非金属元素

非金属元素是一大类缺乏金属特性的化学元素。有别于常温常压下多为固态的金属，非金属元素在标准状态下的形态十分多变，从无色气体（如氢、氮、氧）到各种颜色的固体（如碳、磷、硫）。非金属元素通常是热和电的不良导体，且其固态通常缺乏延展性而易碎，表面大多不具光泽。与金属相比，非金属元素大多具有更高的电离能、电子亲和力、电负性和标准还原电位。通常一元素的这些值越高，其非金属性越强。非金属元素的原子之间主要以共价键相互连结，在化学反应中倾向于得到电子并形成酸性的化合物。

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元素周期表中的非金属元素

氢（非金属） 氦（惰性气体） 锂（碱金属） 铍（碱土金属） 硼（类金属） 碳（非金属） 氮（非金属） 氧（非金属） 氟（卤素） 氖（惰性气体） 钠（碱金属） 镁（碱土金属） 铝（贫金属） 矽（类金属） 磷（非金属） 硫（非金属） 氯（卤素） 氩（惰性气体） 钾（碱金属） 钙（碱土金属） 钪（过渡金属） 钛（过渡金属） 钒（过渡金属） 铬（过渡金属） 锰（过渡金属） 铁（过渡金属） 钴（过渡金属） 镍（过渡金属） 铜（过渡金属） 锌（过渡金属） 镓（贫金属） 锗（类金属） 砷（类金属） 硒（非金属） 溴（卤素） 氪（惰性气体） 铷（碱金属） 锶（碱土金属） 钇（过渡金属） 锆（过渡金属） 铌（过渡金属） 钼（过渡金属） 𨱏（过渡金属） 钌（过渡金属） 铑（过渡金属） 钯（过渡金属） 银（过渡金属） 镉（过渡金属） 铟（贫金属） 锡（贫金属） 锑（类金属） 碲（类金属） 碘（卤素） 氙（惰性气体） 铯（碱金属） 钡（碱土金属） 镧（镧系元素） 铈（镧系元素） 镨（镧系元素） 钕（镧系元素） 钷（镧系元素） 钐（镧系元素） 铕（镧系元素） 钆（镧系元素） 铽（镧系元素） 镝（镧系元素） 钬（镧系元素） 铒（镧系元素） 铥（镧系元素） 镱（镧系元素） 镏（镧系元素） 铪（过渡金属） 钽（过渡金属） 钨（过渡金属） 铼（过渡金属） 锇（过渡金属） 铱（过渡金属） 铂（过渡金属） 金（过渡金属） 汞（过渡金属） 铊（贫金属） 铅（贫金属） 铋（贫金属） 钋（贫金属） 砈（类金属） 氡（惰性气体） 鍅（碱金属） 镭（碱土金属） 锕（锕系元素） 钍（锕系元素） 镤（锕系元素） 铀（锕系元素） 錼（锕系元素） 钸（锕系元素） 鋂（锕系元素） 锔（锕系元素） 鉳（锕系元素） 鉲（锕系元素） 鑀（锕系元素） 镄（锕系元素） 钔（锕系元素） 锘（锕系元素） 铹（锕系元素） 𬬻（过渡金属） 𬭊（过渡金属） 𬭳（过渡金属） 𬭛（过渡金属） 𬭶（过渡金属） 鿏（预测为过渡金属） 𫟼（预测为过渡金属） 𬬭（预测为过渡金属） 鿔（过渡金属） 鿭（预测为贫金属） 𫓧（贫金属） 镆（预测为贫金属） 𫟷（预测为贫金属） 鿬（预测为卤素） 鿫（预测为惰性气体）

在元素周期表中，非金属元素的占比不到四分之一，且随著周期增大，元素的金属性越强，非金属元素因此越少。非金属元素皆为主族元素，且除了位于第1族顶端的氢之外，其它非金属元素都排在表的右侧和上侧。大部分非金属属于p区，氢和氦则是s区元素。

