Цинк является типичным представителем группы металлических элементов и обладает всем спектром их характеристик: металлическим блеском, пластичностью, электро- и теплопроводностью. Однако химические свойства цинка несколько отличаются от основных реакций, присущих большинству металлов. Элемент при определенных условиях может вести себя как неметалл, например, реагировать со щелочами. Такое явление называется амфотерностью. В нашей статье мы изучим физические свойства цинка, а также рассмотрим типичные реакции, характерные для металла и его соединений.

Положение элемента в периодической системе и распространение в природе

Металл располагается в побочной подгруппе второй группы периодической системы. В нее, кроме цинка, входят кадмий и ртуть. Цинк относится к d-элементам и находится в четвертом периоде. В химических реакциях его атомы всегда отдают электроны последнего энергетического уровня, поэтому в таких соединениях элемента, как оксид, средние соли и гидроксид, металл проявляет степень окисления +2. Строением атома объясняются все физико-химические свойства цинка и его соединений. Общее содержание металла в почве составляет примерно 0,01вес. %. Он входит в состав минералов, например, таких как галмей и цинковая обманка. Так как содержание цинка в них невысокое, сначала горные породы подвергаются обогащению, которое проводится в шахтных печах. Большинство цинксодержащих минералов представляют собой сульфиды, карбонаты и сульфаты. Это соли цинка, химические свойства которых лежат в основе процессов их переработки, например, таких как обжиг.

Получение металла

Реакция жесткого окисления карбоната или сульфида цинка приводит к получениюего оксида. Процесс происходит в кипящем слое. Это специальный метод, основанный на тесном контакте мелкоизмельченного минерала и струи горячего воздуха, движущейся с большой скоростью. Далее оксид цинка ZnO восстанавливают коксом и удаляют образовавшиеся пары металла из сферы реакции. Еще один способ получения металла, основанный на химических свойствах цинка и его соединений - это электролиз раствора сульфата цинка. Он представляет собой окислительно-восстановительную реакцию, проходящую под действием электрического тока. Металл высокой чистоты при этом осаждается на электроде.

Физическая характеристика

Голубовато-серебристый, при обычных условиях хрупкий металл. В интервале температур от 100° до 150° цинк становится гибким и его можно прокатывать в листы. При нагревании выше 200° металл становится необычайно хрупким. Под действием кислорода воздуха куски цинка покрываются тонким слоем оксида, а при дальнейшем окислении он превращается в гидроксокарбонат, который играет роль протектора и препятствует дальнейшему взаимодействию металла с кислородом воздуха. Физические и химические свойства цинка взаимосвязаны. Рассмотрим это на примере взаимодействия металла с водой и кислородом.

Жесткое окисление и реакция с водой

При сильном нагревании на воздухе цинковые стружки сгорают голубым пламенем, при этом образуется оксид цинка.

Он проявляет амфотерные свойства. В парах воды, разогретых до температуры красного каления, металл вытесняет водород из молекул Н 2 О, кроме этого, образуется оксид цинка. Химические свойства вещества доказывают его способность взаимодействовать как с кислотами, так и со щелочами.

Окислительно-восстановительные реакции с участием цинка

Так как элемент в ряду активности металлов стоит перед водородом, он способен вытеснять его из молекул кислот.

Продукты реакции между цинком и кислотами будут зависеть от двух факторов:

• вида кислоты
• ее концентрации

Оксид цинка

Белый пористый порошок, желтеющий при нагревании и возвращающий свой первоначальный цвет при охлаждении - это окись металла. Химические свойства оксида цинка, уравнения реакций его взаимодействия с кислотами и щелочами подтверждают амфотерный характер соединения. Так, вещество не может реагировать с водой, но взаимодействует как с кислотами, так и со щелочами. Продуктами реакций будут средние соли (в случае взаимодействия с кислотами) или комплексные соединения - тетрагидроксоцинкаты.

Оксид цинка применяют в производстве белой краски, которую называют цинковыми белилами. В дерматологии вещество входит в состав мазей, присыпок и паст, оказывающих на кожу противовоспалительное и подсушивающее действие. Большая же часть производимого оксида цинка применяется в качестве наполнителя для резины. Продолжая изучать химические свойства цинка и его соединений, рассмотрим гидроксид Zn(OH) 2 .

