Um trecho da tabela periódica destacando os não-metais. Em amarelo, os 17 elementos amplamente considerados não-metais, incluindo o hidrogénio e os gases nobres; na cor cinza, os 6 elementos as vezes descritos como "metaloides"; e em marrom, 3 elementos considerados metais ou não-metais ainda não confirmados. Na diagonal, entre o boro e o oganésson, está representada a fronteira semimetálica.
Em química, o grupo dos não-metais (ou ametais) corresponde a uma das três categorias de elementos químicos (as outras duas são os metais e os metaloides) que, em sua maioria, não apresenta propriedades metálicas características. Eles variam de gases incolores como o hidrogénio a cristais brilhantes como o iodo. Fisicamente, são geralmente mais leves (menos densos) do que os elementos que formam metais e frequentemente são maus condutores de calor e eletricidade. Quimicamente, os não-metais possuem eletronegatividade relativamente alta ou geralmente atraem elétrons em uma ligação química com outro elemento, e seus óxidos tendem a ser ácidos.
Dezessete elementos são amplamente reconhecidos como não-metais. Além disso, alguns ou todos os seis elementos limítrofes (metaloides) são às vezes considerados não-metais. Existe um forte debate entre químicos e especialistas da área sobre a validade e a utilidade de agrupar certos elementos como semimetais (ou metaloides). A discussão gira em torno da falta de critérios científicos universais para definir essa categoria. Devido à imprecisão nos métodos de classificação dos elementos não metálicos, o número de elementos considerados semimetais e ametais varia dependendo da fonte. Há quem inclua boro, silício, germânio, arsênio, antimônio, telúrio e polônio, enquanto outros consideram apenas alguns destes.
Os dois não-metais mais leves, hidrogênio e hélio, juntos representam cerca de 98% da massa do universo observável. Cinco elementos não metálicos — hidrogênio, carbono, nitrogênio, oxigênio e silício — formam a maior parte da atmosfera, biosfera, crosta e oceanos da Terra, embora se acredite que os elementos metálicos representem pouco mais da metade da composição total do planeta.
Compostos químicos e ligas envolvendo múltiplos elementos, incluindo não-metais, são amplamente utilizados. Os usos industriais de não-metais como componente dominante incluem eletrônica, combustão, lubrificação e usinagem.
A maioria dos elementos não metálicos foi identificada nos séculos XVIII e XIX. Embora a distinção entre metais e outros minerais existisse desde a Antiguidade, a classificação dos elementos químicos como metálicos ou não metálicos surgiu apenas no final do século XVIII. Desde então, cerca de vinte propriedades foram sugeridas como critérios para distinguir metais de não-metais. Na pesquisa contemporânea, é comum usar a distinção entre metal e não-metal com base na estrutura eletrônica dos sólidos; os elementos carbono, arsênio e antimônio são geralmente classificados como semimetais, uma subclasse dos metais. Os demais elementos não metálicos são isolantes, alguns dos quais, como o silício e o germânio, podem facilmente acomodar dopantes que alteram a condutividade elétrica, levando a um comportamento semicondutor.
A maior parte dos não-metais encontra-se na parte superior direita da tabela periódica. A exceção é o hidrogénio, que é em geral colocado na extremidade superior esquerda com os metais alcalinos, mas se comporta como um não-metal na maior parte das circunstâncias. Ao contrário dos metais, que são condutores de eletricidade, um não-metal pode ser um isolador ou um semicondutor. Os ametais podem formar ligações iónicas com os metais ao ganharem electrões, ou ligações covalentes com outros não-metais. Os óxidos dos não-metais são ácidos. Em comparação com os metais, os ametais são maus condutores de eletricidade e calor.
Só existem dez não-metais conhecidos (excluindo os metalóides e os gases nobres), o que contrasta com mais de 80 metais. Mas são os não-metais que constituem a maior parte da Terra, em especial das suas camadas exteriores. Os organismos vivos são compostos quase exclusivamente por não-metais. Muitos não-metais, como hidrogénio, azoto, oxigénio, flúor, cloro, bromo e iodo formam moléculas diatómicas. A maior parte dos restantes formam compostos poliatómicos.
