"Химия", Габриелян О.С., Остроумов И.Г., Сладков С.А.
Неметаллы обычно входят в состав природных соединений, поэтому для получения простого вещества нужно разрушить химические связи. Способ выбирают по активности неметалла и устойчивости его соединения: используют электролиз, нагревание, восстановление, вытеснение или разделение воздуха. В параграфе разобраны процессы на электродах, получение кислорода из соединений, промышленное выделение азота и кислорода, а также правила записи уравнений и расчётов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электролиз — получение простых веществ на электродах при пропускании электрического тока через расплав или раствор электролита. Электролит распадается на ионы, которые движутся к электродам и превращаются в новые вещества. Этот термин нужен, чтобы описывать получение водорода, хлора, кислорода и других веществ электрическим способом.
Термическое разложение — распад сложного вещества на несколько более простых веществ при нагревании. В уравнении обязательно указывают условие нагревания, обычно знаком t° над стрелкой. Такой способ применяют, если соединение достаточно неустойчиво при высокой температуре.
Окислительно-восстановительная реакция — реакция, в которой одни частицы отдают электроны, а другие принимают их. Отдача электронов называется окислением, а принятие — восстановлением. Понятие помогает определить, какой процесс идёт на аноде и катоде, и правильно составить электронный баланс.
Фракционная перегонка воздуха — разделение жидкого воздуха на компоненты с учётом различий их температур кипения. Сначала воздух превращают в жидкость, затем постепенно нагревают и собирают испаряющиеся вещества. Так в промышленности получают азот, кислород и другие газы.
Большинство неметаллов в природе связано с другими элементами, потому что их атомы способны принимать электроны или образовывать прочные общие электронные пары. Например, кислород входит в состав воды и оксидов, а хлор — в состав хлоридов. Поэтому получение простого вещества означает разрыв исходных связей и отделение атомов нужного элемента от других атомов.
Выбор метода зависит от активности неметалла и устойчивости его соединения. Очень активные элементы трудно выделить химическим восстановлением, поэтому их получают электролизом расплавов или растворов. Если соединение разрушается при нагревании, используют разложение, а если элемент можно вытеснить более активным веществом, применяют восстановление или вытеснение.
При электролизе расплава положительные ионы движутся к катоду и принимают электроны, поэтому там образуется восстановленный элемент. Отрицательные ионы направляются к аноду и отдают электроны, поэтому неметалл из аниона обычно выделяется на аноде. В водном растворе свои ионы конкурируют с частицами воды, поэтому вместо активного металла на катоде часто образуется водород, а состав продуктов зависит от концентрации и свойств электролита.
Нагревание используют тогда, когда исходное соединение распадается легче, чем образующиеся продукты вступают в новые реакции. Так перманганат калия при нагревании даёт манганат калия, диоксид марганца и кислород. Устойчивость вещества определяет, понадобится ли простое нагревание, катализатор или другой способ получения.
В промышленности сырьё выбирают так, чтобы оно было доступным и содержало много нужного элемента. Из воздуха получают азот и кислород, из воды — водород и кислород, из рассола — хлор и водород, а из руд и природных соединений — другие вещества. После химического превращения продукты разделяют перегонкой, охлаждением, фильтрованием или промывкой, чтобы удалить примеси.
| Способ получения | Исходное вещество или сырьё | Условия | Получаемый неметалл | Схема или уравнение реакции | Применение способа |
|---|---|---|---|---|---|
| Электролиз расплава | Расплав соли или другого электролита | Высокая температура, постоянный ток | Активный неметалл | 2NaCl → 2Na + Cl₂ | Получение элементов, которые трудно восстановить химически |
| Электролиз водного раствора | Раствор соли или вода | Постоянный ток, электроды | H₂, O₂, Cl₂ | 2NaCl + 2H₂O → 2NaOH + H₂ + Cl₂ | Промышленное получение водорода, хлора, щёлочи |
| Термическое разложение | Неустойчивое кислородсодержащее соединение | Нагревание, иногда катализатор | O₂ и другие неметаллы | 2KMnO₄ → K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂ | Лабораторное получение газов |
| Вытеснение или восстановление из соединения | Оксид, соль или кислота элемента | Более активный восстановитель, нагревание | Менее активный неметалл | 2H₂S + O₂ → 2S + 2H₂O | Получение серы и других менее активных элементов |
| Фракционная перегонка жидкого воздуха | Сжиженный воздух | Охлаждение и постепенное нагревание | N₂, O₂, Ar | Разделение по температурам кипения | Крупнотоннажное производство газов |
Таблицу удобно использовать как алгоритм выбора способа: сначала находят подходящее сырьё, затем проверяют условия и свойства продукта. Если в растворе есть вода, нельзя автоматически переносить результат электролиза расплава. Уравнение помогает проверить состав продуктов и соотношение их количеств.
