§ 30. Цинк

Определения и обозначения

Цинк — химический элемент с символом Zn и порядковым номером 30. Он находится в 4-м периоде и 12-й группе периодической системы, относится к металлам. Положение элемента помогает предсказать строение его атома и свойства соединений.

Амфотерный гидроксид — гидроксид, способный проявлять свойства и основания, и кислоты. Гидроксид цинка Zn(OH)₂ реагирует с кислотами, образуя соль и воду, а со щёлочами — цинкат. Это понятие помогает понять, почему один и тот же гидроксид вступает в реакции с веществами противоположных свойств.

Цинкат — соль, образующаяся при взаимодействии соединений цинка со щёлочью; в школьных формулах часто используют, например, Na₂ZnO₂. В водном растворе возможно образование комплексного иона [Zn(OH)₄]²⁻. Такие формулы показывают, что продукт реакции со щёлочью зависит от условий и способа записи.

Латунь — сплав меди с цинком. В отличие от чистого металла, сплав представляет собой материал из нескольких элементов и может иметь другие твёрдость, прочность и цвет. Состав сплава позволяет получать материал с подходящими для изделий свойствами.

Как это устроено

Атом цинка имеет 30 электронов; его внешняя электронная оболочка содержит два электрона на подуровне 4s. При химических реакциях цинк обычно отдаёт именно эти электроны и превращается в ион Zn²⁺. Поэтому для его соединений характерна степень окисления +2, а не множество устойчивых степеней окисления.

При обычных условиях цинк — твёрдый металл с металлическим блеском, сравнительно хрупкий при комнатной температуре. Его температура плавления около 420 °C, поэтому он плавится легче железа и меди. На воздухе поверхность постепенно покрывается тонким слоем соединений, который затрудняет дальнейшее воздействие среды и помогает объяснить устойчивость металла при хранении.

При нагревании цинк соединяется с кислородом и образует белый оксид ZnO: 2Zn + O₂ → 2ZnO. Цинк также реагирует с некоторыми неметаллами, например с серой: Zn + S → ZnS. Обычно для заметного протекания таких реакций нужно нагревание, потому что оно помогает частицам преодолеть энергетический барьер.

В разбавленных кислотах цинк вытесняет водород, поскольку активнее водорода в ряду активности металлов. Например, с соляной кислотой идёт реакция Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑, а с разбавленной серной кислотой — Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂↑. Скорость зависит от концентрации кислоты и температуры, но концентрированные окислительные кислоты могут вести себя иначе.

Цинк реагирует со щёлочами с образованием цинкатов и выделением водорода; это свойство связывают с амфотерным характером цинка. В водном растворе реакцию можно записать так: Zn + 2NaOH + 2H₂O → Na₂[Zn(OH)₄] + H₂↑. Со щёлочью реагируют и оксид с гидроксидом цинка, поэтому свойства металла и его соединений следует различать, хотя они связаны.

Цинк получают из руд, например из сульфида ZnS. При обжиге сульфид превращают в оксид: 2ZnS + 3O₂ → 2ZnO + 2SO₂, после чего оксид восстанавливают углеродом при высокой температуре. Восстановление — это присоединение электронов; углерод забирает кислород у оксида, а образующийся цинк отделяют и конденсируют.

Цинк используют для покрытия железа, поскольку он мешает воде и кислороду соприкасаться с поверхностью, а при повреждении покрытия окисляется предпочтительнее железа. Цинк также нужен для производства сплавов, в том числе латуни, которая хорошо поддаётся обработке. Применение определяется сочетанием химической активности цинка, способности защищать железо и свойств его сплавов.

Цинк: строение, свойства и применение

Сначала соотнеси положение элемента и строение атома с характерной степенью окисления. Затем сравни уравнения реакций: по ним видно, какие вещества образуются и при каких условиях идёт реакция. Последняя строка связывает свойства цинка с его практическим применением.

Разбор задач

Задача 1. Запишите уравнение реакции цинка с кислородом и укажите степень окисления цинка в продукте. Оксид кислорода содержит два атома кислорода, а формула оксида цинка — ZnO. После составления формул нужно уравнять число атомов в левой и правой частях.

