Как из металла получить неметалл


Получение и применение неметаллов — урок. Химия, 8–9 класс.

Выбор способа получения вещества зависит от того, в каком виде встречается в природе химический элемент, который образует данное вещество. Это в полной мере относится и к выбору способа получения неметаллических простых веществ.

 

Некоторые неметаллы встречаются в природе в свободном виде. Такие неметаллы, как кислород \(O_2\), азот \(N_2\), инертные газы — \(He\) и др., серу \(S\), алмаз \(C\) и графит \(C\), можно выделить из смесей или очистить от примесей, используя физические методы.

 

Химически активные неметаллы встречаются в природе только в виде соединений. В первую очередь это относится к галогенам: фтору, хлору, брому и иоду.

 

 

Минералы, образованные галогенами, — флюорит \(CaF_2\) (слева) и галит \(NaCl\)

 

Химически менее активные неметаллы в природе встречаются как в самородном виде, так и в составе химических соединений.

Например, серу можно найти как в самородном состоянии, так и в виде соединений — сульфидов и сульфатов.

 

 

Распространение серы природе. Слева направо: самородная сера \(S\), пирит \(FeS_2\) и гипс CaSO4⋅2h3O 

  

Из химических соединений неметаллические простые вещества получают химическими методами в ходе различных химических превращений.

Физические методы получения неметаллов

В качестве сырья для получения ряда неметаллов в промышленности используют воздух.

 

Сначала при пониженной температуре и повышенном давлении воздух сжижают. Затем, используя перегонку (дистилляцию), из жидкого воздуха получают азот N2, кислород O2  и аргон Ar. В ходе перегонки первым испаряется азот (при температуре \(–196\) °C), потом — аргон (при \(–186\) °C) и последним — кислород (при температуре \(–183\) °C).

 

 

Промышленная установка для разделения воздуха методом перегонки

 

Аналогично от нелетучих примесей отделяют встречающуюся в природе самородную серу. Для этого руду нагревают выше \(+450\) °C, и пары кипящей серы \(S\) конденсируют.

Химические методы получения неметаллов

Химические методы получения неметаллов связаны с проведением окислительно-восстановительных реакций, в ходе которых неметаллические химические элементы могут как повышать, так и понижать степень окисления.

 

Напримерхлор \(Cl_2\) в промышленности получают путём электролиза раствора хлорида натрия \(NaCl\). При пропускании постоянного электрического тока через раствор этого вещества протекает химическая реакция:

 

2NaCl−1+2h3O⟶эл. ток2NaOH+h3↑+Cl02↑.

 

Для того чтобы получить кремний \(Si\), в промышленности в электрических печах прокаливают смесь песка  \(SiO_2\) с коксом \(C\). При этом протекает химическая реакция:

 

Si+4O2+2C⟶t°CSi0+2CO↑.

 

Лабораторные способы получения неметаллов также связаны с проведением окислительно-восстановительных реакций. Чаще всего это либо реакции разложения, либо реакции замещения.

 

Например, кислород \(O_2\) в лабораторных условиях можно получить путём разложения  пероксида водорода \(H_2O_2\). Протекает реакция разложения:

 

2h3O2−1⟶катализатор2h3O+O20↑.

 

Водород \(H_2\) в лаборатории можно получить, используя цинк \(Zn\) и соляную кислоту \(HCl\). Протекает реакция замещения:

 

Zn+2H+1Cl→ZnCl2+H02↑.

  

Применение неметаллов

Поскольку свойства неметаллов чрезвычайно разнообразны, эти вещества находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства.

 

Таблица. Применение неметаллов

 

Область применения

Примеры

Промышленность

Такие неметаллы, как сера \(S\), азот \(N_2\), фосфор \(P\) и хлор \(Cl_2\), используются в качестве сырья для получения кислот и другой продукции.

Сера \(S\) используется в качестве сырья в производстве резин.

Сажа \(C\) служит пигментом в производстве лаков и красок, а также пигментом и наполнителем в производстве пластмасс и резин

ТранспортВодород \(H_2\) используется в качестве топлива. Важно, что продукт сгорания этого топлива не загрязняет среду
Сельское хозяйствоСера \(S\) используется как эффективное средство борьбы с вредителями и болезнями растений
Медицина

Кислород \(O_2\) применяют в тех случаях, когда у больного затруднено дыхание.

Активированный уголь \(C\) есть почти в каждой домашней аптечке. Точно так же, как иодная тинктура — спиртовой раствор иода \(I_2\).

