Решебник по химии 9 класс Габриелян §26

Получение неметаллов

Стр. 133

Вопрос

Как металлы, так и неметаллы встречаются в природе в свободном виде и в форме соединений. Какие промышленные способы применяют для получения неметаллов?

Неметаллы, как и металлы, могут находиться в природе как в свободном состоянии (например, кислород, азот, сера), так и в составе различных соединений (например, кремний в виде оксида SiO₂, фосфор в виде фосфатов, галогены в солях). В промышленности для получения неметаллов применяют несколько основных способов, в зависимости от их химических свойств и формы нахождения в природе:

1. Выделение из воздуха — используется для получения тех неметаллов, которые содержатся в свободном виде в атмосфере. Пример — фракционная перегонка жидкого воздуха. Сначала воздух сжимают и охлаждают до жидкого состояния, затем разделяют на фракции по температуре кипения компонентов:

• кислород (t кип. ≈ –183 °C),

• азот (t кип. ≈ –196 °C),

• аргон (между ними).

2. Восстановление неметаллов из окисленных соединений. Например:

• фосфор получают восстановлением фосфорита Ca₃(PO₄)₂ коксом в присутствии кремнезёма при высокой температуре: (Ca₃(PO₄)₂ + 3SiO₂ + 5C → 3CaSiO₃ + 2P + 5CO↑)

• кремний получают восстановлением оксида кремния (IV) углём: (SiO₂ + 2C → Si + 2CO↑)

3. Окисление соединений — способ получения галогенов (например, хлора и йода), когда из восстановленных соединений неметаллы переходят в свободное состояние. Например, хлор получают электролизом раствора хлорида натрия: (2NaCl + 2H₂O →электролиз→ H₂↑ + 2NaOH + Cl₂↑)

4. Электролиз — универсальный метод получения активных неметаллов, таких как галогены, водород и кислород. Пример — получение фтора: (2HF →электролиз→ H₂ + F₂)

Таким образом, основные промышленные способы получения неметаллов включают фракционную перегонку воздуха, восстановление окисленных соединений, окисление восстановленных соединений и электролиз. Выбор метода зависит от конкретного неметалла и формы его природного нахождения.

Стр. 136

Проверьте свои знания

1. В каком виде встречаются неметаллы в природе? Приведите примеры.

Неметаллы в природе встречаются в разных формах. Некоторые неметаллы, такие как благородные газы (неон, аргон), азот и кислород, существуют в свободном виде. Они входят в состав воздуха, например, кислород — около 21 %, азот — около 78 %. Другие неметаллы, как правило, встречаются в составе соединений. Например, фосфор и кремний существуют только в виде соединений: фосфаты и силикаты. Такие элементы проявляют только положительные степени окисления. Хлор, бром и йод — галогены — встречаются в виде солей (NaCl, KCl, NaBr, NaI). Они входят в состав морской воды и природных минералов. Таким образом, неметаллы могут встречаться как в свободной форме (O₂, N₂, Ar), так и в соединениях (NaCl, Ca₃(PO₄)₂, SiO₂ и др.).

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 воздуха — это процесс разделения воздуха на составные части на основе различий в температурах кипения компонентов. Сначала воздух очищают от пыли, воды и углекислого газа, затем сжимают и охлаждают до превращения в жидкость. Полученную жидкую смесь направляют в ректификационную колонну.

В колонне фракционной перегонки (рис. 66) компоненты воздуха испаряются и конденсируются на разных уровнях колонны в зависимости от температуры кипения. Азот имеет более низкую температуру кипения (–196 °C), поэтому испаряется первым и отводится через верхнюю часть колонны. Кислород кипит при –183 °C, поэтому остаётся внизу. Аргон, температура кипения которого близка к кислороду, собирается в промежуточных слоях.

В результате фракционной перегонки жидкого воздуха получают:

• азот (N₂),

• кислород (O₂),

• аргон (Ar).

3. Что называют электролизом? Какие неметаллы получают с помощью электролиза?

Электролизом называют процесс разложения электролитов (растворов или расплавов ионов) под действием электрического тока. Он используется для получения активных неметаллов, которые в свободном виде в природе не встречаются.

Пример: электролиз водного раствора хлорида натрия:

(2NaCl + 2H₂O → электролиз → H₂↑ + 2NaOH + Cl₂↑)

На катоде выделяется водород (H₂), а на аноде — хлор (Cl₂). Аналогично, с помощью электролиза получают фтор, кислород, бром, йод.

Например, электролиз фторида водорода:

(2HF → электролиз → H₂ + F₂)

Таким образом, электролиз — это важный способ промышленного получения неметаллов, особенно галогенов и водорода.

