И.В.ТРИГУБЧАК

Пособие-репетитор по химии

Продолжение. Начало см. в № 22/2005; 1, 2, 3, 5, 6, 8, 9, 11, 13, 15, 16, 18, 22/2006;
3, 4, 7, 10, 11, 21/2007;
2, 7, 11/2008

ЗАНЯТИЕ 24

10-й класс (первый год обучения)

Цинк и его соединения

П л а н

1. Положение в таблице Д.И.Менделеева, строение атома.

2. Происхождение названия.

3. Физические свойства.

4. Химические свойства.

5. Нахождение в природе.

6. Основные методы получения.

7. Оксид и гидроксид цинка – свойства и методы получения.

 

Цинк расположен в побочной подгруппе II группы таблицы Д.И.Менделеева. Его электронная формула 1s²2s²p⁶3s²p⁶d¹⁰4s². Цинк является d-элементом, проявляет в соединениях единственную степень окисления +2 (т.к. третий энергетический уровень в атоме цинка полностью заполнен электронами). Являясь амфотерным элементом с преобладанием металлических свойств, в соединениях цинк чаще входит в состав катиона, реже – аниона. Например,

Предполагают, что название цинка происходит от древнегерманского слова «цинко» (белый, бельмо). В свою очередь, это слово восходит к арабскому «харасин» (металл из Китая), что указывает на место выработки цинка, завезенного в средние века в Европу из Китая.

Ф и з и ч е с к и е  с в о й с т в а

Цинк – металл белого цвета; на воздухе покрывается оксидной пленкой, и его поверхность тускнеет. На холоде это довольно хрупкий металл, но при температуре 100–150 °С цинк легко обрабатывается, образует сплавы с другими металлами.

Х и м и ч е с к и е  с в о й с т в а

Цинк – металл средней химической активности, однако он более активен, чем железо. Цинк после разрушения оксидной пленки проявляет следующие химические свойства.

Н₂ (+):

Zn + H₂ ZnH₂.

О₂ (+):

2Zn + O₂ 2ZnO.

Металлы (–).

Неметаллы (+):

Zn + Cl₂ ZnCl₂,

Zn + S ZnS,

3Zn + 2P Zn₃P₂.

Н₂О (+):

Zn + 2H₂O Zn(OH)₂ + H₂.

Основные оксиды (–).

Кислотные оксиды (–).

Основания (+):

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

Zn + 2NaOH (расплав) = Na₂ZnO₂ + H₂.

Кислоты-неокислители (+):

Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂.

Кислоты-окислители (+):

3Zn + 4H₂SO₄ (конц.) = 3ZnSO₄ + S + 4H₂O.

4Zn + 5H₂SO₄ (конц.) = 4ZnSO₄ + H₂S + 4H₂O,

4Zn + 10HNO₃ (оч. разб.) = 4Zn(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O.

Соли (+/–):*

Zn + CuCl₂ = Cu + ZnCl₂,

Zn + NaCl нет реакции.

В  п р и р о д е  цинк встречается в виде соединений, важнейшими из которых являются сфалерит, или цинковая обманка (ZnS), смитсонит, или цинковый шпат (ZnCO₃), красная цинковая руда (ZnO).

В промышленности д л я п о л у ч е н и я цинка производят обжиг цинковой руды с целью получения оксида цинка, который затем восстанавливают углеродом:

2ZnS + 3O₂2ZnO + 2SO₂,

2ZnO + C2Zn + CO₂.

К важнейшим соединениям цинка относятся его о к с и д (ZnO) и г и д р о к с и д (Zn(OH)₂). Это кристаллические вещества белого цвета, проявляют амфотерные свойства:

ZnO + H₂SO₄ = ZnSO₄ + H₂O,

ZnO + 2NaOH + H₂O = Na₂[Zn(OH)₄],

Zn(OH)₂ + 2HCl = ZnCl₂ + 2H₂O,

Zn(OH)₂ + 2NaOH = Na₂[Zn(OH)₄].

Оксид цинка можно получить окислением цинка, разложением гидроксида цинка или обжигом цинковой обманки:

2Zn + O₂2ZnO,

Zn(OH)₂ZnO + H₂O,

2ZnS + 3O₂2ZnO + 3SO₂.

Гидроксид цинка получают реакцией обмена между раствором соли цинка и щелочи:

ZnCl₂ + 2NaOH (недостаток) = Zn(OH)₂ + 2NaCl.

Эти соединения н а д о  з а п о м н и т ь: цинковая обманка (ZnS), цинковый купорос (ZnSO₄•7H₂O).

 

Тест по теме «Цинк и его соединения»

1. Сумма коэффициентов в уравнении реакции цинка с очень разбавленной азотной кислотой:

а) 20; б) 22; в) 24; г) 29.

2. Цинк из концентрированного раствора карбоната натрия вытесняет:

а) водород; б) угарный газ;

в) углекислый газ; г) метан.

