingen worden meestal gevormd tussen elementen die sterk verschillen in elektronegativiteit (ΔEN > 2.0). De meeste ionische verbindingen ordenen zichzelf in een periodieke structuur van ionen die bekend staat als een rooster.

Bros

De meeste covalente en ionische verbindingen van niet-metalen hebben de neiging bros te zijn en zullen versplinteren als er een voldoende grote kracht op wordt uitgeoefend. In tegenstelling tot metalen zijn niet-metaalverbindingen niet kneedbaar en buigzaam. De meeste niet-metaalverbindingen kunnen niet voorbij een bepaald punt worden vervormd zonder te breken en zullen hun sterkte verliezen wanneer ze worden gevormd.

Niet-metalen verbindingen zijn meestal bros door de aard van hun ionische en covalente bindingen. Bij zowel ionische als covalente bindingen worden elektronen gedeeld/gevangen. Beide soorten verbindingen rangschikken zich zodanig dat elektrostatische afstotingen tot een minimum worden beperkt. Bijvoorbeeld, in een ionische verbinding zijn positieve en negatieve atomen op hun plaats gebonden in een hechte kristalstructuur met positieve ionen uitgelijnd met negatieve ionen. Door het uitoefenen van een kracht kan de uitlijning van de ionen verschuiven, zodat de positieven op één lijn liggen met de positieven en de negatieven met de negatieven. Door de afstoting breekt de verbinding.

Ook bij covalente bindingen moeten elektronen en atomen op een bepaalde manier gerangschikt zijn. de toepassing van een mechanische kracht verstoort die rangschikking, waardoor de verbinding breekt. Metallische bindingen daarentegen kunnen door hun gedelokaliseerde elektronenverbindingen bewegen en langs elkaar heen schuiven. Daarom zijn metalen buigzaam en kneedbaar, ze kunnen hun atoomstructuur veranderen zonder hun chemische bindingen te verbreken.

Lage smelt- en kookpunten

Het is niet waar dat alle niet-metaalverbindingen lage smelt- en kookpunten hebben. Zout, bijvoorbeeld, heeft een smeltpunt van 801 °C, wat zeer hoog is. In vergelijking met metalen hebben niet-metaalverbindingen echter wel relatief lage smelt- en kookpunten. Lage smelt- en kookpunten verklaren waarom de meeste niet-metalen gasvormig zijn bij kamertemperatuur.

Niet-metaalverbindingen, specifiek covalente verbindingen, hebben lage smelt- en kookpunten vanwege hun relatief zwakke intermoleculaire interacties. Het fasegedrag van een stof wordt bepaald door de sterkte van zijn intermoleculaire bindingen. Metalen hebben zeer hoge smelt- en kookpunten omdat zij zeer sterke intermoleculaire attracties hebben. Covalente verbindingen daarentegen hebben geen sterke intermoleculaire aantrekkingskracht. Dit komt omdat de meeste covalente moleculen elektrisch neutraal zijn en dus hun buren niet aantrekken, althans niet in de mate waarin metalen dat doen.

Ionische verbindingen hebben hogere smelt- en kookpunten dan covalente verbindingen, maar nog steeds minder dan die van metalen. Verhitting van een ionische verbinding verhoogt de kinetische energie van de deeltjes. Boven een bepaalde drempel overwint de kinetische energie de elektrostatische aantrekkingskracht en valt de roosterstructuur uiteen. Daarentegen hebben metalen zeer hoge smelt- en kookpunten omdat hun atomen van plaats kunnen veranderen zonder chemische bindingen te verbreken.

Hoge ionisatie-energie/Elektronegativiteit

Non-metalen hebben meestal hoge ionisatie-energieën. Dit betekent dat het moeilijk is om elektronen uit niet-metaalatomen te verwijderen. Niet-metalen hebben een hoge ionisatie-energie omdat hun kernen zo groot zijn in vergelijking met hun volle elektronenschillen. De grote, positief geladen kernen van atomen als zuurstof en fluor trekken hun elektronen zeer sterk aan, waardoor ze moeilijk te verwijderen zijn.

Dezelfde reden verklaart waarom niet-metalen doorgaans elektronegatiever zijn dan metalen. De positief geladen kernen van niet-metalen oefenen een sterke aantrekkingskracht uit op elektronen, sterk genoeg om ze soms uit naburige atomen te verwijderen. In het algemeen geldt dat hoe verder men naar links gaat op het periodiek systeem, hoe hoger de ionisatie-energie en elektronegativiteit worden.

Slechte geleiders van warmte en elektriciteit

Niet-metalen zijn ook relatief slechte geleiders van warmte en elektriciteit, hoewel er enkele uitzonderingen bestaan. De reden waarom niet-metalen slechte geleiders zijn, houdt verband met de reden waarom metalen relatief goede geleiders zijn. Metalen geleiden warmte goed omdat zij veel kinetische energie kunnen absorberen zonder hun bindingen te verbreken. Niet-metalen daarentegen hebben een vaste ordening van atomen nodig om stabiel te blijven, zodat te veel kinetische energie hun bindingen zal overwinnen. Metalen zijn goede geleiders van elektriciteit omdat zij talrijke open banen hebben waar elektronen doorheen kunnen bewegen. Niet-metalen hebben meestal volle banen, zodat elektronen geen kant op kunnen als ze onder spanning komen te staan.

Het merkwaardige geval van waterstof: Metal or Nonmetal?

Het allereerste element waterstof wordt over het algemeen geclassificeerd als een niet-metaal. Waterstof heeft echter een zeer unieke combinatie van eigenschappen, waardoor het moeilijk als metaal of niet-metaal kan worden geclassificeerd. Zo gaat waterstof covalente bindingen aan en bestaat het van nature als een gas, zoals een niet-metaal. Maar waterstof kan ook gemakkelijk zijn enkele elektron afstaan om positief geladen ionen te vormen, een eigenschap die men meestal bij metalen aantreft. De unieke combinatie van eigenschappen van waterstof is het resultaat van zijn zeer eenvoudige atoomstructuur.

In 1935 voorspelden de natuurkundigen Eugene Wigner en Hillard Huntington dat waterstof bij extreem hoge temperaturen en drukken zou condenseren tot een metaalachtige vloeistof of vaste stof. Voorspeld wordt dat deze exotische fase van waterstof zich zal gedragen als een metaal en een zeer goede geleider van warmte en elektriciteit zal zijn. Tot nu toe is waterstof alleen in gasvormige toestand waargenomen, hoewel wordt aangenomen dat vloeibare metaalhoudende waterstof kan bestaan in de kernen van gasreuzenplaneten zoals Jupiter of Saturnus. Een dichte kern van vloeibare metallische waterstof zou de extreem krachtige magnetische velden van gasreuzen verklaren, die in strijd zijn met de klassieke voorspellingen.

Om kort te gaan, een niet-metaal is een chemische stof die wordt gekenmerkt door een gebrek aan metallische eigenschappen. Niet-metalen zijn meestal gasvormig of vloeibaar bij kamertemperatuur en worden verdeeld tussen de reactieve niet-metalen en edelgassen. Niet-metalen gaan covalente bindingen aan, vormen broze breekbare verbindingen, hebben een laag smelt/kookpunt, hebben een hoge ionisatie-energie en elektronegativiteit, en zijn slechte geleiders van elektriciteit. Niet-metalen zijn chemisch meer variabel dan metalen door hun relatief brede scala van atoomkernen en elektronenconfiguraties. Alle niet-metalen bevinden zich in het p-blok van het periodiek systeem.