无机化学课程小论文——非金属单质的制备方法及其规律

非金属单质的制备方法及其规律

朱敏（2007210374）

(华中师范大学化学学院，武汉，430079)

摘要：一些非金属单质对科学研究、生产、生活、实验都具有重大作用，了解它们的制备方法具有重要意义。在这里主要总结了一些非金属单质的实验室制备方法，同时略微提及了一些非金属单质的工业制备方法。

关键词：非金属 制备方法 单质

学习了元素化学的非金属部分之后，我对非金属单质的制备方法进行了一次总结。一些非金属单质对科学研究、生产、生活、实验都具有重大作用。了解它们的制备方法具有重要意义。在这里主要说明了一些非金属单质的实验室制备方法。同时略微提及了一些非金属单质的工业制备方法。

1 氢气的制备方法

实验室制备氢气常使用锌和稀硫酸（或稀盐酸）进行反应。在一洁净的试管中加入一颗锌粒，再加入适量稀盐酸。此时，试管中物质开始反应，有大量的气体产生。用带有一根玻璃导管的橡皮塞塞住试管口，将其固定在铁架台上，将另一端通入水槽中，待气泡产生稳定后，将导管通入另一装满水的倒立于水槽的试管中，用排水法收集产生的气体。由于氢气密度远小于空气的密度，故也可以用向下排空气法收集。

这个实验所遵循的理论依据是锌的电极电势比氢小，可与非氧化性酸反应释放氢气：

Zn+H2SO4=ZnSO4+H2↑

锌也可以用其他金属，如铝，铁等代替。

工业上有的用电解水法制备氢气，但考虑经济、能量利用率等因素，用电解水法制备的氢气数量有限，不是为人类提供氢能源的有效方法。

2卤素的制备方法[1]

2.1氟的制备方法

制备单质氟，只能采用电解氧化法，因为氟的还原电位较高。所以工业上和实验室中，都是电解熔融的氟氢化钾和氟化氢的混合物，以钢制容器做电解槽，槽身做阴极，以压实的石墨做阳极，在373K左右进行电解，总反应为：

电解 2KHF2＝＝＝＝ 2KF+H2↑+F2↑

随着电解的进行，HF不断被消耗，电解质的熔点会不断升高，因此要不断补充HF。 根据路易斯酸能将另一个较弱的路易斯酸从稳定配离子的盐中置换出来的原理，也可以制得F2。

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4KMnO4+4KF+20HF＝2K2MnF6+10H2O+3O2

SbCl5+5HF＝SbF5+5HCl

423K

2K2MnF6+4SbF5＝＝＝ 4KSbF6+2MnF3+F2↑

气体氟经净化后将它以17.7～17.8Mpa的压力压入特种钢瓶中储存。 2.2氯的制备方法

实验室制备氯气常用:

△ ＝MnO2+4HCl(浓)＝＝ MnCl2+2H2O+Cl2↑

△ 2KMnO4+16HCl＝＝＝ 2KCl+2MnCl2+8H2O+5Cl2↑

将Cl2通过水、硫酸、氯化钙和五氧化二磷纯化。

工业上常用电解氯化钠饱和溶液来制备氯气，电解槽以石墨或金属钛做阳极，铁网做阴极，并用石棉隔膜把阳极区和阴极区隔开。 电解总反应为:

电解 2Cl-+2H2O＝＝＝ 2OH-+H2↑+Cl2↑

现代氯碱池中阳极、阴极室之间的隔离材料使用高分子离子交换膜，这种阳离子交换膜只允许Na+由阳极室进入阴极室。

工业上制氯的方法还有电解熔融的NaCl法： 电解 2NaCl＝＝ 2Na+Cl2↑ ＝常用排饱和食盐水法收集氯气。

还有汞阴极法，不过此法由于环境等原因正逐步被淘汰。

2.3溴的制备

实验室中通常用氯气氧化Br-来制备Br2：

Cl2+2Br-＝＝＝ 2Cl-+Br2

此外，实验室中也有用类似制备氯的方法制备溴，但是用溴化物与浓硫酸的混合物代替HBr: △

2NaBr+3H2SO4+MnO4＝＝＝ 2NaHSO4+MnSO4+2H2O+Br2

工业上从海水中制溴。把盐卤加热到363K后控制pH为3.5，通入氯把溴置换出来，再用空气把溴吹出用碳酸钠吸收，再用硫酸酸化即可析出单质溴。

2.4碘的制备

实验室中制备碘的方法和制备氯和溴的方法类似：

Cl2+2I-＝＝＝ 2Cl-+I2

2NaI+3H2SO4+MnO2＝2NaHSO4+MnSO+2H2O+I2

经常用自然界的碘酸钠为原料，与还原剂亚硫酸氢钠反应制备大量的碘：

2IO3-+5HSO3-＝5SO42-+H2O+3H++I2

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3氧气的制备

实验室中常用以二氧化锰作催化剂，加热氯酸钾的方法制备氧气，或直接加热高锰酸钾： MnO2 KClO3＝＝＝ KCl+O2↑

△ △ === KMnO+MnO+O↑ 2KMnO42422

可以用排水法收集氧气，并用带火星的木条伸入装氧气的试管中，木条复燃验证所制得的气体为氧气。

工业上利用氧气、氮气等气体的沸点不同，将液态空气分馏得到液态氧。因为空气中氧气含量较大，故用此方法可制备较多的氧气。

4臭氧的制备

臭氧是氧气的同素异形体。实验室中利用对氧气的无声放电来获得臭氧。简单的臭氧发生器主要由两个玻璃管组成，其中的一个玻璃管套在另一个中间。干燥的氧气在两管之间慢慢通过。导线的两端和高压感应圈的两极相连接。无声放电发生在两管壁之间，从臭氧发生器中出来的气体约含有3%～10%的臭氧。可以进一步利用氧和臭氧沸点相差较大的特点，通过分级分化的方法制取更加纯净、浓度较高的臭氧。[1]