非金属元素的范畴并没有普遍认同的精确定义，通常包括氢、氦、硼、碳、氮、氧、氟、氖、硅、磷、硫、氯、氩、砷、硒、溴、氪、碲、碘、氙、氡等21种元素。也有观点认为硼、矽、砷、碲等类金属元素不属于非金属。^[1]由于砈在自然界中极其稀有，且具有强烈的放射性，在讨论非金属的定义时经常被忽略，然而理论和实验证据表明其性质较偏向于金属。^[2]超重元素鿬和鿫由于半衰期极短，目前尚无法透过实验来证实其性质是否具有非金属元素的特质。^[3]

根据计算，氢和氦这两种非金属约占可观测宇宙中普通物质质量的99% 。氢、碳、氮、氧和矽等五种非金属元素在地球的地壳、大气、海洋和生物圈扮演著主要组分，地球上所有生物体的主要结构便是由氢、氧、碳和氮构成。

非金属元素在现在社会中占有重要位置，几乎所有非金属元素在医学、制药、工业、电子、雷射和家居用品等领域中都有各自的用途。

性质

非金属在室温下可以是气体或固体（除了溴，惟一一个液体非金属元素）。非金属元素的固体大多没有闪亮的表面，但不同的元素具有不同的颜色，例如碳是黑色的，而硫是黄色的。非金属的硬度有明显的差别，例如硫是很软的，但钻石（碳的同素异形体之一）却是硬度最高的物质。固态的非金属质地易碎，而且密度比金属来得低。导热性大多不佳（钻石等除外），且多为电的绝缘体（石墨等除外）。

非金属性

非金属性是非金属元素的通性，它指某种非金属元素的原子得到电子的能力。某元素原子非金属性越强，即其得电子能力越强。

由元素周期表上看，靠右的元素非金属性比靠左的元素非金属性要强，靠上的元素非金属性比靠下的元素非金属性要强。

对于元素的单质，非金属性体现在单质的氧化性上。（参见元素周期律。）

单质

物理性质

非金属单质大多是分子晶体，少部分为原子晶体和过渡型的层状晶体。

单质共价键数大部分符合8-N规则

• 稀有气体：8-8=0（2-2=0），为单原子分子
• 卤素、氢：8-7=1（2-1=1），为双原子分子
• ⅥA族的硫、硒：8-6=2，为二配位的链形与环形分子
• ⅤA族的磷、砷：8-5=3，为三配位的有限分子P₄,As₄，灰砷和黑磷为层状分子
• ⅣA族的碳、硅：8-4=4，为四配位的金刚石型结构。

少数分子由于形成π键、大Π键或d轨道参与成键，键型发生变化，于是不遵守8-N规则。如N₂、O₂分子中的原子间的键不是单键；硼单质和石墨结构中，键的个数也不等于8-N个。

物理性质可分为三类

1. 稀有气体及O₂、N₂、H₂、F₂、Cl₂：一般状态下为气体，固体为分子晶体，熔沸点很低
2. 多原子分子，S₈、P₄等：一般状态下为固体，分子晶体，熔沸点低，但比第一类高
3. 大分子单质，金刚石、晶态硅等：原子晶体，熔沸点高

化学反应

活泼非金属元素，如F₂、Cl₂、Br₂、O₂、P、S等，能与金属形成简单阴离子化合物（如硫化物）或含氧酸盐等。非金属元素之间也能形成卤化物、氧化物、无氧酸、含氧酸等。

