Какие свойства проявляет цинк взаимодействуя с кислотой
Цинк — элемент периодической системы 2 подгруппы 4 периода с атомным номером 30 и атомным весом 65,39.
Хрупкий переходный метал цинк.
- Прямое влияние на химические свойства цинка оказывает его отношение к блоку d-элементов. Данная группа образует химические связи только внешними электронами d-орбитали. Поэтому элемент имеет характерную степень окисления +2 и схожесть со свойствами магния.
- Гексагональная решетка цинка была описана еще в Швейцарии в XVI веке и упоминалась как «кристалловидные иглы». Металл переходного типа в своих разновидностях имеет множество изотопов. Самый стабильный из радиоактивных – 65 zn с периодом полураспада в 245 суток.
- Металлический цинк в обычных условиях — это хрупкое вещество. Его плотность составляет 7,13 г/см³. На свету присущий всем металлам блеск отливает голубовато-серым цветом. Температура плавления начинается от 46 °C, а температура кипения — от 906 °C. Проявляя амфотерные свойства, элемент уступает по активности только щелочноземельным металлам. Окислительно-восстановительный потенциал равен 0,76 B.
Цинк является коррозиестойким металлом. В интервале водородного показателя кислотности pH 9–11 наблюдается максимальная устойчивость. В атмосферных условиях коррозия не протекает из-за появления на поверхности защитной пленки — оксида цинка. Коррозия будет проходить с применением водородной или кислородной деполяризации.
Роль в металлургии
Гидро- и пирометаллургический процессы — наиболее распространенные способы производства металлического цинка из руды. В своих свойствах ничем не уступает хрому в качестве антикоррозионного покрытия. Половина всего производимого цинка затрачивается именно для нанесения защитного слоя для железа и стали.
Антикоррозийное применение цинка.
За счет низкой температуры плавления цинка и его сплавов с другими металлами появляется проблема чувствительности к перегреву. Поэтому чрезмерный перегрев в производстве вызывает нарушение процесса с последующим окислением сплава. Наиболее распространенными считаются сплавы с медью (латунь), а также со свинцом. Их повсеместно используют в технике, щелочных аккумуляторах, гальванических элементах и сплавах с другими благородными металлами.
Характеристика свойств элемента меняется под влиянием примесей. К примеру: тройная эвтектика сплава свинца и цинка с примесью олова плавится гораздо легче самого цинка и разрушается под горячим давлением. Добавление в состав цинка всего 0,2% железа в несколько раз повышает его хрупкость. Труднорастворимые в элементе висмут и мышьяк вообще отрицательно сказываются на технологических характеристиках получаемого вещества.
В промышленности восстанавливающие свойства элемента имеют важную функцию. Он принимает участие в осаждении золота из растворов, в производстве гидросульфита, добыче из руды меди и кадмия.
Реакции с элементами
- Важной целью цинковых взаимодействий с неметаллами является получение бинарных неорганических соединений. Нагретая смесь цинка и серы дает в результате сульфид (ZnS). Это соединение внешне выглядит как бесцветные кристаллы. Сульфид применяют в лазерной промышленности в качестве полупроводникового материала.
- Прохождение паров фосфора через цинковые пластины образует ядовитое для живых организмов вещество — фосфид цинка Zn3P2. Фосфид хорошо вступает в реакцию с кислотами. В связи с этим его применяют в борьбе против хозяйственных вредителей, отравляя кислотную среду в желудке грызунов.
- При нагревании вплоть до 600 °С реакцию цинка в токе аммиака производит нитрид Zn3N2. Данное соединение является тугоплавким и часто используется в огнеупорных материалах на воздухе. Однако крайне неустойчиво к воде, которая его быстро разлагает. Существует ряд элементов, в реакцию с которыми цинк вступает только в присутствии паров воды: бром, фтор, хлор. Не взаимодействует в принципе с водородом, азотом, углеродом, кремнием и бором.
Химические реакции с цинком.
