Глава III. Неметаллы и их соединения. § 26. Получение неметаллов — с. 136
§ 26. Проверьте свои знания.
1. В каком виде встречаются неметаллы в природе? Приведите примеры.
1. В каком виде встречаются неметаллы в природе? Приведите примеры.
Неметаллы встречаются в природе в двух видах.
1) В свободном виде (простые вещества, степень окисления 0): благородные газы (He, Ne, Ar), кислород O₂ и азот N₂ в воздухе, сера S, углерод C (алмаз, графит), мышьяк.
2) В виде соединений. В одних неметалл имеет положительную степень окисления: фосфор в фосфатах (фосфориты и апатит, Ca₃(PO₄)₂), кремний в SiO₂ и силикатах, бор в боратах. В других — отрицательную: галогены в галогенидах (флюорит CaF₂, криолит Na₃AlF₆, каменная соль NaCl, сильвин KCl, бромиды и иодиды в морской воде), сера в сульфидах (FeS₂, ZnS), кислород в оксидах и воде.
1) В свободном виде (простые вещества, степень окисления 0): благородные газы (He, Ne, Ar), кислород O₂ и азот N₂ в воздухе, сера S, углерод C (алмаз, графит), мышьяк.
2) В виде соединений. В одних неметалл имеет положительную степень окисления: фосфор в фосфатах (фосфориты и апатит, Ca₃(PO₄)₂), кремний в SiO₂ и силикатах, бор в боратах. В других — отрицательную: галогены в галогенидах (флюорит CaF₂, криолит Na₃AlF₆, каменная соль NaCl, сильвин KCl, бромиды и иодиды в морской воде), сера в сульфидах (FeS₂, ZnS), кислород в оксидах и воде.
§ 26. Проверьте свои знания.
2. Что такое фракционная перегонка воздуха?
На каких физических свойствах компонентов воздуха основан этот способ его разделения?
Какие продукты получают в результате фракционной перегонки жидкого воздуха?
Фракционная перегонка (ректификация) жидкого воздуха — разделение сжиженной смеси газов на отдельные фракции — компоненты, имеющие определённые температуры кипения. Её проводят в ректификационных колоннах.
Способ основан на различии температур кипения компонентов воздуха: азот — −196 °С, аргон — −186 °С, кислород — −183 °С. Воздух сжимают компрессорами и охлаждают до жидкого состояния, подают в колонну; стекая по тарелкам, жидкость постепенно нагревается, и из неё первым испаряется самый легкокипящий компонент — азот. Газообразный азот поднимается вверх колонны, а вниз стекает жидкий кислород с растворёнными благородными газами.
Продукты: азот, кислород и благородные газы (аргон, неон, гелий и др.). При необходимости на такой колонне разделяют кислород и аргон.
Способ основан на различии температур кипения компонентов воздуха: азот — −196 °С, аргон — −186 °С, кислород — −183 °С. Воздух сжимают компрессорами и охлаждают до жидкого состояния, подают в колонну; стекая по тарелкам, жидкость постепенно нагревается, и из неё первым испаряется самый легкокипящий компонент — азот. Газообразный азот поднимается вверх колонны, а вниз стекает жидкий кислород с растворёнными благородными газами.
Продукты: азот, кислород и благородные газы (аргон, неон, гелий и др.). При необходимости на такой колонне разделяют кислород и аргон.
§ 26. Проверьте свои знания.
3. Что называют электролизом?
Какие неметаллы получают с помощью электролиза?
Электролиз — это реакция разложения электролита под действием электрического тока (окислительно-восстановительный процесс в растворе или расплаве электролита; на катоде идёт восстановление, на аноде — окисление).
С помощью электролиза получают активные неметаллы: галогены (фтор, хлор), водород, кислород. Примеры:
2HF =(электролиз)= H₂ + F₂ (фтор получил Муассан в 1886 г.);
2NaCl + 2H₂O =(электролиз)= H₂↑ + 2NaOH + Cl₂↑ (электролиз раствора хлорида натрия);
2H₂O =(электролиз)= 2H₂↑ + O₂↑.