Составим уравнение лабораторного получения кислорода из перманганата калия при нагревании. Нужно определить тип реакции и расставить коэффициенты. При разложении образуются манганат калия, диоксид марганца и кислород.
Ответ: это термическое разложение, уравнение реакции: 2KMnO₄ → K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂↑.
Определим продукты электролиза водного раствора NaCl. В растворе присутствуют ионы Na⁺, Cl⁻ и молекулы воды, поэтому нужно учитывать конкуренцию частиц. На катоде обычно выделяется водород, а на аноде — хлор.
Ответ: на катоде образуются H₂ и OH⁻, на аноде — Cl₂; суммарный продукт — водород, хлор и гидроксид натрия.
Из 18 г воды требуется получить водород промышленным электролизом и определить его объём при н. у. Используем уравнение 2H₂O → 2H₂ + O₂. Сначала найдём количество вещества воды, затем по коэффициентам определим количество и объём водорода.
Ответ: промышленный способ — электролиз воды; получится 22,4 л водорода при н. у.
Ошибка: считать, что любой неметалл можно получить нагреванием. Так думают, потому что некоторые знакомые опыты связаны с разложением веществ при нагревании, но многие соединения устойчивы. Проверка: выясните, разлагается ли исходное вещество и не нужен ли электролиз или восстановитель.
Ошибка: путать продукты электролиза расплава и водного раствора. В растворе участвует вода, поэтому на катоде может выделиться водород вместо металла. Проверка: перечислите все частицы среды до записи уравнений.
Ошибка: неверно определять электрод, на котором образуется неметалл. На катоде идёт восстановление, а на аноде — окисление, поэтому анион неметалла обычно разряжается на аноде. Проверка: подпишите возле каждого электрода слова принимает или отдаёт электроны.
Ошибка: записывать уравнение без условий или с неверными коэффициентами. Ученик может узнать продукты реакции, но забыть нагревание, электрический ток или не проверить число атомов. Проверка: пересчитайте атомы каждого элемента и, для ОВР, число отданных и принятых электронов.
До изучения получения неметаллов нужны знания о простых и сложных веществах, типах реакций, окислении и восстановлении. Эти понятия помогают распознавать разложение и определять направление электронного обмена. Основы электролиза объясняют процессы на катоде и аноде.
Тема связана с электрохимией и промышленным производством кислот, удобрений и полимеров. Например, хлор, водород, кислород и азот служат сырьём или реагентами в химической технологии. Расчёты по уравнениям позволяют определить массу и объём получаемого продукта.
Знание способов получения помогает объяснять лабораторные опыты и выбор промышленного сырья. Оно показывает, почему один неметалл получают нагреванием, другой — электролизом, а третий — разделением воздуха. Так свойства веществ связываются с практическими технологиями.
Почему неметаллы чаще получают из соединений, а не находят в свободном виде?
Многие неметаллы химически активны и легко реагируют с другими веществами, образуя устойчивые соединения. Поэтому в природе они чаще находятся в составе воды, минералов, солей и оксидов, а для получения простого вещества необходимо разрушить химические связи.
Чем отличается электролиз расплава от электролиза водного раствора?
В расплаве электролита на электродах разряжаются его собственные ионы. В водном растворе в конкуренции участвуют также молекулы воды, поэтому вместо некоторых ионов могут образоваться водород или кислород.
Почему при электролизе на разных электродах образуются разные вещества?
На катоде частицы принимают электроны, то есть происходит восстановление. На аноде частицы отдают электроны, поэтому там идёт окисление; состав продуктов определяется тем, какие частицы присутствуют в электролите.
Какие неметаллы можно получить термическим разложением?
Так получают, например, кислород при нагревании перманганата калия, хлораты или некоторых оксидов. Метод подходит для неустойчивых соединений, которые при нагревании распадаются на более простые вещества.
Как выбрать способ получения неметалла по исходному сырью?
Сначала определяют, какое соединение содержит нужный элемент и насколько оно устойчиво. Затем учитывают активность неметалла: для активных элементов чаще нужен электролиз, а менее активные можно получить разложением или восстановлением соединения.
§ 26. Получение неметаллов