Если нужно, могу также подробно записать уравнения реакций по таблице или дать пояснения к колонне ректификации.

Стр. 136

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?

В природе неметаллы встречаются в различных степенях окисления:

– Отрицательные степени окисления характерны для галогенов в составе солей. Пример: хлор в хлориде натрия NaCl (степень окисления –1), йод в йодиде калия KI.

– Нулевая степень окисления — это неметаллы в свободном виде, например:

• кислород O₂, азот N₂, водород H₂, сера S₈, благородные газы (Ar, He и др.).

– Положительные степени окисления характерны для соединений, где неметалл теряет электроны. Примеры:

• фосфор в ортофосфате кальция Ca₃(PO₄)₂ — степень окисления +5,

• кремний в кремнезёме SiO₂ — степень окисления +4,

• сера в сульфатах, например, в гипсе CaSO₄ — степень окисления +6.

Физические способы получения неметаллов:

• Фракционная перегонка воздуха — кислород, азот, аргон.

• Эти элементы изначально находятся в свободном виде в атмосфере и отделяются на основе их температур кипения.

Химические способы:

• Восстановление — применяется к неметаллам в положительной степени окисления:

  • фосфор из Ca₃(PO₄)₂ + SiO₂ + C → 3CaSiO₃ + 2P + 5CO↑

  • кремний из SiO₂ + 2C → Si + 2CO↑

• Окисление — для получения неметаллов в нулевой степени окисления из восстановленных соединений:

  • хлор из NaCl электролизом раствора:

    (2NaCl + 2H₂O →электролиз→ H₂ + 2NaOH + Cl₂↑)

• Электролиз — универсальный способ для получения активных неметаллов:

  • фтор: (2HF →электролиз→ H₂ + F₂)

Таким образом, способы получения зависят от степени окисления неметалла в природном веществе: при положительной степени используется восстановление, при отрицательной — окисление, а при нулевой — физические методы отделения.

5. Какие массы кислорода и азота можно получить из 2000 м³ воздуха (н. у.), в котором объёмная доля кислорода составляет 21 %, а азота — 78 %?

Объёмная доля газов в воздухе при нормальных условиях приближённо соответствует их молярной доле, поэтому:

Объём кислорода:

2000 м³ × 0,21 = 420 м³

Объём азота:

2000 м³ × 0,78 = 1560 м³

Найдём массы по формуле:

m = V × M / Vm, где

V — объём газа (в м³),

M — молярная масса (O₂ = 32 г/моль, N₂ = 28 г/моль),

Vm — молярный объём газа при н. у. (22,4 л/моль = 0,0224 м³/моль)

Для кислорода:

n(O₂) = 420 / 0,0224 ≈ 18750 моль

m(O₂) = 18750 × 32 = 600000 г = 600 кг

Для азота:

n(N₂) = 1560 / 0,0224 ≈ 69643 моль

m(N₂) = 69643 × 28 ≈ 1949996 г ≈ 1950 кг

Ответ: из 2000 м³ воздуха можно получить примерно 600 кг кислорода и 1950 кг азота.

6. Массовые доли элементов в минерале фторапатите равны: мышьяк — 61 %, сера — 39 %. Определите формулу минерала.

Рассчитаем соотношение масс:

Массы элементов на 100 г вещества:

As — 61 г, S — 39 г

Молярные массы: As = 75 г/моль, S = 32 г/моль

Число молей:

n(As) = 61 / 75 ≈ 0,813

n(S) = 39 / 32 ≈ 1,219

Найдём соотношение:

0,813 : 1,219 ≈ 2 : 3

Ответ: эмпирическая формула вещества: As₂S₃ — сульфид мышьяка (реально — минерал реальгар или аурипигмент, но расчёт верен).

7. Какую массу фосфора можно получить из 387,5 г фосфориста, массовая доля фосфата кальция в котором составляет 80 %?

Масса фосфата кальция:

m(Ca₃(PO₄)₂) = 387,5 г × 0,80 = 310 г

Реакция:

(2Ca₃(PO₄)₂ + 6SiO₂ + 10C → 6CaSiO₃ + 4P + 10CO↑)

Из 2 моль Ca₃(PO₄)₂ (310 г/310 г/моль) получается 4 моль P.

Молярная масса Ca₃(PO₄)₂ ≈ 310 г/моль

n(Ca₃(PO₄)₂) = 310 / 310 = 1 моль

n(P) = 2 моль

m(P) = 2 × 31 = 62 г

Ответ: можно получить 62 г фосфора.

8. Один из промышленных способов получения кремния заключается в восстановлении кремнезёма (SiO₂) углём. Рассчитайте массу песка, содержащего 98 % оксида кремния(IV), из которой можно взять для получения 84 г кремния?

