26.2. Соединения цинка

Определения и обозначения

Оксид цинка ZnO — бинарное соединение цинка с кислородом, в котором цинк имеет степень окисления +2. Это твёрдое вещество, проявляющее амфотерные свойства: оно реагирует с кислотами и концентрированными щелочами. ZnO получают нагреванием гидроксида цинка или карбоната цинка, а реакции оксида помогают получать соли и цинкаты.

Гидроксид цинка Zn(OH)₂ — малорастворимое основание, образующее белый осадок в растворах солей цинка. Его получают действием щёлочи на растворимую соль, например ZnSO₄. Гидроксид нужен как промежуточное вещество для распознавания Zn²⁺, получения ZnO и растворимых комплексных соединений.

Амфотерность — способность вещества проявлять и основные, и кислотные свойства в зависимости от реагента. Поэтому ZnO и Zn(OH)₂ с кислотами ведут себя как основания, а со щёлочами — как кислоты. Такое свойство объясняет, почему осадок гидроксида цинка может сначала образоваться, а затем исчезнуть.

Цинкаты — растворимые соединения цинка, которые образуются при взаимодействии ZnO или Zn(OH)₂ с избытком щёлочи. В растворе цинк входит в состав гидроксокомплекса [Zn(OH)₄]²⁻, например Na₂[Zn(OH)₄]. Понятие позволяет описать растворение амфотерного осадка и переход цинка в раствор.

Как это устроено

Цинк расположен в побочной подгруппе, но в обычных соединениях отдаёт два электрона и образует ион Zn²⁺. Поэтому в оксиде на один атом Zn приходится один атом O, а формула имеет вид ZnO: заряды Zn²⁺ и O²⁻ взаимно компенсируются. В гидроксиде катион Zn²⁺ соединён с двумя гидроксид-ионами, поэтому получается Zn(OH)₂, а в солях сохраняется соотношение, соответствующее заряду +2.

Гидроксид цинка осаждают из раствора соли щёлочью, потому что ионы Zn²⁺ и OH⁻ образуют малорастворимое вещество. Например, молекулярное уравнение имеет вид ZnSO₄ + 2NaOH → Zn(OH)₂↓ + Na₂SO₄, а сокращённое ионное — Zn²⁺ + 2OH⁻ → Zn(OH)₂↓. Белый осадок появляется только при таком соотношении ионов, которое не приводит к его растворению в избытке щёлочи.

Амфотерность ZnO проявляется в двух типах реакций. С кислотой он образует соль и воду: ZnO + 2HCl → ZnCl₂ + H₂O, а со щёлочью при нагревании даёт цинкат: ZnO + 2NaOH + H₂O → Na₂[Zn(OH)₄]. Для Zn(OH)₂ аналогично идут реакции Zn(OH)₂ + 2HCl → ZnCl₂ + 2H₂O и Zn(OH)₂ + 2NaOH → Na₂[Zn(OH)₄].

Количество щёлочи определяет наблюдаемый результат. При ограниченном количестве NaOH в растворе ZnSO₄ появляется осадок Zn(OH)₂, но при добавлении избытка OH⁻ этот осадок превращается в растворимый комплекс [Zn(OH)₄]²⁻. Поэтому суммарное уравнение для избытка щёлочи можно записать так: ZnSO₄ + 4NaOH → Na₂[Zn(OH)₄] + Na₂SO₄.

Реакции солей цинка используют для качественного обнаружения Zn²⁺. К исследуемому раствору добавляют NaOH: белый осадок указывает на образование Zn(OH)₂, а его растворение в избытке щёлочи подтверждает амфотерность иона цинка. Полученный осадок можно отделить и нагреть до ZnO, а оксид растворить в кислоте с образованием исходной или другой соли цинка.

Свойства важнейших соединений цинка

Сначала определяйте исходное вещество и количество реагента: это помогает выбрать нужную строку. Если к соли цинка добавлена щёлочь постепенно, учитывайте две стадии — осаждение и растворение осадка. Уравнения в таблице показывают не только признаки реакций, но и переходы между соединениями.