Мази, в состав которых входит сера \(S\), используются при лечении кожных заболеваний.

Жидкий азот \(N_2\) используют не только для хранения биологического материала, но и в косметической медицине

Подготовка водыДля дезинфекции воды используют хлор \(Cl_2\) и озон \(O_3\).
Получение высоких температурВ металлургии и металлообработке для того, чтобы, сжигая горючее вещество, создать среду с высокой температурой, используют кислород \(O_2\)
ПиротехникаВ производстве спичек и другой пиротехнической продукции используют серу \(S\), фосфор \(P\) и уголь \(C\)
Пищевая промышленность Для продления срока годности пищевых продуктов и для создания инертной атмосферы в упаковку закачивается азот \(N_2\)

Тенденция от неметалла к металлу в Группе 4

ТЕНДЕНЦИЯ ОТ НЕМЕТАЛЛА К МЕТАЛЛУ В ГРУППЕ 4 ЭЛЕМЕНТОВ

 

На этой странице исследуется тенденция от неметаллического к металлическому поведению элементов группы 4 - углерода (C), кремния (Si), германия (Ge), олова (Sn) и свинца (Pb). Он описывает, как эта тенденция проявляется в структурах и физических свойствах элементов, и, наконец, делает не совсем успешную попытку объяснить эту тенденцию.

 

Структуры и физические свойства

Конструкции элементов

Тенденция от неметалла к металлу по мере того, как вы спускаетесь по Группе, четко прослеживается в структуре самих элементов.

Углерод

, возглавляющий группу компаний, имеет гигантские ковалентные структуры в двух наиболее известных ему аллотропах - алмазе и графите.


Аллотропы: Две или более форм одного и того же элемента в одном физическом состоянии.

Структуры алмаза и графита более подробно исследуются на странице о гигантских ковалентных структурах в другой части этого сайта. Возможно, стоит потратить время, чтобы прочитать эту страницу, прежде чем идти дальше.

Используйте кнопку НАЗАД в браузере, чтобы быстро вернуться на эту страницу.



Алмаз имеет трехмерную структуру, состоящую из атомов углерода, ковалентно связанных с 4 другими атомами. На схеме показана небольшая часть этой структуры.

Точно такая же структура встречается в кремнии и германии и в одном из аллотропов олова - «сером олове» или «альфа-олове».

Обычный аллотроп олова («белое олово» или «бета-олово») является металлическим, и его атомы удерживаются вместе металлическими связями. Структура представляет собой искаженное плотно упакованное устройство. В плотной упаковке каждый атом окружен 12 ближайшими соседями.

К тому времени, когда вы научитесь свинцу, атомы выстраиваются в простую 12-координатную металлическую структуру.


Примечание: Если вы не уверены в металлическом соединении или металлических конструкциях, вам следует перейти по этим ссылкам, прежде чем идти дальше. Первая ссылка фактически приведет вас ко второй, если вы хотите изучить обе эти темы.

Используйте кнопку НАЗАД в браузере, чтобы вернуться на эту страницу.



Таким образом, существует четкая тенденция от типичной ковалентности, обнаруженной в неметаллах, к металлической связи в металлах, с очевидным переходом в двух совершенно разных структурах, обнаруженных в олове.

 

Физические свойства элементов

Точки плавления и кипения

Если вы посмотрите на тенденции в точках плавления и кипения по мере того, как вы спускаетесь вниз по группе 4, очень трудно сделать какие-либо разумные комментарии по поводу перехода от ковалентной связи к металлической. Тенденции отражают растущую слабость ковалентных или металлических связей по мере того, как атомы становятся больше, а связи становятся длиннее.

Низкое значение температуры плавления олова по сравнению со свинцом предположительно связано с тем, что олово образует искаженную 12-координатную структуру, а не чистую.Значения олова в таблице относятся к металлическому белому олову.


Примечание: Данные в этой диаграмме взяты с отличного сайта Webelements Университета Шеффилда. Данные очень сильно различаются в зависимости от того, откуда вы их получили. Я должен признать, что выбрал этот набор, потому что он показывает простые, почти непрерывные модели!


Хрупкость

Если посмотреть на хрупкость элементов, то разница между неметаллом и металлом будет более очевидной.

Углерод, как и алмаз, конечно же, очень твердый, что отражает прочность ковалентных связей. Однако если ударить по нему молотком, он разобьется. Как только вы приложите достаточно энергии, чтобы разорвать существующие углерод-углеродные связи, готово!

Кремний, германий и серое олово (все с той же структурой, что и алмаз) также являются хрупкими твердыми телами.

