Химические и физические свойства цинка и его соединений

Цинк (Zincum) Zn - химический элемент 12-й (IIb) группы Периодической системы <http://www.krugosvet.ru/articles/41/1004151/1004151a1.htm>. Атомный номер 30, относительная атомная масса 65,39. Природный цинк состоит из трех стабильных изотопов ⁶⁴Zn (48,6%), ⁶⁶Zn (26,9%) и ⁶⁷Zn (4,1%). Известно несколько радиоактивных изотопов <http://www.krugosvet.ru/articles/118/1011877/1011877a1.htm>, важнейший из них - ⁶⁵Zn с периодом полураспада 244 сут. Степень окисления +2.

Характеристика простого вещества. Металлический цинк обладает характерным голубоватым блеском на свежей поверхности, который он быстро теряет во влажном воздухе. Температура плавления 419,58° С, температура кипения 906,2° С, плотность 7,133 г/см³. При комнатной температуре цинк хрупок, при 100-150° С становится пластичным и легко прокатывается в тонкие листы и проволоку, а при 200-250° С вновь становится очень хрупким и его можно быть истолочь в порошок.

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

+ H₂SO₄(разб.) = ZnSO₄ + H₂

Цинк - единственный элемент группы, который растворяется в водных растворах щелочей с образованием ионов [Zn(OH)₄]^2- (гидроксоцинкатов):

Zn + 2OH^- + 2H₂O = [Zn(OH)₄]^2- + H₂

При растворении металлического цинка в растворе аммиака образуется аммиачный комплекс:

Zn + 4NH₃·H₂O = [Zn(NH₃)₄](OH)₂ + 2H₂O + H₂

Соединения цинка. Цинк образует многочисленные бинарные соединения с неметаллами, некоторые из них обладают полупроводниковыми свойствами. Соли цинка бесцветны (если не содержат окрашенных анионов), их растворы имеют кислотную среду вследствие гидролиза. При действии растворов щелочей и аммиака <http://www.krugosvet.ru/articles/111/1011104/1011104a1.htm> (начиная с pH ~ 5) основные соли осаждаются и переходят в гидроксид, который растворяется в избытке осадителя.

Оксид цинка ZnO является самым важным промышленным цинксодержащим соединением. Будучи побочным продуктом производства латуни, он стал известен раньше, чем сам металл. Оксид цинка получают, сжигая на воздухе пары цинка, образующиеся при плавке руды. Более чистый и белый продукт производят сжиганием паров, полученных из предварительно очищенного цинка.

Обычно оксид цинка - это белый тонкий порошок. При нагревании его окраска меняется на желтую в результате удаления кислорода из кристаллической решетки и образования нестехиометрической фазы Zn_{1+ x} O (x  7,10-5). Избыточное количество атомов цинка приводит к появлению дефектов решетки, захватывающих электроны, которые впоследствии возбуждаются при поглощении видимого света. Добавляя в оксид цинка 0,02-0,03%-ный избыток металлического цинка, можно получить целый спектр цветов - желтый, зеленый, коричневый, красный, однако красноватые оттенки природной формы оксида цинка - цинкита - появляются по другой причине: за счет присутствия марганца или железа. Оксид цинка ZnO амфотерен; он растворяется в кислотах с образованием солей цинка и в щелочах с образованием гидроксоцинкатов, таких как [Zn(OH)₃]^- и [Zn(OH)₄]^2-:

ZnO + 2OH^- + H₂O = [Zn(OH)₄]^2-

Гидроксид цинка Zn(OH)₂ образуется в виде студенистого белого осадок при добавлении щелочи к водным растворам солей цинка. Гидроксид цинка, так же как и оксид, амфотерен:

(OH)₂ + 2OH^- = [Zn(OH)₄]^2-

Сульфид цинка ZnS выделяется в виде белого осадка при взаимодействии растворимых сульфидов и солей цинка в водном растворе. В кислотной среде осадок сульфида цинка не выпадает в кислотной среде. Сероводородная вода осаждает сульфид цинка лишь в присутствии анионов слабых кислот, например, ацетат-ионов, которые понижают кислотность среды, что приводит к повышению концентрации сульфид-ионов в растворе. Свежеосажденный сульфид цинка легко растворяется в минеральных кислотах с выделением сероводорода:

ZnS + 2H₃O⁺ = Zn²⁺ + H₂S + 2H₂O

Селенид цинка ZnSe может быть осажден из раствора в виде лимонно-желтого, плохо фильтрующегося осадка. Влажный селенид цинка очень чувствителен к действию воздуха. Высушенный или полученный сухим путем устойчив на воздухе.

Теллурид цинка ZnTe, в зависимости от способа получения, - серый порошок, краснеющий при растирании, или красные кристаллы.

Хлорид цинка ZnCl₂ является одним из важных соединений цинка в промышленности. Его получают действием соляной кислоты на вторичное сырье или обожженную руду.

Ацетат цинка Zn(CH₃COO)₂ хорошо растворим в воде (28,5% по массе при 20° С) и многих органических растворителях. При перегонке ацетата цинка при пониженном давлении образуется основный ацетат [Zn₄O(OCOMe)₆], его молекулярная структура включает атом кислорода, окруженный тетраэдром из атомов цинка, связанных по ребрам ацетатными мостиками. Он изоморфен основному ацетату бериллия, но в отличие от него, быстро гидролизуется в воде, это обусловлено способностью катиона цинка иметь координационное число выше четырех.

Цинкорганические соединения. Открытие в 1849 английским химиком-органиком Эдуардом Франклендом (Frankland Edward) (1825-1899) алкилов цинка, хотя и не первых из синтезированных металлоорганических соединений (соль Цейзе была получена в 1827), можно считать началом металлоорганической химии. Исследования Франкленда положили начало применению цинкорганических соединений в качестве промежуточных веществ при органическом синтезе, а измерения плотности паров привело его к предположению (важнейшему в развитии теории валентности), что каждый элемент имеет ограниченную, но определенную силу сродства. Реактивы Гриньяра, открытые в 1900, сильно потеснили алкилы цинка в органическом синтезе, однако многие реакции, в которых они теперь используются, были сначала разработаны для соединений цинка. Алкилы типа RZnX и ZnR₂ (где Х - галоген, R - алкил) можно получить, нагревая цинк в кипящем RX в инертной атмосфере (диоксид углерода или азот). Ковалентные ZnR₂ представляют собой неполярные жидкости или низкоплавкие твердые вещества. Они всегда мономерны в растворе и характеризуются линейной координацией атома цинка C-Zn-C. Цинкорганические соединения очень чувствительны к действию воздуха. Соединения с малой молекулярной массой самовоспламеняются, образуя дым из оксида цинка. Их реакции с водой, спиртами, аммиаком и другими веществами протекают подобно реакциям Гриньяра, однако менее энергично. Важным отличием является то, что они не взаимодействуют с диоксидом углерода.