Cynk – wszystko co musisz wiedzieć + zadanie sprawdzające wiedzę

Zn, cynk – czyli kolejna część notatek z chemii nieorganicznej do Olimpiady Chemicznej.

Cynk to przyjemny pierwiastek, nadający się bardziej na I etap, ale oczywiście na II etapie również może się pojawić. Pamiętajcie, że różnica między etapami to nie tylko różnica między łatwymi a ,,kosmicznymi” związkami, ale także przepaść pomiędzy poziomem niezbędnych obliczeń.

Zapraszam do nauki!

  • stopnie utlenienia : II (najczęstszy), I (ekstremalnie rzadko)
  • charakterystyczne wykorzystanie : tzw. cynkowanie (ochrona przed korozją innych metali), w stopach metali (mosiądz = Cu + Zn), chemia organiczna (reakcja Reformackiego, reakcja Simmonsa-Smitha, reakcja Clemmensena), znaczenie biologiczne (składnik enzymów, hormonów).
  • ogólna charakterystyka : niebieskawobiały, błyszczący metal, ciągliwy. Często jednak z domieszką Fe, przez co staje się kruchy.
  • reakcja z tlenem, wodą, halogenkami – patrz : Komentarz (1) :
    • z O_{2} reakcja [1]Zn + \frac{1}{2} O_{2} \xrightarrow{T} ZnO
    • z H_{2}O reakcja [2] : Zn + H_{2}O \rightarrow cynk jest odporny na działanie wody
    • z X_{2} reakcja [3] : Zn + \frac{1}{2} X_{2} \xrightarrow{T} ZnX ; halogenki są dobrze rozpuszczalne.
  • reakcja z kwasem i zasadą – patrz : Komentarz (2)
    • z kwasem nieutleniającym HCl reakcja [4] : Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_{2} + H_{2}
    • reakcja z kwasem utleniającym HNO_{3} – tutaj jest kilka możliwości :
    • reakcja z kwasem utleniającym H_{2}SO_{4} – również kilka możliwości :
      • reakcja [8] : Zn + H_{2}SO_{4} \rightarrow ZnSO_{4} + H_{2}
      • reakcja [9]3Zn + 4H_{2}SO_{4} \rightarrow 3ZnSO_{4} + S + 4H_{2}O
      • reakcja [10]4Zn + 5H_{2}SO_{4} \rightarrow 4ZnSO_{4} + H_{2}S + 4H_{2}O
    • reakcja z zasadą NaOH – dwie możliwości, zależne od temperatury :
      • reakcja [11] : Zn + 2NaOH + 2H_{2}O \rightarrow Na_{2}[Zn(OH)_{4}] + H_{2}
      • reakcja [12] : Zn + 2NaOH \xrightarrow{T} Na_{2}ZnO_{2} + H_{2}
      • jak to zapamiętać? Można sobie wyobrazić, że cynkan to odwodniony ( 2H_{2}O ) tetrahydroksycynkan , a woda przecież będzie w większej temperaturze odchodzić.
  • tlenki – mamy biały tlenek ZnO . Ma on właściwości amfoteryczne.
    • otrzymywaniereakcja [13] : ZnCO_{3} \xrightarrow{T} ZnO + CO_{2}
    • reakcja z kwasemreakcja [14] : ZnO + 2HCl \rightarrow ZnCl_{2} + H_{2}O
    • reakcja z zasadąreakcja [15] : ZnO + 2NaOH + H_{2}O  \rightarrow Na_{2}[Zn(OH)_{4}]
  • wodorotlenki – mamy afmoteryczny wodorotlenek Zn(OH)_{2}
    • reakcja z kwasemreakcja [16] : Zn(OH)_{2} + 2HCl \rightarrow ZnCl_{2} + 2H_{2}O
    • reakcja z zasadąreakcja [17] : Zn(OH)_{2} + 2NaOH \rightarrow Na_{2}[Zn(OH)_{4}]
  • sole – większość związków cynku jest bezbarwna, a osady białe. Najczęstsza sól to ZnSO_{4} . Inne warte zapamiętania : Zn_{3}(PO_{4})_{2} \implies trudnorozpuszczalny (osad) oraz ZnNH_{4}PO_{4} \implies też osad.
  • kompleksy – główna liczba koordynacyjna dla cynku wynosi LK = 4 , rzadko może być też 5 (najrzadziej) i 6. Typowe dla cynku są kompleksy o mieszanych ligandach.
    • Zn(NH_{3})_{4}^{2+} \implies LK = 4 oraz budowa tetraedryczna
    • Zn(H_{2}O)_{6}^{2+} \implies LK = 6 oraz budowa oktaedryczna
      • Zn(H_{2}O)_{6}^{2+} \leftrightarrow Zn(H_{2}O)_{5}(OH)^{+} + H^{+} \implies potwierdzenie delikatnie kwasowych właściwości jonów Zn^{2+} , tutaj zapisanych po prostu w postaci uwodnionej. Ta reakcja może się wydawać trudna (przynajmniej mi się taka wydawała jak ją zobaczyłem po raz pierwszy) , ale zobaczcie, że to po prostu dysocjacja wody, nic innego. Wystarczy wyjściowy kompleks zapisać jako : Zn(H_{2}O)_{5}(H_{2}O)^{2+} .
  • skłonność do reakcji redoks – sam, metaliczny Zn jest dobrym reduktorem, natomiast związki cynku już niechętnie wchodzą w reakcje redoks.
    • redukcja cynkiem – reakcja [18] : Zn + CuCl_{2} \rightarrow ZnCl_{2} + Cu