Реакция:

(SiO₂ + 2C → Si + 2CO↑)

Из 1 моль SiO₂ (60 г) получают 1 моль Si (28 г)

n(Si) = 84 / 28 = 3 моль

n(SiO₂) = 3 моль

m(SiO₂) = 3 × 60 = 180 г

Песок содержит 98 % SiO₂:

m(песка) = 180 г / 0,98 ≈ 183,7 г

Ответ: требуется примерно 183,7 г песка, содержащего 98 % SiO₂.

9. Разложением при высокой температуре природного газа, основным компонентом которого является метан, 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)?

Реакция разложения метана:

(CH₄ → C + 2H₂)

Реакция восстановления оксида вольфрама(VI):

(WO₃ + 3H₂ → W + 3H₂O)

1 моль WO₃ требует 3 моль H₂.

M(WO₃) = 232 г/моль,

m(WO₃) = 23,2 г → n = 23,2 / 232 = 0,1 моль

Значит, потребуется: 0,1 × 3 = 0,3 моль H₂

Из 1 моль CH₄ → 2 моль H₂,

n(CH₄) = 0,3 / 2 = 0,15 моль

Vm = 22,4 л/моль

V = 0,15 × 22,4 = 3,36 л

Ответ: необходимо 3,36 л метана, чтобы получить нужное количество водорода.

Стр. 136

Используйте дополнительную информацию

10. Подготовьте сообщение о жизни и деятельности Х. Дэви.

Сообщение

Гемфри Дэви — пионер электрохимии и исследователь щелочных и щелочноземельных металлов

Гемфри (Хэмфри) Дэви (англ. Humphry Davy) — выдающийся английский химик и физик, чья деятельность в начале XIX века сыграла важную роль в развитии неорганической химии, электрохимии и даже медицины. Он родился 17 декабря 1778 года в городке Пензанс в графстве Корнуолл, Англия. Несмотря на скромное происхождение, Дэви обладал исключительной любознательностью и стремлением к знаниям, что позволило ему достичь вершин научной славы.

В 1798 году Гемфри поступает на работу в недавно основанный Пневматический институт в Бристоле. Там он начинает проводить опыты с различными газами, в том числе с закисью азота (N₂O), более известной как «веселящий газ». Именно Дэви первым описал его наркотическое действие, а также изучал его влияние на человеческое здоровье. Эти исследования были не только научно интересны, но и заложили основу для будущего использования закиси азота в анестезиологии.

С 1801 года Дэви работает в Королевском институте в Лондоне. Его лекции по химии были невероятно популярны: он не только демонстрировал зрелищные опыты, но и умел просто и ясно объяснять сложные явления. Именно на одной из таких лекций побывал юный Майкл Фарадей, который позже стал его ассистентом, а затем и выдающимся ученым.

Одним из важнейших достижений Дэви стало использование электрического тока для разложения химических соединений. В 1807 году он впервые применил метод электролиза и открыл новые элементы — щелочные металлы. Так были получены в чистом виде натрий (Na) и калий (K) путём электролиза расплавов их солей. В 1808 году с помощью того же метода он открыл щелочноземельные металлы — кальций (Ca), стронций (Sr), барий (Ba) и магний (Mg). Эти открытия стали огромным шагом вперёд для неорганической химии и подтвердили, что электрический ток способен разрушать связи в химических соединениях, выделяя простые вещества.

Кроме работы с металлами, Дэви проводил исследования кислот, щелочей, соединений хлора. Он доказал, что хлор (Cl), ранее считавшийся соединением, является самостоятельным элементом. Благодаря его опыту с оксидом азота, серой и другими веществами, Дэви также внёс большой вклад в развитие представлений о химических реакциях и строении веществ.

Но научные заслуги Дэви не ограничивались лабораторными исследованиями. Он также участвовал в решении практических задач. Например, его изобретение — лампа Дэви — спасла множество жизней шахтёров. Эта лампа, защищённая металлической сеткой, позволяла безопасно работать в шахтах, где присутствовал метан — взрывоопасный газ. До изобретения Дэви шахтные пожары и взрывы были частыми и уносили сотни жизней. Лампа Дэви существенно снизила риск катастроф, и за это учёный получил благодарность от британского парламента и общества.

Гемфри Дэви был первым президентом Лондонского королевского института, а затем стал президентом Лондонского королевского общества. Он был удостоен титула сэра и рыцарского звания. Несмотря на свои заслуги, в последние годы его отношения с учениками, в том числе с Майклом Фарадеем, стали напряжёнными — возможно, из-за чувства ревности к успехам последнего. Тем не менее, вклад Дэви в науку признаётся колоссальным.

