1. Titullapa

J.Švirksts

NEMETĀLI

Materiāls izstrādāts
ESF Darbības programmas 2007. - 2013.gadam „Cilvēkresursi un nodarbinātība”
prioritātes 1.2. „Izglītība un prasmes”
pasākuma 1.2.1.„Profesionālās izglītības un vispārējo prasmju attīstība”
aktivitātes 1.2.1.2. „Vispārējo zināšanu un prasmju uzlabošana”
apakšaktivitātes 1.2.1.1.2. „Profesionālajā izglītībā iesaistīto pedagogu
kompetences paaugstināšana”
Latvijas Universitātes realizētā projekta
„Profesionālajā izglītībā iesaistīto vispārizglītojošo mācību priekšmetu pedagogu
kompetences paaugstināšana”
(Vienošanās Nr.2009/0274/1DP/1.2.1.1.2/09/IPIA/VIAA/003,
LU reģistrācijas Nr.ESS2009/88) īstenošanai.

Rīga, 2010

2. Nemetālisko elementu izplatība dabā

Zināšanas par nemetālisko elemenu izplatību dabā ir svarīgas tāpēc, ka uz tām balstās šo elementu iegūšana gan brīvā veidā, gan dažādu savienojumu formā, kurus izmanto visdažādākajās tautsaimniecības nozarēs.

Mācību priekšmeta programmas prasībai:

• izmanto un vizualizē informāciju, lai salīdzinātu nemetālisko elementu izplatību dabā

ir izveidota prezentācija Nemetālisko elementu izplatība Zemes garozā.

3. Nemetālu uzbūve, alotropija un fizikālās īpašības

Zināšanas par nemetālu uzbūvi ļauj saprast un progozēt dažādas to īpašības un iespējamo izmantošanu visdažādākajās tautsaimniecības jomās.

Par svarīgākajām nemetālu fizikālajām īpasībām uzskata to veidoto vienkāršo vielu kušanas un vārīšanās temperatūras, blīvumu, agregātstāvokli, trauslumu, tos nevar kalt vai velmēt, tie nav plastiski. Atšķirībā no metāliem nemetāli nevada elektrisko strāvu.

Nemetālu fizikālās īpašības mainās ļoti plašā diapazonā, piemēram hēlija kušanas temperatūra ir -272 ⁰C, bet oglekļa +4300 ⁰C.

Sagatavotais izdales materiāls Nemetālu blīvums, kušanas un vārīšanās temperatūras ļauj gūt ieskatu šo raksturlielumu daudzveidībā, kā arī prognozēt to izmantošanas iespējas.

Prezentācijas materiālu Nemetālu fizikālās īpašības var izmantot zināšanu nostiprināšanai.

Nemetālu fizikālo īpašību daudzveidības iemesls slēpjas to uzbūvē. Nemetālu veidotās cietvielas raksturojas ar:

• atomāro kristālisko režģi, piemēram, dimants, silīcijs, bors
  
• molekulāru kristālisko režģi, piemēram, skābeklis, slāpeklis, hlors
  

Izveidoto prezentāciju Nemetālu uzbūve un alotropija var izmantot gan programmas prasības:

• izskaidro nemetālu uzbūvi, fizikālās īpašības un izprot alotropijas parādību

apguvei, gan zināšanu nostiprināšanai.

4. Nemetālu ķīmiskās īpašības

Zināšanas par nemetālu ķīmiskajām īpašībām ir svarīgas tāpēc, ka uz tām balstās nemetālu izmantošana visdažādākajās tautsaimniecības jomās.

Nemetālu ķīmiskās īpašības ir ievērojami daudzveidīgākas par metālu ķīmiskajām īpašībām. To izskaidro ar dažādu nemetālisko elementu atomu ļoti daudzveidīgo uzbūvi. Nemetālisko elementu atomi ārējā enerģētiskajā līmenī var saturēt no viena elektrona, piemēram, ūdeņradis līdz astoņiem elektroniem, piemēram, cēlgāzes:

Ķīmiskais elements	Elementa simbols	Elektronu skaits atoma ārējā enerģētiskajā līmenī
Ūdeņradis	H	1
Bors	B	3
Ogleklis	C	4
Silīcijs	Si	4
Slāpeklis	N	5
Fosfors	P	5
Skābeklis	O	6
Sērs	S	6
Fluors	F	7
Hlors	Cl	7
Broms	Br	7
Jods	I	7
Hēlijs	He	8
Argons	Ar	8

Šo atomu uzbūves īpatnību dēļ nemetāli ķīmiskajās reakcijās var gan pievienot elektronus, iegūstot stabilu atoma elektronapvalku ar astoņiem elektronien, gan arī elektronus atdot. Līdz ar to nemetāliem ir izteiktas gan oksidētāju, gan arī reducētāju īpašības. Tiem raksturīgi ķīmiskie savienojumi gan ar negatīvām, gan pozitīvām oksidēšanās pakāpēm.

Nemetālu reaģētspēja ir ļoti atšķirīga. Lielākā daļa no tiem istabas temperatūrā ir diezgan inerti, tomēr to reaģētspēja strauji palielinās, paaugstinot temperatūru kā arī katalizatora klātienē. Piemēram, ūdeņraža un skābekļa maisījumu var uzglabāt daudzus gadus, nekāda ķīmiskā reakcija nenotiek. Taču pietiek tikai ar vienu dzirksteli vai sērkociņa liesmu un sākas strauja ķīmiskā reakcija, kas var beigties ar sprādzienu.

