Какими химическими свойствами обладают оксиды и гидроксиды элементов цинка и алюминия

Цинк – элемент IIБ подгруппы четвертого периода. Цинк относится к семейству d-элементов, поскольку электронное строение цинка отражается конфигурацией (см.рис. справа).

Конфигурация $d^{10}$ является устойчивой, и в образовании химической связи участвуют лишь внешние электроны $4s$-подуровня, поэтому характерная степень окисления цинка- (+2).

Нахождение в природе

В природе встречается только в виде соединений, важнейшим из которых является цинковая обманка.  Основной компонент цинковой обманки — 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 цинка:

• смитсонит (цинковый шпат) $ZnCO3$;

• цинкит $ZnO$;

• каламин $2ZnO cdot SiO_2 cdot Н_2O$.

Получение цинка

Выделение цинка начинается с концентрирования руды методами седиментации (осаждение) или флотации (прилипание к пузырькам воздуха и всплывание в виде пены), затем ее обжигают до образования оксидов:

$2ZnS + 3O_2 = 2ZnO + 2SO_2$

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

Цинк — химически активный металл, обладает выраженными восстановительными свойствами, по активности уступает щелочно-земельным металлам. Проявляет амфотерные свойства. Так же как и хром, используется для нанесения антикоррозионных покрытий («цинкование» кузова автомобиля).

1.Взаимодействие с неметаллами

При сильном нагревании на воздухе сгорает ярким голубоватым пламенем с образованием оксида цинка:

$2Zn + O_2 xrightarrow[]{t, ^circ C} 2ZnO$

При поджигании энергично реагирует с серой:

$Zn + S = ZnS$

С галогенами реагирует при обычных условиях в присутствии паров воды в качестве катализатора:

$Zn + Cl_2 xrightarrow[]{H_2O} ZnCl_2$

При действии паров фосфора на цинк образуются фосфиды:

$3Zn + 2P = Zn_3P_2$

С водородом, азотом, бором, кремнием, углеродом цинк не взаимодействует.

2. Взаимодействие с водой

Реагирует с парами воды при температуре красного каления с образованием оксида цинка и водорода:

$Zn + H_2O xrightarrow[]{t, ^circ C} ZnO + H_2uparrow$

3. Взаимодействие с кислотами

В электрохимическом ряду напряжений металлов цинк находится до водорода и вытесняет его из неокисляющих кислот:

$Zn + 2HCl = ZnCl_2 + H_2uparrow$

$Zn + H_2SO_4 = ZnSO_4 + H_2uparrow$

Взаимодействует с разбавленной азотной кислотой, образуя нитрат цинка и нитрат аммония (или азот $N_2$ или веселящий газ$N_2O$ в зависимости от концентрации кислоты):

$4Zn + 10HNO_{3textrm{ (разб., гор.)}}= 4Zn(NO_3)_2 + N_2Ouparrow + 5H_2O$

$4Zn + 10HNO_{3textrm{ (оч.разб., гор.)}} = 4Zn(NO_3)_2 + NH_4NO_3 + 3H_2O$

Реагирует с концентрированными серной и азотной кислотами с образованием соли цинка и продуктов восстановления кислот:

$Zn + 2H2SO_{4textrm{ (конц.)}} = ZnSO_4 + SO_2uparrow  + 2H_2O$

$Zn + 4HNO_{4textrm{ (конц.)}}  = Zn(NO_3)_2 + 2NO_2uparrow  + 2H_2O$

4. Взаимодействие со щелочами

Реагирует с растворами щелочей с образованием растворимых гидроксокомплексов:

$Zn + 2NaOH + 2H_2O = Na_2[Zn(OH)_4] + H_2$

при сплавлении образует цинкаты:

$Zn + 2KOH = K_2ZnO_2 + H_2$

5. Взаимодействие с оксидами и солями

Цинк вытесняет металлы, стоящие в ряду напряжения правее него, из растворов солей и оксидов:

$Zn + CuSO_4 = Cu + ZnSO_4$

$Zn + CuO = Cu + ZnO$

6. Взаимодействие с аммиаком

С газообразным аммиаком при высокой температуре образует нитрид цинка:

$3Zn + 2NH_{3 textrm{(г.)}}  xrightarrow[]{550-600 ^circ C}  Zn_3N_2 + 3H_2$

В водном растворе аммиака цинк растворяется с образованием гидроксида тетраамминцинка:

$Zn + 4NH_3 + 2H_2O = [Zn(NH_3)_4](OH)_2 + H_2$

Соединения цинка

Оксид цинка (II) 

Оксид цинка (II) ZnO – белые кристаллы, при нагревании приобретают желтую окраску. 

При температуре выше $1000^0C$ восстанавливается до металлического цинка типичными восстановителями (углеродом, угарным газом и водородом):

$ZnO + C = Zn + CO$

$ZnO + CO = Zn + CO_2$

$ZnO + H_2 = Zn + H_2O$

С водой не взаимодействует. Проявляет амфотерные свойства, реагирует с растворами кислот и щелочей:

$ZnO + 2HCl = ZnCl_2 + H2O$

$ZnO + 2NaOH + H_2O = Na_2[Zn(OH)_4]$

При сплавлении с щелочами (и основными окисдами) образует цинкаты:

$ZnO + 2NaOH xrightarrow[]{t, ^circ C} Na_2ZnO_2$

$ZnO + CaO = CaZnO_2$

При взаимодействии с оксидами неметаллов образует соли, где является катионом:

$2ZnO + SiO2 = Zn_2SiO_4$

$ZnO + B_2O_3 = Zn(BO_2)_2$

Гидроксид цинка (II) 

Гидроксид цинка $Zn(OH)_2$ — бесцветное кристаллическое или аморфное вещество, существует в пяти полиморфных модификациях, нерастворимо в воде. Получают взаимодействием солей цинка с растворами щелочей: при этом гидроксид цинка выпадает в виде желеообразного белого осадка.

При температуре выше $125^0C$ разлагается:

$Zn(OH)_2 = ZnO + H_2O$

Гидроксид цинка проявляет амфотерные свойства, легко растворяется в кислотах и щелочах:

$Zn(OH)_2 + H_2SO_4 = ZnSO_4 + 2H_2O$

$Zn(OH)_2 + 2NaOH = Na_2[Zn(OH)_4]$

также легко растворяется в водном растворе аммиака с образованием гидроксида тетраамминцинка:

$Zn(OH)_2 + 4NH_3 = [Zn(NH_3)_4](OH)_2$