Способы получения простых веществ. Неметаллы
1. Водород
В лаборатории:
1) Взаимодействие металлов, стоящих в ряду напряжений до водорода, с кислотами-неокислителями:
Fe + H2SO4(разб.) ⟶ FeSO4 + H2↑
Zn + 2HCl ⟶ ZnCl2 + H2↑
2) Взаимодействие щелочных и щелочно-земельных металлов с водой:
Ca + 2H2O⟶ Ca(OH)2 + H2↑
3) Взаимодействие металлов, образующих амфотерные оксиды и гидроксиды с растворами щелочей:
Zn + 2NaOH + 2H2O -> Na2[Zn(OH)4] + H2↑
2Al + 2NaOH + 6H2O -> 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑
В промышленности:
1) Электролиз разбавленных растворов щелочей, серной кислоты, хлоридов щелочных металлов:
2NaCl + 2H2O электролиз H2↑ + Cl2↑ + 2NaOH
2) Восстановление водяного пара такими металлами, как магний, цинк, железо:
Zn + H2O t° ZnO + H2↑
3Fe + 4H2O t° Fe3O4 + 4H2↑
3) Восстановление водяного пара раскалённым коксом (углеродом):
C + H2O(газ) t° CO + H2↑
В данной реакции образуется смесь двух газов: CO и H2, которая называется водяным газом. Эта смесь используется как горючий газ и в качестве сырья для синтеза аммиака, метанола и других химических продуктов.
Для того, чтобы выделить водород из этой смеси проводят две реакции: конверсию водяного газа (реакция с водяным паром) и реакцию с карбонатом калия (для захвата углекислого газа):
CO(газ) + H2O(газ.) t° CO2↑ + H2↑
CO2 + K2CO3 -> 2KHCO3.
4) В промышленности водород также получают из природного газа, основным компонентом которого является метан.
Реакция проводится при смешивании природного газа с водяным паром и кислородом и нагревании этой смеси до 800-900°С:
2CH4 + O2 + 2H2O t° 2CO2↑ + 6H2↑
Углекислый газ удаляют описанным выше способом (см. пункт 3)).
2. Кислород
Наиболее часто используемые лабораторные способы получения:
1) Разложение хлората калия (бертолетовой соли) при нагревании в присутствии катализатора:
2KClO3 t°, MnO2 2KCl + 3O2↑
2) Термическое разложение перманганата калия:
2KMnO4 t° K2MnO4 + MnO2 + O2↑
3) Термическое разложение нитратов щелочных металлов:
2NaNO3 t° 2NaNO2 + O2↑
4) Каталитическое разложение пероксида водорода:
2H2O2 MnO2 2H2O + O2↑
5) Взаимодействие пероксидов щелочных металлов с углекислым газом:
2Na2O2 + 2CO2 -> 2Na2CO3 + O2↑
6) Электролиз водных растворов щелочей или солей кислородсодержащих кислот.
Сущность происходящих при этом процессов сводится к разложению воды под действием электрического тока:
2H2O электролиз 2H2↑ + O2↑.
3. Хлор
В промышленности хлор получают электролизом водного раствора или расплава хлорида натрия (выделяется на аноде):
2NaCl +2H2O электролиз Cl2↑ + H2↑ + 2NaOH
2NaCl(расплав) электролиз Cl2↑ + 2Na.
В лаборатории хлор получают действием концентрированной соляной кислоты (при нагревании) на различные окислители, например:
4HCl + MnO2 t° MnCl2 + Cl2↑ + 2H2O
16HCl + 2KMnO4 t° 2KCl + 2MnCl2 + 5Cl2↑ + 8H2O
6HCl + KClO3 t° KCl + 3Cl2↑ + 3H2O.
4. Сера
В природе сера встречается в виде включений в горных породах. Чтобы её извлечь, её выплавляют в специальных аппаратах - автоклавах.
В лаборатории серу можно получить при сливании растворов сероводородной и сернистой кислот или при неполном сгорании сероводорода:
H2SO3 + 2H2S⟶ 3S + 3H2O
2H2S + O2 t° 2H2O + 2S.
Литература:
Химия. Пособие-репетитор для поступающих в вузы под ред. проф. В.Н. Чернышова и доц. А.С.Егорова.