无机化学课程小论文――非金属单质的制备方法及其规律

1、非金属单质的制备方法及其规律朱敏(2007210374(华中师范大学化学学院,武汉, 430079摘要:一些非金属单质对科学研究、生产、生活、实验都具有重大作用,了解它们的制备方法具有 重要意义。 在这里主要总结了一些非金属单质的实验室制备方法, 同时略微提及了一些非金属单质 的工业制备方法。关键词:非金属 制备方法 单质学习了元素化学的非金属部分之后, 我对非金属单质的制备方法进行了一次总结。 一些非金属 单质对科学研究、生产、生活、实验都具有重大作用。了解它们的制备方法具有重要意义。在这里 主要说明了一些非金属单质的实验室制备方法。同时略微提及了一些非金属单质的工业制备方法。 1 氢气的制

2、备方法实验室制备氢气常使用锌和稀硫酸(或稀盐酸进行反应。在一洁净的试管中加入一颗锌粒, 再加入适量稀盐酸。此时,试管中物质开始反应,有大量的气体产生。用带有一根玻璃导管的橡皮 塞塞住试管口,将其固定在铁架台上,将另一端通入水槽中,待气泡产生稳定后,将导管通入另一 装满水的倒立于水槽的试管中,用排水法收集产生的气体。 由于氢气密度远小于空气的密度, 故也 可以用向下排空气法收集。这个实验所遵循的理论依据是锌的电极电势比氢小,可与非氧化性酸反应释放氢气:Zn+H2SO 4=ZnSO4+H2锌也可以用其他金属,如铝,铁等代替。工业上有的用电解水法制备氢气, 但考虑经济、 能量利用率等因素, 用电解水

3、法制备的氢气数 量有限,不是为人类提供氢能源的有效方法。2卤素的制备方法 12.1氟的制备方法制备单质氟,只能采用电解氧化法,因为氟的还原电位较高。所以工业上和实验室中,都是电 解熔融的氟氢化钾和氟化氢的混合物,以钢制容器做电解槽,槽身做阴极,以压实的石墨做阳极, 在 373K 左右进行电解,总反应为:2+F2 随着电解的进行, HF 不断被消耗,电解质的熔点会不断升高,因此要不断补充 HF 。根据路易斯酸能将另一个较弱的路易斯酸从稳定配离子的盐中置换出来的原理,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气体氟经净化后将它以 17.717.8Mpa 的压力压入特种钢瓶中储存。2.2氯的制备方法实验室制备氯气常用 :MnO 22+2H2O+Cl22KMnO 42+8H2O+5Cl2将 Cl 2通过水、硫酸、氯化钙和五氧化二磷纯化。工业上常用电解氯化钠饱和溶液来制备氯气,电解槽以石墨或金属钛做阳极,铁网做阴极,并 用石棉隔膜把阳极区和阴极区隔开。电解总反应为 :2Cl -2= 2OH-+H2+Cl2现代氯碱池中阳极、 阴极室之间的隔离材料使用高分子离子交换膜, 这种阳离子交换膜只允许 Na +由阳极室进入阴极室。2 常用

5、排饱和食盐水法收集氯气。还有汞阴极法,不过此法由于环境等原因正逐步被淘汰。2.3溴的制备实验室中通常用氯气氧化 Br -来制备 Br 2:Cl 2+2Br-= 2Cl-+Br2此外,实验室中也有用类似制备氯的方法制备溴,但是用溴化物与浓硫酸的混合物代替 HBr: 2NaBr+3H2SO 4+MnO4= 2NaHSO4+MnSO4+2H2O+Br2工业上从海水中制溴。把盐卤加热到 363K 后控制 pH 为 3.5,通入氯把溴置换出来,再用空气 把溴吹出用碳酸钠吸收,再用硫酸酸化即可析出单质溴。2.4碘的制备实验室中制备碘的方法和制备氯和溴的方法类似:Cl 2+2I-= 2Cl-+I22NaI+

6、3H2SO 4+MnO2=2NaHSO 4+MnSO+2H2O+I2经常用自然界的碘酸钠为原料,与还原剂亚硫酸氢钠反应制备大量的碘:2IO 3-+5HSO3-=5SO 42-+H2O+3H+I2 3氧气的制备2 2MnO 4+MnO2+O2可以用排水法收集氧气, 并用带火星的木条伸入装氧气的试管中, 木条复燃验证所制得的气体 为氧气。工业上利用氧气、 氮气等气体的沸点不同, 将液态空气分馏得到液态氧。 因为空气中氧气含量 较大,故用此方法可制备较多的氧气。 4臭氧的制备臭氧是氧气的同素异形体。 实验室中利用对氧气的无声放电来获得臭氧。 简单的臭氧发生器主 要由两个玻璃管组成, 其中的一个玻璃管