Амфотерный характер гидроксида цинка

Белый осадок, выпадающий под действием щелочи на растворы солей металла - это основание цинка. Соединение быстро растворяется под действием кислот или щелочей. Первый тип реакции заканчивается образованием средних солей, второй - цинкатов. В твердом виде выделены комплексные соли - гидроксоцинкаты. Особенностью гидроксида цинка является его способность растворяться в водном растворе аммиака с образованием гидроксида тетраамминцинка и воды. Основание цинка является слабым электролитом, поэтому как его средние соли, так и цинкаты в водных растворах поддаются гидролизу, то есть их ионы взаимодействуют с водой и образуют молекулы гидроксида цинка. Растворы таких солей металла, как хлорид или нитрат, будут иметь кислую реакцию вследствие накопления избытка ионов водорода.

Характеристика сульфата цинка

Рассмотренные нами ранее химические свойства цинка, в частности, его реакции с разбавленной сульфатной кислотой, подтверждают образование средней соли - сернокислого цинка. Это бесцветные кристаллы, нагревая которые до 600° и выше, можно получить оксосульфаты и трехокись серы. При дальнейшем нагревании сернокислый цинк преобразуется в оксид цинка. Соль растворима в воде и глицерине. Вещество выделяют из раствора при температуре до 39°C в виде кристаллогидрата, формула которого ZnSO 4 ×7H 2 O. В этом виде его называют цинковым купоросом.

В интервале температур 39°-70° получают шестиводную соль, а выше 70° в составе кристаллогидрата остается только одна молекула воды. Физико-химические свойства сульфата цинка позволяют применять его в качестве отбеливателя при изготовлении бумаги, в виде минерального удобрения в растениеводстве, как подкормку в рационе домашних животных и птицы. В текстильной промышленности соединение используют в производстве вискозной ткани, в окрашивании ситца.

Сернокислый цинк входит также в состав раствора электролита, применяемого в процессе гальванического покрытия слоем цинка железных или стальных изделий диффузным способом или методом горячего оцинкования. Слой цинка в течение длительного времени защищает такие конструкции от коррозии. Учитывая химические свойства цинка, нужно отметить, что в условиях высокой солености воды, значительных колебаний температуры и влажности воздуха оцинкование не дает желаемого эффекта. Поэтому в промышленности нашли широкое применение сплавы металла с медью, магнием и алюминием.

Применение сплавов, содержащих цинк

Для транспортировки многих химических веществ, например, аммиака, по трубопроводам, необходимы особые требования к составу металла, из которого изготовлены трубы. Они изготавливаются на основе сплавов железа с магнием, алюминием и цинком и обладают высокой антикоррозионной устойчивостью к действию агрессивной химической среды. Кроме этого, цинк улучшает механические свойства сплавов и нивелирует вредное влияние таких примесей, как никель и медь. В процессах промышленного электролиза широкое применение получили сплавы меди и цинка. Для транспортировки продуктов нефтепереработки используют танкеры. Они построены из алюминиевых сплавов, содержащих, кроме магния, хрома и марганца, большую долю цинка. Материалы такого состава обладают не только высокими антикоррозионными свойствами и повышенной прочностью, но еще и криогенной стойкостью.

Роль цинка в организме человека

Содержание Zn в клетках составляет 0,0003%, поэтому его относят к микроэлементам. Химические свойства, реакции цинка и его соединений играют важную роль в обмене веществ и поддержании нормального уровня гомеостаза, как на уровне клетки, так и всего организма в целом. Ионы металла входят в состав важных ферментов и других биологически активных веществ. Например, известно, о серьезном влиянии цинка на формирование и функции мужской половой системы. Он входит в состав кофермента гормона тестостерона, отвечающего за фертильность семенной жидкости и формирование вторичных половых признаков. Небелковая часть еще одного важнейшего гормона - инсулина, вырабатываемого бета-клетками островков Лангерганса поджелудочной железы, также содержит микроэлемент. Иммунный статус организма тоже напрямую связан с концентрацией в клетках ионов Zn +2 , которые находятся в гормоне тимуса - тимулине и тимопоэтине. Высокая концентрация цинка регистрируется в структурах ядра - хромосомах, содержащих дезоксирибонуклеиновую кислоту и участвующих в передаче наследственной информации клетки.

В нашей статье мы изучили химические функции цинка и его соединений, а также определили его роль в жизнедеятельности организма человека.

• Обозначение - Zn (Zincum);
• Период - IV;
• Группа - 12 (IIb);
• Атомная масса - 65,39;
• Атомный номер - 30;
• Радиус атома = 138 пм;
• Ковалентный радиус = 125 пм;
• Распределение электронов - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 ;
• t плавления = 419,88°C;
• t кипения = 907°C;
• Электроотрицательность (по Полингу/по Алпреду и Рохову) = 1,65/1,66;
• Степень окисления: +2, 0;
• Плотность (н. у.) = 7,13 г/см 3 ;
• Молярный объем = 9,2 см 3 /моль.