С помощью электролиза получают активные неметаллы: галогены (фтор, хлор), водород, кислород. Примеры:
2HF =(электролиз)= H₂ + F₂ (фтор получил Муассан в 1886 г.);
2NaCl + 2H₂O =(электролиз)= H₂↑ + 2NaOH + Cl₂↑ (электролиз раствора хлорида натрия);
2H₂O =(электролиз)= 2H₂↑ + O₂↑.
§ 26. Примените свои знания.
4. Приведите примеры природных веществ, в которых неметаллы находятся в отрицательных, нулевой и положительных степенях окисления. Какие способы — физические или химические — лежат в основе получения каждого из этих неметаллов в чистом виде?
Отрицательные степени окисления неметаллы имеют в галогенидах (NaCl, NaI, CaF₂ — Cl, I, F в степени окисления −1), в сульфидах (FeS₂, ZnS — сера −2). Нулевая — в свободном виде: O₂, N₂, Ar, S, C. Положительные — в соединениях фосфора и кремния: Ca₃(PO₄)₂ (P +5), SiO₂ (Si +4), силикаты.
Способы получения:
1) из простых веществ в природе (степень окисления 0) — физические способы: сжижение и фракционная перегонка воздуха (O₂, N₂, Ar), выплавление серы из пластов перегретым паром;
2) из соединений с положительной степенью окисления — химические, восстановление: Ca₃(PO₄)₂ + 3SiO₂ + 5C = 3CaSiO₃ + 2P + 5CO; SiO₂ + 2C = Si + 2CO;
3) из соединений с отрицательной степенью окисления — химические, окисление: электролиз 2NaCl + 2H₂O = H₂↑ + 2NaOH + Cl₂↑; 2NaI + Cl₂ = 2NaCl + I₂.
Способы получения:
1) из простых веществ в природе (степень окисления 0) — физические способы: сжижение и фракционная перегонка воздуха (O₂, N₂, Ar), выплавление серы из пластов перегретым паром;
2) из соединений с положительной степенью окисления — химические, восстановление: Ca₃(PO₄)₂ + 3SiO₂ + 5C = 3CaSiO₃ + 2P + 5CO; SiO₂ + 2C = Si + 2CO;
3) из соединений с отрицательной степенью окисления — химические, окисление: электролиз 2NaCl + 2H₂O = H₂↑ + 2NaOH + Cl₂↑; 2NaI + Cl₂ = 2NaCl + I₂.
§ 26. Примените свои знания.
5. Какие массы кислорода и азота можно получить из 2000 м³ воздуха (н. у.), в котором объёмная доля кислорода составляет 21 %, а азота — 78 %?
Дано: V(воздуха) = 2000 м³; φ(O₂) = 21 %; φ(N₂) = 78 %.
Найти: m(O₂), m(N₂) — ?
Решение:
1) V(O₂) = 2000 · 0,21 = 420 м³; V(N₂) = 2000 · 0,78 = 1560 м³.
2) n(O₂) = 420 м³ / 22,4 м³/кмоль = 18,75 кмоль; M(O₂) = 32 кг/кмоль; m(O₂) = 18,75 · 32 = 600 кг.
3) n(N₂) = 1560 / 22,4 ≈ 69,64 кмоль; M(N₂) = 28 кг/кмоль; m(N₂) = 69,64 · 28 = 1950 кг.
Ответ: m(O₂) = 600 кг; m(N₂) = 1950 кг.
Оговорка: в «Ответах» книги для азота указано 1975 кг; по данным условия (78 %) получается 1950 кг, значение для кислорода (600 кг) совпадает.
Найти: m(O₂), m(N₂) — ?
Решение:
1) V(O₂) = 2000 · 0,21 = 420 м³; V(N₂) = 2000 · 0,78 = 1560 м³.
2) n(O₂) = 420 м³ / 22,4 м³/кмоль = 18,75 кмоль; M(O₂) = 32 кг/кмоль; m(O₂) = 18,75 · 32 = 600 кг.