Vismazākā reaģētspēja ir cēlgāzē, kuru atomiem raksturīgs noslēgts elektronapvalks ar astoņiem elektroniem. Ķīmiķi ilgus gadus uzskatīja, ka cēlgāzes nepiedalās nevienā ķīmiskajā reakcijā. Tikai pagājušā gadsimta otrajā pusē ieguva pirmos cēlgāzu savienojumus:

4.1. Nemetālu reakcijas ar metāliem

Visi nemetāli, izņemot cēlgāzes, reaģē ar metāliem. Daudzas no šīm reakcijām izmanto tautas samniecībā svarīgu vielu un materiālu ieguvei, piemēram, vienu no baltajiem pigmentiem cinka oksīdu ZnO iegūst, sadedzinot pulverveida cinku skābeklī:
Skābeklis reaģē ar gandrīz visiem metāliem, veidojot oksīdus:
Skābekļa reakcijās ar metāliem izdalās ievērojams siltuma daudzums.
Tomēr daži visinertākie metāli, piemēram zelts un sudrabs ar skābekli tieši nereaģē.

Arī halogēni - fluors, hlors, broms un jods - reaģē ar lielāko daļu no metāliem:
2 Na + Cl₂ = 2 NaCl
Šajās reakcijās iegūst halogēnūdeņražskābju sāļus fluorīdus, hlorīdus, bromīdus un jodīdus. Gandrīz visas šīs reakcijas ir eksotermiskas.

Ievērojami inertāks ir sērs - ar metāliem tas reaģē tikai sildot:
Zn + S = ZnS

Ļoti inerts istabas temperatūrā ir slāpeklis. kurš ar metāliem reaģē ļoti augstā temperatūrā, izņemot magniju un litiju, kuru reakcijas notiek ļoti viegli:
6 Li + 3 N₂ = 2 Li₃N

4.2. Nemetālu reakcijas ar nemetāliem

Nemetālu reakcijas ar citiem nemetāliem ir daudzu tautas saimniecībā ļoti svarīgu savienojumu ieguves avots.

Šodienas lauksamniecība nav iedomājama bez slāpekļa minerālmēsliem. Viena no galvenajām izejvielām to ieguvei ir amonjaks NH₃, kura dabā praktiski nav. Amonjaku iegūst sintētiski slāpekļa reakcijā ar ūdeņradi:

Reakcija notiek speciālos reaktoros paaugstinātā temperatūrā un paaugstinātā spiedienā, kā arī katalizatora klātienē.

Daudzās nozarēs, tai skaitā medikamentu ražošanā, nepieciešama sālsskābe ar ļoti augstu tīrības pakāpi. Šim nolūkam ūdenī šķīdina hlorūdeņradi, kuru iegūst hlora reakcijā ar ūdeņradi:

Izkausēta sēra reakciju ar skābekli izmanto sēra(IV) oksīda iegūšanai:
Sēra(IV) oksīds ir viena no izejvielām sērskābes ražošanai.

Viena no pazīstamākajām nemetālu reakcijām savā starpā ir skābekļa reakcija ar ūdeņradi, kurā vienīgais gala produkts ir ūdens:
Reakcijā izdalās ievērojams enerģijas daudzums. Daudzi zinātnieki visā pasaulē strādā pie tā, lai radītu ērti izmantojamus automobīļus, kuros ūdeņnradis kā enerģijas avots aizstātu tradicionālo benzīnu vai dīzeļdegvielu un neradītu praktiski nekādu piesārņojumu apkārtējai videi.

Programmas prasībai:

• izprot nemetālu oksidējošās-reducējošās īpašības un apraksta tās ar molekulārajiem un elektronu bilnces vienādojumiem

izstrādāts demonstrējums broms - oksidētājs un reducētājs un audzēkņa darba lapa, kas ļaus iepazīt broma ķīmiskās īpašības.

4.3. Nemetālu reakcijas ar ķīmiskajiem savienojumiem

Nemetāli reaģē ne tikai ar vienkāršām vielām bet arī ar daudziem ķīmiskajiem savienojumiem.

Dažām no šīm reakcijām ir liela nozīme svarīgu savienojumu iegūšanā, piemēram, nozīmīgs starpposms slāpekļskābes ražošanā ir amonjaka katalītiskā oksidēšana:
Iegūto slāpekļa(II) oksīdu ar skābekli oksidē par slāpekļa(IV) oksīdu NO₂:
Savukārt šajā reakcijā iegūto slāpekļa(IV) oksīdu skābekļa klātienē šķīdina ūdenī, iegūstot slāpekļskābi:

5. Aprēķinu uzdevumi

Atbilstoši programmas prasībai mācību priekšmeta satura apguvei audzēkņi:

• aprēķina gāzveida vielu tilpumu pēc ķīmisko reakciju vienādojumiem, ja reaģē un rodas gāzveida vielas (Gē Lisaka likums jeb vienkāršo skaitļu likums)

Šim nolūkam skolotājs var izmantot sagatavoto uzdevumu komplektu par gāzveida vielu tilpumu aprēķināšanu, kurš satur 8 uzdevumus. Tiem ir dažāda sarežģītības pakāpe un tie paredzēti gan risināšanai klasē, gan arī kā mājas darbi.

6. Nemetālu izmantošana

Atbilstoši programmas prasībai audzēkņi:

• prognozē nemetālu izmantošanas iespējas dažādās tautsaimniecības nozarēs, izmantojot informāciju par to īpašībām

Šim nolūkam skolotājs var izmantot sagatavoto prezentācijas materiālu nemetālu izmantošana tautsaimniecībā.

Sagatavotais informatīvais materiāls ūdeņradis, tā savienojumi un īpašības ir paredzēts skolotājam un satur ļoti plašu materiālu klāstu par ūdeņradi, tā savienojumiem, to iegūšanu un izmantošanu.