Po budowę kompleksów cynku z liczbą koordynacją 4 oraz 6, odsyłam do postu z glinem, ponieważ związki te będą wyglądały analogicznie : Glin – wszystko co musisz wiedzieć + zadanie sprawdzające wiedzę

Komentarz (1) – generalnie, taki czyściutki metal cynku jest całkiem reaktywny – reaguje z tlenem z powietrza oraz kwasami i zasadami. Jednak wystawiony na powietrze, zwłaszcza wilgotne, ulega przemianom, które znacznie zmniejszają jego reaktywność, podobnie jak pasywacja. Spójrzmy :

  • Cynk w środowisku powietrza, reaguje z tlenem – reakcja [1]
  • W wilgotnym środowisku, następuje reakcja z wodą – reakcja [19]  ZnO + H_{2}O \rightarrow Zn(OH)_{2}
  • W powietrzu jest też także dwutlenek węgla – reakcja [20] : Zn(OH)_{2} + CO_{2} \rightarrow ZnCO_{3} + H_{2}O (w istocie pojawia się jeszcze bardziej skomplikowany związek, ale nie jest istotna jego znajomość – podaję go dla zainteresowanych : Zn_{5}(CO_{3})_{2}(OH)_{6} = 2ZnCO_{3} \cdot 3Zn(OH)_{2}   .

 

  • Tutaj taka rada na OlChem :

    • jak widzicie minerał (lub coś co wygląda jak minerał), który z reguły wygląda strasznie, ponieważ ma skomplikowany wzór, to zawsze zastanów się, czy można go rozbić na prostsze związki, typu tlenki, wodorotlenki, sole itd. Daje to m.in pojęcie, jak coś takiego może dalej reagować.

 

Cały proces nazywa się białą korozją. Biała rdza – biały nalot spotykany na cynku, gdy trzymamy go w wilgotnym środowisku – powstają nierównomierne białe plamy, które nie zabezpieczają go przed dalszymi reakcjami (ponieważ są nierównomierne).

Komentarz (2) – paradoksalnie reakcje z H_{2}SO_{4} oraz HNO_{3} to jedne z najtrudniejszych reakcji. Wiem, że uczymy się ogólnych zasad, typu :

  • Metal + HNO_{3(stez)} \rightarrow MNO_{3} + NO_{2} + H_{2}O
  • Metal + HNO_{3(rozc)} \rightarrow MNO_{3} + NO + H_{2}O

Czyli, że gdy użyjemy stężonego kwasu, to powstaje tlenek azotu (IV) , a przy użyciu rozcieńczonego powstanie tlenek azotu (II). Generalnie jednak nie jest to takie proste, a w eksperymentach można uzyskać całą gamę produktów, z mniejszymi lub większymi zanieczyszczeniami w postaci produktów ubocznych. W końcu podział kwasu na stężony i rozcieńczony to też jest podział na ,,oko” , ponieważ stężenia 3% , 15%, 45% czy 80% będą się od siebie różnić. Do tego dochodzi jeszcze temperatura i przede wszystkim aktywność samego metalu. Temu zagadnieniu poświęcę niedługo cały wpis, więc wszystko się rozjaśni.