Однако белое олово и свинец имеют металлическую структуру. Атомы могут катиться друг по другу без какого-либо постоянного разрыва металлических связей, что приводит к типичным металлическим свойствам, таким как пластичность и пластичность.В частности, свинец - довольно мягкий металл.

 

Электропроводность

Углерод как алмаз не проводит электричество. В алмазе все электроны тесно связаны и не могут двигаться.


Примечание: В графите каждый атом отдает один электрон делокализованной системе электронов, которая занимает весь его слой. Эти электроны могут свободно перемещаться, и поэтому графит проводит электричество, но это особый случай.

Если вам интересно, соединение в графите похоже на значительно расширенную версию соединения в бензоле. Каждый атом углерода подвергается гибридизации sp 2 , а затем негибридизованные p-орбитали на каждом атоме углерода перекрываются боком, образуя массивную пи-систему выше и ниже плоскости слоя атомов.



В отличие от алмаза (который не проводит электричество), кремний, германий и серое олово являются полупроводниками .


Semiconductors: Теория полупроводников лежит за пределами химии уровня A, но вкратце. . .

Когда множество атомов объединяются, чтобы образовать гигантскую структуру, их атомные орбитали сливаются, образуя огромное количество молекулярных орбиталей, которые выстраиваются в полосы с возрастающей энергией. Один из них часто описывается как валентная полоса . Молекулярные орбитали в этой зоне удерживают электроны, которые образуют нормальную ковалентную (или металлическую) связь.

Другая полоса называется полосой проводимости . Обычно он имеет более высокую энергию, чем валентная зона, и в чем-то вроде алмаза или кремния при абсолютном нуле зона проводимости пуста от электронов.

Однако, поскольку электроны приобретают тепловую энергию с ростом температуры, некоторые электроны могут перескакивать из валентной зоны в зону проводимости, особенно если зазор между ними невелик. Как только они попадают в зону проводимости, они делокализованы от своих исходных атомов и могут свободно перемещаться и проводить электричество.

В алмазе энергетическая щель между валентной зоной и зоной проводимости слишком велика, чтобы это могло произойти. В кремнии ширина запрещенной зоны достаточно мала, чтобы электроны могли прыгать, и поэтому кремний является полупроводником.

Если вас это интересует, вы можете попробовать поискать в Google по теории зон кремниевых полупроводников (или аналогичной).



Белое олово и свинец являются обычными металлическими проводниками электричества.

Таким образом, существует четкая тенденция от типично неметаллической проводимости углерода в виде алмаза и типично металлического поведения белого олова и свинца.

 

Пытаюсь объяснить тенденции

Основная характеристика металлов - то, что они образуют положительные ионы. Что нам нужно сделать, так это посмотреть на факторы, которые увеличивают вероятность образования положительных ионов при спуске в группу 4.

Электроотрицательность

Электроотрицательность - это мера тенденции атома притягивать связывающую пару электронов.Обычно его измеряют по шкале Полинга, где наиболее электроотрицательному элементу (фтору) присваивается электроотрицательность 4,

.

Чем ниже электроотрицательность атома, тем слабее атом притягивает связывающую пару электронов. Это означает, что этот атом будет иметь тенденцию терять электронную пару по отношению к тому, к чему еще он прикреплен. Следовательно, интересующий нас атом будет иметь частичный положительный заряд или образовывать положительный ион.

Металлическое поведение обычно связано с низкой электроотрицательностью.


Примечание: Если вы не уверены в электроотрицательности, вам действительно следует прочитать об этом, прежде чем идти дальше.

Используйте кнопку НАЗАД в браузере, чтобы быстро вернуться на эту страницу.



Так что же происходит с электроотрицательностью в группе 4? Уменьшается ли он по мере того, как вы спускаетесь по группе, что свидетельствует о тенденции к металлическому поведению?

Хорошо! Он, конечно, падает с углерода на кремний, но оттуда это полный беспорядок!

Таким образом, кажется, что нет никакой связи между тенденцией перехода от неметаллов к металлам и значениями электроотрицательности.Если предположить, что значения электроотрицательности верны, я не могу это понять!


Примечание: Данные в этой диаграмме снова взяты с сайта Webelements Университета Шеффилда. Опять же, данные очень сильно различаются в зависимости от того, откуда вы их получили. Но ни в одном случае, который я обнаружил, нет тенденции к снижению электроотрицательности по мере того, как вы спускаетесь по Группе. Более старые источники данных указывают на снижение выбросов углерода (2.5) на кремний (1.8), но затем присвойте всем остальным элементам в группе то же значение (все 1.8).

