Что нужно знать до
Если что-то из этого забылось, начни оттуда — так будет понятнее.
Коротко о главном
Способ получения неметалла зависит от того, в каком виде он встречается в природе. Простые вещества (азот, кислород, аргон, сера) просто выделяют из природной смеси. Неметаллы в положительной степени окисления (фосфор, кремний) восстанавливают, в отрицательной (галогены) — окисляют, часто электролизом.
Подробное объяснение
Откуда берётся кислород в баллоне у сварщика или хлор, которым обеззараживают воду в бассейне? Ни то, ни другое не добывают в шахтах. Каждый неметалл получают своим способом, и выбор способа подсказывает одна простая вещь: степень окисления неметалла в природном сырье.
Три состояния — три способа
- Неметалл уже свободный (степень окисления 0). Так в природе существуют азот, кислород, благородные газы, сера, углерод. Их нужно только отделить от примесей. Это физический способ: новых веществ не образуется.
- Неметалл в положительной степени окисления. Фосфор в фосфоритах и апатитах (\(\mathrm{Ca_3(PO_4)_2}\), фосфор \(+5\)), кремний в песке (\(\mathrm{SiO_2}\), кремний \(+4\)). Чтобы получить простое вещество, атомы должны принять электроны — нужна реакция восстановления.
- Неметалл в отрицательной степени окисления. Галогены в солях: \(\mathrm{NaCl}\), \(\mathrm{KCl}\), флюорит \(\mathrm{CaF_2}\), бромиды и иодиды морской воды. Здесь атомы должны отдать электроны — нужно окисление.
Выделение из воздуха и земной коры
Воздух — смесь газов: по объёму около 78 % азота, 21 % кислорода, почти 1 % аргона. Его сжимают и охлаждают, пока он не станет жидким, а затем разгоняют в высокой колонне с перегородками-тарелками. Это фракционная перегонка (ректификация): компоненты разделяются потому, что у них разные температуры кипения. Первым испаряется азот (\(-196\) °C), внизу остаётся жидкий кислород (\(-183\) °C) с примесью аргона (\(-186\) °C).
Серу, лежащую у поверхности, добывают экскаваторами. Глубокие пласты плавят перегретым паром и выдавливают жидкую серу наверх.
Восстановление углеродом
Восстановитель — кокс, почти чистый углерод, его получают нагреванием каменного угля без доступа воздуха. Фосфат кальция спекают с коксом и песком. Песок нужен, чтобы связать кальций в силикат:
Кремний, главный материал полупроводниковой техники, так же получают из песка и углерода (уравнение в «Коротко»). Восстановителем может быть и активный металл, например магний.
Окисление и электролиз
Отнять электрон у аниона галогена тем труднее, чем активнее галоген. Для хлора и особенно фтора подходящего химического окислителя нет, и на помощь приходит электрический ток. Электролиз — окислительно-восстановительная реакция, которая идёт в растворе или расплаве электролита под действием тока. Так получают галогены, водород, кислород.
Из раствора поваренной соли получают сразу три ценных продукта:
Фтор впервые выделил Анри Муассан в 1886 году электролизом безводного жидкого фтороводорода: \(\mathrm{2HF \xrightarrow{\text{электролиз}} H_2 + F_2}\).
Иод можно получить и без тока: более активный хлор вытесняет его из иодида, \(\mathrm{2NaI + Cl_2 \rightarrow 2NaCl + I_2}\).
Как решать задачи
- Запишите уравнение реакции получения неметалла с коэффициентами.
- Если дано сырьё с примесями, найдите массу чистого вещества: \(m(\text{в-ва}) = m(\text{сырья}) \cdot w\). Для воздуха — объём газа: \(V = V(\text{возд.}) \cdot \varphi\).
- Найдите количество вещества: \(n = m/M\) или \(n = V/V_m\), \(V_m = 22{,}4\) л/моль. Если даны кг и м³ — удобно считать в кмоль (тогда \(V_m = 22{,}4\) м³/кмоль).
- По коэффициентам найдите количество нужного вещества и переведите его в массу или объём.
Разобранные примеры
Масса азота из воздуха
Какую массу азота можно получить из 100 м³ воздуха (н. у.), если объёмная доля азота 78 %?
- \(V(\text{возд.}) = 100\) м³
- \(\varphi(\mathrm{N_2}) = 0{,}78\)
- \(m(\mathrm{N_2})\)
\(V(\mathrm{N_2}) = 100 \cdot 0{,}78 = 78\) м³.
\(n(\mathrm{N_2}) = \dfrac{78}{22{,}4} \approx 3{,}482\) кмоль.
\(m(\mathrm{N_2}) = 3{,}482 \cdot 28 = 97{,}5\) кг.
Короче: \(m = \dfrac{V \cdot M}{V_m} = \dfrac{78 \cdot 28}{22{,}4} = 97{,}5\) кг.
Песок для получения кремния
Какая масса песка, содержащего 80 % оксида кремния(IV), нужна для получения 56 кг кремния восстановлением коксом?
