Хімічні властивості цинку та його сполук

Цинк є типовим представником групи металевих елементів і володіє всім спектром їх характеристик: металевим блиском, високою електро – і теплопровідністю. Однак хімічні властивості цинку дещо відрізняються від основних реакцій, властивих більшості металів. Елемент при певних умовах може вести себе як металоїд, наприклад, реагувати з лугами. Таке явище називається амфотерностью. У нашій статті ми вивчимо фізичні властивості цинку, а також розглянемо типові реакції, характерні для металу та його сполук.

Положення елемента в періодичній системі і поширення в природі

Метал розташований у побічній підгрупі другої групи періодичної системи. В неї, крім цинку, входять кадмій та ртуть. Цинк належить до d-елементів і знаходиться в четвертому періоді. У хімічних реакціях його атоми завжди віддають електрони останнього енергетичного рівня, тому в таких сполуках елемента, як оксид, середні солі і гідроксид, метал проявляє ступінь окислення +2. Будовою атома пояснюються всі фізико-хімічні властивості цинку та його сполук. Загальний вміст металу в ґрунті складає приблизно 0,01 вагу. %. Він входить до складу мінералів, наприклад, таких як галмей і цинкова обманка. Так як вміст цинку у них невисока, спочатку гірські породи піддаються збагаченню, яке проводиться в шахтних печах. Більшість цинксодержащих мінералів являють собою сульфіди, карбонати і сульфати. Це солі цинку, хімічні властивості яких лежать в основі процесів їх переробки, наприклад, таких як випал.

Одержання металу

Реакція жорсткого окислення карбонату або сульфіду цинку призводить до получениюего оксиду. Процес відбувається в киплячому шарі. Це спеціальний метод, заснований на тісному контакті подрібненого мінералу і струмені гарячого повітря, що рухається з великою швидкістю. Далі оксид цинку ZnO відновлюють коксом і видаляють пари, що утворилися металу зі сфери реакції. Ще один спосіб одержання металу, заснований на хімічних властивостях цинку та його сполук – це електроліз розчину сульфату цинку. Він являє собою окислювально-відновну реакцію, що проходить під дією електричного струму. Метал високої чистоти при цьому осідає на електроді.

Фізична характеристика

Блакитно-сріблястий, при звичайних умовах крихкий метал. В інтервалі температур від 100° до 150° цинк стає гнучким і його можна прокочувати в аркуші. При нагріванні вище 200° метал стає надзвичайно крихким. Під дією кисню повітря шматки цинку покриваються тонким шаром оксиду, а при подальшому окисленні він перетворюється в гідроксокарбонат, який грає роль протектора і перешкоджає подальшому взаємодії металу з киснем повітря. Фізичні і хімічні властивості цинку взаємопов’язані. Розглянемо це на прикладі взаємодії металу з водою і киснем.

Жорстке окислення і реакція з водою

При сильному нагріванні на повітрі цинкові стружки згорають блакитним полум’ям, при цьому утворюється оксид цинку.

2Zn + O₂ → 2ZnO

Він проявляє амфотерні властивості. В парах води, розігрітих до температури червоного розжарювання, метал витісняє водень з молекул Н2О, крім цього, утворюється оксид цинку. Хімічні властивості речовини доводять його здатність взаємодіяти як з кислотами, так і з лугами.

Окисно-відновні реакції за участю цинку

Так як елемент в ряду активності металів стоїть перед воднем, він здатний витісняти його з молекул кислот.

Продукти реакції між цинком і кислотами будуть залежати від двох факторів:

види кислоти
її концентрації

Розбавлена сірчана кислота, яка не проявляє яскраво виражених окисних властивостей, реагує з металом за схемою:

H₂SO₄ + Zn = ZnSO₄ + H₂↑

Таким же чином протікають реакції елемента з фосфорної і розбавленою сірчаною кислотами. Хімічні властивості, реакції цинку з нітратної кислоти мають свої особливості. Розведений розчин азотної кислоти середньої концентрації і цинк взаємодіють між собою з утворенням оксиду азоту (II), води і середньої солі – нітрату цинку. Концентрована нітратна кислота з металом реагують таким чином, що в продуктах можна виявити оксид азоту (IV), середню сіль і воду.

Дуже розбавлений розчин азотної кислоти і цинк в якості відновника взаємодіють між собою з утворенням нітрату цинку, води і декількох можливих продуктів: аміаку, вільного азоту або оксиду азоту (I).

Хімічні властивості цинку

Рівняння реакцій взаємодії металу з розчинами лугів є підтвердженням його амфотерних властивостей. У продуктах виявляються комплексні солі – тетрагидроксоцинкаты і водень.

Zn + 2NaOH + 2H2O = Na2 [Zn(OH)4] + H2

Сплавляючи тверду луг і метал, отримують солі іншого виду – цинкаты. Побічним продуктом такого процесу також буде газоподібний водень.

Zn + 2KOH = K2ZnO2 + H2

Метал активно взаємодіє з галогенами, наприклад, хлором, бромом або йодом, а також з азотом, сіркою і вуглецем. В результаті утворюються середні солі – нітриди, сульфіди або карбіди.

В ряду активності металів цинк розташовується до водню і, отже, є активним металом. Однак він поступається за своїми властивостями лужних і щелочноземельным металів.

Використання цинку в гальванічних елементах

Хімічні властивості цинку лежать в основі принципу дії різних видів гальванічних приладів. Марганцево-цинковий елемент є найбільш поширеним в техніці. Він працює завдяки проходженню окислювально-відновної реакції між металом і діоксидом марганцю. З них виготовляються обидва електрода і поміщаються всередину приладу. Діюча речовина – хлорид амонію – має вигляд пасти, або ж їм просочують пористі пластини, вставлені між катодом і анодом. Повітряно-цинковий елемент представлений негативним цинковим електродом – катодом. Анод – це вугільно – графітовий стрижень, заповнений повітрям. В якості електроліту використовують розчини хлориду амонію або їдкого натрію.

