在地壳中除少量元素,如稀有气体、氧、氮、硫、碳、金、铂系等元素以单质存在外,其他元素均以化合态存在。化合态的物质中最主要的有卤化物、硫化物、氧化物和含氧酸盐等。
单质的制取方法大致有五种:
(1)物理分离法 适用于分离、提取那些以单质状态存在,与其杂质在某些物理性质(如密度、沸点等)上有显著差异的元素。以游离态存在的非金属常常可用物理方法分离出来。例如要从空气中分离出氧、氢和稀有气体,可先把空气液化,然后利用它们的沸点不同,用分馏法分离。以游离态存在的金属常常和岩石混在一起,提取时,可先把岩石粉碎,选择适当的选矿法除去不需要的脉石,再用溶剂使金属溶解,最后把金属从溶液中分离出来。例如含金的矿石经粉碎和选矿后,放入稀的氰化钠溶液中,并通入空气,单质金因生成配合物而溶解,然后往滤液中加人锌粉,即可得到单质金
2Au+4NaCN+1/2O2+H2O = 2Na[Au(CN)2]+2NaOH
2Na[Au(CN)2]+Zn = 2Au+Na2[Zn(CN)4]
(2)热分解法 某些对热不稳定的金属化合物,可以用热分解法来制取该金属单质。在金属活动性顺序中,位于氢后面的金属的氧化物受热就能分解,例如
2HgO = 2Hg+O2 ↑
2Ag2O = 4Ag+O2 ↑
(3)电解法 电解是实现氧化还原最强有力的手段。活泼金属如钠、钾、镁、钙、铝等常用电解熔盐或氧化物的方法来制取。电解时,在阴极上金属离子得到电子而被还原为金属单质。电解溶解在助熔剂冰晶石(Na3AlF6)中的Al2O3,在阴极上得到单质铝。
2Al2O3 = 4Al+3O2
(4)还原法 普通金属在化合物中一般呈正价,还原的方法有碳还原法、一氧化碳还原法、氢还原法、金属还原法和电解法等。例如,用赤铁矿炼铁的反应就是采用一氧化碳还原法。
Fe2O3+3CO = 2Fe+3CO2
以硫化物形式存在的金属元素,一般先熔烧成氧化物,然后再还原成金属。例如,从闪锌矿ZnS制取锌的反应如下
2ZnS+3O2 = 2ZnO+2SO2
ZnO+C = Zn+CO
金属还原法,就是用活泼金属把不活泼金属从它的化合物中置换出来的方法。例如金属钛可以首先从钛矿石制得氯化钛TiCl4,然后用镁在800~900℃的高温下使其还原而制得。
TiCl4+2Mg = Ti+2MgCl2
钾和铷虽然也可以用电解法制取,但常用强还原性的金属如Na、Ca、Mg、Ba等在高温和低压下还原它们氯化物的方法制取,例如
KCl+Na = NaCl+K ↑
2RbCl+Ca = CaCl2+2Rb ↑
铯可以用镁还原CsAlO2制得
2CsAlO2+Mg = MgAl2O4+2Cs
上面几个反应看起来都是较不活泼的金属把活泼金属从其盐类中置换出来,这似乎与金属的标准电极电势排列的金属活动顺序相矛盾。我们已经知道用标准电极电势作反应方向的判断标准,只能在水溶液的情况下应用,而上述反应都是在高温下进行的,所以不能应用。
另外,钾的沸点低易挥发,钾易熔于熔融KCl中难分离,在电解过程中产生的KO2与K会发生爆炸,所以一般不用熔融盐电解法制取钾,主要用金属置换法等制取。
(5)氧化法 对于以化合态存在的元素,如果它在化合物中呈负价,则用氧化法来制取;否则,则用还原法来制取。例如岩盐中的氯呈负价,可用氧化剂或电解的方法来氧化氯
2Cl- = Cl2+2e-(电解)