1. Записываем схему: Zn + O₂ → ZnO.
2. Ставим коэффициент 2 перед ZnO, чтобы уравнять два атома кислорода, и 2 перед Zn: 2Zn + O₂ → 2ZnO.
3. В ZnO кислород имеет степень окисления −2, поэтому цинк имеет степень окисления +2.

Ответ: 2Zn + O₂ → 2ZnO; степень окисления цинка в продукте равна +2.

Задача 2. Запишите уравнения реакций цинка с соляной кислотой и раствором гидроксида натрия. В первом случае ожидаем соль и водород, потому что цинк вытесняет водород из кислоты. Во втором нужно учесть амфотерность цинка и записать образование цинката с водородом.

1. Для реакции с кислотой записываем продукты ZnCl₂ и H₂. Уравниваем: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑.
2. Для водного раствора щёлочи записываем комплексный цинкат натрия Na₂[Zn(OH)₄] и H₂. Уравниваем натрий, кислород и водород: Zn + 2NaOH + 2H₂O → Na₂[Zn(OH)₄] + H₂↑.
3. Проверяем число атомов каждого элемента с обеих сторон уравнений; оно совпадает.

Ответ: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑; Zn + 2NaOH + 2H₂O → Na₂[Zn(OH)₄] + H₂↑.

Задача 3. Какую массу цинка можно получить восстановлением оксида цинка массой 20 г избытком углерода? Уравнение реакции: ZnO + C → Zn + CO. Коэффициенты показывают, что один моль ZnO даёт один моль Zn, поэтому сначала найдём количество оксида, а затем массу металла.

1. Находим молярные массы: M(ZnO) = 65 + 16 = 81 г/моль, M(Zn) = 65 г/моль.
2. Количество вещества оксида: n(ZnO) = m/M = 20/81 ≈ 0,247 моль.
3. По уравнению реакции n(Zn) = n(ZnO), значит m(Zn) = 0,247 · 65 ≈ 16,0 г.

Ответ: можно получить примерно 16 г цинка. Масса меньше исходной массы оксида, потому что кислород из ZnO переходит в CO, а не остаётся в металле.

Типичные ошибки

Ошибка — считать цинк полностью инертным, потому что на воздухе он выглядит устойчивым. Так думают, не учитывая защитный поверхностный слой и необходимость некоторых условий для реакции. Проверь себя: при нагревании цинк реагирует с кислородом и неметаллами, а с разбавленными кислотами выделяет водород.

Ошибка — записывать для цинка только реакции с кислотами и забывать о щёлочах. Часто так происходит потому, что реакции металлов со щёлочами встречаются реже. Проверь себя: цинк и его гидроксид могут реагировать со щёлочами с образованием цинкатов; при записи уравнения отдельно проверь атомы и заряды.

Ошибка — переносить амфотерность гидроксида на металлический цинк без объяснения. Амфотерность прежде всего характеризует оксид и гидроксид, а реакции металла со щёлочью требуют отдельного уравнения. Проверь себя: в уравнении с кислотой у цинка образуются соль и водород, а при обсуждении амфотерности гидроксида указывай именно Zn(OH)₂.

Ошибка — оставлять уравнение реакции несбалансированным, особенно при записи продуктов взаимодействия со щёлочью. Сложные формулы цинкатов легко приводят к тому, что не сходятся водород, кислород или заряд. Проверь себя подсчётом атомов по обе стороны стрелки и, если записаны ионы, проверкой суммарного заряда.

Связь с другими темами

Для понимания свойств цинка понадобятся знания о строении атома, периодической системе и степенях окисления. Уравнения реакций помогают повторить окислительно-восстановительные процессы: в них цинк отдаёт электроны и окисляется. Тема продолжает изучение амфотерных соединений и пригодится при разборе металлургии, коррозии и электрохимической защиты металлов. Эти связи объясняют, почему свойства вещества важны не только для химических уравнений, но и для производства.

Что запомнить

• Символ цинка — Zn, порядковый номер — 30.
• Для цинка характерна степень окисления +2.
• Цинк реагирует с кислородом с образованием оксида цинка.
• Цинк взаимодействует с разбавленными кислотами с выделением водорода.
• Цинк способен реагировать со щёлочами.
• Оксид и гидроксид цинка относятся к амфотерным соединениям.
• Цинковое покрытие защищает железо от коррозии.