Цинк люди использовали еще до нашей эры в виде его сплава с медью - латуни. Впервые чистый цинк удалось выделить англичанину Уильяму Чемпиону в 18 веке.

В земной коре цинка содержится 8,3·10 -3 % по массе. Много цинка содержится в термальных источниках, из которых происходит осаждение сульфидов цинка, имеющих важное промышленное значение. Цинк играет активную роль в жизни животных и растений, являясь важным биогенным микроэлементом.

Рис. Строение атома цинка .

Электронная конфигурация атома цинка - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 (см. Электронная структура атомов). Предпоследний электронный слой атома цинка полностью заполнен, а на внешнем слое находится два s-электрона, которые и взаимодействуют с другими элементами, поэтому в соединениях цинк проявляется степень окисления +2. (см. Валентность). Цинк обладает высокой химической активностью.

Физические свойства цинка:

• голубовато-белый металл;
• хрупкий при н. у.;
• при нагревании более 100°C хорошо куется и прокатывается;
• обладает хорошей тепло- и электропроводностью.

Химические свойства цинка:

• на воздухе быстро окисляется, покрываясь тонкой пленкой оксида цинка, предохраняющей металл от дальнейшей реакции;
• при нагревании реагирует с кислородом, хлором, серой, образуя оксиды, хлориды, сульфиды соответственно:
  2Zn + O 2 = 2ZnO; Zn + Cl 2 = ZnCl 2 ; Zn + S = ZnS.
• реагирует с разбавленной серной кислотой и растворами кислот неокислителей, вытесняя из них водород:
  Zn + H 2 SO 4(рзб.) = ZnSO 4 + H 2 ; Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2 ;
• реагирует с азотной и концентрированной серной кислотой, восстанавливая азот или серу соответственно:
  Zn + H 2 SO 4(кнц.) = ZnSO 4 + SO 2 + 2H 2 O;
• реагирует при нагревании с растворами щелочей, образуя гидроцинкаты: Zn + 2NaOH + 2H 2 O = Na 2 + H 2 ;
• вытесняет менее активные металлы (см. электрохимический ряд напряжений металлов) из растворов их солей: Zn + CuCl 2 = ZnCl 2 + Cu.

Получение цинка:

• чистый цинк получают электролизом его солей;
• промышленным способом цинк получают из сульфидных руд:
  • на первом этапе получают оксид цинка, подвергая руду окислительному обжигу: 2ZnS + 3O 2 = 2ZnO + 2SO 2 ;
  • на втором этапе оксид цинка восстанавливают углем при высокой температуре: ZnO + C = Zn + CO.

Применение цинка:

• в качестве антикоррозионного покрытия металлических изделий (цинкование);
• для изготовления сплавов, широко применяющихся в машиностроении;
• в АКБ и сухих элементах;
• в лакокрасочной промышленности (изготовление цинковых белил);
• как восстановитель в реакциях органического синтеза.

Сплав цинка с медью - латунь - был известен еще в Древней Греции, Древнем Египте, Индии (VII в.), Китае (XI в.). Долгое время не удавалось выделить чистый цинк. В 1746 А. С. Маргграф разработал способ получения чистого цинка путём прокаливания смеси его оксида с углём без доступа воздуха в глиняных огнеупорных ретортах с последующей конденсацией паров цинка в холодильниках. В промышленном масштабе выплавка цинка началась в XVII в.
Латинское zincum переводится как "белый налет". Происхождение этого слова точно не установлено. Предположительно, оно идет от персидского "ченг", хотя это название относится не к цинку, а вообще к камням. Слово "цинк" встречается в трудах Парацельса и других исследователей 16-17 вв. и восходит, возможно, к древнегерманскому "цинко" - налет, бельмо на глазу. Общеупотребительным название "цинк" стало только в 1920-х гг.

Нахождение в природе, получение:

Наиболее распространенный минерал цинка - сфалерит, или цинковая обманка. Основной компонент минерала - сульфид цинка ZnS, а разнообразные примеси придают этому веществу всевозможные цвета. Видимо, за это минерал и называют обманкой. Цинковую обманку считают первичным минералом, из которого образовались другие минералы элемента № 30: смитсонит ZnCO 3 , цинкит ZnO, каламин 2ZnO·SiO 2 ·Н 2 O. На Алтае нередко можно встретить полосатую "бурундучную" руду - смесь цинковой обманки и бурого шпата. Кусок такой руды издали действительно похож на затаившегося полосатого зверька.
Выделение цинка начинается с концентрирования руды методами седиментации или флотации, затем ее обжигают до образования оксидов: 2ZnS + 3О 2 = 2ZnО + 2SO 2
Оксид цинка перерабатывают электролитическим методом или восстанавливают коксом. В первом случае цинк выщелачивают из сырого оксида разбавленным раствором серной кислоты, примесь кадмия осаждают цинковой пылью и раствор сульфата цинка подвергают электролизу. Металл 99,95%-ной чистоты осаждается на алюминиевых катодах.

