電子を失うのではなく、受け取ります
電気陰性度とイオン化エネルギーが高いため、非金属は電子を自分のほうへ引き寄せます。金属とはイオン化合物を形成し、非金属同士では電子を共有して、生物学の基盤となる共有結合分子を生み出します。
電気を通すのではなく、生命を構成する元素
非金属
水素、炭素、窒素、酸素、リン、硫黄、セレンです。これらは電気を通しにくく、固体ではもろい一方で、極めて重要です。質量で見ると、あらゆる生物の99%以上は、わずか4種類の元素だけでできています。
- 構成元素
- 7
- 族
- pブロックの右上部と水素
- 電子配置
- 多様性
- 放射性
- 0
周期表でハイライト表示
すべての元素
7個の非金属
1
H
水素
1.008 u
存在する中で最も単純な原子です――陽子1個、電子1個――そして宇宙のあらゆる原子の約90％を占めます。
6
C
炭素
12.011 u
既知のあらゆる生物の骨格であり、周期表で最も多彩な結合をつくる元素です。
7
N
窒素
14.007 u
今あなたが呼吸している空気の78％を占め、化学で最も強い結合の一つによって結びついています。
8
O
酸素
15.999 u
鉄をさびさせ、燃料を燃やし、あなたを生かしている元素です。そして地球の地殻で最も豊富な元素でもあります。
15
P
リン
30.974 u
金を探して尿を煮詰めることで発見され、暗闇で光り、DNAのすべての鎖に組み込まれている元素です。
16
S
硫黄
32.06 u
黄色く、もろく、擦ったマッチ、腐った卵、火山の噴気孔のにおいの原因となる元素です。
34
Se
セレン
78.971 u
目が機能するために必要で、複写機の存在を可能にした元素です。
何によって定義されるか
非金属を特徴づける3つのこと
金属結合がないため、金属的性質もない
非局在化電子の海がなければ、熱や電気を伝えるものも、原子同士を滑らせるものもありません。そのため、非金属は絶縁性があり、もろく、多くの場合は気体です。
多重結合と同素体
小さな非金属原子は、強い二重結合や三重結合を形成します。そのため、N₂は反応性が非常に低く、CO₂は気体である一方、SiO₂は岩石です。多くは複数の構造形態を取り、炭素にはダイヤモンド、黒鉛、グラフェンが、リンには白リン、赤リン、黒リンがあります。
周期表の傾向
族内での変化
電気陰性度とイオン化エネルギーは表の右上に向かって高くなり、フッ素と酸素で最大になります。融点は構造によって大きく変わります。結合の強さだけでなく構造が融点を決めるためです。炭素は3,800 Kを超えて昇華しますが、窒素は77 Kで沸騰します。
世界での用途
何に使われるか
水素
アンモニア合成、石油精製、ロケット燃料、そしてますます重要になるエネルギー貯蔵に使われます。
炭素
鋼鉄、プラスチック、燃料、繊維、そして存在するすべての有機分子です。ダイヤモンドでは切削に使われ、黒鉛では潤滑剤になります。
窒素
世界人口のおよそ半分を支えるハーバー・ボッシュ法による肥料の製造に使われます。液体窒素は主要な低温冷媒です。
酸素
製鋼、医療、水処理、呼吸に使われます。質量で見ると、地殻と人体のどちらにおいても最も多い元素です。
リン
肥料、洗剤、マッチ、そしてDNAと、すべての細胞にエネルギーを供給する分子であるATPの骨格に使われています。
硫黄
世界で最も生産量の多い工業用化学物質である硫酸に加え、加硫ゴムや殺菌剤にも使われています。
取り扱い
安全性
非常に多様です。酸素と窒素は、適切な割合なら呼吸しても安全ですが、割合を誤ると危険です。純粋な酸素は火災を制御不能にし、純粋な窒素は警告なしに窒息を引き起こします。白リンは空気中で発火し、深いやけどを引き起こします。硫化水素はシアン化物と同じくらい毒性が高く、危険な濃度では嗅覚を麻痺させます。
知っておくとよいこと
- 窒素は空気の78%を占めていますが、ほとんど何もそれを直接利用できません。N≡N三重結合を切断するには、世界のエネルギー生産量の1〜2%を消費します。
- 酸素は地殻で最も多い元素です。質量でほぼ半分を占め、そのほとんどすべてがケイ酸塩岩に結びついています。
- リンは1669年、金を検索して尿を煮詰める過程で発見されました。暗闇で光ったことから、ギリシャ語の「光を運ぶもの」に由来する名前が付けられました。
よくある質問
非金属の概要
非金属とハロゲンまたは希ガスの違いは何ですか？
ハロゲンと希ガスは非金属です。単に、別々の名前を付けるほど特徴的な2つの族なのです。それ以外は「その他の非金属」または「反応性非金属」と呼ばれ、水素、炭素、窒素、酸素、リン、硫黄、セレンが含まれます。
なぜ非金属は電気を通さないのですか？
電気伝導には、物質中を自由に移動できる電子が必要です。金属では、外側の電子が格子全体に非局在化しています。非金属では、特定の共有結合や孤立電子対に固定されています。有名な例外が黒鉛です。層状構造によって、炭素1個あたり1個の電子が各シート全体に非局在化するため、層に沿って電気を通します。
生命に不可欠な非金属はどれですか？
6種類で体の約99%を構成します。酸素、炭素、水素、窒素、カルシウム、リンで、そのうち4種類は非金属です。硫黄とセレンも少量必要で、硫黄は2種類のアミノ酸に、セレンは酸化による損傷を取り除く酵素に含まれています。