3. Растворы щелочей могут реагировать со следующими веществами (возможно несколько правильных ответов):

а) сульфатом меди и хлором;

б) оксидом кальция и медью;

в) гидросульфатом натрия и цинком;

г) гидроксидом цинка и гидроксидом меди.

4. Плотность 27,4%-го раствора гидроксида натрия составляет 1,3 г/мл. Молярная концентрация щелочи в этом растворе составляет:

а) 0,0089 моль/мл; б) 0,0089 моль/л;

в) 4 моль/л; г) 8,905 моль/л.

5. Для получения гидроксида цинка необходимо:

а) по каплям приливать раствор гидроксида натрия к раствору хлорида цинка;

б) по каплям приливать раствор хлорида цинка к раствору гидроксида натрия;

в) прилить избыток раствора гидроксида натрия к раствору хлорида цинка;

г) по каплям добавлять раствор гидроксида натрия к раствору карбоната цинка;

6. Исключите «лишнее» соединение:

а) H₂ZnO₂; б) ZnCl₂; в) ZnO; г) Zn(OH)₂.

7. Сплав меди и цинка массой 24,12 г обработали избытком разбавленной серной кислоты. При этом выделилось 3,36 л газа (н.у.). Массовая доля цинка в этом сплаве равна (в %):

а) 59,58; б) 40,42; в) 68,66; г) 70,4.

8. Гранулы цинка будут взаимодействовать с водным раствором (возможно несколько правильных ответов):

а) соляной кислоты; б) азотной кислоты;

в) гидроксида калия; г) сульфата алюминия.

9. Углекислый газ объемом 16,8 л (н.у.) был поглощен 400 г 28%-го раствора гидроксида калия. Массовая доля вещества, находящегося в растворе, составляет (в %):

а) 34,5; б) 31,9; в) 69; г) 63,7.

10. Масса образца карбоната цинка, в котором содержится 4,816•10²⁴ атомов кислорода, равна (в г):

а) 1000; б) 33,3; в) 100; г) 333,3.

Ключ к тесту

Задачи и упражнения на амфотерные металлы

Цепочки превращений

1. Цинк —> оксид цинка  —> гидроксид цинка   —> сульфат цинка  —> хлорид цинка   —> нитрат цинка  —>  сульфид цинка   —> оксид цинка  —> цинкат калия.

2. Оксид алюминия  —> тетрагидроксоалюминат калия  —> хлорид алюминия  —> гидроксид алюминия  —> тетрагидроксоалюминат калия.

3. Натрий  —> гидроксид натрия  —> гидрокарбонат натрия  —> карбонат натрия   —> гидроксид натрия  —> гексагидроксохромат(III) натрия.

4. Хром  —> хлорид хрома(II)  —> хлорид хрома(III)  —> гексагидроксохромат(III) калия + бром + гидроксид калия  —> хромат калия   —> дихромат калия  —> оксид хрома(VI).

5. Сульфид железа(II)  —> X¹  —> оксид железа(III)  —> X²  —> сульфид железа(II).

6. Хлорид железа(II)  —> А  —> Б  —> В  —> Г  —> Д  —> хлорид железа(II) (все вещества содержат железо; в схеме только три окислительно-восстановительные реакции подряд).

7. Хром  —> Х¹  —> сульфат хрома(III)  —> Х²  —> дихромат калия   —> Х³  —> хром.

 

У р о в е н ь  А

1. Для растворения 1,26 г сплава магния с алюминием использовано 35 мл 19,6%-го раствора серной кислоты (плотность – 1,14 г/мл). Избыток кислоты вступил в реакцию с 28,6 мл раствора гидрокарбоната калия с концентрацией 1,4 моль/л. Определите состав исходного сплава и объем газа (н.у.), выделившегося при растворении сплава.

Ответ. 57,6% Mg; 42,4% Al; 1,34 л H₂.

2. Смесь кальция и алюминия массой 18,8 г прокалили без доступа воздуха с избытком порошка графита. Продукт реакции обработали разбавленной соляной кислотой, при этом выделилось 11,2 л газа (н.у.). Определите состав исходной смеси.

Решение

Уравнения реакций:

Пусть (Ca) = x моль, (Al) = 4y моль.

Тогда: 40x + 4•27y = 18,8.

По условию задачи:

v(С₂Н₂ + СH₄) = 11,2 л.

Следовательно,

(С₂Н₂ + СH₄) = 11,2/22,4 = 0,5 моль.

По уравнению реакции:

(С₂Н₂) = (СaC₂) = (Сa) = х моль,

(СH₄) = 3/4(Al) = 3y моль,

x + 3y = 0,5.

Решаем систему:

x = 0,2, y = 0,1.

Следовательно,

(Ca) = 0,2 моль,

(Al) = 4•0,1 = 0,4 моль.

В исходной смеси:

m(Ca) = 0,2•40 = 8 г,

(Ca) = 8/18,8 = 0,4255, или 42,6%;

m(Al) = 0,4•27 = 10,8 г,

(Al) = 10,8/18,8 = 0,5744, или 57,4%.