5氮气的制备[1]

实验室制备少量氮气的常用方法是加热饱和的亚钠和氯化铵的混合溶液：

△ NH4Cl+NaNO2＝＝＝ NH4NO2+NaCl

△

NH4NO2＝＝＝ N2↑+H2O

该反应的实质是NH4NO2分子中发生了分子内的氧化还原反应，若直接加热NH4NO2，。则反应过于剧烈，不容易控制，故用间接方法制备。氮气难溶于水，故可以用排水法收集

由重铬酸铵热分解，氨气通过红热的氧化铜，或是将氨气通入溴水中，均可得到少量氮气。

△ (NH4)2Cr2O7=====N2↑+Cr2O3+H2O

2NH3+3CuO====3Cu+N2+3H2O 8NH3+3Br2=== N2↑+6NH4Br

极纯的N2可由NaN3加热分解得到：

△ ＝2NaN3(s)＝＝ 2Na(l)+3N2(g)

工业上生产大量的氮是用分馏液态空气得到，空气中含有大量的氮，所以这种方法比较常用。

6磷的制备方法

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无机化学课程小论文 非金属单质的制备方法及其规律 制备单质磷系将磷灰石混以石英砂(SiO2)在1773K左右的石墨电极电炉中还原：

2Ca3(PO)4+6SiO2+10C＝＝＝ 6CaSiO3+P4+10CO↑

将生成的磷蒸气和CO通入冷水，磷便结晶为白色的白磷。

将白磷隔绝空气加热到533K就转变成无定形的红磷。

在1200MPa的压力下，将白磷加热到473 K时，能将它转变为类似石墨片状结构的黑磷。

7硅的制备方法

用天然的二氧化硅或硅酸盐可以制备出各种纯度等级的单质硅。工业上用焦炭在电炉中还原石英砂的方法制得粗硅:

3273K SiO2+2C＝＝＝ Si+2CO

将粗硅反应生成四氯化硅，再用精馏的方法将其提纯，然后用氢气还原可得高纯硅：

723~773K

Si+2Cl2＝＝＝＝＝＝＝ SiCl4

1373~1453K

SiCl4+2H2＝＝＝＝＝＝＝＝ Si+4HCl

8硼的制备方法

硼在自然界中以含氧的矿物存在，故制备单质硼主要采用还原法。

8.1金属还原法

可以用钠、钾、镁、钙、锌、铁等金属还原三氧化二硼制得硼单质：

△

B2O3+3Mg＝＝＝ 2B+3MgO 用酸处理产物，使杂质溶于酸，可以提高硼的纯度。

8.2电解法

在1073K下，于熔融的KCl-KF中电解还原KBF4。这种方法相对比较廉价，但只能得到纯度为95%的粉末状硼。

8.3氢还原法

在热的钽金属丝上，使BBr3与H2反应：

1373~1573K 2BBr3+3H2＝＝＝＝＝＝＝＝ 2B+6HBr

8.4热分解法

用卤化硼热分解可制得晶体硼：

1073~1273K 2BI3＝＝＝＝＝＝＝ 2B+3I2

钽丝

9总结

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无机化学课程小论文 非金属单质的制备方法及其规律 制备非金属单质有各种各样的方法，但是总结起来大致是氧化阴离子法、还原正价元素法、热分解法等等。

9.1氧化阴离子法

9.1.1电解法可制取Cl2、F2、O2等

2NaCl

2Na＋Cl2

（电解KHF2，Cu作容器、阴极，石墨作阳极，2KHF2

9.1.2用强氧化剂氧化

2KMnO4浓＋16HCl浓4HCl浓＋MnO2H2S＋Br2＝2HBr＋S↓

2KCl＋2MnCl2＋Cl2↑＋8H2O

MnCl2＋Cl2↑＋2H2O

2KF＋H2↑＋F2↑）

2NaI＋Cl2＝2NaCl＋I2

9.2氧化负价原子

9.2.1热分解法

2KMnO4

9.2.2用氧化剂氧化

CH4＋Ｏ2不足2H2S＋O2不足

C＋2H2O 2S＋2H2O

KMnO4＋MnO2＋O2

9.3还原正价元素

用强还原剂将不太活泼的非金属从它们的化合物中还原出来，这种反应需要在高温下进行。 SiCl4＋2H2Si＋4HCl↑ B2O3＋3H2

P2O5＋C

2C＋SiO22Mg＋SiO2

2B＋3H2O 2P＋5CO↑ 2CO↑＋Si 2MgO＋Si

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无机化学课程小论文 非金属单质的制备方法及其规律 Zn＋2HCl＝ZnCl2＋H2↑ 其它：

NH4Cl＋NaNO2

NaCl＋2H2O＋N2↑ [2]（归中）

结语

实验室中制备非金属单质的量较少，比较简单。选择简单可行的方法即可。在工业上制备非金属单质就需要考虑各个方面的因素。比如说经济方面，纯度方面、可行性方面，并且要结合反应的效率来全方面考虑才行。

总之，非金属单质的制备非常重要，在生活中都离不开非金属。对学习化学的我们来说，了解非金属的制备方法是非常必要的。

参考文献：

[1] 北京师范大学、华中师范大学、南京师范大学无机化学教研室，《无机化学》下册第四版，高等教育出版社，2003，459页、491页、518页、571页 [2] 唐荣德.《非金属单质的通性和制法》.

http://www.huaxue123.com/Article/UploadFiles/200511/20051112170313458.doc

（指导老师：胡宗球）

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