單質(zhì)的存在和制取
銅臭 / 2022-07-14
5.1.1單質(zhì)的存在
地殼是指圍繞地球的大氣圈、水圈及地面以下16km深度以內(nèi)的巖石圈。到2007年為止，總共有117種元素已被大家所承認(rèn)，其中94種是存在于地殼，其余23種是人工合成的。擁有 原子序數(shù)大于82 [即鉍(Bi) 及之后的元素]的元素都是不穩(wěn)定的，并會(huì)進(jìn)行放射衰變。第 43和第61種元素[即锝(Tc)和钷( Pm)]沒(méi)有穩(wěn)定的同位素，會(huì)進(jìn)行衰變。可是，即使是原子序數(shù)高達(dá)94，沒(méi)有穩(wěn)定原子核的元素都一樣能在自然界中找到，這就是鈾和釷的自然衰變。 元素在地殼中的含量稱為豐度。豐度可以用質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示，也可以用原子分?jǐn)?shù)表示。表5-1 列出了其中含量最多的10種元素的豐度。
| |
O
|
Si |
AI |
Fe |
Ca |
Na |
K |
Mg |
H |
Ti |
| 質(zhì)量分?jǐn)?shù)/% |
48.6 |
26.3 |
7.73 |
4.75 |
3.45 |
2.74 |
2.47 |
2.00 |
0.76 |
0.42 |
| 原子分?jǐn)?shù)/% |
53.8 |
18.2 |
5.55 |
1.64 |
1.67 |
2.26 |
0.80 |
1.60 |
13.6 |
0.16 |
由表5-1可見(jiàn)，這10種元素已占地殼總質(zhì)量(或總原子數(shù))的99%，其余元素含量的總和不超過(guò)1%，所以絕大多數(shù)元素的豐度是很小的。
習(xí)慣上，把在地殼中含量少、比較分散、從天然化合物中提煉困難、發(fā)現(xiàn)較晚，對(duì)它們研究較少的些 元素都稱作稀有元素。其余的元素，則稱作普通 元素。如鈦在地殼中含量并不少(約0.42%)，但由于冶煉困難，在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間里影響了人們對(duì)它的了解和應(yīng)用，因而被列入稀有元素。有些元素，如砷在地殼中的含量很少(約5x10??%)，但由于有引人注目的硫化物礦存在，這些礦物以及砷元素本身早就為人類所熟知，因此砷未列人稀有元素，而歸入普通元素。顯然，關(guān)于稀有元素和普通元素的劃分是相對(duì)的。目前在所有的已知元素中，約2/3的元素屬于稀有元素。
目前發(fā)現(xiàn)的117種元素，按其性質(zhì)可分為金屬元素和非金屬元素，金屬元素有94種，非金屬元素有23種。金屬單質(zhì)具有特殊的金屬光澤、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，以及良好的機(jī)械加工性;而非金屬單質(zhì)一般不具備這些性質(zhì)。不過(guò)，在p區(qū)對(duì)角線附近的一些元素，如硼、硅、鍺、砷、銻、碲等，它們的性質(zhì)介于金屬和非金屬之間，這些元素的單質(zhì)有“半(準(zhǔn))金屬”之稱。它們大多具有半導(dǎo)體的性質(zhì)。
我國(guó)礦產(chǎn)資源極為豐富。鎢、鋅、銻、鋰、硼元素等的儲(chǔ)量均居世界首位，其中鎢占世界儲(chǔ)量的75%，銻占44%。其他如錫、鉛、汞、鐵、錳、銅、鎳、鈦、硫、磷等儲(chǔ)量也居世界前列。具有廣闊應(yīng)用前景的稀土金屬元素，在我國(guó)并不稀有，其總儲(chǔ)量占世界的80%，世界最大的稀土礦區(qū)是我國(guó)內(nèi)蒙古的白云鄂博。大力開(kāi)發(fā)和利用我國(guó)稀土金屬及其他豐產(chǎn)元素，對(duì)促進(jìn)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)有十分重要的意義。
5.1.2單質(zhì)的制取
