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)存在的非金屬常常可用物理方法分離出來。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(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(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
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(duì)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(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
2HgO = 2Hg+O2 ↑
2Ag2O = 4Ag+O2 ↑
(3)電解法 電解是實(shí)現(xiàn)氧化還原最強(qiáng)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(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(Na3AlF6)中的Al2O3,在陰極上得到單質(zhì)鋁。
2Al2O3 = 4Al+3O2
(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、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(yīng)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(yīng)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(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
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(gè)反應(yīng)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(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KCl中難分離,在電解過程中產(chǎn)生的KO2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),則用氧化法來制?。环駝t,則用還原法來制取。例如巖鹽中的氯呈負(fù)價(jià),可用氧化劑或電解的方法來氧化氯
2Cl- = Cl2+2e-(電解)