非金属(反応性非金属)
非金属は、金属に特有の性質をもたない元素です。ほとんどは熱や電気の伝導が悪く、固体では光沢がなくもろいです。このページでは、このサイトにある7つの反応性非金属を取り上げます。水素、炭素、窒素、酸素、リン、硫黄、セレンです。ハロゲンと希ガスも非金属ですが、それぞれ専用のページがあります。
非金属の位置
1族の先頭にある水素を除いて、反応性非金属は周期表の右上にあり、14族の炭素、15族の窒素とリン、16族の酸素、硫黄、セレンです。酸素([He] 2s² 2p⁴)のように4〜6個の最外殻電子をもちますが、水素は1個(1s¹)だけです。イオン化エネルギーと電気陰性度が高いため、電子を失うよりも、受け取ったり共有したりする傾向があります。
物理的性質
室温では、水素、窒素、酸素は、2原子分子(H₂、N₂、O₂)でできた無色の気体で、炭素、リン、硫黄、セレンは固体です。ほとんどの非金属は融点と沸点が低く、熱や電気をあまり通しません。炭素は大きな例外で、ダイヤモンドは天然で最も硬い物質であり、黒鉛は電気を通します。
いくつかの非金属には同素体、つまり同じ元素の異なる形が存在します。ダイヤモンドと黒鉛、酸素(O₂)とオゾン(O₃)、白リンと赤リンなどがその例です。
化学的な振る舞いと傾向
金属と反応するとき、非金属は電子を受け取って、O²⁻、S²⁻、N³⁻などの陰イオンになります。非金属どうしでは、電子を共有して共有結合をつくり、水(H₂O)、二酸化炭素(CO₂)、メタン(CH₄)、アンモニア(NH₃)などの分子をつくります。窒素ガスは、N₂の強い三重結合のために、非常に反応しにくいです。
酸素は燃焼を支えます。メタンは CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O のように燃え、硫黄は燃えて二酸化硫黄になります(S + O₂ → SO₂)。非金属の酸化物はたいてい酸性で、二酸化硫黄や窒素酸化物が酸性雨の原因となるのはこのためです。非金属性は周期内で右へ進むほど増し、族を下がるほど減るため、灰色セレンはすでに半導体です。
生活と産業の中の非金属
酸素、炭素、水素、窒素は、人体の質量の約96%を占めており、リンと硫黄はDNAとタンパク質の欠かせない成分です。セレンは微量栄養素ですが、多量では有毒です。水素は宇宙で最も豊富な元素で、空気は約78%が窒素、21%が酸素です。
窒素と水素は、ハーバー法で結合させて、肥料用のアンモニアをつくります(N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃)。酸素は病院や製鋼で使われ、硫黄は、最も多く生産されている工業化学品である硫酸に変えられ、炭素は燃料、プラスチック、鋼の基礎です。
この族の元素
| 1 | 水素 | H | 1.008 | 1s1 | +1, −1 | 気体 |
| 6 | 炭素 | C | 12.011 | [He] 2s2 2p2 | +4, −4 | 固体 |
| 7 | 窒素 | N | 14.007 | [He] 2s2 2p3 | −3 | 気体 |
| 8 | 酸素 | O | 15.999 | [He] 2s2 2p4 | −2 | 気体 |
| 15 | リン | P | 30.974 | [Ne] 3s2 3p3 | −3 | 固体 |
| 16 | 硫黄 | S | 32.06 | [Ne] 3s2 3p4 | −2 | 固体 |
| 34 | セレン | Se | 78.971 | [Ar] 3d10 4s2 4p4 | −2 | 固体 |