無機化學(xué)課程小論文――非金屬單質(zhì)的制備方法及其規(guī)律

1、非金屬單質(zhì)的制備方法及其規(guī)律朱敏(2007210374(華中師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院,武漢, 430079摘要:一些非金屬單質(zhì)對科學(xué)研究、生產(chǎn)、生活、實驗都具有重大作用,了解它們的制備方法具有 重要意義。 在這里主要總結(jié)了一些非金屬單質(zhì)的實驗室制備方法, 同時略微提及了一些非金屬單質(zhì) 的工業(yè)制備方法。關(guān)鍵詞:非金屬 制備方法 單質(zhì)學(xué)習(xí)了元素化學(xué)的非金屬部分之后, 我對非金屬單質(zhì)的制備方法進行了一次總結(jié)。 一些非金屬 單質(zhì)對科學(xué)研究、生產(chǎn)、生活、實驗都具有重大作用。了解它們的制備方法具有重要意義。在這里 主要說明了一些非金屬單質(zhì)的實驗室制備方法。同時略微提及了一些非金屬單質(zhì)的工業(yè)制備方法。 1 氫氣的制

2、備方法實驗室制備氫氣常使用鋅和稀硫酸(或稀鹽酸進行反應(yīng)。在一潔凈的試管中加入一顆鋅粒, 再加入適量稀鹽酸。此時,試管中物質(zhì)開始反應(yīng),有大量的氣體產(chǎn)生。用帶有一根玻璃導(dǎo)管的橡皮 塞塞住試管口,將其固定在鐵架臺上,將另一端通入水槽中,待氣泡產(chǎn)生穩(wěn)定后,將導(dǎo)管通入另一 裝滿水的倒立于水槽的試管中,用排水法收集產(chǎn)生的氣體。 由于氫氣密度遠(yuǎn)小于空氣的密度, 故也 可以用向下排空氣法收集。這個實驗所遵循的理論依據(jù)是鋅的電極電勢比氫小,可與非氧化性酸反應(yīng)釋放氫氣:Zn+H2SO 4=ZnSO4+H2鋅也可以用其他金屬,如鋁,鐵等代替。工業(yè)上有的用電解水法制備氫氣, 但考慮經(jīng)濟、 能量利用率等因素, 用電解水

3、法制備的氫氣數(shù) 量有限,不是為人類提供氫能源的有效方法。2鹵素的制備方法 12.1氟的制備方法制備單質(zhì)氟,只能采用電解氧化法,因為氟的還原電位較高。所以工業(yè)上和實驗室中,都是電 解熔融的氟氫化鉀和氟化氫的混合物,以鋼制容器做電解槽,槽身做陰極,以壓實的石墨做陽極, 在 373K 左右進行電解,總反應(yīng)為:2+F2 隨著電解的進行, HF 不斷被消耗,電解質(zhì)的熔點會不斷升高,因此要不斷補充 HF 。根據(jù)路易斯酸能將另一個較弱的路易斯酸從穩(wěn)定配離子的鹽中置換出來的原理,也可以制得 F 2。 423K4KMnO 4+4KF+20HF=2K 2MnF 6+10H2O+3O2SbCl 5+5HF=SbF

4、5+5HCl2K 2MnF 6+4SbF5= 4KSbF 6+2MnF3+F2氣體氟經(jīng)凈化后將它以 17.717.8Mpa 的壓力壓入特種鋼瓶中儲存。2.2氯的制備方法實驗室制備氯氣常用 :MnO 22+2H2O+Cl22KMnO 42+8H2O+5Cl2將 Cl 2通過水、硫酸、氯化鈣和五氧化二磷純化。工業(yè)上常用電解氯化鈉飽和溶液來制備氯氣,電解槽以石墨或金屬鈦做陽極,鐵網(wǎng)做陰極,并 用石棉隔膜把陽極區(qū)和陰極區(qū)隔開。電解總反應(yīng)為 :2Cl -2= 2OH-+H2+Cl2現(xiàn)代氯堿池中陽極、 陰極室之間的隔離材料使用高分子離子交換膜, 這種陽離子交換膜只允許 Na +由陽極室進入陰極室。2 常用

5、排飽和食鹽水法收集氯氣。還有汞陰極法,不過此法由于環(huán)境等原因正逐步被淘汰。2.3溴的制備實驗室中通常用氯氣氧化 Br -來制備 Br 2:Cl 2+2Br-= 2Cl-+Br2此外,實驗室中也有用類似制備氯的方法制備溴,但是用溴化物與濃硫酸的混合物代替 HBr: 2NaBr+3H2SO 4+MnO4= 2NaHSO4+MnSO4+2H2O+Br2工業(yè)上從海水中制溴。把鹽鹵加熱到 363K 后控制 pH 為 3.5,通入氯把溴置換出來,再用空氣 把溴吹出用碳酸鈉吸收,再用硫酸酸化即可析出單質(zhì)溴。2.4碘的制備實驗室中制備碘的方法和制備氯和溴的方法類似:Cl 2+2I-= 2Cl-+I22NaI+

6、3H2SO 4+MnO2=2NaHSO 4+MnSO+2H2O+I2經(jīng)常用自然界的碘酸鈉為原料,與還原劑亞硫酸氫鈉反應(yīng)制備大量的碘:2IO 3-+5HSO3-=5SO 42-+H2O+3H+I2 3氧氣的制備2 2MnO 4+MnO2+O2可以用排水法收集氧氣, 并用帶火星的木條伸入裝氧氣的試管中, 木條復(fù)燃驗證所制得的氣體 為氧氣。工業(yè)上利用氧氣、 氮氣等氣體的沸點不同, 將液態(tài)空氣分餾得到液態(tài)氧。 因為空氣中氧氣含量 較大,故用此方法可制備較多的氧氣。 4臭氧的制備臭氧是氧氣的同素異形體。 實驗室中利用對氧氣的無聲放電來獲得臭氧。 簡單的臭氧發(fā)生器主 要由兩個玻璃管組成, 其中的一個玻璃管