在地殼中除少量元素，如稀有氣體、氧、氮、硫、碳、金、鉑系等元素以單質(zhì)存在外，其他元素均以化合態(tài)存在?；蠎B(tài)的物質(zhì)中最主要的有鹵化物、硫化物、氧化物和含氧酸鹽等。單質(zhì)的制取方法大致有五種:
(1)物理分離法 適用于分離、提取那些以單質(zhì)狀態(tài)存在，與其雜質(zhì)在某些物理性質(zhì)(如密度、沸點(diǎn)等)上有顯著差異的元素。以游離態(tài)存在的非金屬常?？捎梦锢矸椒ǚ蛛x出來(lái)。例如要從空氣中分離出氧、氫和稀有氣體，可先把空氣液化，然后利用它們的沸點(diǎn)不同，用分餾法分離。以游離態(tài)存在的金屬常常和巖石混在一起，提取時(shí)，可先把巖石粉碎，選擇適當(dāng)?shù)倪x礦法除去不需要的脈石，再用溶劑使金屬溶解，最后把金屬?gòu)娜芤褐蟹蛛x出來(lái)。例如含金的礦石經(jīng)粉碎和選礦后，放人稀的氰化鈉溶液中，并通人空氣，單質(zhì)金因生成配合物而溶解，然后往濾液中加人鋅粉，即可得到單質(zhì)金
(2)熱分解法某些對(duì)熱不穩(wěn)定 的金屬化合物，可以用熱分解法來(lái)制取該金屬單質(zhì)。在金屬活動(dòng)性順序中，位于氫后面的金屬的氧化物受熱就能分解，例如
(3)電解法電解是實(shí)現(xiàn)氧化還原最強(qiáng)有力的手段。 活潑金屬如鈉、鉀、鎂、鈣、鋁等常用電解熔鹽或氧化物的方法來(lái)制取。電解時(shí)，在陰極上金屬離子得到電子而被還原為金屬單 質(zhì)。電解溶解在助熔劑冰晶石(Na?AIF?) 中的Al?O?，在陰極上得到單質(zhì)鋁。
2Al?O?=4AI + 3O?
(4)還原法普通金屬在化合物中一般呈正 價(jià),還原的方法有碳還原法、一氧化碳還原法、氨還原法金屬還原法和電解法等。例如，用赤鐵礦煉鐵的反應(yīng)就是采用一氧化碳還原法。
Fe?O?+ 3CO=2Fe + 3CO?
以硫化物形式存在的金屬元素，一般先熔燒成氧化物，然后再還原成金屬。例如，從閃鋅礦ZnS制取鋅的反應(yīng)如下
2ZnS +3O?=2ZnO+ 2SO?
ZnO+C=Zn+CO
金屬還原法，就是用活潑金屬把不活潑金屬?gòu)乃幕衔镏兄脫Q出來(lái)的方法。例如金屬鈦 可以首先從鈦礦石制得氯化鈦TiCl?然后用鎂在800 - 900°C的高溫下使其還原而制得。
TiCI?+2Mg=Ti + 2MgCl?
鉀和銣雖然也可以用電解法制取，但常用強(qiáng)還原性的金屬如Na、Ca、Mg. Ba等在高溫和低壓下還原它們氯化物的方法制取，例如
KCI+Na=NaCl+K↑
2RbCl + Ca=CaCl?+ 2Rb↑
銫可以用鎂還原CsAIO?制得
2CsAIO? + Mg=MgAl?O?+ 2Cs
上而幾個(gè)反應(yīng)看起來(lái)都是較不活潑的金屬把活潑金屬?gòu)钠潲}類中置換出來(lái)，這似乎與金屬的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)排列的金屬活動(dòng)順序相矛盾。我們已經(jīng)知道用標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)作反應(yīng)方向的判斷標(biāo)準(zhǔn)，只能在水溶液的情況下應(yīng)用，而上述反應(yīng)都是在高溫下進(jìn)行的，所以不能應(yīng)用。
另外，鉀的沸點(diǎn)低易揮發(fā)，鉀易熔于熔融KCI中難分離，在電解過(guò)程中產(chǎn)生的KO?與K會(huì)發(fā)生爆炸，所以一-般不用熔融鹽電解法制取鉀，主要用金屬置換法等制取。
(5)氧化法對(duì)于以化合態(tài)存在的元素，如果它在化合物中呈負(fù)價(jià)，則用氧化法來(lái)制取;否則，則用還原法來(lái)制取。例如巖鹽中的氯量負(fù)價(jià)，可用氧化劑或電解的方法來(lái)氧化氯
2CI?=Cl?+2e?(電解)
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