Definição e elementos químicos aplicáveis
Embora o arsénio (aqui selado num recipiente para evitar a oxidação) tenha um aspeto brilhante e seja um condutor razoável de calor e eletricidade, é macio e quebradiço e a sua química é predominantemente não metálica.
Os elementos químicos não metálicos são frequentemente definidos de forma ampla como aqueles que, em sua maioria, carecem de propriedades comumente associadas aos metais — nomeadamente brilho, maleabilidade, boa condutividade térmica e elétrica (devido à sua estrutura de bandas ) e uma capacidade geral de formar óxidos básicos. Segundo a definição da Encyclopædia Britannica, "... um não-metal é uma substância que possui uma energia de ativação finita (banda proibida) para a condução de elétrons. Isso significa que os não-metais apresentam condutividades elétricas volumétricas baixas (isolantes) a moderadas (semicondutores), que aumentam com o aumento da temperatura, e estão sujeitos à ruptura dielétrica em altas tensões e temperaturas." A União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC, na sigla em inglês) e a Associação Brasileira de Química (SBQ) enfatizam que, como não há um limite físico único e exato para a condutividade de todos os elementos, a lista exata pode variar ligeiramente dependendo do modelo de ligação adotado. Por exemplo, em identificadores como o Identificador Químico Internacional (InChI), elementos como Boro, Silício e Telúrio são agrupados junto aos não-metais. Não existe, portanto, uma definição precisa amplamente aceita em termos dessas propriedades, portanto, qualquer lista de não-metais está sujeita a debate e revisão.
Cerca de 15–20% dos 118 elementos conhecidos são assim classificados como não-metais nas condições ambientais comuns do planeta Terra. Em temperaturas e pressões mais elevadas, o número de não-metais pode ser questionado. Por exemplo, quando o germânio derrete, ele se transforma de um semicondutor em um condutor metálico com uma condutividade elétrica semelhante à do mercúrio líquido, este último, um metal. A uma pressão suficientemente alta, o sódio (um metal) torna-se um isolante não condutor, perdendo sua condutividade elétrica - a principal característica dos metais. Dessa forma, alguns elementos químicos que são isolantes ou semicondutores em condições normais podem ser tornar metálicos quando submetidos a condições de pressão muito elevadas - e, em alguns casos, temperaturas específicas. Isso ocorre porque a pressão aproxima tanto as nuvens eletrônicas dos átomos envolvidos que seus elétrons passam a se mover livremente, como em um metal. Neste sentido, essas exceções demonstram que a classificação periódica em "metal" e "não-metal" não é absoluta, pois depende da estrutura eletrônica do material, que por sua vez, pode mudar drasticamente de estado de acordo com as condições ambientes a qual são submetidos.
Propriedades gerais
Variedade de cores e formas de alguns elementos não metálicos
Pedaços policristalinos de β-boro romboédrico, peso líquido 25,5 gramas.
Grafite (esquerda) e diamante (direita), dois alótropos do carbono
Nitrogênio liquido
Octaedros de fluorita, o principal mineral de Flúor, na cor verde-grama agrupados em uma matriz rica em quartzo
Cristais de enxofre na matriz, encontrado na mina El Desierto, San Pablo de Napa, província de Daniel Campos, Potosí, Bolívia
Bromo em estado líquido em temperatura ambiente, selado, com fração de seu caracteristico vapor laranja-vivo.
Cristais de Iodo, evidenciando sua aparencia metálica na luz branca.
Silício policristalino, um material formado por diversos cristais de silício fundidos.
De todos os elementos químicos da Tabela Periódica, os não metalicos se destacam pela formidável diversidade química, apresentando características únicas entre si e formando uma infinidade de compostos. Três fatores podem explicar a singularidade físico-química destes elementos: estrutura eletrônica, tamanho dos átomos (raio atômico) e a intensidade das ligações covalentes formadas. A combinação destes fatores faz dos ametais os elementos mais versáteis da tabela periódica.