大部分单质不与水反应，仅卤素与高温下的碳能与水发生反应。

非金属一般不与非氧化性稀酸发生反应，但是硼、碳、磷、硫、碘、砷等可以被浓HNO₃、浓H₂SO₄及王水氧化。

除碳、氮、氧外，一般可以和碱溶液发生反应，对于有变价的主要发生歧化反应；Si、B则是从碱溶液中置换出氢气；浓碱时，F₂能氧化出O₂

成键方式

非金属原子之间主要成共价键，而非金属元素与金属元素之间主要成离子键。

非金属原子之间成共价键的原因是，两种原子均有获得电子的能力，都倾向于获得对方的电子使自己达到稳定的构型，于是两者就共用电子对以达此目的。

而金属原子失去电子的能力较强，与非金属相遇时就一者失电子、一者得电子，双方均达到稳定结构。

多原子的共价分子常常出现的一种现象是轨道杂化，这使得中心原子更易和多个原子成键。

非金属原子之间形成的共价键中，除了一般的σ键和π键，还有一种大Π键。大Π键是离域的，可以增加共价分子或离子的稳定性。

化合物

由于非金属元素复杂的成键方式，几乎所有的化合物中都含有非金属元素。

如果非金属元素与金属元素一同形成无机化合物，则可以形成无氧酸盐、含氧酸盐及配合物这几类物质。如果只由非金属元素形成无机物，则可以形成一系列共价化合物，如酸等。

非金属元素碳是有机化合物的基础。

分子氢化物

除稀有气体以外，所有非金属元素都能形成最高价态的共价型简单氢化物。

• 熔沸点：同一族的熔点、沸点从上到下递增。但NH₃、H₂O、HF的沸点因为存在氢键而特别高。
• 热稳定性：同一周期自左向右依次增加，同一族自上而下减少，与非金属元素电负性变化规律一样。
• 还原性：除HF外都具有还原性，其变化规律与稳定性相反，稳定性大的还原性小。

此外C、Si、B能分别形成碳烷、硅烷、硼烷一系列非金属原子数≥2的氢化物。

含氧酸及其盐

除稀有气体（氙除外）外，所有非金属元素都能形成含氧酸，且在酸中呈正氧化态。同一族从下到上、同一周期从左到右，非金属最高价含氧酸的酸性逐渐增强。但其他价含氧酸不遵循此规律。

非金属含氧酸中，高氧化态的强酸常具有氧化性，如硫酸(H₂SO₄)、硝酸(HNO₃)等；一些弱酸如次氯酸也是氧化性酸。还原性酸包括亚硫酸、亚磷酸等。

造字法

在中文中，非金属元素的名称都没有金字旁，而是以它们在常温下的状态分别加气字头、三点水、石字旁。

参考文献

引文

1. Larrañaga, Lewis & Lewis 2016, p. 988
2. Restrepo et al. 2006, p. 411; Thornton & Burdette 2010, p. 86; Hermann, Hoffmann & Ashcroft 2013, pp. 11604‒1‒11604‒5
3. Mewes et al. 2019; Smits et al. 2020

参考书目

• Hermann A, Hoffmann R & Ashcroft NW 2013, "Condensed Astatine: Monatomic and metallic", Physical Review Letters, vol. 111, doi:10.1103/PhysRevLett.111.116404
• Larrañaga MD, Lewis RJ & Lewis RA 2016, Hawley's Condensed Chemical Dictionary, 16th ed., Wiley, Hoboken, New York, ISBN 978-1-118-13515-0
• Mewes et al. 2019, Copernicium: A relativistic noble liquid, Angewandte Chemie International Edition, vol. 58, pp. 17964–17968, doi:10.1002/anie.201906966
• Restrepo G, Llanos EJ & Mesa H 2006, "Topological space of the chemical elements and its properties", Journal of Mathematical Chemistry, vol. 39, doi:10.1007/s10910-005-9041-1
• Smits et al. 2020, Oganesson: A noble gas element that is neither noble nor a gas, Angewandte Chemie International Edition, vol. 59, pp. 23636–23640, doi:10.1002/anie.202011976
• Thornton BF & Burdette SC 2010, "Finding eka-iodine: Discovery priority in modern times （页面存档备份，存于互联网档案馆）", Bulletin for the history of chemistry, vol. 35, no. 2, accessed September 14, 2021

参见