3) n(N₂) = 1560 / 22,4 ≈ 69,64 кмоль; M(N₂) = 28 кг/кмоль; m(N₂) = 69,64 · 28 = 1950 кг.
Ответ: m(O₂) = 600 кг; m(N₂) = 1950 кг.
Оговорка: в «Ответах» книги для азота указано 1975 кг; по данным условия (78 %) получается 1950 кг, значение для кислорода (600 кг) совпадает.
§ 26. Примените свои знания.
6. Массовые доли элементов в минерале аурипигмент равны: мышьяк — 61 %, сера — 39 %. Определите формулу минерала.
Дано: w(As) = 61 %; w(S) = 39 %.
Найти: формулу AsₓSᵧ.
Решение: возьмём 100 г минерала: m(As) = 61 г, m(S) = 39 г.
n(As) = 61 / 75 ≈ 0,813 моль; n(S) = 39 / 32 ≈ 1,219 моль.
x : y = 0,813 : 1,219 = 1 : 1,5 = 2 : 3.
Формула минерала As₂S₃ (сульфид мышьяка(III)).
Проверка: w(As) = 150 / (150 + 96) = 0,61 = 61 %.
Ответ: As₂S₃.
Найти: формулу AsₓSᵧ.
Решение: возьмём 100 г минерала: m(As) = 61 г, m(S) = 39 г.
n(As) = 61 / 75 ≈ 0,813 моль; n(S) = 39 / 32 ≈ 1,219 моль.
x : y = 0,813 : 1,219 = 1 : 1,5 = 2 : 3.
Формула минерала As₂S₃ (сульфид мышьяка(III)).
Проверка: w(As) = 150 / (150 + 96) = 0,61 = 61 %.
Ответ: As₂S₃.
§ 26. Примените свои знания.
7. Какую массу фосфора можно получить из 387,5 кг фосфорита, массовая доля фосфата кальция в котором составляет 80 %?
Дано: m(фосфорита) = 387,5 кг; w(Ca₃(PO₄)₂) = 80 % = 0,8.
Найти: m(P) — ?
Решение:
1) Ca₃(PO₄)₂ + 3SiO₂ + 5C = 3CaSiO₃ + 2P + 5CO↑ (спекание с песком и коксом)
2) m(Ca₃(PO₄)₂) = 387,5 · 0,8 = 310 кг.
3) M(Ca₃(PO₄)₂) = 3 · 40 + 2 · (31 + 64) = 310 кг/кмоль; n = 310 / 310 = 1 кмоль.
4) По уравнению n(P) = 2 · n(Ca₃(PO₄)₂) = 2 кмоль; m(P) = 2 · 31 = 62 кг.
Ответ: m(P) = 62 кг.
Найти: m(P) — ?
Решение:
1) Ca₃(PO₄)₂ + 3SiO₂ + 5C = 3CaSiO₃ + 2P + 5CO↑ (спекание с песком и коксом)
2) m(Ca₃(PO₄)₂) = 387,5 · 0,8 = 310 кг.
3) M(Ca₃(PO₄)₂) = 3 · 40 + 2 · (31 + 64) = 310 кг/кмоль; n = 310 / 310 = 1 кмоль.
4) По уравнению n(P) = 2 · n(Ca₃(PO₄)₂) = 2 кмоль; m(P) = 2 · 31 = 62 кг.
Ответ: m(P) = 62 кг.
§ 26. Примените свои знания.
8. Одним из промышленных способов получения кремния является восстановление его из оксида металлическим магнием. Какую массу песка, содержащего 96 % оксида кремния(IV), и какую массу магния необходимо взять для получения 84 г кремния?
Дано: m(Si) = 84 г; w(SiO₂ в песке) = 96 % = 0,96.
Найти: m(песка), m(Mg) — ?
Решение:
1) SiO₂ + 2Mg = Si + 2MgO (нагревание)
2) n(Si) = 84 / 28 = 3 моль.
