Цинк
Цинк — металл и амфотерность
Долгое время цинк было трудно получать в виде металла: он кипит уже при 907 °C и покидает печь в виде пара. В средневековой Индии, в Заваре, цинк получали перегонкой в XII веке; в Европе этот способ освоили лишь в XVIII веке. С 1837 года сталь покрывают цинком — цинкуют. Этот способ защиты стали называют также гальванизацией, в честь Гальвани; на него расходуют около половины всего цинка.
Электронная конфигурация цинка — \(3d^{10}4s^2\). В соединениях цинк имеет единственную устойчивую степень окисления +2. Поскольку его d-оболочка заполнена, ионы цинка бесцветны; свойства его соединений в ряде случаев напоминают свойства соединений магния и алюминия. Как и алюминий, цинк относится к амфотерным металлам: он реагирует не только с кислотами, но и со щелочами. При реакции со щёлочью образуется растворимый гидроксокомплекс цинка.
scienceРеакции цинка и его соединений
- \(\ce{Zn + H2SO4 -> ZnSO4 + H2 ^}\) — при реакции цинка с разбавленной серной кислотой образуются сульфат цинка и водород.
- \(\ce{Zn + 2NaOH + 2H2O -> Na2[Zn(OH)4] + H2 ^}\) — при реакции цинка со щёлочью в воде образуются гидроксокомплекс и водород.
- \(\ce{4Zn + 10HNO3(оч. разб.) -> 4Zn(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O}\) — при реакции цинка с очень разбавленной азотной кислотой одним из продуктов восстановления азота является нитрат аммония.
- \(\ce{ZnSO4 + 2NaOH -> Zn(OH)2 v + Na2SO4}\); \(\ce{Zn(OH)2 + 2NaOH -> Na2[Zn(OH)4]}\) — при добавлении щёлочи сначала выпадает гидроксид цинка, а в избытке щёлочи он растворяется с образованием гидроксокомплекса.
- \(\ce{ZnO + 2NaOH ->[сплавление] Na2ZnO2 + H2O}\) — при сплавлении оксида цинка со щёлочью образуется цинкат натрия.
Таким образом, амфотерность характерна не только для металла: оксид и гидроксид цинка также реагируют и с кислотами, и со щелочами. Поведение цинка в азотной кислоте требует отдельного внимания, поскольку в этой реакции кислота выступает окислителем и водород не выделяется.
boltВосстановление азотной кислоты активным металлом
Состав продуктов восстановления азота зависит от активности металла и разбавления кислоты. При реакции с медью могут образоваться NO или \(\ce{NO2}\); при реакции с цинком и магнием в очень разбавленной кислоте азот может восстановиться до \(\ce{N2O}\), \(\ce{N2}\) и даже \(\ce{NH4+}\). Поэтому, если при реакции цинка с очень разбавленной азотной кислотой газ не выделился, следует проверить, не образовался ли нитрат аммония.
Цинк или алюминий?
Ионы цинка и алюминия бесцветны. Их гидроксиды представляют собой белые осадки, которые растворяются в избытке щёлочи. Поэтому по одной только реакции со щёлочью различить эти ионы нельзя: нужны реакции, в которых они ведут себя по-разному.
Одно из наиболее удобных различий проявляется при добавлении избытка аммиака. Гидроксид цинка растворяется, поскольку образуется аммиачный комплекс цинка; гидроксид алюминия в избытке аммиака не растворяется. Другие способы различения приведены в таблице.
| Реактив или условие опыта | \(\ce{Zn^2+}\) | \(\ce{Al^3+}\) |
|---|---|---|
| При добавлении избытка NaOH. | Осадок растворяется. | Осадок растворяется. |
| При добавлении избытка \(\ce{NH3}\). | Осадок растворяется с образованием \(\ce{[Zn(NH3)4]^2+}\). | Осадок не растворяется. |
| При добавлении \(\ce{Na2S}\) или действии \(\ce{H2S}\) в ацетатном буфере. | Образуется белый осадок ZnS. | Сульфид алюминия не осаждается; при добавлении \(\ce{Na2S}\) образуются \(\ce{Al(OH)3}\) и \(\ce{H2S}\) вследствие совместного гидролиза. |
| При добавлении \(\ce{K4[Fe(CN)6]}\). | Образуется белый осадок. | Осадок не образуется. |
| При прокаливании с \(\ce{Co(NO3)2}\). | Получается зелёная масса — зелень Ринмана. | Получается синяя масса — тенарова синь. |
| При добавлении ализарина в аммиачной среде. | Красный лак не образуется. | Образуется красный лак. |
Осаждение сульфида также позволяет обнаружить цинк: ZnS имеет белый цвет. Однако при сравнении с алюминием важно различать действие двух серосодержащих реактивов. Уравнение совместного гидролиза, приведённое ниже, относится к добавлению \(\ce{Na2S}\), а не к действию \(\ce{H2S}\) в ацетатном буфере.
scienceРеакции для различения цинка и алюминия
- \(\ce{Zn(OH)2 + 4NH3 -> [Zn(NH3)4](OH)2}\) — при действии избытка аммиака гидроксид цинка растворяется с образованием аммиачного комплекса.
