Конспект урока: Получение неметаллов. Получение важнейших химических соединений неметаллов

Неметаллы в природе

Начнём с того, что немногие неметаллы встречаются в природе в свободном виде. К таким неметаллам относятся: благородные газы, кислород, азот, сера, углерод и мышьяк. 

Некоторая часть неметаллов встречается в природе в виде соединений. В этих соединениях неметаллы проявляют положительные степени окисления. Например, фосфор, кремний, германий, бор и пр. Так, фосфор встречается в виде производных фосфорной кислоты (фосфориты, апатиты). 

Наряду с этим существуют соединения, в которых неметаллы проявляют отрицательные степени окисления. Конечно же, это галогены — представители VIIA-группы. Например, фтор — галоген, всегда проявляющий отрицательную степень окисления (он образует флюорит ${\mathrm{CaF}}_2$, криолит ${\mathrm{Na}}_3{\mathrm{AlF}}_6$, фторапатит). Хлор — известнейший галоген — входит в состав каменной соли 
($\mathrm{NaCl}$), сильвина ($\mathrm{KCl}$). Бром и йод образуют главным образом соли в морской и океанической воде.

Способы получения металлов в промышленности делятся на три группы:

• выделение простых веществ из породных объектов;
• восстановление неметаллов из минералов;
• окисление природных соединений.

Фракционная перегонка

Рисунок 1. Ректификационная колонна

Вспомним химический состав воздуха: 78 % азота по объёму, 20,8 % кислорода, 0,9 % аргона и 0,3 % — остальные компоненты (углекислый газ, гелий и пр.). Так вот воздух — очень важное химическое сырьё. Из него получают такие ценные неметаллы, как азот, кислород, благородные газы. 

 

Разделить смесь газов на отдельные составляющие — задача не из лёгких. Данную проблему решает метод фракционной перегонки (ректификации) жидкого воздуха. То есть его разделяют на отдельные 
фракции — компоненты, каждый из которых имеет определённую температуру кипения. Процесс ректификации осуществляется в ректификационных колоннах.

 

Специальные компрессоры сжимают и охлаждают воздух, переводя его компоненты в жидкую фазу. Жидкий воздух подаётся в верхнюю часть ректификационной колонны, которая представляет собой цилиндр, разделённый множеством поперечных перегородок — тарелок. Жидкость стекает по тарелкам, постепенно нагреваясь, и самый легкокипящий элемент — азот (t_кип. = −196 °С) начинает испаряться. Далее азот поднимается вверх, а жидкость, состоящая из кислорода и растворённых в нём благородных газов, стекает в нижний резервуар. Кислород и аргон также можно разделить на ректификационной колонне при необходимости.

Получение некоторых неметаллов

Сера — довольно распространённый химический элемент. Она образует в земной коре мощнейшие пласты. Сера может находиться на поверхности, и тогда её добывают открытым способом: загружают на автомашины экскаватором и переправляют для очистки. Если сера залегает глубоко под землей, её расплавляют нагретым паром и далее выдавливают жидкую серу на поверхность. 

Каменный уголь — ценное химическое сырьё. Нагреванием каменного угля без доступа воздуха получают кокс (процесс коксования). Кокс представляет собой практически чистый углерод. Он используется как восстановитель в металлургии. Также коксом можно восстанавливать неметаллы из их природных соединений.

Рассмотрим более подробно процессы получения фосфора и галогенов.

Фосфор получают в процессе восстановления фосфоритов и апатитов. В качестве восстановителя используют кокс. Как мы уже говорили, фосфор находится в основном в составе фосфатов, в частности в составе фосфата кальция. Спекание фосфата кальция с коксом проводят в присутствии песка (оксид кремния (IV)):
 

${\mathrm{Ca}}_3{\left({\mathrm{PO}}_4\right)}_2 + 3{\mathrm{SiO}}_2 + 5\mathrm{C} = 3{\mathrm{CaSiO}}_3 + 2\mathrm{P} + 5\mathrm{CO}\uparrow$.

Сам кремний также можно получить восстановлением оксида кремния (IV) углеродом:
 

${\mathrm{SiO}}_2 + 2\mathrm{C} = \mathrm{Si} + 2\mathrm{CO}\uparrow$.

Галогены встречаются в природе в виде анионов, поэтому для их получения пользуются не восстановлением, а окислением. Логично предположить, что чем сильнее галоген, тем сложнее его окислить. Для окисления используют электрический ток.

В растворе или расплаве электролита под действием электрического тока происходит окислительно-восстановительная реакция.

С помощью электролиза можно получить галогены, водород и кислород, то есть активные неметаллы.

Так, в 1886 г. французским химиком Анри Муассаном впервые был получен свободный фтор путём электролиза сжиженного фтороводорода:
 

$2\mathrm{HF} \stackrel{\mathrm{электролиз}}{=} {\mathrm{H}}_2 + {\mathrm{F}}_2$.

Хлор можно получить электролизом соли — хлорида натрия. Для начала соль растворяют в воде, затем проводят электролиз и получают сразу три важных продукта химического производства: водород, гидроксид натрия и хлор.

$2\mathrm{NaCl} + 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} \stackrel{ \mathrm{электролиз}}{=}$${\mathrm{H}}_2\uparrow + 2\mathrm{NaOH} + {\mathrm{Cl}}_2\uparrow$

Таким образом, мы рассмотрели некоторые способы получения неметаллов, важнейшие из них — фракционная перегонка жидкого воздуха, то есть разделение воздуха на отдельные компоненты, и электролиз — разложение электролита под действием электрического тока.