常見(jiàn)各類(lèi)非金屬單質(zhì)的制備方法及其規(guī)律

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(kāi)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+^SgnSq+HJ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，用電解水法制備的氫氣數(shù)量有限，不是為人類(lèi)提供氫能源的有效方法。2鹵素的制備方法[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：電解2KHF2—2燈+電中隨著電解的進(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F24KMnO”+4KF+20HF=2KcMnF<+10HQ+3Oc4 2 6 2 2SbCl5+5HF=SbF5+5HCl423K2KMnF+4SbF=4KSbF+2MnF+Ff6 5 6 3 2氣體氟經(jīng)凈化后將它以17.7?17.8Mpa的壓力壓入特種鋼瓶中儲(chǔ)存。氯的制備方法實(shí)驗(yàn)室制備氯氣常用：△MnO2+4HCl（濃）=MnC2+2H2O+Cl2T△2KMnO+16HC1=2KCl+2MnCl+8HO+5C1f4 2 2 2將Cl2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(kāi)。電解總反應(yīng)為：電解2C1-+2HO=2OH+Hf+Clcf222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。工業(yè)上制氯的方法還有電解熔融的NaC1法：電解2NaCl=2Na+C[f常用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。溴的制備實(shí)驗(yàn)室中通常用氯氣氧化Br-來(lái)制備Br2：Cl+2Br-=2Cl+Br22此外，實(shí)驗(yàn)室中也有用類(lèi)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+3HSO+MnO=2NaHSO+MnSO+2HO+Br2 4 4 4 4 2 2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。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(lèi)似：Cl+2I-=2Cl+I222NaI+3HSO+MnO=2NaHSO+MnSO+2HO+I2 4 2 4 2 2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-+5HSO-=5SO2-+hO+3H++I3 4 2 2氧氣的制備實(shí)驗(yàn)室中常用以二氧化錳作催化劑，加熱氯酸鉀的方法制備氧氣，或直接加熱高錳酸鉀：MnO2

KC￡=2KC1+爭(zhēng)

2KMnO4=a=^MQ+M叫+0J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枯^大，故用此方法可制備較多的氧氣。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。可以進(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。[1]氮?dú)獾闹苽鋄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：△NH4Cl+NaNO2=N^NQ+NaCl△NH4NO2=n2T+h2o該反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是NH4NO2分子中發(fā)生了分子內(nèi)的氧化還原反應(yīng)，若直接加熱NH4NO2，。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，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?何4)2&207=仝==叫叫03+也02NH3+3CuO====3Cu+N2+3H2O8NH3+3Br2===N2?+6NH4Br極純的N2可由NaN3加熱分解得到：2NaN3(s)呈2Na(l)+3N(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。磷的制備方法制備單質(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°(PO)”+6SiOc+10C=6CaSiO+P+10C0f3 4 2 3 4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473K時(shí)，能將它轉(zhuǎn)變?yōu)轭?lèi)似石墨片狀結(jié)構(gòu)的黑磷。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：3273KSiO+2C=Si+2CO2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：723~773KSi+2C12==SiC41373?1453KSiCl+2H===Si+4HCl42硼的制備方法硼在自然界中以含氧的礦物存在，故制備單質(zhì)硼主要采用還原法。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)：△B2O3+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。電解法在1073K下，于熔融的KCl-KF中電解還原KBF4。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。氫還原法在熱的鉭金屬絲上，使BBr3與H2反應(yīng)：1373~1573K2叭3+鞏—2B+6HBr8.4熱分解法用鹵化硼熱分解可制得晶體硼：1073?1273K2BI 2B+3L鉭絲9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、熱分解法等等。9.1氧化陰離子法9?1?1電解法（可制取Cl2、F2、O2等）2NaCl 2Na+Cl22HF待熔融電解曲+橫（電解KHF2，Cu作容器、陰極，石墨作陽(yáng)極，2KHF2』t2KF+H2T+F2T）9?1?2用強(qiáng)氧化劑氧化2KMnO4（濃）+16HCl（濃）A2KC1+2MnCl2+Cl2?+8H2O4HCl（濃）+MnO2三MnCl2+Cl2?+2H2O2Nal+Cl=2NaCl+l°22H2S+Br2=2HBr+SJ9?2氧化負(fù)價(jià)原子9.2.1熱分解法2KMnO KMnO+MnO+OT4 222KC1O3 2KC1+3O2T隔絕空氣CH4 =C+2H2S1H4S00KS1+2H29?2?2用氧化劑氧化CH4+O2（不足） C+2H2O2H2S+O2（不足） 2S+2H2O9?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。SiCl4+2H2ASi+4HClf, 髙溫,BO+3H 2B+3HO2322,髙溫,P2O5+C 2P+5COT髙溫2C+SiO2 2COf+Si, 髙溫 ,2Mg+SiO2 2MgO+SiZn+ZHCUZn^+HJ其它：NH4Cl+NaNO2三NaCl+2H2O+N2?[2]（歸中）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)全方面考慮才行?？傊墙饘賳钨|(zhì)的制備非常重要，在生活中都離不開(kāi)非金屬。對(duì)學(xué)習(xí)化學(xué)的我們來(lái)說(shuō)，了解非金屬的制備方法是非常必要的。參考文獻(xiàn)：北京師范大學(xué)、華中師范大學(xué)、南