- \(\ce{ZnCl2 + Na2S -> ZnS v + 2NaCl}\) — при добавлении сульфида натрия к раствору хлорида цинка выпадает белый сульфид цинка.
- \(\ce{3ZnSO4 + 2K4[Fe(CN)6] -> K2Zn3[Fe(CN)6]2 v + 3K2SO4}\) — при добавлении гексацианоферрата(II) калия к раствору сульфата цинка образуется белый осадок.
- \(\ce{2AlCl3 + 3Na2S + 6H2O -> 2Al(OH)3 v + 3H2S ^ + 6NaCl}\) — при добавлении сульфида натрия к раствору соли алюминия происходит совместный гидролиз: выпадает гидроксид алюминия и выделяется сероводород.
auto_awesomeЦинк в организме и светящихся материалах
В организме человека содержится около 2 г цинка. Цинк входит в активный центр карбоангидразы — фермента, который ускоряет гидратацию \(\ce{CO2}\) в крови в миллион раз. Он также входит в состав цинковых пальцев — белковых доменов, распознающих последовательности ДНК. Сульфид цинка с примесью меди или серебра светится под действием электронов и альфа-частиц. Им покрывали экраны осциллографов и спинтарископ Крукса.
Оксид цинка и его применения
ZnO — белый амфотерный оксид. При нагревании он желтеет из-за дефектов кристаллической решётки, а при охлаждении снова становится белым. Оксид цинка применяют как цинковые белила, в мазях от ожогов и опрелостей и как наполнитель резины. Он служит активатором вулканизации; на это расходуется больше всего ZnO. Кроме того, ZnO используют как полупроводник для варисторов и прозрачных электродов.
Хлорид цинка очень гигроскопичен. Его концентрированный раствор, называемый паяльной кислотой, применяют при пайке для удаления оксидов с поверхности металлов. При этом образуется \(\ce{H[ZnCl2(OH)]}\), способствующий растворению оксидной плёнки.
Цинк в батарейках. В солевых и щелочных элементах цинк служит анодом: \(\ce{Zn + 2OH- - 2e- -> ZnO + H2O}\); катодом служит \(\ce{MnO2}\) (урок 188). В воздушно-цинковых батарейках слуховых аппаратов катодным реагентом является кислород воздуха.
Реакции оксида цинка с кислотой и щёлочью подтверждают его амфотерность. Остальные приведённые ниже реакции показывают, как получают оксид цинка и сульфид цинка и как используют их свойства.
scienceПолучение и реакции оксида цинка
- \(\ce{2Zn + O2 ->[t] 2ZnO}\); \(\ce{ZnCO3 ->[t] ZnO + CO2 ^}\) — оксид цинка образуется при нагревании цинка в кислороде и при разложении карбоната цинка.
- \(\ce{ZnO + 2HCl -> ZnCl2 + H2O}\); \(\ce{ZnO + 2NaOH + H2O -> Na2[Zn(OH)4]}\) — оксид цинка реагирует с кислотой и со щёлочью, проявляя амфотерные свойства.
- \(\ce{ZnO + C ->[t] Zn ^ + CO}\) — при восстановлении оксида цинка углём образуется пар цинка (урок 171).
- \(\ce{Zn + S ->[t] ZnS}\); \(\ce{2ZnS + 3O2 ->[t] 2ZnO + 2SO2}\) — цинк реагирует с серой с образованием сульфида, а при обжиге сфалерита сульфид превращается в оксид; обжиг является первой стадией получения цинка (урок 174).
- \(\ce{ZnO + H2S -> ZnS + H2O}\) — оксид цинка поглощает сероводород из газов; \(\ce{ZnCl2 + 4NH3 -> [Zn(NH3)4]Cl2}\) — хлорид цинка образует с аммиаком бесцветный комплекс.
push_pinГлавное
Электронная конфигурация цинка — \(3d^{10}4s^2\); в соединениях он имеет единственную устойчивую степень окисления +2, а его ионы бесцветны. Стандартный электродный потенциал цинка составляет \(E^\circ = -0{,}76\) В. Цинк растворяется в кислотах и щелочах; с очень разбавленной \(\ce{HNO3}\) азот может восстанавливаться до \(\ce{NH4+}\), а реакция со щёлочью протекает по уравнению \(\ce{Zn + 2NaOH + 2H2O -> Na2[Zn(OH)4] + H2}\). ZnO и \(\ce{Zn(OH)2}\) амфотерны. В отличие от \(\ce{Al(OH)3}\), гидроксид цинка растворяется в избытке аммиака с образованием \(\ce{[Zn(NH3)4]^2+}\). Белый ZnS, который выделяется своим цветом среди многих сульфидов, можно осадить из уксуснокислых растворов; с \(\ce{K4[Fe(CN)6]}\) ионы цинка образуют белый \(\ce{K2Zn3[Fe(CN)6]2}\). При пробе Ринмана с нитратом кобальта ZnO образует зелёную массу, а \(\ce{Al2O3}\) — синюю. Цинкование обеспечивает протекторную защиту стали; цинк также входит в состав карбоангидразы и цинковых пальцев.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.