- \(m(\mathrm{Si}) = 56\) кг
- \(w(\mathrm{SiO_2}) = 0{,}8\)
- \(m(\text{песка})\)
\(n(\mathrm{Si}) = \dfrac{56}{28} = 2\) кмоль, по уравнению \(n(\mathrm{SiO_2}) = 2\) кмоль.
\(m(\mathrm{SiO_2}) = 2 \cdot 60 = 120\) кг.
\(m(\text{песка}) = \dfrac{120}{0{,}8} = 150\) кг.
Три продукта электролиза
Электролизу подвергли раствор, содержащий 234 кг хлорида натрия. Какая масса гидроксида натрия и какой объём хлора (н. у.) при этом получатся?
- \(m(\mathrm{NaCl}) = 234\) кг
- \(m(\mathrm{NaOH})\)
- \(V(\mathrm{Cl_2})\)
\(n(\mathrm{NaCl}) = \dfrac{234}{58{,}5} = 4\) кмоль.
По уравнению \(n(\mathrm{NaOH}) = n(\mathrm{NaCl}) = 4\) кмоль, \(m(\mathrm{NaOH}) = 4 \cdot 40 = 160\) кг.
\(n(\mathrm{Cl_2}) = \dfrac{4}{2} = 2\) кмоль, \(V(\mathrm{Cl_2}) = 2 \cdot 22{,}4 = 44{,}8\) м³.
Электронный баланс: \(\mathrm{2Cl^- - 2e^- \rightarrow Cl_2}\) (окисление, на аноде), \(\mathrm{2H_2O + 2e^- \rightarrow H_2 + 2OH^-}\) (восстановление, на катоде).
Типичные ошибки
При ректификации азот, кислород и аргон не вступают в реакции: они были простыми веществами в воздухе и остаются ими. Меняется только агрегатное состояние.
Фракционная перегонка — физический способ: смесь разделяют по разнице температур кипения. Химические способы — восстановление (фосфор, кремний) и окисление (галогены).
В формуле \(\mathrm{Ca_3(PO_4)_2}\) индекс 2 за скобкой: в одной формульной единице два атома фосфора. Ответ получается вдвое меньше верного.
Смотрите на коэффициенты уравнения: \(\mathrm{Ca_3(PO_4)_2 \rightarrow 2P}\), значит \(n(\mathrm{P}) = 2n(\mathrm{Ca_3(PO_4)_2})\).
Ученик пишет «хлор получают восстановлением», потому что электролиз «добывает» вещество. Но у хлора в \(\mathrm{NaCl}\) степень окисления \(-1\), а в \(\mathrm{Cl_2}\) — 0: она повышается.
Степень окисления растёт — электроны отданы — это окисление (\(\mathrm{2Cl^- - 2e^- \rightarrow Cl_2}\)). Степень окисления падает, как у фосфора с \(+5\) до 0, — восстановление.
Проверь себя
Ответь на вопросы — после каждого ответа появится пояснение.
-
Какой компонент первым испаряется из жидкого воздуха в ректификационной колонне?
Показать ответ
Ответ: Б) Азот
У азота самая низкая температура кипения среди главных компонентов воздуха, \(-196\) °C, поэтому он испаряется первым.
-
Какие простые вещества в промышленности получают электролизом?
Правильных ответов несколько.
Показать ответ
Ответ: А) Фтор; Б) Хлор; В) Водород
Электролизом получают активные неметаллы — галогены, водород, кислород. Фосфор и кремний восстанавливают углеродом (коксом).
-
Зачем при получении фосфора к фосфату кальция и коксу добавляют песок \(\mathrm{SiO_2}\)?
Показать ответ
Ответ: Б) Песок связывает кальций в силикат кальция
Восстановитель — углерод, а \(\mathrm{SiO_2}\) переводит кальций в силикат \(\mathrm{CaSiO_3}\), который уходит в шлак.
-
Сколько моль фосфора можно получить из 1 моль фосфата кальция \(\mathrm{Ca_3(PO_4)_2}\)?
Показать ответ
Ответ: 2
В формуле \(\mathrm{Ca_3(PO_4)_2}\) два атома фосфора, и в уравнении перед P стоит коэффициент 2.
-
Какой процесс лежит в основе получения хлора из хлорида натрия?
Показать ответ
Ответ: Б) Окисление ионов хлора
В \(\mathrm{NaCl}\) хлор имеет степень окисления \(-1\); превращаясь в \(\mathrm{Cl_2}\), он отдаёт электроны, то есть окисляется, \(\mathrm{2Cl^- - 2e^- \rightarrow Cl_2}\).
Результат:
Задачи для тренировки
От простых к сложным. Подсказку, решение и ответ открывай, только когда попробовал сам.
Каким способом в промышленности получают азот и кислород: окислением, восстановлением или выделением из природной смеси? Физический это способ или химический?
Подсказка
Подумайте, в каком виде азот и кислород находятся в природе.