Ответ. 42,6% Ca; 57,4% Al.

3. При взаимодействии 11,2 г металла VIII группы периодической системы с хлором образовалось 32,5 г хлорида. Определите металл.

Ответ. Железо.

4. При обжиге пирита выделилось 25 м³ сернистого газа (температура 25 °С и давление 101 кПа). Вычислите массу образовавшегося при этом твердого вещества.

Ответ. 40,8 кг Fe₂O₃.

5. При прокаливании 69,5 г кристаллогидрата сульфата железа(II) образуется 38 г безводной соли. Определите формулу кристаллогидрата.

Ответ. Гептагидрат FeSO₄•7H₂O.

6. При действии избытка соляной кислоты на 20 г смеси, содержащей медь и железо, выделился газ объемом 3,36 л (н.у.). Определите состав исходной смеси.

Ответ. 58% Cu; 42% Fe.

 

У р о в е н ь  Б

1. Какой объем 40%-го раствора гидроксида калия (плотность – 1,4 г/мл) следует добавить к 50 г 10%-го раствора хлорида алюминия для того, чтобы первоначально выпавший осадок полностью растворился?

Ответ. 15 мл.

2. Металл сожгли в кислороде с образованием 2,32 г оксида, для восстановления которого до металла необходимо затратить 0,896 л (н.у.) угарного газа. Восстановленный металл растворили в разбавленной серной кислоте, полученный раствор дает синий осадок с красной кровяной солью. Определите формулу оксида.

Ответ: Fe₃O₄.

3. Какой объем 5,6 М раствора гидроксида калия потребуется для полного растворения 5 г смеси гидроксидов хрома(III) и алюминия, если массовая доля кислорода в этой смеси равна 50%?

Ответ. 9,3 мл.

4. К 14%-му раствору нитрата хрома(III) добавили сульфид натрия, полученный раствор отфильтровали и прокипятили (без потери воды), при этом массовая доля соли хрома уменьшилась до 10%. Определите массовые доли остальных веществ в полученном растворе.

Ответ. 4,38% NaNO₃.

5. Смесь хлорида железа(II) с дихроматом калия растворили в воде и подкислили раствор соляной кислотой. Через некоторое время к раствору по каплям добавили избыток раствора гидроксида калия, выпавший осадок отфильтровали и прокалили до постоянной массы. Масса сухого остатка равна 4,8 г. Найдите массу исходной смеси солей, учитывая, что массовые доли хлорида железа(II) и дихромата калия в ней относятся как 3:2.

Ответ. 4,5 г.

6. 139 г железного купороса растворили в воде при температуре 20 °С и получили насыщенный раствор. При охлаждении этого раствора до 10 °С выпал осадок железного купороса. Найдите массу выпавшего осадка и массовую долю сульфата железа(II) в оставшемся растворе (растворимость сульфата железа(II) при 20 °С равна 26 г, а при 10 °С – 20 г).

Ответ. 38,45 г FeSO₄•7H₂O; 16,67%.

 

Качественные задачи

1. Серебристо-белое легкое простое вещество А, обладающее хорошей тепло- и электропроводностью, реагирует при нагревании с другим простым веществом В. Образующееся твердое вещество растворяется в кислотах с выделением газа С, при пропускании которого через раствор сернистой кислоты выпадает осадок вещества В. Идентифицируйте вещества, напишите уравнения реакций.

Ответ. Вещества: А – Al, В – S, C – H₂S.

2. Имеются два газа – А и В, молекулы которых трехатомны. При добавлении каждого из них к раствору алюмината калия выпадает осадок. Предложите возможные формулы газов А и В, учитывая, что эти газы бинарны. Напишите уравнения реакций. Как химическим путем можно различить эти газы?

Решение

Газ А – СО₂; газ В – Н₂S.

2KAlO₂ + СO₂ + 3H₂O = 2Al(OH)₃ + K₂CO₃,

2KAlO₂ + H₂S + 2H₂O = 2Al(OH)₃ + K₂S.

3. Нерастворимое в воде соединение А бурого цвета при нагревании разлагается с образованием двух оксидов, один из которых – вода. Другой оксид – В – восстанавливается углеродом с образованием металла С, вторым по распространенности в природе среди металлов. Идентифицируйте вещества, напишите уравнения реакций.

Ответ. Вещества: А – Fe(OH)₃,
В – Fe₂O₃, C – Fe.

4. Соль А образована двумя элементами, при обжиге ее на воздухе образуются два оксида: В – твердый, бурого цвета, и газообразный. Оксид В вступает в реакцию замещения с серебристо-белым металлом С (при нагревании). Идентифицируйте вещества, напишите уравнения реакций.

Ответ. Вещества: А – FeS₂, В – Fe₂O₃, C – Al.

---

* Знак +/– означает, что данная реакция протекает не со всеми реагентами или в специфических условиях.

Продолжение следует