Если у кого-то, читающего это, есть простое объяснение отсутствия корреляции между тенденцией к металлическому поведению и значениями электроотрицательности, не могли бы вы связаться со мной по адресу, указанному на странице об этом сайте.



Энергии ионизации

Если вы думаете об образовании положительных ионов, очевидное место для начала поиска - это то, как энергия ионизации изменяется при спуске вниз по группе 4.

Энергия ионизации определяется как энергия, необходимая для выполнения каждого из следующих изменений. Они указаны в кДж / моль -1 .

Энергия первой ионизации:

Вторая энергия ионизации:

. . . и так далее.


Примечание: Если вы не уверены в значениях энергии ионизации, вам будет выгодно пройти по этой ссылке, прежде чем идти дальше.

Используйте кнопку НАЗАД в браузере, чтобы быстро вернуться на эту страницу.



Ни один из элементов группы 4 не образует ионы 1+, поэтому рассмотрение одной только энергии первой ионизации не очень полезно. Однако некоторые элементы образуют ионы 2+ и (в некоторой степени) 4+.

Первая диаграмма показывает, как общая энергия ионизации, необходимая для образования ионов 2+, изменяется по мере продвижения вниз по группе. Все значения указаны в кДж / моль -1 .

Вы можете видеть, что энергии ионизации имеют тенденцию падать по мере того, как вы спускаетесь по группе, хотя у свинца наблюдается небольшое увеличение на .Основная тенденция такова:

  • Атомы становятся больше из-за дополнительных слоев электронов. Чем дальше от ядра находятся внешние электроны, тем меньше они притягиваются и тем легче их удалить.

  • Внешние электроны экранируются от полного воздействия ядра за счет увеличения числа внутренних электронов.

  • Эти два эффекта перевешивают эффект увеличения заряда ядра.

Примечание: Причина странности в свинце обсуждается более подробно на странице о степенях окисления, показанных элементами в группе 4.Это не особенно важно для настоящего обсуждения.


Если вы посмотрите на количество энергии ионизации, необходимое для образования 4+ ионов, картина будет аналогичной, но не совсем четкой. Опять же, все значения указаны в кДж / моль -1 .


Примечание: Увеличение общей энергии ионизации свинца еще более очевидно в случае возможного образования ионов 4+.Это важно, когда речь идет о предпочтительных степенях окисления свинца.


Что такое , глядя на эти две диаграммы, так это то, что вам нужно вложить большое количество энергии ионизации для образования 2+ ионов и огромное количество для образования 4+ ионов.

Однако в каждом случае энергия ионизации падает по мере того, как вы спускаетесь вниз по Группе, что увеличивает вероятность того, что олово и свинец могут образовывать положительные ионы - однако из этих цифр нет никаких указаний на то, что они могут образовывать положительные ионы. образуют положительные ионы.

Энергия ионизации углерода в верхней части Группы настолько велика, что нет возможности образования простых положительных ионов.


Примечание: Даже для олова и свинца необходимо вложить огромное количество энергии для образования ионов 2+ или 4+. Так почему они вообще образуют ионы?

Вы должны помнить, что существует множество других энергетических терминов, участвующих в образовании ионного соединения, помимо энергии ионизации. Некоторые из них выделяют большое количество энергии - например, энтальпию решетки, если вы формируете ионное твердое тело, или энтальпию гидратации, если вы формируете раствор.Вам нужно будет прочитать о циклах Борна-Габера, чтобы полностью понять это, и вы, возможно, захотите изучить раздел энергетики Chemguide или мою книгу расчетов по химии.



 
 

Куда бы вы сейчас хотели пойти?

В меню группы 4. . .

В меню «Неорганическая химия». . .

В главное меню.. .

 

© Джим Кларк 2004 (последнее изменение в марте 2015 г.)

.

Как склеить металл без сварки - сделать его из металла

Вам нужно приклеить металл к металлу, но у вас нет доступа к сварщику? У вас не обязательно останутся без вариантов. Сварка - обычно лучший способ, но может быть несколько альтернатив, которые вам подойдут.

В этом посте я выделю три варианта, а также их плюсы и минусы:

Способы склеивания металла без сварки:

  • Эпоксидный
  • Клепка / болтовое соединение
  • Пайка
  • Или все равно обратитесь к сварщику.

Эпоксидное

Это, наверное, самый популярный вариант для новичков. Это определенно самое простое и дешевое решение, но оно не всегда оправдывает ожидания.

