Химия Инфо

Цинк и его соединения

Цинк используют в сплавах и для защиты стали от коррозии. В химических задачах он интересен сочетанием двух свойств: металлический цинк является восстановителем, а его оксид и гидроксид проявляют амфотерность. Эти свойства нельзя смешивать: растворение Zn и растворение Zn(OH)2 в щёлочи имеют разные уравнения и разные признаки.

Элемент и простое вещество

Цинк, Zn, имеет порядковый номер 30 и расположен в четвёртом периоде, группе 12. Конфигурация атома — [Ar]3d104s2. При образовании Zn2+ атом отдаёт два электрона внешнего уровня. В обычных школьных соединениях степень окисления цинка равна +2.

Простое вещество представляет собой серебристо-белый металл с голубоватым оттенком. На воздухе его поверхность тускнеет. Цинк входит в состав латуни вместе с медью; латунь является сплавом, а не веществом с постоянной формулой CuZn.

Металлический цинк и его соединения имеют разные свойства. В Zn металл имеет степень окисления 0, а в ZnO, ZnCl2 и Zn(OH)2 — +2.

Реакции металла

Цинк находится в ряду активности до железа, меди и водорода. С разбавленной соляной кислотой без дополнительных окислителей он образует хлорид цинка и водород:

Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2↑.

При взаимодействии с раствором сульфата меди(II) цинк восстанавливает медь:

Zn + CuSO4 → ZnSO4 + Cu.

В достаточно щелочном водном растворе цинк также окисляется до +2, а образующийся ион удерживается в растворе в виде гидроксокомплекса. Школьная запись с тетрагидроксоцинкатом:

Zn + 2NaOH + 2H2O → Na2[Zn(OH)4] + H2↑.

Здесь вода участвует в восстановлении с выделением водорода; натрий остаётся в степени окисления +1. Нельзя описывать эту реакцию как вытеснение металлического натрия цинком. Скорость зависит от состояния поверхности, концентрации раствора и температуры.

Оксид и гидроксид цинка

ZnO — малорастворимый оксид, Zn(OH)2 — малорастворимый гидроксид. Их амфотерность проявляется в реакциях и с кислотами, и с достаточно сильными щелочами. Например:

ZnO + 2HCl → ZnCl2 + H2O.

Zn(OH)2 + 2HCl → ZnCl2 + 2H2O.

При добавлении подходящего количества щёлочи к раствору соли цинка образуется белый осадок:

Zn2+ + 2OH− → Zn(OH)2↓.

В избытке концентрированного раствора щёлочи осадок растворяется; удобно использовать следующую модель комплексообразования:

Zn(OH)2 + 2OH− → [Zn(OH)4]2−.

Для оксида в водной щёлочи соответствующее уравнение содержит воду:

ZnO + 2NaOH + H2O → Na2[Zn(OH)4].

В реакции гидроксида цинка со щёлочью водород не выделяется. Цинк остаётся в степени окисления +2; образуется растворимый комплекс, а не металлический цинк.

Для сплавления ZnO с NaOH используют другую суммарную запись, с безводным цинкатом:

ZnO + 2NaOH → Na2ZnO2 + H2O.

Формулы Na2ZnO2 и Na2[Zn(OH)4] относятся к разным способам описания продуктов в разных условиях. Переносить безводную формулу в уравнение водного раствора без пояснения не следует.

Получение и применение

Важная руда цинка — сфалерит, содержащий ZnS. Один из промышленных путей включает окислительный обжиг с получением оксида, а затем его восстановление при высокой температуре. Суммарные схемы отдельных стадий:

2ZnS + 3O2 → 2ZnO + 2SO2.

ZnO + C → Zn + CO.

При температуре восстановления цинк может переходить в пар, который затем конденсируют. Другой промышленный путь использует электролиз растворов соединений цинка. Выбор технологии связан с составом сырья и очисткой продукта.

Оцинкованная сталь защищена не только барьером покрытия: при контакте с электролитом цинк может окисляться вместо железа. Такая защита действует, пока сохраняются необходимые электрический контакт и запас цинка. Это объясняет, почему более активный металл применяют для защиты менее активного.

Три разобранных примера

1. Как найти заряд комплексного иона?

В [Zn(OH)4] цинк имеет +2, каждая из четырёх групп OH — заряд −1. Суммарный заряд равен:

q = (+2) + 4 · (−1) = −2.

Поэтому формула натриевой соли — Na2[Zn(OH)4]: два Na+ компенсируют заряд комплексного аниона.

2. Сколько щёлочи требуется на две стадии?

Для 0,10 моль Zn2+ школьная стехиометрическая модель предусматривает 0,20 моль OH− на образование Zn(OH)2 и ещё 0,20 моль на его превращение в тетрагидроксокомплекс:

n(OH−)сумм. = 0,20 + 0,20 = 0,40 моль.

Это баланс частиц, а не точная экспериментальная граница исчезновения осадка: реальное состояние зависит от равновесий и концентраций.

3. Как рассчитать выделившийся водород?

Пусть 6,5 г чистого Zn полностью прореагировали с избытком разбавленной HCl. В расчётах этой статьи принимаем M(Zn) ≈ 65 г/моль:

n(Zn) = 6,5 / 65 = 0,10 моль; n(H2) = 0,10 моль.

Отношение 1 : 1 следует из уравнения реакции. Если цинк содержит инертную примесь, сначала нужно найти массу чистого металла.

Частые ошибки

  • Считать Zn(OH)2 растворимой щёлочью, поскольку в формуле есть OH.
  • Не учитывать избыток реагента: небольшой и большой избыток щёлочи могут приводить к разному состоянию системы.
  • Ожидать водород при растворении ZnO или Zn(OH)2 в кислоте.
  • Смешивать защиту цинком с утверждением, будто цинк химически менее активен, чем железо.

Пять заданий

  1. Составьте формулы нитрата и фосфата цинка.
  2. Какая масса меди теоретически выделится при полном взаимодействии 6,5 г Zn с избытком CuSO4? Примите M(Cu) ≈ 64 г/моль.
  3. Запишите реакцию Zn(OH)2 с NaOH в водном растворе при избытке щёлочи.
  4. При нагревании Zn(OH)2 разлагается на оксид и воду. Какую массу ZnO можно получить из 9,9 г гидроксида?
  5. Почему при реакции металлического Zn со щёлочью образуется H2, а при растворении Zn(OH)2 — нет?

Ответы с объяснениями

  1. Zn(NO3)2 и Zn3(PO4)2. Во второй формуле три Zn2+ и два PO43− дают нулевой суммарный заряд.
  2. 0,10 моль Zn соответствует 0,10 моль Cu:

    m(Cu) = 0,10 · 64 = 6,4 г.

  3. Степень окисления цинка не изменяется:

    Zn(OH)2 + 2NaOH → Na2[Zn(OH)4].

  4. Молярные массы гидроксида и оксида равны приблизительно 99 и 81 г/моль:

    Zn(OH)2 → ZnO + H2O.

    m(ZnO) = (9,9 / 99) · 81 = 8,1 г.

  5. В первом случае Zn(0) отдаёт электроны, и водород воды восстанавливается. Во втором Zn(+II) сохраняет своё состояние, поэтому такого источника электронов нет.

Связанные темы и источники

Сравните цинк с алюминием, повторите амфотерные оксиды и гидроксиды и прочитайте о защите от коррозии.

Для проверки фактов: Royal Society of Chemistry: цинк; МГУ: свойства оксидов и гидроксидов.