Физические свойства:

В чистом виде - довольно пластичный серебристо-белый металл. При комнатной температуре хрупок, при сгибании пластинки слышен треск от трения кристаллитов (обычно сильнее, чем "крик олова"). При 100-150 °C цинк пластичен. Примеси, даже незначительные, резко увеличивают хрупкость цинка. Температура плавления - 692°C, температура кипения - 1180°C

Химические свойства:

Типичный амфотерный металл. Стандартный электродный потенциал -0,76 В, в ряду стандартных потенциалов расположен до железа. На воздухе цинк покрывается тонкой пленкой оксида ZnO. При сильном нагревании сгорает. При нагревании цинк реагирует с галогенами, с фосфором, образуя фосфиды Zn 3 P 2 и ZnP 2 , с серой и ее аналогами, образуя различные халькогениды, ZnS, ZnSe, ZnSe 2 и ZnTe. С водородом, азотом, углеродом, кремнием и бором цинк непосредственно не реагирует. Нитрид Zn 3 N 2 получают реакцией цинка с аммиаком при 550-600°C.
Цинк обычной чистоты активно реагирует с растворами кислот и щелочей, образуя в последнем случае гидроксоцинкаты: Zn + 2NaOH + 2H 2 O = Na 2 + H 2
Очень чистый цинк растворами кислот и щелочей не реагирует.
Для цинка характерны соединения со степенью окисления: +2.

Важнейшие соединения:

Оксид цинка - ZnО, белый, амфотерный, реагирует как с растворами кислот, так и со щелочами:
ZnO + 2NaOH = Na 2 ZnO 2 + Н 2 О (сплавление).
Гидроксид цинка - образуется в виде студенистого белого осадок при добавлении щелочи к водным растворам солей цинка. Амфотерный гидроксид
Соли цинка . Бесцветные кристаллические вещества. В водных растворах ионы цинка Zn 2+ образуют аквакомплексы 2+ и 2+ и подвергаются сильному гидролизу.
Цинкаты образуются при взаимодействии оксида или гидроксида цинка со щелочами. При сплавлении образуются метацинкаты (напр. Na 2 ZnO 2), которые растворяясь в воде переходят в тетрагидроксоцинкаты: Na 2 ZnO 2 + 2Н 2 О = Na 2 . При подкислении растворов в осадок выпадает гидроксид цинка.

Применение:

Производство антикоррозионных покрытий. - Металлический цинк в виде брусков используют для защиты от коррозии стальных изделий, соприкасающихся с морской водой. Примерно половина всего производимого цинка используется для производства оцинкованной стали, одна треть - в горячем цинковании готовых изделий, остальное - для полосы и проволоки.
- Большое практическое значение имеют сплавы цинка - латуни (медь плюс 20-50% цинка). Для литья под давлением, помимо латуней, используется быстро растущее число специальных сплавов цинка.
- Еще одна область применения - производство сухих батарей, хотя в последние годы оно существенно сократилось.
- Теллурид цинка ZnTe используется как материал для фоторезисторов, приемников инфракрасного излучения, дозиметров и счетчиков радиоактивного излучения. - Ацетат цинка Zn(CH 3 COO) 2 его используют как фиксатор при крашении тканей, консервант древесины, противогрибковое средство в медицине, катализатор в органическом синтезе. Ацетат цинка входит в состав зубных цементов, используется при производстве глазурей и фарфора.

Цинк - один из наиболее важных биологически активных элементов и необходим для всех форм жизни. Его роль обусловлена, в основном, тем, что он входит в состав более 40 важных ферментов. Установлена функция цинка в белках, отвечающих за распознавание последовательности оснований в ДНК и, следовательно, регулирующих перенос генетической информации в ходе репликации ДНК. Цинк участвует в углеводном обмене с помощью цинксодержащего гормона - инсулина. Только в присутствии цинка действует витамин А. Необходим цинк и для формирования костей.
В то же время ионы цинка токсичны.

Беспоместных С., Штанова И.
ХФ ТюмГУ, 571 группа.