Умер Дэви в 1829 году в возрасте 50 лет. Его научное наследие живёт до сих пор: методы, которые он применял, стали основой современной электрохимии, а его открытия вошли в школьные и университетские учебники.

Итог: Гемфри Дэви — один из тех учёных, которые не только открыли новые элементы и объяснили химические явления, но и использовали науку для улучшения жизни людей. Его открытия помогли развитию химии как науки, дали старт электрохимии, позволили получить множество ранее недоступных веществ, а изобретения — спасли человеческие жизни.

11. Подготовьте сообщение об истории открытия фтора.

Сообщение

История открытия фтора — опасный путь к победе над самым активным элементом

История открытия фтора — одна из самых драматичных и трагичных в науке. Фтор (F) — чрезвычайно реакционноспособный неметалл, самый активный из всех элементов, и его выделение в свободном виде долгое время оставалось неразрешимой задачей для химиков. Попытки получить фтор привели к множеству неудач, отравлений и даже смертей. Только благодаря упорству и мужеству учёных в XIX веке удалось «укротить» этот коварный элемент.

Фтор — элемент VIIA группы Периодической системы, галоген, химически наиболее активный из всех. Его соединения были известны задолго до открытия самого элемента. Уже в начале XVIII века исследователи знали о минерале флюорите (CaF₂), или плавиковом шпате. При нагревании флюорита с концентрированной серной кислотой выделялся газ с резким, удушающим запахом, который разрушал стекло. Этот газ был назван плавиковой кислотой (или фтороводородом, HF). Учёные догадывались, что в состав этой кислоты входит новый элемент — фтор, — но выделить его в чистом виде не удавалось.

Попытки получить фтор предпринимались многими известными химиками XVIII–XIX веков. Один из первых, кто начал серьёзно исследовать фтороводород, был шведский химик Карл Вильгельм Шееле, открывший также кислород, хлор и марганец. Он описал плавиковую кислоту, но не смог выделить сам фтор. Позже знаменитые учёные, в том числе сэр Гемфри Дэви (открывший натрий, калий и кальций), также пытались разложить фтороводород или его соли с помощью электричества, как это делали с другими веществами. Но все опыты оказывались безрезультатными — фтор вступал в реакцию с любыми материалами, с которыми контактировал, разрушал электроды, аппараты, и даже вызывал тяжёлые отравления у экспериментаторов.

Элемент фтор был настолько опасен, что его прозвали «злым гением химии». Французский химик Пьер-Жозеф Пелетье отравился парами фтористоводородной кислоты. Джордж Гор, английский учёный, получил тяжёлые ожоги от фтора. Немецкий химик Паульин также пострадал при опытах. А известный французский учёный Луи Жозеф Гей-Люссак даже отказался продолжать работы с этим элементом, считая его слишком опасным.

Настоящий прорыв произошёл только в 1886 году благодаря французскому химику Анри Муассану (Henri Moissan). Муассану удалось создать специальные условия для электролиза фтороводородной кислоты, в которых фтор не вступал в немедленную реакцию с материалами аппарата. Он использовал платиновые электроды, охлаждение и безводный раствор HF, растворённый в жидком фтористом калии (KF). При электролизе этой смеси при низкой температуре ему удалось получить свободный фтор — чрезвычайно едкий, желтовато-зелёный газ с резким запахом.

Муассан описал результат своих опытов и подтвердил существование элемента, который химики веками не могли выделить. Его открытие стало научной сенсацией. За этот выдающийся успех Анри Муассан был удостоен Нобелевской премии по химии в 1906 году.

Однако работа с фтором оставалась опасной даже после его открытия. Фтор реагирует почти со всеми элементами, включая стекло, железо, алюминий, даже с водой и органическими веществами. При этом он выделяет большое количество тепла и образует ядовитые соединения. Поэтому для хранения и транспортировки фтора требуются особые условия и специальные материалы — например, монель-металл, тефлон и никель.

Сегодня фтор и его соединения широко применяются в химической, фармацевтической, космической и ядерной промышленности. Он входит в состав фреонов (хладагентов), используется для производства тефлона (антипригарного покрытия), фтористого урана для ядерных реакторов, а также в зубной пасте (в виде фторидов) для профилактики кариеса.

Итоги: путь к открытию фтора был долгим и опасным. Он потребовал не только научных знаний, но и смелости, терпения и изобретательности. История фтора — это яркий пример того, как химия может быть одновременно разрушительной и полезной, а научный прогресс — дорогим и порой трагическим. Но именно такие открытия, как открытие фтора, расширяют границы человеческого познания и позволяют создавать новые технологии.