Uma vez que grande parte dos elementos não metálicos (com a exceção do hidrogênio) se encontra no bloco p da tabela periódica, especificamente entre as famílias 13 e 18, eles estão incluídos na categoria dos elementos químicos representativos. Diferente dos metais de transição (bloco d), cujas propriedades variam de forma mais complexa, os não-metais representativos exibem tendências periódicas muito claras e sistemáticas. Conforme se avança para a direita em um período, a carga nuclear efetiva aumenta, atraindo os elétrons mais fortemente. Isso resulta em altas energias de ionização e elevadas eletronegatividades.
A eletronegatividade é definida como a tendência de um átomo, quando inserido em uma molécula, de atrair elétrons compartilhados (ou densidade eletrônica) para si mesmo ao formar uma ligação química. Para os não-metais, essa propriedade é descrita por valores elevados, sendo o flúor o elemento mais eletronegativo da tabela periódica, com um valor de 3,98 na escala dePauling. Essa característica é quantificada por diferentes métodos, como a escala de Mulliken, que calcula a média entre a energia de ionização e a afinidade eletrônica, e a de Allred-Rochow, baseada na carga experimentada por um elétron na "superfície" do átomo. A eletronegatividade dos não-metais apresenta tendências periódicas claras: ela aumenta da esquerda para a direita ao longo de um período, devido ao aumento da carga nuclear efetiva que puxa os elétrons mais fortemente, e diminui de cima para baixo em um grupo, pois o aumento das camadas eletrônicas afasta os elétrons de valência do núcleo.
Com a exceção do Hidrogênio e dos gases nobres, os elementos ametálicos possuem de 3 a 7 elétrons na camada de valência. Desta forma, estão próximos de completar sua camada eletrônica, de acordo com a regra do octeto, mas ainda não são totalmente inertes. Para um não-metal, que já possui muitos elétrons em sua camada externa, é energeticamente muito mais viável completar esse "octeto" compartilhando pares de elétrons do que perdendo todos os seus elétrons de valência para atingir a camada estável inferior. Esta característica permite os arranjo das moléculas em geometrias praticamente ilimitadas. De modo geral, os não-metais compartilham elétrons porque atraem elétrons fortemente e exigem muita energia para cedê-los, tornando o compartilhamento o caminho de menor energia para alcançar a estabilidade química.
Desta forma, a eletronegatividade impacta os comportamentos químicos dos não-metais, principalmente, a natureza e a polaridade das ligações químicas formadas, uma vez que ela faz com que esses elementos prefiram compartilhar elétrons (ligações covalentes) ou ganhá-los, em vez de perdê-los como os metais. Quando dois não-metais diferentes se ligam, a diferença de eletronegatividade cria uma ligação covalente polar, onde a densidade eletrônica se desloca para o átomo mais eletronegativo, gerando dipolos elétricos. Se a diferença de eletronegatividade entre os átomos for muito grande (geralmente acima de 1,7), a ligação adquire um alto caráter iônico, podendo resultar na transferência completa de elétrons e na formação de redes cristalinas em vez de moléculas discretas.
Uma vez que os átomos não metálicos são, em sua maioria, relativamente pequenos quando comparados aos elementos metálicos, fazendo com que seus orbitais atômicos se sobrepõem a medida que se aproximam, o que cria uma alta densidade eletrônica entre os núcleos, mantendo-os unidos por atração eletrostática simultânea. Desta forma, as ligações covalentes entre os não-metais são consideradas ligações fortes, no entanto, a distância de ligação é diretamente influenciada pelas características periódicas desses elementos, variando sistematicamente de acordo com sua posição na tabela periódica.