Источники: Википедия:

Химические свойства

Внешняя электронная конфигурация атома Zn 3d 10 4s 2 . Степень окисления в соединениях +2. Нормальный окислительно-восстановительный потенциал, равный 0,76 в, характеризует Цинк как активный металл и энергичный восстановитель. На воздухе при температуре до 100 °С Цинк быстро тускнеет, покрываясь поверхностной пленкой основных карбонатов. На воздухе цинк покрывается тонкой пленкой оксида ZnO. При сильном нагревании сгорает с образованием амфотерного белого оксида ZnO.

2Zn + O 2 = 2ZnO

Сухие фтор, хлор и бром не взаимодействуют с Цинком на холоду, но в присутствии паров воды металл может воспламениться, образуя, например, ZnCl 2 . Нагретая смесь порошка цинка с серой дает сульфид цинк ZnS. Сульфид цинк выпадает в осадок при действии сероводорода на слабокислые или аммиачные водные растворы солей Zn. Гидрид ZnH 2 получается при взаимодействии LiАlН 4 с Zn(CH 3) 2 и других соединениями цинка; металлоподобное вещество, разлагающееся при нагревании на элементы.

Нитрид Zn 3 N 2 - черный порошок, образуется при нагревании до 600 °С в токе аммиака; на воздухе устойчив до 750 °С, вода его разлагает. Карбид цинка ZnC 2 получен при нагревании цинка в токе ацетилена. Сильные минеральные кислоты энергично растворяют цинк, особенно при нагревании, с образованием соответствующих солей. При взаимодействии с разбавленной НCl и H 2 SO 4 выделяется Н 2 , а с НNО 3 - кроме того, NO, NO 2 , NH 3 . С концентрированной НCl, H 2 SO 4 и HNO 3 Цинк реагирует, выделяя соответственно Н 2 , SO 2 , NO и NO 2 . Растворы и расплавы щелочей окисляют цинк с выделением Н 2 и образованием растворимых в воде цинкитов. Интенсивность действия кислот и щелочей на цинк зависит от наличия в нем примесей. Чистый цинк менее реакционноспособен по отношению к этим реагентам из-за высокого перенапряжения на нем водорода. В воде соли Цинка при нагревании гидролизуются, выделяя белый осадок гидрооксида Zn(OH) 2 . Известны комплексные соединения, содержащие Цинк, например SО 4 и другие.

Оксид цинка реагирует как с растворами кислот:

ZnO + 2HNO 3 = Zn(NO 3) 2 + H 2 O

так и щелочами:

ZnO + 2NaOH (сплавление)= Na 2 ZnO 2 + Н 2 О

Цинк обычной чистоты активно реагирует с растворами кислот:

Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H2

Zn + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2

и растворами щелочей:

Zn + 2NaOH + 2H 2 O = Na 2 + H 2

образуя гидроксоцинкаты. С растворами кислот и щелочей очень чистый цинк не реагирует. Взаимодействие начинается при добавлении нескольких капель раствора сульфата меди CuSO 4 .

При нагревании цинк взаимодействуют с неметаллами (кроме водорода, углерода и азота). Активно реагирует с кислотами:

Zn + H 2 SO 4 (разб.) = ZnSO 4 + H 2

Цинк – единственный элемент группы, который растворяется в водных растворах щелочей с образованием ионов 2– (гидроксоцинкатов):

Zn + 2OH – + 2H 2 O = 2– + H 2

При растворении металлического цинка в растворе аммиака образуется аммиачный комплекс:

Zn + 4NH 3 ·H 2 O = (OH) 2 + 2H 2 O + H 2

Химия...Проверьте правильно ли я рассуждаю... и получил лучший ответ

Ответ от Надежда Лютова[гуру]
Нет, рассуждение совершенно неверное. Представленные уравнения реакций тоже. По легкости отдачи электронов металлы располагаются в ряду активности. Nа, Са, Мg -,более активны, чем Zn.Поэтому, менее активный металл (Zn) не может вытеснить более активный металл из раствора соли. Значит, реакции 2,3,4-не идут.
Реакция 1 возможна, т. к. Сu- менее активный металл, стоящий справа от водорода в ряду активности. Zn, как более активный металл, вытесняет Сu из растворов солей.
Zn +CuSО4=ZnsО4 +Cu.
Запомни пожалуйста: 1)Каждый металл ряда активности вытесняет (восстанавливает) все следующие за ним металлы из растворов их солей.
2)Чем левее стоит в ряду активности металл, тем больше его восстановительная способность.. .

Ответ от Алексей Галушко [гуру]
ответ верный, но совершенно бредовые рассуждения (без обид)
Поленциал Cu/Cu(2+) выше чем Zn/Zn(2+), а у кого больше потенциал, тот и окислитель. Будет такая реакция:
CuSO4 + Zn = ZnSO4 + Cu