Решение
Азот и кислород входят в состав воздуха в виде простых веществ \(\mathrm{N_2}\) и \(\mathrm{O_2}\). Их не нужно ни окислять, ни восстанавливать — достаточно разделить смесь. Воздух сжижают и разгоняют на фракции по температурам кипения (ректификация). Новых веществ при этом не образуется, поэтому способ физический.
Ответ
Какой объём кислорода (н. у.) содержится в 500 м³ воздуха, если объёмная доля кислорода 21 %?
Подсказка
Объём компонента равен объёму смеси, умноженному на объёмную долю.
Решение
- \(V(\text{возд.}) = 500\) м³
- \(\varphi(\mathrm{O_2}) = 0{,}21\)
- \(V(\mathrm{O_2})\)
\(V(\mathrm{O_2}) = V(\text{возд.}) \cdot \varphi = 500 \cdot 0{,}21 = 105\) м³.
Ответ
Какую массу кремния можно получить восстановлением углеродом 30 кг оксида кремния(IV)?
Подсказка
Запишите уравнение реакции. Из 1 моль \(\mathrm{SiO_2}\) получается 1 моль Si.
Решение
- \(m(\mathrm{SiO_2}) = 30\) кг
- \(m(\mathrm{Si})\)
\(M(\mathrm{SiO_2}) = 28 + 2 \cdot 16 = 60\) кг/кмоль, \(n(\mathrm{SiO_2}) = \dfrac{30}{60} = 0{,}5\) кмоль.
По уравнению \(n(\mathrm{Si}) = n(\mathrm{SiO_2}) = 0{,}5\) кмоль, \(m(\mathrm{Si}) = 0{,}5 \cdot 28 = 14\) кг.
Ответ
Какой объём хлора (н. у.) выделится при электролизе раствора, содержащего 117 г хлорида натрия?
Подсказка
По уравнению электролиза из 2 моль NaCl получается 1 моль \(\mathrm{Cl_2}\).
Решение
- \(m(\mathrm{NaCl}) = 117\) г
- \(V(\mathrm{Cl_2})\)
\(M(\mathrm{NaCl}) = 23 + 35{,}5 = 58{,}5\) г/моль, \(n(\mathrm{NaCl}) = \dfrac{117}{58{,}5} = 2\) моль.
\(n(\mathrm{Cl_2}) = \dfrac{2}{2} = 1\) моль, \(V(\mathrm{Cl_2}) = 1 \cdot 22{,}4 = 22{,}4\) л.
Ответ
Какую массу фосфора можно получить из 1 т фосфорита, содержащего 62 % фосфата кальция?
Подсказка
Найдите массу чистого \(\mathrm{Ca_3(PO_4)_2}\). В его формульной единице два атома фосфора.
Решение
- \(m(\text{фосфорита}) = 1000\) кг
- \(w(\mathrm{Ca_3(PO_4)_2}) = 0{,}62\)
- \(m(\mathrm{P})\)
\(m(\mathrm{Ca_3(PO_4)_2}) = 1000 \cdot 0{,}62 = 620\) кг; \(M = 3 \cdot 40 + 2 \cdot 31 + 8 \cdot 16 = 310\) кг/кмоль; \(n = \dfrac{620}{310} = 2\) кмоль.
\(n(\mathrm{P}) = 2 \cdot 2 = 4\) кмоль, \(m(\mathrm{P}) = 4 \cdot 31 = 124\) кг.
Ответ
Хлор получают электролизом раствора хлорида натрия, а фтор — электролизом безводного жидкого фтороводорода. Почему фтор нельзя получить электролизом водного раствора фторида?
Подсказка
Вспомните, как фтор реагирует с водой.
Решение
Фтор — самый сильный окислитель. Даже если бы на аноде образовался фтор, он сразу прореагировал бы с водой:
Кроме того, отнять электрон у иона \(\mathrm{F^-}\) труднее, чем у молекулы воды, поэтому в водном растворе на аноде окисляется вода и выделяется кислород. Поэтому Муассан проводил электролиз в отсутствие воды — в сжиженном фтороводороде.
Ответ
Для родителя
Как объяснить за 5 минут. Возьмите три предмета: стакан воды с песком, кусочек ржавчины и щепотку соли. Песок из воды можно просто отфильтровать — так из воздуха выделяют азот и кислород: вещество уже готово, его надо отделить. Из ржавчины железо можно получить, только «отняв» кислород, — так из песка получают кремний, а из фосфоритов фосфор (восстановление углём). А чтобы из соли получить ядовитый газ хлор, нужна электрическая энергия — это электролиз (окисление). Главная мысль: способ выбирают по тому, в каком виде неметалл сидит в сырье.
Вопросы для проверки понимания: 1) Почему азот получают из воздуха, а не химической реакцией? 2) Какое вещество восстанавливает фосфор и кремний? 3) Какие три продукта даёт электролиз раствора поваренной соли?
На что обратить внимание. Ребёнок должен уверенно определять степень окисления неметалла в сырье и в продукте — от этого зависит ответ «окисление или восстановление». В расчётах чаще всего забывают перейти от сырья с примесями к чистому веществу и путают литры с кубометрами.