Оксид цинку

Білий пористий порошок, при нагріванні жовтіє і повертає свій первісний колір при охолодженні – це оксид металу. Хімічні властивості оксиду цинку, рівняння реакцій його взаємодії з кислотами і лугами підтверджують амфотерний характер з’єднання. Так, речовина не може реагувати з водою, але взаємодіє як з кислотами, так і з лугами. Продуктами реакцій будуть середні солі (у разі взаємодії з кислотами) або комплексні сполуки – тетрагидроксоцинкаты.

Оксид цинку застосовують у виробництві білої фарби, яку називають цинковими білилами. У дерматології речовина входить до складу мазей, присипок та паст, надають на шкіру протизапальну та підсушуючу дію. Більша ж частина виробленого оксиду цинку застосовується в якості наповнювача для гуми. Продовжуючи вивчати хімічні властивості цинку та його сполук, розглянемо гідроксид Zn(OH)2.

Амфотерний характер гідроксиду цинку

Білий осад, що випадає під дією лугів на розчини солей металу – це підстава цинку. З’єднання швидко розчиняється під дією кислот або лугів. Перший тип реакції закінчується утворенням середніх солей, другий – цинкатов. У твердому вигляді виділені комплексні солі – гидроксоцинкаты. Особливістю гідроксиду цинку є його здатність розчинятися у водному розчині аміаку з утворенням гідроксиду тетраамминцинка і води. Підстава цинку є слабким електролітом, тому як його середні солі, так і цинкаты у водних розчинах піддаються гідролізу, тобто їх іони взаємодіють з водою і утворюють молекули гідроксиду цинку. Розчини таких солей металу, як хлорид або нітрат, будуть мати кислу реакцію внаслідок накопичення надлишку іонів водню.

Характеристика сульфату цинку

Розглянуті нами раніше хімічні властивості цинку, зокрема, його реакції з розбавленою сульфатною кислотою, підтверджують освіту середньої солі сірчанокислого цинку. Це безбарвні кристали, нагріваючи які до 600° і вище, можна отримати оксосульфаты і триокис сірки. При подальшому нагріванні сірчанокислий цинк перетворюється в оксид цинку. Сіль розчиняється у воді і гліцерині. Речовина виділяють з розчину при температурі до 39°C у вигляді кристалогідрату, формула якого ZnSO4 x 7H2O. У цьому виді його називають цинковим купоросом.

В інтервалі температур 39°-70° отримують шестиводную сіль, а вище 70° у складі кристалогідрату залишається тільки одна молекула води. Фізико-хімічні властивості сульфату цинку дозволяють застосовувати його в якості відбілювача при виготовленні паперу, у вигляді мінерального добрива в рослинництві, як підгодівлю в раціоні домашніх тварин і птиці. У текстильній промисловості з’єднання використовують у виробництві віскозної тканини, у фарбуванні ситцю.

Сірчанокислий цинк входить також до складу розчину електроліту, що застосовується в процесі гальванічного покриття шаром цинку залізних або сталевих виробів дифузійним способом або методом гарячого оцинкування. Шар цинку протягом тривалого часу захищає конструкції від корозії. Враховуючи хімічні властивості цинку, потрібно зазначити, що в умовах високої солоності води, значних коливань температури і вологості повітря цинкування не дає бажаного ефекту. Тому в промисловості знайшли широке застосування сплави металу з міддю, магнієм і алюмінієм.

Застосування сплавів, що містять цинк

Для транспортування багатьох хімічних речовин, наприклад, аміаку, по трубопроводах, необхідні особливі вимоги до складу металу, з якого виготовлені труби. Вони виготовляються на основі сплавів заліза з магнієм, алюмінієм і цинком і володіють високою антикорозійною стійкістю до дії агресивного хімічного середовища. Крім цього, цинк покращує механічні властивості сплавів і нівелює шкідливий вплив таких домішок, як нікель і мідь. У процесах промислового електролізу широке застосування набули сплави міді та цинку. Для транспортування продуктів нафтопереробки використовують танкери. Вони побудовані з алюмінієвих сплавів, що містять, крім магнію, хрому і марганцю, велику частку цинку. Матеріали такого складу мають не тільки високими антикорозійними властивостями і підвищеною міцністю, але ще і кріогенної стійкістю.

Роль цинку в організмі людини

Вміст Zn в клітинах складає 0,0003%, тому його відносять до мікроелементів. Хімічні властивості, реакції цинку та його сполук відіграють важливу роль в обміні речовин і підтримці нормального рівня гомеостазу, як на рівні клітини, так і всього організму в цілому. Іони металу входять до складу важливих ферментів та інших біологічно активних речовин. Наприклад, відомо, про серйозний вплив цинку на формування і функції чоловічої статевої системи. Він входить до складу коферменту гормону тестостерону, який відповідає за фертильність насінної рідини і формування вторинних статевих ознак. Небелковая частина ще одного важливого гормону – інсуліну, що виробляється бета-клітинами острівців Лангерганса підшлункової залози, також містить мікроелемент. Імунний статус організму теж безпосередньо пов’язаний з концентрацією в клітинах іонів Zn+2, які знаходяться в гормоні тимуса – тимулине і тимопоэтине. Висока концентрація цинку реєструється в структурах ядра – хромосоми, що містять дезоксирибонуклеиновую кислоту і беруть участь у передачі спадкової інформації клітин.