Взаимодействие с кислотами
Хорошая реакция цинка с большинством кислот обусловлена его положением по отношению к водороду в электрохимическом ряду активности металлов. Так образуется множество важных цинковых солей. Эти соли преимущественно бесцветные, представляют гигроскопичные кристаллы, растворы которых вследствие гидролиза имеют кислотную среду. В случае с солями других металлов он будет также вытеснять их из раствора, если они стоят в ряду напряжения правее от элемента.
При взаимодействии с кислотами образуются соли цинка.
В растворе элемента с серной кислотой при температуре ниже 38 °C образуется цинковый купорос, научное название которого сульфат ZnSO4. Его используют в производстве вискозы, некоторых отраслях металлургии, в медицине как обеззараживающее средство. Хлорид ZnCl2 получают из раствора соляной кислоты с цинком. Его используют в производстве батареек, антисептической пропитке дерева и бумажной фибры.
Производные соединения
- Цинк и его амфотерные свойства передаются гидроксидам цинка Zn (OH)2. Этим веществам присуще химическое поведение кислот и оснований одновременно. Получить гидроксид в виде белого осадка можно действием щелочи на сульфат. В естественном состоянии гидроксид — это кристалловидное вещество, разлагающееся при температуре свыше 130 °C. Применяется для синтеза солей цинка.
- Эффектным можно назвать старый способ добычи оксида ZnO, именуемый ранее как «французский процесс». В присутствии сильно нагретого воздуха вокруг пластины элемента начнут выделяться пары цинка, которые затем воспламеняются голубоватым светом, образуя оксид. На крупном производстве его добывают из природного минерала цинкита. Кроме того, для производства оксида широко применяют термическое разложение более сложных соединений, как, например, гидроксида.
- Бесцветный белый порошок оксида, не растворяющийся в воде, выражает свою химическую двойственность. При сплавлении оксида цинка со щелочами получают цинкаты. При сплавлении с оксидами — силикаты. Собственная теплопроводность позволяет ему быть полупроводником, ширина запрещенной зоны которого равна 3,36 эВ. Оксид имеет широкий спектр применения в химической промышленности, став наполнителем многих пластмасс. В электронике без него не обходится ни одна лучевая трубка телевизора. Он также входит в состав большинства дерматологических мазей.
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.
2Zn + O₂ → 2ZnO
Он проявляет амфотерные свойства. В парах воды, разогретых до температуры красного каления, металл вытесняет водород из молекул Н2О, 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
Разбавленная серная кислота, которая не проявляет ярко выраженных окислительных свойств, реагирует с металлом по схеме:
H₂SO₄ + Zn = ZnSO₄ + H₂↑
Таким же образом протекают реакции элемента с фосфорной и разбавленной серной кислотами. Химические свойства, реакции цинка с нитратной кислотой имеют свои особенности. Разбавленный раствор азотной кислоты средней концентрации и цинк взаимодействуют между собой с образованием оксида азота (II), воды и средней соли – нитрата цинка. Концентрированная нитратная кислота с металлом реагируют таким образом, что в продуктах можно обнаружить оксид азота (IV), среднюю соль и воду.
Очень разбавленный раствор азотной кислоты и цинк в качестве восстановителя взаимодействуют между собой с образованием нитрата цинка, воды и нескольких возможных продуктов: аммиака, свободного азота или оксида азота (I).
Химические свойства цинка
Уравнения реакций взаимодействия металла с растворами щелочей являются подтверждением его амфотерных свойств. В продуктах обнаруживаются комплексные соли — тетрагидроксоцинкаты и водород.
Zn + 2NaOH + 2H2O = Na2 [Zn(OH)4] + H2
Сплавляя твердую щелочь и металл, получают соли другого вида – цинкаты. Побочным продуктом такого процесса также будет газообразный водород.
Zn + 2KOH = K2ZnO2 + H2
Металл активно взаимодействует с галогенами, например, хлором, бромом или йодом, а также с азотом, серой и углеродом. В результате образуются средние соли – нитриды, сульфиды или карбиды.
В ряду активности металлов цинк располагается до водорода и, следовательно, является активным металлом. Однако он уступает по своим свойствам щелочным и щелочноземельным металлам.