Neste sentido, a eletronegatividade dos elementos não metálicos acaba influenciando a geometria molecular, principalmente ao ditar como a densidade eletrônica é distribuída ao redor do átomo central da molécula, o que afeta as forças de repulsão entre os pares de elétrons (ligantes e isolados). De modo geral, ela influencia a localização dos pares de elétrons. Um par de elétrons isolado (não ligante) é atraído por apenas um núcleo (o do átomo central), enquanto um par ligante é compartilhado entre dois núcleos. Como o par isolado está mais "próximo" do núcleo central, sua nuvem eletrônica se espalha mais, ocupando um volume maior do que um par ligante.
Essa maior ocupação de espaço exerce uma repulsão mais forte sobre os pares ligantes adjacentes, comprimindo os ângulos de ligação. Quando um ligante é altamente eletronegativo (como o flúor), ele atrai o par de elétrons da ligação para longe do átomo central. Isso reduz a densidade eletrônica próxima ao átomo central, diminuindo a força de repulsão que esse par ligante exerce sobre outros domínios de elétrons. Ligantes mais eletronegativos tendem a permitir que os ângulos de ligação entre eles sejam menores do que os observados com ligantes menos eletronegativos. Por exemplo, no metano, o angulo é de 109,5º; na amônia, com um único par isolado, o ângulo cai para 107°,0; enquanto na água, com dois pares isolados, o ângulo é reduzido para 104,5°. O modelo principal para prever essas formas é a teoria VSEPR (Repulsão dos Pares de Elétrons da Camada de Valência), que estabelece que a geometria de uma molécula é aquela que minimiza a repulsão entre os domínios de elétrons.
A alta eletronegatividade combinada com o pequeno tamanho atômico dos não-metais do 2º período (como nitrogênio, oxigênio e fluor) influencia as geometrias que eles podem adotar. Elementos como o nitrogênio e o oxigênio raramente apresentam hipervalência (mais de 8 elétrons na camada de valência) porque sua alta eletronegatividade torna difícil para o átomo central compartilhar densidade eletrônica em ligações ricas em elétrons (como a ligação 3-centros-4-elétrons). Já não-metais do 3º período em diante (como fosforo, enxofre, cloro), que possuem menor eletronegatividade e raios maiores, conseguem acomodar mais do que quatro pares de elétrons, formando geometrias mais complexas, como bipirâmide trigonal e octaédrica.
No geral, a diferença de eletronegatividade dos não-metais cria ligações covalentes polares, mas a geometria da molécula determina se esses dipolos de ligação se cancelam ou se somam para formar um momento dipolar molecular. Em geometrias altamente simétricas (como linear no dióxido de carbono ou tetraédrica no tetracloreto de carbono), os dipolos de ligantes idênticos se cancelam, resultando em uma molécula apolar, mesmo com ligações polares, mas se a geometria for assimétrica (como a angular da água), a eletronegatividade do oxigênio garante que a molécula tenha uma polaridade resultante significativa.
Notas
↑O Acordo Ortográfico de 1990 regula legalmente a ortografia da língua portuguesa e é omisso quanto à hifenização de compostos formados com o elemento prefixal "não-". Logo, não há proibição e é possível a grafia hifenizada: não-metal, permitida por normas ortográficas anteriores. A Academia Brasileira de Letras interpretou o acordo em 2009 e propôs a excluir o emprego de hífen nesses casos, mas sem qualquer autoridade legal tal qual o texto do acordo. Por essa proposta, a grafia seria: não metal. Mais informações em Uso do hífen conforme o Acordo Ortográfico de 1990#"Não" prefixal.
12Sobre o debate a respeito do número exato de elementos químicos não metalicos e a existência e tamanho dos metaloides, há várias as fontes.
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↑De acordo com a tabela periódica, o elemento Boro possui 3 eletrons em sua camada de valência; Carbono, Silicio e Germanio, 4 eletrons; Nitrogênio, Fósforo, Arsenio e Antimônio possuem 5 eletrons; Oxigênio, Enxofre, Seleneio e Telúrio, 6 elétrons; e Flúor, Cloro, Bromo, Iodo e Astato possuem 7 eletrons na camada de valência.
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