Uważam, że w zadaniu będziecie mieć taką reakcję doprecyzowaną, a produkty będą w jakiś sposób opisane, że da się je jednoznacznie zidentyfikować. Jak się zatem tego nauczyć? Na czerwono zakreśliłem ,,nominalną” reakcję, najważniejszą do zapamiętania. Z pozostałymi się po prostu ,opatrzcie” , abyście wiedzieli, że takie rzeczy też są możliwe.

  1. Jeśli brak jakichkolwiek informacji o reakcji – piszcie te zaznaczone na czerwono lub te zgodne z ogólnymi zasadami (czyli patrzenie na stężony/rozcieńczony kwas)
  2. Jeśli są podane informacje – to możesz być spokojny, będzie dobrze 🙂 . Pamiętaj, że informacja ta może pojawiać się dopiero kilka akapitów później, więc ,,przeskanuj” całą treść, zanim napiszesz produkty reakcji. 

 


 

Zadanie sprawdzające więdzę :

Zadanie na poziomie I etapu, bardzo łatwe.

W skład stopu metali wchodzą : glin, cynk, krzem oraz miedź. Wiadomo, że gdy 1 g stopu przereaguje z nadmiarem HCl to powstanie 0,899 \ dm^{3} \ H_{2} zmierzone w T = 21^{\circ} C ; p = 1022,5 hPa . Zmierzono masę stopu, która nie uległa reakcji i wynosiła ona 0,17 g.

Natomiast w czasie reakcji tego samego stopu w ilości 0,5 g z nadmiarem NaOH wydzieliło się 0,552 \ dm^{3} H_{2} zmierzone w tych samych warunkach co powyżej.

a) napisz reakcje metali wchodzących w skład stopu z kwasem solnym. (4 pkt)

b) napisz reakcje metali wchodzących w skład stopu z wodorotlenkiem sodu. (4 pkt)

c) oblicz skład procentowy wszystkich składników stopu. (8 pkt)

d) narysuj budowę anionu wchodzącego w skład produktu powstałego w wyniku reakcji cynku z wodorotlenkiem sodu. Określ liczbę koordynacyjną cynku. (4 pkt)

M_{Al} = 26,98 \frac{g}{mol}

M_{Zn} = 65,38 \frac{g}{mol}

M_{Si} = 28,08 \frac{g}{mol}

M_{Cu} = 63,5 \frac{g}{mol}


 

Rozwiązanie :

a) 2Al + 6HCl \rightarrow 2AlCl_{3} + 3H_{2}

Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_{2} + H_{2}

Si + HCl \rightarrow brak \ reakcji

Cu + HCl \rightarrow brak \ reakcji

b) 2Al + 2NaOH + 6H_{2}O \rightarrow 2Na[Al(OH)_{4}] + 3H_{2}

Zn + 2NaOH + 2H_{2}O \rightarrow Na_{2}[Zn(OH)_{4}] + H_{2}

Si + 2NaOH + H_{2}O \rightarrow Na_{2}SiO_{3} + 2H_{2}

lub

Si + 4NaOH \rightarrow Na_{4}SiO_{4} + 2H_{2}

Cu + NaOH \rightarrow brak \ reakcji

Zauważmy jednak, że stechiometryczna zależność między krzemem a powstającym wodorem pozostaje taka sama, zatem nie ma znaczenia, którą napisaliście reakcję.

c) obliczmy liczbę moli wodoru ze wzoru Clapeyrona, od razu dla dwóch reakcji (z kwasem i z zasadą) :

n_{H_{2}} = \frac{pV}{RT}

W pierwszej reakcji : n_{H_{2}} = \frac{1022,5 \cdot 0,899}{83,14 \cdot 294} \implies n_{H_{2}} = 0,0376 \ mola

W drugiej reakcji : n_{H_{2}} = \frac{1022,5 \cdot 0,552}{83,14 \cdot 294} \implies n_{H_{2}} = 0,0231 \ mola => n_{H_{2}} = 0,0462 \ mola w przeliczeniu na 1 gram stopu (ponieważ tutaj reagowało dwa razy mniej tego stopu, bo pół grama).