Использование цинка в гальванических элементах
Химические свойства цинка лежат в основе принципа действия различных видов гальванических приборов. Марганцево-цинковый элемент является наиболее распространенным в технике. Он работает благодаря прохождению окислительно-восстановительной реакции между металлом и диоксидом марганца. Из них изготавливаются оба электрода и помещаются внутрь прибора. Действующее вещество — хлорид аммония — имеет вид пасты, или же им пропитываются пористые пластины, вставленные между катодом и анодом. Воздушно-цинковый элемент представлен отрицательным цинковым электродом – катодом. Анод — это угольно- графитовый стержень, заполненный воздухом. В качестве электролита используют растворы хлорида аммония или едкого натрия.
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 ZnSO4×7H2O. 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.
Какими свойствами обладает цинк и как он взаимодействует с другими химическими веществами?
Цинк относят к металлам, он обладает всеми их свойствами. Ему присущи блеск, твердость, пластичность, теплопроводность, электропроводность. Однако в определенных условиях цинк может проявлять свойства неметалла.
Характеристики цинка
Цинк имеет приятный серебристо-голубой цвет. В обычных температурных условиях он гибкий, иногда ломкий. Металл используют для того, чтобы раскатывать его в листы. Через некоторое время на листах возникает оксидный тонкий слой, поэтому цинк перестает взаимодействовать с воздухом. Со временем он начинает немного мутнеть, терять блеск.
В таблице Менделеева химический элемент стоит под 30-м номером. Относится к группе переходных металлов. Обозначается элемент как Zn.
Где содержится цинк?
В 18 веке Уильяму Чемпиону удалось получить чистый цинк. До этого его использовали вместе с медью, называя конечный продукт соединения латунью.
Большое количество цинка содержится в земной коре. Для промышленных целей цинк добывается из термальных источников.
Роль цинка в жизни растений и животных очень велика. Это важный биогенный элемент.
Взаимодействие цинка с водой
Если вода нагрета до высоких температур, то при взаимодействии с ней цинка выделается оксид цинка.
Взаимодействие цинка с кислотами
Конечный продукт реакции цинка с кислотой будет зависеть от двух факторов. Значение имеют вид кислоты, которая участвует в реакции, а также ее концентрация. Обычно, вступая в реакцию с кислотами, цинк вытесняет из них водород.
Технический цинк легко растворяется в кислотах, так как в нем содержатся примеси других активных металлов. Если речь идет о чистом цинке, то он практически не поддается воздействию кислот. Для ускорения реакции в раствор добавляют медь или медные соли.
Взаимодействие цинка со щелочами
Если в реакции участвует щелочь, доведенная до высоких температур, то образуются гидроцинкаты.
Внимание! В сильной щелочной среде цинк начинает демонстрировать свойства восстановителя.
Где применяют цинк?
Цинк активно применяется в современной жизни:
- Цинк часто используется для создания специального покрытия, благодаря которому изделие меньше подвергается ржавчине и разрушению. Такие вещи называют оцинкованными. Этот прием защиты от коррозии активно используется в строительной и автомобильной промышленности.
- Из цинка делают сплавы с другими металлами, что активно применяется в машиностроении.
- Этот металл входит в состав аккумуляторов.
- Цинк добавляют в краски. В продаже имеются цинковые белила, которые используют художники для рисования картин, маляры для покраски помещений. Также эта белая краска используется для смешивания с другими цветами и получения новых оттенков.
- В химической промышленности металл используют, когда необходимо провести реакцию органического синтеза.
- Цинк входит в состав электродов, которые находятся внутри бытовых приборов.
- Металл, измельчённый до порошкообразного состояния (он называется оксидом), используют в фармацевтической промышленности. Он входит в состав мазей, кремов и присыпок, оказывающих противовоспалительное и подсушивающее действие.
- Цинк является наполнителем для резины.
Внимание! В организме цинк играет важную роль, так как поддерживает гомеостаз. Также он отвечает за формирование первичных половых признаков, поддерживает в норме обменные процессы.
Данный металл активно вступает во взаимодействие с кислородом, водой, кислотами и щелочами, водородом, используется в различных сферах человеческой жизни.