Номер 2, страница 385 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 8. Металлы. Параграф 53. Цинк - номер 2, страница 385.

Условие.

2. Расскажите о нахождении цинка в природе, его физических и химических свойствах, способах получения и применении цинка и его соединений.

Решение.

Решение 2.

Решение

Нахождение цинка в природе

Цинк является довольно распространённым элементом, его содержание в земной коре составляет около $0.0075\%$. В самородном виде цинк не встречается из-за своей химической активности. Он входит в состав более 70 различных минералов. Наиболее важным промышленным минералом для получения цинка является сфалерит, также известный как цинковая обманка, химический состав которого — сульфид цинка ($ZnS$). Другие важные цинковые минералы включают:

• Смитсонит (цинковый шпат) — карбонат цинка ($ZnCO_3$)
• Цинкит — оксид цинка ($ZnO$)
• Виллемит — силикат цинка ($Zn_2SiO_4$)
• Франклинит — сложный оксид цинка, железа и марганца ($(Zn, Fe, Mn)O \cdot (Fe, Mn)_2O_3$)

Кроме того, цинк является важным биогенным элементом, необходимым для нормального функционирования живых организмов, включая человека.

Ответ: В природе цинк встречается исключительно в виде соединений. Важнейшие минералы: сфалерит ($ZnS$), смитсонит ($ZnCO_3$) и цинкит ($ZnO$).

Физические свойства

Цинк — это металл голубовато-белого цвета с металлическим блеском. В обычных условиях он довольно хрупкий, но при нагревании до 100–150 °C становится пластичным и ковким, что позволяет прокатывать его в листы и вытягивать в проволоку. При температуре выше 200 °C он снова становится хрупким. Цинк имеет гексагональную плотноупакованную кристаллическую решётку. Его плотность составляет $7.14 \text{ г/см}^3$. Температура плавления цинка — 419.5 °C, а температура кипения — 907 °C. Цинк обладает умеренной электро- и теплопроводностью.

Ответ: Цинк — голубовато-белый, хрупкий при комнатной температуре металл, который становится пластичным при 100–150 °C.

Химические свойства

Цинк — химически активный металл, расположенный в ряду стандартных электродных потенциалов до водорода ($-0.76 \text{ В}$). Он проявляет амфотерные свойства, то есть реагирует как с кислотами, так и с щелочами.

• На влажном воздухе цинк покрывается тонкой плёнкой основного карбоната цинка ($Zn_5(CO_3)_2(OH)_6$), которая защищает его от дальнейшего окисления. При сильном нагревании на воздухе цинк сгорает голубовато-зелёным пламенем с образованием белого оксида цинка ($ZnO$):
  $2Zn + O_2 \xrightarrow{t} 2ZnO$
• Цинк реагирует с кислотами-неокислителями (например, $HCl$, разбавленная $H_2SO_4$) с выделением водорода:
  $Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2 \uparrow$
• С кислотами-окислителями (например, $HNO_3$) цинк реагирует с образованием различных продуктов восстановления азота в зависимости от концентрации кислоты:
  $4Zn + 10HNO_{3(оч. разб.)} \rightarrow 4Zn(NO_3)_2 + NH_4NO_3 + 3H_2O$
  $Zn + 4HNO_{3(конц.)} \rightarrow Zn(NO_3)_2 + 2NO_2 \uparrow + 2H_2O$
• Как амфотерный металл, цинк растворяется в растворах щелочей, образуя гидроксоцинкаты и водород:
  $Zn + 2NaOH + 2H_2O \rightarrow Na_2[Zn(OH)_4] + H_2 \uparrow$
• Цинк вытесняет менее активные металлы из растворов их солей:
  $Zn + CuSO_4 \rightarrow ZnSO_4 + Cu$

В своих соединениях цинк почти всегда проявляет степень окисления +2.

Ответ: Цинк — химически активный металл с амфотерными свойствами, реагирует с кислотами, щелочами и неметаллами, образуя соединения со степенью окисления +2.

Способы получения

В промышленности цинк получают в основном из сульфидных руд. Процесс состоит из нескольких стадий:

1. Обогащение руды. Исходную руду, содержащую $ZnS$, обогащают методом флотации.
2. Обжиг. Полученный концентрат обжигают в печах при высокой температуре для превращения сульфида цинка в оксид цинка. При этом выделяется сернистый газ, который используют для производства серной кислоты.
   $2ZnS + 3O_2 \xrightarrow{t} 2ZnO + 2SO_2 \uparrow$
3. Восстановление. Оксид цинка восстанавливают до металлического цинка. Существует два основных метода:
   • Пирометаллургический (дистилляционный) метод: оксид цинка смешивают с углём или коксом и нагревают до 1200 °C. Цинк испаряется, и его пары конденсируют.
     $ZnO + C \xrightarrow{1200^\circ C} Zn \uparrow + CO \uparrow$
   • Гидрометаллургический (электролитический) метод: оксид цинка обрабатывают серной кислотой, получая раствор сульфата цинка. Раствор очищают от примесей и подвергают электролизу. Чистый цинк осаждается на катодах.
     $ZnO + H_2SO_4 \rightarrow ZnSO_4 + H_2O$
     На катоде: $Zn^{2+} + 2e^- \rightarrow Zn$

Электролитический метод позволяет получать более чистый цинк и является сегодня преобладающим.

Ответ: Промышленное получение цинка включает обжиг сульфидной руды до оксида с последующим восстановлением оксида цинка либо углём при высокой температуре (пирометаллургия), либо электролизом водного раствора его соли (гидрометаллургия).

Применение цинка и его соединений

Цинк и его соединения находят широкое применение в различных отраслях.

Применение металлического цинка:

• Оцинковка: Основная область применения цинка (около 50%) — это нанесение защитного покрытия на сталь и железо для предотвращения коррозии (оцинкованная сталь).
• Производство сплавов: Цинк является важным компонентом многих сплавов, в первую очередь латуни (сплав с медью).
• Химические источники тока: Цинк используется в качестве отрицательного электрода (анода) во многих типах гальванических элементов и батарей (например, в солевых и щелочных батарейках).
• Литьё под давлением: Цинковые сплавы (например, ЦАМ) широко используются для точного литья деталей в автомобилестроении и приборостроении.

Применение соединений цинка:

• Оксид цинка ($ZnO$): известен как "цинковые белила", применяется как белый пигмент в красках. Также используется в резиновой промышленности как активатор вулканизации, в медицине и косметологии (основа мазей, присыпок, солнцезащитных кремов).
• Сульфид цинка ($ZnS$): используется для изготовления люминофоров (светящихся составов) для экранов, рентгеновских аппаратов и флуоресцентных ламп.
• Сульфат цинка ($ZnSO_4$): применяется в качестве микроудобрения в сельском хозяйстве, в медицине (капли для глаз, пищевые добавки), а также в производстве вискозы.
• Хлорид цинка ($ZnCl_2$): используется для пропитки древесины для защиты от гниения, как флюс при пайке металлов.

Ответ: Основное применение металлического цинка — защита стали от коррозии (оцинковка) и производство сплавов (латунь). Соединения цинка важны в производстве красок (оксид цинка), люминофоров (сульфид цинка), в медицине и сельском хозяйстве.