3) По уравнению n(SiO₂) = n(Si) = 3 моль; m(SiO₂) = 3 · 60 = 180 г; m(песка) = 180 / 0,96 = 187,5 г.
4) n(Mg) = 2 · n(Si) = 6 моль; m(Mg) = 6 · 24 = 144 г.
Ответ: m(песка) = 187,5 г; m(Mg) = 144 г.
Оговорка: в «Ответах» книги масса песка дана в килограммах («187,5 кг»); по условию (84 г кремния) получается 187,5 г.
Найти: m(песка), m(Mg) — ?
Решение:
1) SiO₂ + 2Mg = Si + 2MgO (нагревание)
2) n(Si) = 84 / 28 = 3 моль.
3) По уравнению n(SiO₂) = n(Si) = 3 моль; m(SiO₂) = 3 · 60 = 180 г; m(песка) = 180 / 0,96 = 187,5 г.
4) n(Mg) = 2 · n(Si) = 6 моль; m(Mg) = 6 · 24 = 144 г.
Ответ: m(песка) = 187,5 г; m(Mg) = 144 г.
Оговорка: в «Ответах» книги масса песка дана в килограммах («187,5 кг»); по условию (84 г кремния) получается 187,5 г.
§ 26. Примените свои знания.
9. Разложением при высокой температуре природного газа, основным компонентом которого является метан CH₄, получают сразу два важных неметалла — углерод в виде сажи и водород. Какой объём метана необходимо подвергнуть разложению, чтобы выделившегося водорода хватило для восстановления 23,2 г оксида вольфрама(VI)?
Дано: m(WO₃) = 23,2 г.
Найти: V(CH₄) (н. у.) — ?
Решение:
1) Разложение метана: CH₄ =(t)= C + 2H₂
2) Восстановление оксида вольфрама: WO₃ + 3H₂ =(t)= W + 3H₂O
3) M(WO₃) = 184 + 3 · 16 = 232 г/моль; n(WO₃) = 23,2 / 232 = 0,1 моль.
4) По второму уравнению n(H₂) = 3 · n(WO₃) = 0,3 моль.
5) По первому уравнению n(CH₄) = n(H₂) / 2 = 0,15 моль.
6) V(CH₄) = 0,15 моль · 22,4 л/моль = 3,36 л.
Ответ: V(CH₄) = 3,36 л.
Оговорка: в «Ответах» книги указано 33,6 л; по данным условия (23,2 г WO₃) получается 3,36 л — 33,6 л соответствовало бы 232 г оксида.
Найти: V(CH₄) (н. у.) — ?
Решение:
1) Разложение метана: CH₄ =(t)= C + 2H₂
2) Восстановление оксида вольфрама: WO₃ + 3H₂ =(t)= W + 3H₂O
3) M(WO₃) = 184 + 3 · 16 = 232 г/моль; n(WO₃) = 23,2 / 232 = 0,1 моль.
4) По второму уравнению n(H₂) = 3 · n(WO₃) = 0,3 моль.
5) По первому уравнению n(CH₄) = n(H₂) / 2 = 0,15 моль.
6) V(CH₄) = 0,15 моль · 22,4 л/моль = 3,36 л.
Ответ: V(CH₄) = 3,36 л.
Оговорка: в «Ответах» книги указано 33,6 л; по данным условия (23,2 г WO₃) получается 3,36 л — 33,6 л соответствовало бы 232 г оксида.
§ 26. Используйте дополнительную информацию.
10. Подготовьте сообщение о жизни и деятельности Х. Дэви.
Хэмфри Дэви (1778–1829) — английский химик и физик, один из основателей электрохимии.
Родился в Корнуолле в бедной семье, работал помощником аптекаря и самостоятельно изучал химию. В 1798 г. начал работать в Пневматическом институте в Бристоле, где изучал действие газов; открыл анестезирующее свойство закиси азота («веселящий газ»). С 1801 г. работал в Королевском институте в Лондоне, быстро получил известность блестящими публичными лекциями.
