Цинк: Часть 1

Видео

Конспект

Лекция 27: "Цинк"

Рассмотрим химию цинка Zn . Он находится в 4 периоде IIB группе (короткопериодный вариант) или 12 группе (длиннопериодный вариант) периодической таблицы химических элементов Д.И. Менделеева. Цинк последний из блока d-элементов четвертого периода, после него в этом периоде начинается блок р-элементов. Электронная конфигурация атома цинка 1s^2\ 2s^2\ 2p^6\ 3s^2\ 3p^6\ 3d^{10}\ 4s^2 (последовательность, соответствующая изменению энергии электрона). Внешние и валентные электроны в этом случае – совпадают, это 4s^2 . Надо обратить внимание, что, в отличие от рассмотренных ранее d-металлов, у цинка предвнешние 3d электроны уже не являются валентными. Отличие цинка, который находится в побочной группе короткпериодного варианта ПТ, от элементов главных подгрупп заключается в том, что у него заполнен предвнешний d-подуровень. У элементов главных подгрупп предвнешний d-подуровень или отсутствует (не существует на 2 уровне) или не заполнен электронами (начиная с элементов 4 периода). Несмотря на то, что 3d-электроны не являются у цинка валентными, они оказывают влияние на химические свойства. По сравнению с элементами IIA (2) группы ПТ, в соединениях цинка связь образуется менее ионная, с большей долей ковалентной составляющей.

Для цинка встречаются степени окисления 0 и +2 , минимальное разнообразие и это приводит к меньшему разнообразию образуемых цинком соединений. Однако у цинка можно отметить заметные отличия в химических свойствах от многих металлов.

Цинк в ряду напряжений находится значительно левее водорода. Благодаря этому цинк растворяется в кислотах-неокислителях с выделением водорода:

Zn + 2HCl = ZnCl_2 + H_2 Цинк, так же, как и алюминий, растворяется в растворах щелочей:

Zn + 2NaOH + 2H_2O = Na_2[Zn(OH)_4] + H_2 Это химическое свойство можно использовать для проведения окислительно-восстановительных реакций в водных растворах – выделяющийся водород служит хорошим восстановителем и способен восстановить нитрат-ион, нитрит-ион до аммиака в щелочном растворе, нитросоединения до аминов и т.д. Это свойство удобно использовать для разделения смеси металлов, например, железо не растворяется в щелочи, а цинк будет растворяться.

Это не последнее интересное свойство цинка и отличие от многих металлов. Цинк растворяется в водном растворе аммиака за счет образования аммиачного комплекса.

Zn + 4NH_3\cdotH_2O = [Zn(NH_3)_4](OH)_2 + H_2 + 2H_2O Из приведенных выше реакций можно видеть, что для цинка возможно существование в катионной форме Zn^{2+} и в анионной [Zn(OH)_4]^{2-} ; из данного факта мы можем сделать вывод о том, что гидроксид цинка является амфотерным гидроксидом. Оксид цинка – амфотерный оксид.

Zn(OH)_2 + H_2SO_4 = ZnSO_4 + 2H_2O Zn(OH)_2 + 2KOH = K_2[Zn(OH)_4] Гидроксид цинка будет растворяться в кислотах с образованием солей катиона цинка, а также возможно растворение в сильных основаниях с образованием гидроксокомплексов.

При нагревании гидроксид цинка претерпевает термическое разложение с отщеплением воды и образованием оксида.

Zn(OH)_2 \xrightarrow{t} ZnO + H_2O Гидроксид цинка получить из водного раствора можно добавлением контролируемого количества сильного основания. В отличие от ранее рассмотренных случаев, нельзя использовать произвольное количество сильного основания, т.к. если его будет избыток, то образуется гидроксокомплекс цинка. Нельзя осаждать гидроксид цинка водным раствором аммиака, т.к. гидроксид не образуется, а в растворе будет аммиачный комплекс. Добавление карбоната натрия для получения гидроксида цинка (как в случае с солями трехвалентного железа или трехвалентного хрома) также не позволит получить гидроксид из-за образования осадка карбоната цинка.

ZnCl_2 + Na_2CO_3 = ZnCO_3\downarrow + 2NaCl ZnCl_2 + 6NH_3\cdotH_2O = [Zn(NH_3)_4](OH)_2 + 2NH_4Cl + 4H_2O ZnCl_2 + 2NaOH(стехиом) = Zn(OH)_2\downarrow + 2NaCl ZnCl_2 + 4NaOH(изб) = Na_2[Zn(OH)_4] + 2NaCl Цинк в ряду напряжений находится левее водорода и близок к наиболее активным металлам. Поэтому цинк часто используют как восстановитель.

Zn + 2Ag(NO_3)_2 = 2Ag + Zn(NO_3)_2 Покрытия из цинка используют для защиты менее активных металлов от коррозии. Вы, конечно, видели – вёдра из оцинкованного железа, листы из оцинкованного железа, кузова автомобилей. Пока есть контакт цинк – железо, то железо окисляться не будет, будет медленно, но происходить окисление цинка. Цинк помогает нам уберечь многие изделия из металлов от коррозии.

Сульфид цинка – это плохорастворимое соединение белого цвета, однако растворимость этой соли не настолько низкая, как у многих сульфидов переходных металлов. Это приводит к тому, что осадить сульфид цинка сероводородом нельзя из водных растворов, для этого требуется более высокая концентрация сульфид-ионов – как осадитель подходят растворы сульфидов или гидросульфидов щелочных металлов и аммония.

ZnCl_2 + (NH_4)_2S = ZnS + 2NH_4Cl Растворить сульфид цинка достаточно просто. Он прекрасно растворяется в кислотах-неокислителях в отличие от очень плохорастворимых сульфидов меди, сульфидов серебра, для которых были нужны концентрированные растворы кислот-окислителей, чтобы в ходе реакции окислить сульфид-ион до сульфат-аниона, или окислительный обжиг.

ZnS + H_2SO_4\ (разб) = ZnSO_4 + H_2S Оксид цинка достаточно легко можно получить из разных соединений и его можно использовать для получения металлического цинка восстановлением углеродом при нагревании. В результате реакции получается серебристый металл.

ZnO + C \xrightarrow{t} Zn + CO