Это может быть хорошим вариантом для неструктурных компонентов. Если вам нужно, чтобы что-то было на месте, и оно не должно удерживать какой-либо реальный вес, тогда это может сработать.

Профи

Глупо-просто. Смешайте две части эпоксидной смолы, затем нанесите их на те части, которые хотите склеить.

Это быстро и удобно. Обычно это довольно приличный способ временного решения проблемы, пока вы не сможете просто купить сварщика.

Минусы

Не принимайте те утверждения о «силе в тридцать тысяч фунтов на квадратный дюйм». Обычно они мало что значат.

Материал очень хрупкий, хотя и может хорошо держаться. Чтобы разбить его на части, не нужно много времени. Стекло тоже крепкое, но и разбивается.

Наконечники для эпоксидной смолы

Во-первых, он не будет правильно прилипать ко всем металлам.Например, полированный алюминий практически невозможно приклеить.

Если вы склеиваете металл эпоксидной смолой, чрезвычайно важно тщательно очистить поверхность металла. Если металл гладкий, вероятно, он не будет хорошо держаться. По крайней мере, потрите его абразивной подушечкой или наждачной бумагой.

Или вы можете протравить металлическую поверхность. Это даст красивую неровную поверхность, в которую эпоксидная смола действительно сможет вгрызаться. Если вы еще этого не сделали, ознакомьтесь с моей статьей о травлении в морской воде.Это глупо просто, и у вас, вероятно, уже есть все необходимое для этого. Это даст эпоксидной смоле большую площадь поверхности, за которую можно держаться.

Простая ошибка №1, которую делают люди при использовании эпоксидной смолы, - это неправильно подготовить поверхности. Убедитесь, что они абсолютно чистые и без масла. В идеале, чтобы получить адгезию, используйте металлический препарат.

Что касается эпоксидной смолы, убедитесь, что вы используете правильный материал. Многие вещи «общего назначения» просто не работают с металлом, несмотря на то, что может сказать лейбл.

Если вы пытаетесь склеить металл, который не нагревается, я рекомендую эту эпоксидную смолу. Для металлов, которые будут подвергаться более высоким температурам, стоит обратить внимание на это.

Клепка или болтовое соединение

Это определенный шаг вперед по сравнению с эпоксидной смолой, если вы можете это сделать. Заклепки или болты не будут ломаться (надеюсь) и выдержат гораздо больше злоупотреблений. Механическое соединение почти всегда будет сильнее, чем просто склеить что-то вместе.

Профи

Это может быть окончательное исправление.На самом деле сделать клепку довольно просто, а инструменты дешевы. Болтовое соединение имеет то преимущество, что оно может быть непостоянным. Вы всегда сможете разобрать его позже.

Минусы

Это не всегда практично. Например, склепать трубы вместе очень просто. Даже если вы сможете это сделать, вам могут не понравиться результаты. А клепать хорошо только листовой металл.

Болтовое соединение может быть немного более универсальным, но вам также придется установить гайку или нарезать резьбу на один из кусков металла.По сути, это просто больше работы.

В любом случае вам нужно просверлить несколько отверстий и выровнять их.

Наконечники для клепки и завинчивания

Клепка с заклепкой - определенно самый простой в использовании вид. Инструменты дешевые, быстрые и легкие. Вот вариант, который я рекомендую.

Болтовое соединение несложно. Просто возьмите то, что вам нужно в хозяйственном магазине, и поговорите с членом команды, если вы в чем-то не уверены. Существует множество типов винтов и болтов для разных применений, так что просто объясните, что у вас за

.

Simple English Wikipedia, бесплатная энциклопедия

Неметалл или неметалл - это химический элемент, не обладающий свойствами металла. Некоторые из них представляют собой газы, включая водород, гелий, кислород, азот, фтор, неон или радон и многие другие. Примером твердого вещества, являющегося неметаллом, является сера. Он желтый и совсем не блестящий. Примером жидкости, являющейся неметаллом, является бром. Оно красное. Неметалл также является хорошим изолятором тепла и холода. Обычно газы или хрупкие твердые вещества не являются металлами.Элементы в таблице Менделеева можно разделить на металлические, полуметаллические и неметаллические.

Металлов в пять раз больше, чем неметаллов. Однако неметаллов много и они важны. Два неметалла - водород и гелий - составляют более 99 процентов наблюдаемой Вселенной, а один - кислород - составляет почти половину земной коры, океанов и атмосферы. Живые организмы также почти полностью состоят из неметаллов, а неметаллы образуют гораздо больше соединений, чем металлы.

.

Смотрите также