Применив электролиз, Дэви впервые получил в свободном виде калий и натрий (1807 г.), затем кальций, стронций, барий и магний. Он доказал, что хлор — простое вещество, а не соединение кислорода, и дал ему название «хлор» (1810 г.); установил, что водород — обязательная часть кислот. Изобрёл безопасную рудничную лампу (лампа Дэви), снизившую число взрывов метана в шахтах.
Дэви был президентом Лондонского королевского общества; его ученик и помощник Майкл Фарадей стал великим физиком и химиком. Умер в Женеве в 1829 г.
Родился в Корнуолле в бедной семье, работал помощником аптекаря и самостоятельно изучал химию. В 1798 г. начал работать в Пневматическом институте в Бристоле, где изучал действие газов; открыл анестезирующее свойство закиси азота («веселящий газ»). С 1801 г. работал в Королевском институте в Лондоне, быстро получил известность блестящими публичными лекциями.
Применив электролиз, Дэви впервые получил в свободном виде калий и натрий (1807 г.), затем кальций, стронций, барий и магний. Он доказал, что хлор — простое вещество, а не соединение кислорода, и дал ему название «хлор» (1810 г.); установил, что водород — обязательная часть кислот. Изобрёл безопасную рудничную лампу (лампа Дэви), снизившую число взрывов метана в шахтах.
Дэви был президентом Лондонского королевского общества; его ученик и помощник Майкл Фарадей стал великим физиком и химиком. Умер в Женеве в 1829 г.
§ 26. Используйте дополнительную информацию.
11. Подготовьте сообщение об истории открытия фтора.
История открытия фтора
Соединения фтора человек использовал давно: флюорит CaF₂ применяли как флюс при плавке руд (латинское fluere — «течь»; отсюда название «флюорит»). В 1771 г. К. Шееле получил плавиковую кислоту HF из флюорита и серной кислоты. В 1810 г. А. Ампер предположил, что в ней содержится новый элемент, аналогичный хлору, и предложил назвать его «флуор», а русское название «фтор» (от греч. «разрушающий») ввёл А. Гесс.
В свободном виде фтор долго получить не удавалось: он самый электроотрицательный элемент, и его очень трудно окислить, кроме того, он разрушает посуду и очень ядовит. Над этим работали Дэви, Гей-Люссак, Фарадей и другие, многие учёные отравились и пострадали.
В 1886 г. французский химик Анри Муассан впервые получил фтор электролизом жидкого безводного фтороводорода (с добавкой KF) в платиновом сосуде при охлаждении: 2HF = H₂ + F₂. На катоде выделяется водород, на аноде — фтор. За это достижение Муассан получил Нобелевскую премию по химии в 1906 г. Сейчас фтор и его соединения используют для получения фторопластов (тефлона), хладагентов, зубных паст, при получении урана и алюминия.
Соединения фтора человек использовал давно: флюорит CaF₂ применяли как флюс при плавке руд (латинское fluere — «течь»; отсюда название «флюорит»). В 1771 г. К. Шееле получил плавиковую кислоту HF из флюорита и серной кислоты. В 1810 г. А. Ампер предположил, что в ней содержится новый элемент, аналогичный хлору, и предложил назвать его «флуор», а русское название «фтор» (от греч. «разрушающий») ввёл А. Гесс.
В свободном виде фтор долго получить не удавалось: он самый электроотрицательный элемент, и его очень трудно окислить, кроме того, он разрушает посуду и очень ядовит. Над этим работали Дэви, Гей-Люссак, Фарадей и другие, многие учёные отравились и пострадали.
В 1886 г. французский химик Анри Муассан впервые получил фтор электролизом жидкого безводного фтороводорода (с добавкой KF) в платиновом сосуде при охлаждении: 2HF = H₂ + F₂. На катоде выделяется водород, на аноде — фтор. За это достижение Муассан получил Нобелевскую премию по химии в 1906 г. Сейчас фтор и его соединения используют для получения фторопластов (тефлона), хладагентов, зубных паст, при получении урана и алюминия.