Najłatwiej zająć się najpierw reakcją, gdzie zareagowało mniej pierwiastków czyli tą z kwasem solnym.

m_{Zn} + m_{Al} + m_{Cu} + m_{Cu} = 1

m_{Cu} + m_{Si} = 0,17      ; ponieważ w pierwszej reakcji nie zareagowały te dwa pierwiastki, a 0,17g to masa nierozpuszczonego stopu. Z tego od razu wynika :

m_{Zn} + m_{Al} = 0,83

Weźmy teraz dwie reakcje z kwasem, które w ogóle zaszły, czyli te z glinem oraz cynkiem. Łącznie powstało w nich n_{H_{2}} = 0,0376 \ mola  , zatem jest to suma moli wodoru wydzielonego w reakcji z cynkiem (n^{Zn}_{H_{2}}) oraz glinem (n^{Al}_{H_{2}}) . Moglibyśmy to zapisać w ten sposób :

0,0376 = n_{H_{2}} = n^{Zn}_{H_{2}} + n^{Al}_{H_{2}}

Czyli podsumowując, zwyczajnie rozbiłem sobie ten powstający ŁĄCZNIE wodór, na wodór który powstaje tylko w reakcji z cynkiem oraz ten, który powstaje tylko w reakcji z glinem.

Patrząc na stechiometrię reakcji glinu oraz cynku z kwasem solnym, widzimy, że zależność między ich liczbą moli, a liczbą moli powstającego wodoru, jest następująca (zrób sobie to z proporcji) :

n^{Zn}_{H_{2}} = n_{Zn}

2n^{Al}_{H_{2}} = 3n_{Al} \implies n^{Al}_{H_{2}} = \frac{3}{2} n_{Al}

Podstawiamy :

n_{H_{2}} = 0,0376 = n_{Zn} + \frac{3}{2} n_{Al}

Identycznie postępujemy z reakcjami z wodorotlenkiem sodu, otrzymując ostatecznie :

0,0462 = \frac{3}{2} n_{Al} + n_{Zn} + 2n_{Si}

Natomiast poniższe równanie przekształcimy tak, żeby mieć liczby moli, ponieważ to nimi się ciągle posługujemy :

m_{Zn} + m_{Al} = 0,83 \implies 0,83 = 26,98n_{Al} + 65,38n_{Zn}

Co ostatecznie daje nam układ równań z trzema niewiadomymi :

\begin{cases} 0,0376 =  \frac{3}{2} n_{Al} + n_{Zn} \\0,0462 = \frac{3}{2} n_{Al} + n_{Zn} + 2n_{Si} \\0,83 = 26,98n_{Al} + 65,38n_{Zn}\end{cases}

*Czy wiedzieliście, że jeśli posiadacie kalkulator naukowy, to prawdopodobnie jest tam funkcja obliczania układów równań ( = zaoszczędzenie czasu)?

n_{Al} = 0,0229

n_{Zn} = 3,24 \cdot 10^{-3}

n_{Si} = 4,3 \cdot 10^{-3}

Pamiętając, że masa stopu to 1 gram, dalsze obliczenia są banalne. Ostatecznie skład procentowy tego stopu jest następujący :

\%Al = 61,78 \%

\%Zn = 21,18 \%

\%Si = 12,07 \%

\%Cu = 4,97 \%

d) odpowiedź na to pytanie jest zawarta w notatkach na początku wpisu. LK = 4 , zatem budowa tetraedryczna.

Podobne zadanie możecie znaleźć np. tu : 48 edycja – I etap : zadanie 4

 

At the present time it is of course quite customary for physicists to trespass on chemical ground, for mathematicians to do excellent work in physics, and for physicists to develop new mathematical procedures. … Trespassing is one of the most successful techniques in science. — Wolfgang Köhler

Leave a Reply