7、套在另一個中間。 干燥的氧氣在兩管之間慢慢通過。 導(dǎo)線 的兩端和高壓感應(yīng)圈的兩極相連接。 無聲放電發(fā)生在兩管壁之間, 從臭氧發(fā)生器中出來的氣體約含 有 3%10%的臭氧?？梢赃M一步利用氧和臭氧沸點相差較大的特點,通過分級分化的方法制取更 加純凈、濃度較高的臭氧。 15氮氣的制備 1實驗室制備少量氮氣的常用方法是加熱飽和的亞硝酸鈉和氯化銨的混合溶液:NH 4Cl+NaNO2= NH 4NO 2+NaClNH 4NO 2= N 2+H2O該反應(yīng)的實質(zhì)是 NH 4NO 2分子中發(fā)生了分子內(nèi)的氧化還原反應(yīng),若直接加熱 NH 4NO 2, 。 則反應(yīng)過 于劇烈,不容易控制,故用間接方法制備。氮氣難溶于水

8、,故可以用排水法收集由重鉻酸銨熱分解,氨氣通過紅熱的氧化銅,或是將氨氣通入溴水中,均可得到少量氮氣。(NH4 2Cr +Cr2O 3+H2O2NH 3+3CuO=3Cu+N2+3H2O8NH 3+3Br2= N2 +6NH4Br極純的 N 2可由 NaN 3加熱分解得到:2NaN 3(s= 2Na(l+3N2(g工業(yè)上生產(chǎn)大量的氮是用分餾液態(tài)空氣得到,空氣中含有大量的氮,所以這種方法比較常用。 6磷的制備方法3273K 723773K 13731453K 13731573K 10731273K 鉭絲 制備單質(zhì)磷系將磷灰石混以石英砂 (SiO2 在 1773K 左右的石墨電極電爐中還原:2Ca

9、3(PO4+6SiO2+10C= 6CaSiO 3+P4+10CO將生成的磷蒸氣和 CO 通入冷水,磷便結(jié)晶為白色的白磷。將白磷隔絕空氣加熱到 533K 就轉(zhuǎn)變成無定形的紅磷。在 1200MPa 的壓力下,將白磷加熱到 473 K時,能將它轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃剖瑺罱Y(jié)構(gòu)的黑磷。 7硅的制備方法用天然的二氧化硅或硅酸鹽可以制備出各種純度等級的單質(zhì)硅。 工業(yè)上用焦炭在電爐中還原石 英砂的方法制得粗硅 :SiO 2+2C= Si+2CO將粗硅反應(yīng)生成四氯化硅,再用精餾的方法將其提純,然后用氫氣還原可得高純硅: Si+2Cl2= SiCl4SiCl 4+2H2= Si+4HCl8硼的制備方法硼在自然界中以含氧

10、的礦物存在,故制備單質(zhì)硼主要采用還原法。8.1金屬還原法可以用鈉、鉀、鎂、鈣、鋅、鐵等金屬還原三氧化二硼制得硼單質(zhì):B 2O 3+3Mg= 2B+3MgO用酸處理產(chǎn)物,使雜質(zhì)溶于酸,可以提高硼的純度。8.2電解法在 1073K 下,于熔融的 KCl-KF 中電解還原 KBF 4。這種方法相對比較廉價,但只能得到純度 為 95%的粉末狀硼。8.3氫還原法在熱的鉭金屬絲上,使 BBr 3與 H 2反應(yīng):2BBr 3+3H 2= 2B+6HBr8.4熱分解法用鹵化硼熱分解可制得晶體硼:2BI 3= 2B+3I29總結(jié)制備非金屬單質(zhì)有各種各樣的方法,但是總結(jié)起來大致是氧化陰離子法、還原正價元素法、熱

11、分解法等等。9.1氧化陰離子法9.1.1電解法 (可制取 Cl 2、 F 2、 O 2等 2NaCl 2Na +Cl 2 (電解 KHF 2, Cu 作容器、陰極,石墨作陽極, 2KHF2 2KF +H 2 +F 2 9.1.2用強氧化劑氧化2KMnO 4(濃 +16HCl (濃 2KCl +2MnCl 2+Cl 2 +8H 2O4HCl (濃 +MnO 2MnCl 2+Cl 2 +2H 2O 2NaI +Cl 2=2NaCl +I 2H 2S +Br 2=2HBr +S 9.2氧化負(fù)價原子9.2.1熱分解法2KMnO 4KMnO 4+MnO 2+O 2 9.2.2用氧化劑氧化CH 4+O 2

12、(不足 C +2H 2O 2H 2S +O 2(不足 2S +2H 2O 9.3還原正價元素用強還原劑將不太活潑的非金屬從它們的化合物中還原出來,這種反應(yīng)需要在高溫下進行。 SiCl 4+2H 2Si +4HCl B 2O 3+3H 22B +3H 2O P 2O 5+C2P +5CO 2C +SiO 22CO +Si 2Mg +SiO 22MgO +Si無機化學(xué)課程小論文 Zn2HClZnCl2H2 其它： NH4ClNaNO2 NaCl2H2ON2 2（歸中） 非金屬單質(zhì)的制備方法及其規(guī)律 結(jié)語 實驗室中制備非金屬單質(zhì)的量較少，比較簡單。選擇簡單可行的方法即可。在工業(yè)上制備非金 屬單質(zhì)就需要考慮各個方面的因素。比如說經(jīng)濟方面，純度方面、可行性方面，并且要結(jié)合反應(yīng)的 效率來