"Химия (углублённый уровень)", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Теренин В.И. и др./Под ред. Лунина В.В.
Цинк — металлический элемент Zn с порядковым номером 30, обычно проявляющий степень окисления +2. Он реагирует с кислотами, вытесняет менее активные металлы из растворов солей и способен взаимодействовать со щёлочами. Оксид ZnO и гидроксид Zn(OH)₂ амфотерны: они реагируют и с кислотами, и со щелочами. Эти свойства объясняют применение цинка для защиты железа от коррозии, получения сплавов, батареек и соединений цинка.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Цинк — химический элемент Zn с порядковым номером 30. Он расположен в 4-м периоде, 12-й группе периодической системы и относится к d-элементам. В соединениях цинк обычно имеет степень окисления +2, что отражается в формулах ZnO, Zn(OH)₂ и ZnCl₂.
Амфотерность — способность вещества реагировать и с кислотами, и со щелочами. Для цинка это свойство характерно прежде всего для оксида ZnO и гидроксида Zn(OH)₂. Понятие помогает предсказать, почему эти соединения растворяются в двух разных типах реагентов.
Оксид цинка — соединение ZnO, в котором цинк имеет степень окисления +2. Он образуется при окислении цинка кислородом или при прокаливании некоторых соединений цинка. ZnO проявляет амфотерные свойства, поэтому реагирует как с кислотами, так и со щелочами.
Гидроксид цинка — соединение Zn(OH)₂, амфотерный белый осадок. Он выпадает при смешивании раствора соли цинка со щёлочью, но растворяется в избытке кислоты или щёлочи. Это позволяет использовать Zn(OH)₂ для распознавания ионов цинка.
Электронная конфигурация атома цинка имеет вид [Ar]3d¹⁰4s². При образовании катиона цинк отдаёт два электрона с 4s-подуровня и получает конфигурацию 3d¹⁰ с полностью заполненным d-подуровнем. Поэтому степень окисления +2 значительно устойчивее других возможных вариантов, а соединения Zn(II) преобладают.
Цинк проявляет металлические свойства: его атомы сравнительно легко отдают электроны, а в кристалле образуется металлическая связь. В ряду напряжений цинк расположен левее водорода и многих малоактивных металлов. Поэтому он вытесняет их из растворов солей, например Cu²⁺ восстанавливается до меди в реакции Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu.
С кислородом при нагревании цинк образует оксид: 2Zn + O₂ → 2ZnO. Разбавленные неокисляющие кислоты растворяют цинк с выделением водорода, например Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂. Со щёлочью реакция тоже возможна, потому что цинк проявляет амфотерность: Zn + 2NaOH + 2H₂O → Na₂[Zn(OH)₄] + H₂.
Оксид цинка получают окислением металла или прокаливанием карбоната: ZnCO₃ → ZnO + CO₂. Гидроксид образуется в обменной реакции, если к раствору соли цинка добавить щёлочь: ZnSO₄ + 2NaOH → Zn(OH)₂↓ + Na₂SO₄. Осадок появляется потому, что Zn(OH)₂ плохо растворим в воде, а ионы Zn²⁺ и OH⁻ связываются в малорастворимое вещество.
В кислоте ZnO и Zn(OH)₂ ведут себя как основные соединения: ZnO + 2HCl → ZnCl₂ + H₂O и Zn(OH)₂ + 2HCl → ZnCl₂ + 2H₂O. В избытке щёлочи они проявляют кислотные свойства и образуют растворимый цинкат: ZnO + 2NaOH + H₂O → Na₂[Zn(OH)₄], Zn(OH)₂ + 2NaOH → Na₂[Zn(OH)₄]. Именно растворение осадка в избытке щёлочи доказывает амфотерность.
В таблице сначала определите, какое вещество участвует в реакции, затем обратите внимание на степень окисления цинка и способ получения. В графе «Характерные реакции» приведены уравнения, по которым удобно повторять свойства веществ. Практическое значение связано либо с металлическим цинком, либо с полезными свойствами его соединений.