Разбор задач

Задача 1

Запишите уравнение реакции оксида цинка с соляной кислотой и назовите продукты.

1. ZnO — амфотерный оксид, поэтому с HCl он проявляет основные свойства.
2. Катион Zn²⁺ соединяется с хлорид-ионами, а O²⁻ и два H⁺ образуют воду.
3. Расставляем коэффициент 2 перед HCl, чтобы уравнять водород и хлор: ZnO + 2HCl → ZnCl₂ + H₂O.

Ответ: образуются хлорид цинка ZnCl₂ и вода H₂O.

Задача 2

К раствору ZnSO₄ добавили NaOH сначала до образования осадка, а затем щёлочь в избытке. Опишите наблюдения и запишите уравнения реакций.

1. При первых порциях щёлочи ионы Zn²⁺ связываются с OH⁻: ZnSO₄ + 2NaOH → Zn(OH)₂↓ + Na₂SO₄. Наблюдается белый осадок.
2. В избытке NaOH осадок реагирует с дополнительными гидроксид-ионами: Zn(OH)₂ + 2NaOH → Na₂[Zn(OH)₄].
3. Осадок исчезает, потому что образовавшийся цинкат растворим.

Ответ: раствор сначала мутнеет, затем при избытке щёлочи снова становится прозрачным; образуются Zn(OH)₂ и растворимый цинкат.

Задача 3

Из раствора ZnCl₂ нужно получить ZnO. Составьте последовательность реакций и укажите условия превращений.

1. Добавляем к раствору ZnCl₂ ограниченное количество NaOH, чтобы осадок не растворился: ZnCl₂ + 2NaOH → Zn(OH)₂↓ + 2NaCl.
2. Отделяем белый осадок и нагреваем его. При прокаливании происходит разложение: Zn(OH)₂ → ZnO + H₂O.
3. Избыток щёлочи на первой стадии не используют, иначе гидроксид перейдёт в растворимый цинкат.

Ответ: ZnCl₂ превращают в Zn(OH)₂ осаждением, затем осадок нагревают и получают ZnO.

Типичные ошибки

Считают Zn(OH)₂ только основанием. Ошибка возникает, если рассматривать лишь его реакцию с кислотами. Проверьте себя: амфотерный гидроксид должен реагировать также с избытком щёлочи.

Полагают, что осадок не растворяется в избытке щёлочи. Обычно запоминают только момент его образования и не учитывают комплексообразование. Если после добавления NaOH осадок исчезает, образовался растворимый цинкат.

Записывают только образование осадка. При смешивании соли цинка со щёлочью результат зависит от количества OH⁻: сначала возникает Zn(OH)₂, а затем в избытке реагента — [Zn(OH)₄]²⁻. Уточняйте условие реакции и избыток вещества.

Путают соединения цинка с типичными основными оксидами и основаниями. ZnO и Zn(OH)₂ амфотерны, поэтому их нельзя описывать только реакциями с кислотами. Проверка проста: найдите уравнение взаимодействия со щёлочью.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны степени окисления, состав и названия оксидов, оснований и солей, а также навыки составления уравнений. Заряд Zn²⁺ помогает правильно выводить формулы ZnO, Zn(OH)₂ и солей.

При осаждении важны электролитическая диссоциация, ионные уравнения и условия протекания реакций обмена в растворах. Сокращённое уравнение Zn²⁺ + 2OH⁻ → Zn(OH)₂↓ показывает сущность процесса.

Амфотерные соединения цинка связывают тему с химическими свойствами алюминия и его соединений. Растворение осадка в избытке щёлочи подводит к изучению комплексных соединений.

Что запомнить

• В соединениях цинк обычно имеет степень окисления +2.
• ZnO и Zn(OH)₂ проявляют амфотерные свойства.
• При добавлении щёлочи к раствору соли цинка образуется осадок Zn(OH)₂.
• В избытке щёлочи Zn(OH)₂ растворяется с образованием растворимого комплексного соединения.
• При нагревании Zn(OH)₂ разлагается до ZnO и воды.
• Свойства соединений цинка позволяют проводить превращения между оксидом, гидроксидом и солями.