無(wú)機(jī)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(duì)科學(xué)研究、生產(chǎn)、生活、實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室制備方法, 同時(shí)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(duì)非金屬單質(zhì)的制備方法進(jìn)行了一次總結(jié)。 一些非金屬 單質(zhì)對(duì)科學(xué)研究、生產(chǎn)、生活、實(shí)驗(yàn)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(shuō)明了一些非金屬單質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室制備方法。同時(shí)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(shí)驗(yàn)室制備氫氣常使用鋅和稀硫酸(或稀鹽酸進(jìn)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(shí),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(tái)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(gè)實(shí)驗(yàn)所遵循的理論依據(jù)是鋅的電極電勢(shì)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(jì)、 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?yàn)榉倪€原電位較高。所以工業(yè)上和實(shí)驗(yàn)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(shí)的石墨做陽(yáng)極, 在 373K 左右進(jìn)行電解,總反應(yīng)為:2+F2 隨著電解的進(jìn)行, HF 不斷被消耗,電解質(zhì)的熔點(diǎn)會(huì)不斷升高,因此要不斷補(bǔ)充 HF 。根據(jù)路易斯酸能將另一個(gè)較弱的路易斯酸從穩(wěn)定配離子的鹽中置換出來(lái)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(chǔ)存。2.2氯的制備方法實(shí)驗(yàn)室制備氯氣常用 :MnO 22+2H2O+Cl22KMnO 42+8H2O+5Cl2將 Cl 2通過(guò)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(lái)制備氯氣,電解槽以石墨或金屬鈦?zhàn)鲫?yáng)極,鐵網(wǎng)做陰極,并 用石棉隔膜把陽(yáng)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(yáng)極、 陰極室之間的隔離材料使用高分子離子交換膜, 這種陽(yáng)離子交換膜只允許 Na +由陽(yáng)極室進(jìn)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(guò)此法由于環(huán)境等原因正逐步被淘汰。2.3溴的制備實(shí)驗(yàn)室中通常用氯氣氧化 Br -來(lái)制備 Br 2:Cl 2+2Br-= 2Cl-+Br2此外,實(shí)驗(yàn)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(lái),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(shí)驗(yàn)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(yàn)證所制得的氣體 為氧氣。工業(yè)上利用氧氣、 氮?dú)獾葰怏w的沸點(diǎn)不同, 將液態(tài)空氣分餾得到液態(tài)氧。 因?yàn)榭諝庵醒鯕夂?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(shí)驗(yàn)室中利用對(duì)氧氣的無(wú)聲放電來(lái)獲得臭氧。 簡(jiǎn)單的臭氧發(fā)生器主 要由兩個(gè)玻璃管組成, 其中的一個(gè)玻璃管

7、套在另一個(gè)中間。 干燥的氧氣在兩管之間慢慢通過(guò)。 導(dǎo)線 的兩端和高壓感應(yīng)圈的兩極相連接。 無(wú)聲放電發(fā)生在兩管壁之間, 從臭氧發(fā)生器中出來(lái)的氣體約含 有 3%10%的臭氧?？梢赃M(jìn)一步利用氧和臭氧沸點(diǎn)相差較大的特點(diǎn),通過(guò)分級(jí)分化的方法制取更 加純凈、濃度較高的臭氧。 15氮?dú)獾闹苽?1實(shí)驗(yàn)室制備少量氮?dú)獾某Ｓ梅椒ㄊ羌訜犸柡偷膩喯跛徕c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(shí)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(guò) 于劇烈,不容易控制,故用間接方法制備。氮?dú)怆y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(guò)紅熱的氧化銅,或是將氨氣通入溴水中,均可得到少量氮?dú)狻?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(wú)定形的紅磷。在 1200MPa 的壓力下,將白磷加熱到 473 K時(shí),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(jí)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(duì)比較廉價(jià),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(lái)大致是氧化陰離子法、還原正價(jià)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(yáng)極, 2KHF2 2KF +H 2 +F 2 9.1.2用強(qiáng)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(jià)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(jià)元素用強(qiáng)還原劑將不太活潑的非金屬?gòu)乃鼈兊幕衔镏羞€原出來(lái),這種反應(yīng)需要在高溫下進(jìn)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(wú)機(jī)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(yǔ) 實(shí)驗(yàn)室中制備非金屬單質(zhì)的量較少，比較簡(jiǎn)單。選擇簡(jiǎn)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(gè)方面的因素。比如說(shuō)經(jīng)濟(jì)方面，純度方面、可行性方面，并且要結(jié)合反應(yīng)的 效率來(lái)