| Вещество | Формула и степень окисления цинка | Получение | Характерные реакции | Практическое значение |
|---|---|---|---|---|
| Цинк | Zn, 0 | Восстановление соединений цинка | Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂; Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu | Оцинкование, сплавы, батарейки |
| Оксид цинка | ZnO, +2 | 2Zn + O₂ → 2ZnO; ZnCO₃ → ZnO + CO₂ | ZnO + 2HCl → ZnCl₂ + H₂O; ZnO + 2NaOH + H₂O → Na₂[Zn(OH)₄] | Пигменты, медицина, резиновая промышленность |
| Гидроксид цинка | Zn(OH)₂, +2 | ZnSO₄ + 2NaOH → Zn(OH)₂↓ + Na₂SO₄ | Zn(OH)₂ + 2HCl → ZnCl₂ + 2H₂O; Zn(OH)₂ + 2NaOH → Na₂[Zn(OH)₄] | Качественные реакции, получение цинкатов |
| Растворимые цинкаты | Na₂[Zn(OH)₄], Zn +2 | Растворение ZnO или Zn(OH)₂ в избытке щёлочи | Na₂[Zn(OH)₄] → Zn(OH)₂↓ при подкислении или уменьшении избытка щёлочи | Получение соединений цинка, химический анализ |
Составьте уравнения реакций цинка с соляной кислотой, сульфатом меди(II) и избытком раствора гидроксида натрия. В первых двух случаях цинк выступает восстановителем и отдаёт электроны, а в третьем учитывается его амфотерность. Поэтому в щёлочи нужно записать комплексный цинкат, а не обычную соль.
Ответ: эти уравнения показывают восстановительные свойства цинка в кислой и солевой среде, а также его способность растворяться в избытке щёлочи.
Осуществите цепочку Zn → ZnO → Zn(OH)₂ → Na₂[Zn(OH)₄]. Для перехода от оксида к гидроксиду сначала получают растворимую соль цинка, затем осаждают гидроксид щёлочью. В последней реакции осадок растворяется в избытке щёлочи.
Ответ: цепочка основана на последовательном окислении, осаждении амфотерного гидроксида и образовании растворимого комплексного иона.
Через раствор, содержащий 13,0 г цинка, пропустили избыток соляной кислоты. Нужно найти объём водорода при нормальных условиях и массу хлорида цинка. Реакция протекает по уравнению Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂, поэтому количества веществ Zn, H₂ и ZnCl₂ равны.
Ответ: объём водорода составляет примерно 4,46 л, масса хлорида цинка — 27,1 г.
Записывают для цинка несколько устойчивых степеней окисления, перенося на него свойства других переходных металлов. Ошибка возникает из-за невнимания к конфигурации 3d¹⁰, делающей степень +2 основной. Проверьте себя: в обычных школьных соединениях цинка его индекс окисления почти всегда равен +2.
Считают, что металл не может реагировать со щёлочью. Причина ошибки — представление, будто со щелочами реагируют только неметаллы и их оксиды. Проверьте наличие амфотерности: цинк в избытке NaOH образует цинкат и выделяет водород.
Записывают Zn(OH)₂ как растворимое основание или забывают знак осадка. Гидроксид получают из ионов Zn²⁺ и OH⁻, поэтому в обычных условиях он выпадает в виде белого осадка. Проверка проста: при добавлении избытка щёлочи осадок должен раствориться.
Путают реакцию с разбавленной соляной кислотой с реакциями с азотной или концентрированной серной кислотой. Неокисляющая кислота выделяет водород, а окислительные кислоты изменяют направление восстановления и состав продуктов. Перед составлением уравнения определите, обладает ли кислота окислительными свойствами.
Для понимания темы нужны строение атома, степени окисления, ряд напряжений металлов, а также свойства кислот, оснований и солей. Амфотерность цинка помогает изучать амфотерные гидроксиды, качественные реакции на ионы и комплексные соединения. Практические свойства цинка связаны с электрохимией и металлургией: его используют для оцинкования железа, получения сплавов, батареек и соединений цинка.
Почему цинк относят к переходным металлам, если он обычно проявляет только степень окисления +2?
Цинк находится в d-блоке периодической системы, поэтому его относят к переходным элементам в широком смысле. Однако его атом и ион Zn²⁺ имеют полностью заполненный подуровень 3d¹⁰, поэтому устойчивой является почти исключительно степень окисления +2.
Почему цинк реагирует со щёлочью, хотя является металлом?
Цинк и его соединения проявляют амфотерность. В щёлочи цинк окисляется, а продуктом становится растворимый гидроксоцинкат, например Na₂[Zn(OH)₄].
Как отличить гидроксид цинка от других белых осадков?
Zn(OH)₂ — белый осадок, который растворяется и в кислоте, и в избытке щёлочи. Такое двойное растворение является признаком амфотерного гидроксида.
Почему цинк защищает железо от коррозии даже после повреждения покрытия?
Цинк активнее железа и легче отдаёт электроны. Поэтому при повреждении покрытия цинк становится анодом и разрушается первым, сохраняя железо от окисления.
Чем реакции цинка с соляной кислотой отличаются от его реакций с азотной кислотой?
С соляной кислотой цинк обычно выделяет водород: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂. Азотная кислота является окислителем, поэтому водород, как правило, не образуется: выделяются оксиды азота или другие продукты восстановления.
§ 60. Цинк
