Хімічні властивості цинку і його сполук

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

Розташування елемента в періодичній системі та поширення в природі

Метал розташовується в побічній підгрупі другої групи періодичної системи. У неї, крім цинку, входять кадмій і 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 та гідроксид, метал проявляє ступінь окислення + 2. Будовою атома пояснюються всі фізико-хімічні властивості цинку і його сполук. Загальний вміст металу в ґрунті становить приблизно 0,01вес.%. Він входить до складу мінералів, наприклад, таких як галмей і цинкова обманка. Оскільки вміст цинку в них невисокий, спочатку гірські породи піддаються збагаченню, яке проводиться в шахтних печах. Більшість цинксовмісних мінералів - це сульфіди, карбонати і сульфати. Це солі цинку, хімічні властивості яких лежать в основі процесів їх переробки, наприклад, таких як випалювання.

Отримання металу

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

Фізична характеристика

Блакитно-сріблястий, за звичайних умов крихкий метал. В інтервалі температур від 100 ° до 150 ° цинк стає гнучким і його можна прокатувати в листи. При нагріванні вище 200 ° метал стає надзвичайно крихким. Під дією кисню повітря шматки цинку покриваються тонким шаром оксиду, а при подальшому окисленні він перетворюється на гідроксокарбонат, який грає роль протектора і перешкоджає подальшій взаємодії металу з киснем повітря. Фізичні та хімічні властивості цинку взаємопов 'язані. Розгляньмо 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 виявляє амфотерні властивості. У парах води, розігрітих до температури червоного каління, метал витісняє водень з молекул Н2О, крім цього, утворюється оксид цинку. Хімічні властивості речовини доводять його здатність взаємодіяти як з кислотами, так і з лужами.

Окислювально-відновлювальні реакції за участю цинку

Оскільки елемент у ряду активності металів стоїть перед воднем, він здатний витісняти його з молекул кислот.

Продукти реакції між цинком і кислотами залежатимуть від двох факторів:

• виду кислоти
• її концентрації

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

H₂SO₄ + Zn = ZnSO₄ + H₂↑

Таким же чином протікають реакції елемента з фосфорною і розбавленою сірчаною кислотами. Хімічні властивості, реакції цинку з нітратною кислотою мають свої особливості. Розбавлений 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 відновлювача 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 лужів є підтвердженням його амфотерних властивостей. У продуктах виявляються комплексні солі - тетрагідроксоцинкати і водень.

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

Сплавляючи тверду клацання і метал, отримують солі іншого виду - цинкати. 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, сірою та вуглецем. У результаті утворюються середні солі - нітриди, сульфіди або карбіди.

У низці активності металів цинк розташовується до водню і, отже, є активним металом. Однак він поступається за своїми властивостями лужним і лужноземельним металам.

Використання цинку в гальванічних елементах

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

Оксид цинку

Білий пористий порошок, що бажає при нагріванні і повертає свій початковий колір при охолодженні - це окис металу. Хімічні властивості оксиду цинку, рівняння реакцій його взаємодії з кислотами і лужами підтверджують амфотерний характер сполуки. Так, речовина не може реагувати з водою, але взаємодіє як з кислотами, так і з лужами. Продуктами реакцій будуть середні солі (у разі взаємодії з кислотами) або комплексні сполуки - тетрагідроксоцинкати.

Оксид цинку застосовують у виробництві білої фарби, яку називають цинковими білілами. У дерматології речовина входить до складу мазей, присипок і паст, що надають на шкіру протизапальну і підсушуючу дію. Велика ж частина виробленого оксиду цинку застосовується як наповнювач для гуми. Продовжуючи вивчати хімічні властивості цинку і його сполук, розглянемо гідроксид Zn (OH) 2.

Амфотерний характер гідроксиду цинку

Білий осад, що випадає під дією лужі на розчини солей металу - це основа цинку. З 'єднання швидко розчиняється під дією кислот або лужів. Перший тип реакції закінчується утворенням середніх солей, другий - цинкатів. У твердому вигляді виділені комплексні солі - гідроксоцинкати. Особливістю гідроксиду цинку є його здатність розчинятися у водному розчині аміаку з утворенням гідроксиду тетраамінцинку і води. Підстава цинку є слабким електролітом, тому як його середні солі, так і цинкати у водних розчинах піддаються гідролізу, тобто їхні іони взаємодіють з водою і утворюють молекули гідроксиду цинку. Розчини таких солей металу, як хлорид або нітрат, матимуть кислу реакцію внаслідок накопичення надлишку іонів водню.

Характеристика сульфата цинку

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

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

Сірчанокислий цинк входить також до складу розчину електроліту, що застосовується в процесі гальванічного покриття шаром цинку залізних або сталевих виробів дифузним способом або методом гарячого оцинкування. Шар цинку протягом тривалого часу захищає такі конструкції від корозії. Враховуючи хімічні властивості цинку, потрібно відзначити, що в умовах високої солоності води, значних коливань температури і вологості повітря оцинкування 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, трубопроводами, необхідні особливі вимоги до складу металу, з якого виготовлені труби. Вони виготовляються на основі сплавів заліза з магнієм, алюмінієм і цинком і володіють високою ^ розійною 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 отримали сплави міді і 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 володіють не тільки високими почесрозійними властивостями і підвищеною міцністю, але ще й кріогенною стійкістю.

Роль цинку в організмі людини

Вміст Zn у клітинах становить 0,0003%, тому його відносять до мікроелементів. Хімічні властивості, реакції цинку і 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, що відповідає за фертильність насіннєвої рідини і формування вторинних статевих ознак. Небілкова частина ще одного найважливішого гормону - інсуліну, що виробляється бета-клітинами острівців Лангергансу підшлункової залози, також містить мікроелемент. Імунний статус організму теж безпосередньо пов 'язаний з концентрацією в клітинах іонів Zn + 2, які знаходяться в гормоні тимуса - тимуліні і тимопоетині. Висока концентрація цинку реєструється в структурах ядра - хромосомах, що містять дезоксирибонуклеїнову кислоту і беруть участь у передачі спадкової інформації клітини.

У нашій статті ми вивчили хімічні функції цинку та його сполук, а також визначили його роль у життєдіяльності організму людини.