7、套在另一个中间。 干燥的氧气在两管之间慢慢通过。 导线 的两端和高压感应圈的两极相连接。 无声放电发生在两管壁之间, 从臭氧发生器中出来的气体约含 有 3%10%的臭氧。可以进一步利用氧和臭氧沸点相差较大的特点,通过分级分化的方法制取更 加纯净、浓度较高的臭氧。 15氮气的制备 1实验室制备少量氮气的常用方法是加热饱和的亚硝酸钠和氯化铵的混合溶液:NH 4Cl+NaNO2= NH 4NO 2+NaClNH 4NO 2= N 2+H2O该反应的实质是 NH 4NO 2分子中发生了分子内的氧化还原反应,若直接加热 NH 4NO 2, 。 则反应过 于剧烈,不容易控制,故用间接方法制备。氮气难溶于水

8、,故可以用排水法收集由重铬酸铵热分解,氨气通过红热的氧化铜,或是将氨气通入溴水中,均可得到少量氮气。(NH4 2Cr +Cr2O 3+H2O2NH 3+3CuO=3Cu+N2+3H2O8NH 3+3Br2= N2 +6NH4Br极纯的 N 2可由 NaN 3加热分解得到:2NaN 3(s= 2Na(l+3N2(g工业上生产大量的氮是用分馏液态空气得到,空气中含有大量的氮,所以这种方法比较常用。 6磷的制备方法3273K 723773K 13731453K 13731573K 10731273K 钽丝 制备单质磷系将磷灰石混以石英砂 (SiO2 在 1773K 左右的石墨电极电炉中还原:2Ca

9、3(PO4+6SiO2+10C= 6CaSiO 3+P4+10CO将生成的磷蒸气和 CO 通入冷水,磷便结晶为白色的白磷。将白磷隔绝空气加热到 533K 就转变成无定形的红磷。在 1200MPa 的压力下,将白磷加热到 473 K时,能将它转变为类似石墨片状结构的黑磷。 7硅的制备方法用天然的二氧化硅或硅酸盐可以制备出各种纯度等级的单质硅。 工业上用焦炭在电炉中还原石 英砂的方法制得粗硅 :SiO 2+2C= Si+2CO将粗硅反应生成四氯化硅,再用精馏的方法将其提纯,然后用氢气还原可得高纯硅: Si+2Cl2= SiCl4SiCl 4+2H2= Si+4HCl8硼的制备方法硼在自然界中以含氧

10、的矿物存在,故制备单质硼主要采用还原法。8.1金属还原法可以用钠、钾、镁、钙、锌、铁等金属还原三氧化二硼制得硼单质:B 2O 3+3Mg= 2B+3MgO用酸处理产物,使杂质溶于酸,可以提高硼的纯度。8.2电解法在 1073K 下,于熔融的 KCl-KF 中电解还原 KBF 4。这种方法相对比较廉价,但只能得到纯度 为 95%的粉末状硼。8.3氢还原法在热的钽金属丝上,使 BBr 3与 H 2反应:2BBr 3+3H 2= 2B+6HBr8.4热分解法用卤化硼热分解可制得晶体硼:2BI 3= 2B+3I29总结制备非金属单质有各种各样的方法,但是总结起来大致是氧化阴离子法、还原正价元素法、热

11、分解法等等。9.1氧化阴离子法9.1.1电解法 (可制取 Cl 2、 F 2、 O 2等 2NaCl 2Na +Cl 2 (电解 KHF 2, Cu 作容器、阴极,石墨作阳极, 2KHF2 2KF +H 2 +F 2 9.1.2用强氧化剂氧化2KMnO 4(浓 +16HCl (浓 2KCl +2MnCl 2+Cl 2 +8H 2O4HCl (浓 +MnO 2MnCl 2+Cl 2 +2H 2O 2NaI +Cl 2=2NaCl +I 2H 2S +Br 2=2HBr +S 9.2氧化负价原子9.2.1热分解法2KMnO 4KMnO 4+MnO 2+O 2 9.2.2用氧化剂氧化CH 4+O 2

12、(不足 C +2H 2O 2H 2S +O 2(不足 2S +2H 2O 9.3还原正价元素用强还原剂将不太活泼的非金属从它们的化合物中还原出来,这种反应需要在高温下进行。 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无机化学课程小论文 Zn2HClZnCl2H2 其它： NH4ClNaNO2 NaCl2H2ON2 2（归中） 非金属单质的制备方法及其规律 结语 实验室中制备非金属单质的量较少，比较简单。选择简单可行的方法即可。在工业上制备非金 属单质就需要考虑各个方面的因素。比如说经济方面，纯度方面、可行性方面，并且要结合反应的 效率来