在地殼中除少量元素,如稀有氣體、氧、氮、硫、碳、金、鉑系等元素以單質存在外,其他元素均以化合態(tài)存在?;蠎B(tài)的物質中最主要的有鹵化物、硫化物、氧化物和含氧酸鹽等。
單質的制取方法大致有五種:
(1)物理分離法 適用于分離、提取那些以單質狀態(tài)存在,與其雜質在某些物理性質(如密度、沸點等)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。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,可先把巖石粉碎,選擇適當?shù)倪x礦法除去不需要的脈石,再用溶劑使金屬溶解,最后把金屬從溶液中分離出來。例如含金的礦石經(jīng)粉碎和選礦后,放入稀的氰化鈉溶液中,并通入空氣,單質金因生成配合物而溶解,然后往濾液中加人鋅粉,即可得到單質金
2Au+4NaCN+1/2O2+H2O = 2Na[Au(CN)2]+2NaOH
2Na[Au(CN)2]+Zn = 2Au+Na2[Zn(CN)4]
(2)熱分解法 某些對熱不穩(wěn)定的金屬化合物,可以用熱分解法來制取該金屬單質。在金屬活動性順序中,位于氫后面的金屬的氧化物受熱就能分解,例如
2HgO = 2Hg+O2 ↑
2Ag2O = 4Ag+O2 ↑
(3)電解法 電解是實現(xiàn)氧化還原最強有力的手段?;顫娊饘偃玮c、鉀、鎂、鈣、鋁等常用電解熔鹽或氧化物的方法來制取。電解時,在陰極上金屬離子得到電子而被還原為金屬單質。電解溶解在助熔劑冰晶石(Na3AlF6)中的Al2O3,在陰極上得到單質鋁。
2Al2O3 = 4Al+3O2
(4)還原法 普通金屬在化合物中一般呈正價,還原的方法有碳還原法、一氧化碳還原法、氫還原法、金屬還原法和電解法等。例如,用赤鐵礦煉鐵的反應就是采用一氧化碳還原法。
Fe2O3+3CO = 2Fe+3CO2
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制取鋅的反應如下
2ZnS+3O2 = 2ZnO+2SO2
ZnO+C = Zn+CO
金屬還原法,就是用活潑金屬把不活潑金屬從它的化合物中置換出來的方法。例如金屬鈦可以首先從鈦礦石制得氯化鈦TiCl4,然后用鎂在800~900℃的高溫下使其還原而制得。
TiCl4+2Mg = Ti+2MgCl2
鉀和銣雖然也可以用電解法制取,但常用強還原性的金屬如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
KCl+Na = NaCl+K ↑
2RbCl+Ca = CaCl2+2Rb ↑
銫可以用鎂還原CsAlO2制得
2CsAlO2+Mg = MgAl2O4+2Cs
上面幾個反應看起來都是較不活潑的金屬把活潑金屬從其鹽類中置換出來,這似乎與金屬的標準電極電勢排列的金屬活動順序相矛盾。我們已經(jīng)知道用標準電極電勢作反應方向的判斷標準,只能在水溶液的情況下應用,而上述反應都是在高溫下進行的,所以不能應用。
另外,鉀的沸點低易揮發(fā),鉀易熔于熔融KCl中難分離,在電解過程中產(chǎn)生的KO2與K會發(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 對于以化合態(tài)存在的元素,如果它在化合物中呈負價,則用氧化法來制??;否則,則用還原法來制取。例如巖鹽中的氯呈負價,可用氧化劑或電解的方法來氧化氯
2Cl- = Cl2+2e-(電解)