Сульфат цинка (ZnSO₄) — неорганическое соединение, цинковая соль серной кислоты. Это белый кристаллический порошок, хорошо растворимый в воде. В формульной единице ZnSO₄ на один атом цинка приходится один атом серы и четыре атома кислорода: катион Zn²⁺ связан ионной связью с сульфат-анионом SO₄²⁻, внутри которого сера соединена с кислородом ковалентными связями. Сульфат цинка применяют в гальванике, сельском хозяйстве, медицине и производстве красок.
Модификации сульфата цинка
Сульфат цинка существует в безводной форме и в виде кристаллогидратов. Устойчивы безводная соль и гидраты с 1, 4, 6 и 7 молекулами воды.
При нагревании гидраты ступенчато теряют воду: гептагидрат переходит в гексагидрат около 38,8 °C, выше 70 °C образуется моногидрат, а полное обезвоживание до ZnSO₄ происходит при 238 °C.
| Молекул воды | 0 |
| Молярная масса | 161,4 г/моль |
| Плотность | 3,54 г/см³ |
| Решётка | ромбическая |
| Цинка в составе | ~40% |
| Молекул воды | 1 |
| Молярная масса | 179,5 г/моль |
| Плотность | 3,20 г/см³ |
| Решётка | моноклинная |
| Цинка в составе | ~36% |
| Молекул воды | 7 |
| Молярная масса | 287,6 г/моль |
| Плотность | 1,96 г/см³ |
| Решётка | ромбическая |
| Цинка в составе | ~23% |
Свойства сульфата цинка
Формула и строение
Химическая формула сульфата цинка — ZnSO₄. Кристаллическая структура состоит из ионов Zn²⁺ и сульфат-ионов SO₄²⁻, связанных ионной связью; внутри сульфат-иона сера соединена с кислородом ковалентно.
Катион цинка — активный комплексообразователь: в водных растворах и кристаллогидратах он координирует вокруг себя до шести молекул воды, образуя аквакомплекс [Zn(H₂O)₆]²⁺. Именно поэтому сульфат цинка легко образует кристаллогидраты: в гептагидрате шесть молекул воды окружают ион цинка, а седьмая удерживается водородными связями с сульфат-ионом.
Физические свойства
Безводный сульфат цинка — белый кристаллический порошок без запаха, гигроскопичен. Моногидрат — белый порошок; зеленоватый или кремовый оттенок технических марок указывает на примеси железа. Гептагидрат (цинковый купорос) — бесцветные прозрачные кристаллы, на сухом воздухе выветриваются с поверхности; желтоватый оттенок технического купороса тоже признак примесей железа, реактивные марки бесцветны.
Растворимость в воде
Раствор сульфата цинка — это водный раствор соли, и неважно, какая форма была растворена: безводная, моногидрат или купорос. В воде все они распадаются на одни и те же ионы Zn²⁺ и SO₄²⁻:
ZnSO₄ → Zn²⁺ + SO₄²⁻
Чистый раствор прозрачный и бесцветный. Помутнение указывает на присутствие основных солей цинка, а зеленоватый оттенок — на примеси железа: для технолога это простейшие визуальные признаки качества раствора. Растворение безводной соли сопровождается заметным нагревом.
| Температура | Растворимость | Твёрдая фаза |
|---|---|---|
| 0 °C | 42 | гептагидрат |
| 20 °C | 54 | гептагидрат |
| 40 °C | 70 | гексагидрат |
| 55–60 °C | ~75 (максимум) | гексагидрат |
| 80 °C | 71 | моногидрат |
| 99 °C | 61 | моногидрат |
Гидролиз и среда раствора
Сульфат цинка — соль слабого основания (гидроксида цинка) и сильной кислоты (серной), поэтому в воде он гидролизуется по катиону — ступенчато и обратимо. Первая стадия в ионной форме:
Zn²⁺ + H₂O ⇌ ZnOH⁺ + H⁺
То же в молекулярной форме:
2ZnSO₄ + 2H₂O ⇌ (ZnOH)₂SO₄ + H₂SO₄
Гидролиз практически останавливается на первой стадии: равновесие сильно смещено в сторону исходной соли, и до образования гидроксида цинка в обычных условиях реакция не доходит. Накапливающиеся ионы H⁺ придают раствору слабокислую реакцию — pH раствора сульфата цинка составляет около 4–5 и не бывает щелочным ни при какой концентрации. Подробно механизм разобран в статье о гидролизе цинка.
Гидролиз усиливается при нагревании и разбавлении, а подавляется добавлением серной кислоты. Это имеет прямое практическое значение: pH сернокислого электролита для цинкования держат на низком уровне, не позволяя гидролизу развиваться и осаждать основные соли цинка — именно они вызывают помутнение электролита.
Растворимость в органических растворителях
Сульфат цинка практически нерастворим в этаноле, метаноле, ацетоне и диэтиловом эфире. Из распространённых растворителей, кроме воды, он заметно растворяется только в глицерине.
Нерастворимость в спирте используют на практике: этанолом промывают кристаллы купороса после перекристаллизации — соль не теряется, а примеси и маточный раствор смываются.
В водном растворе аммиака сульфат цинка растворяется, но это не физическое растворение, а химическая реакция — ион цинка связывается в растворимый аммиачный комплекс:
ZnSO₄ + 4NH₃ → [Zn(NH₃)₄]SO₄
Химические свойства сульфата цинка
Реакции с кислотами
Сульфат цинка — соль сильной серной кислоты, поэтому с кислотами он практически не взаимодействует: более слабая кислота не может вытеснить серную из её соли, а осадки и газы в таких системах не образуются.
Формально записываемый обмен с соляной кислотой ZnSO₄ + 2HCl → ZnCl₂ + H₂SO₄ в растворе не идёт: все четыре вещества — сильные растворимые электролиты, движущей силы нет. При смешивании просто сосуществуют ионы Zn²⁺, Cl⁻, SO₄²⁻ и H⁺. Хлорид цинка получают другим способом — действием соляной кислоты на металлический цинк, его оксид или гидроксид. Ровно то же с азотной кислотой: нитрат цинка получают растворением цинка, оксида или карбоната в HNO₃.
С разбавленной серной кислотой реакции нет — её добавление лишь подавляет гидролиз и снижает pH (с этой целью её и вводят в сернокислые электролиты). Гидросульфат цинка Zn(HSO₄)₂ образуется только с концентрированной серной кислотой. Фосфорная кислота слабее серной и вытеснить её не может: нерастворимый фосфат цинка Zn₃(PO₄)₂ получают не из сульфата, а действием фосфорной кислоты на оксид цинка.
Реакции со щелочами
Сульфат цинка реагирует с растворами щелочей с образованием осадка гидроксида цинка и растворимой соли:
ZnSO₄ + 2NaOH → Zn(OH)₂↓ + Na₂SO₄
Белый студенистый осадок — качественная реакция на ион цинка. С гидроксидом калия всё аналогично: ZnSO₄ + 2KOH → Zn(OH)₂↓ + K₂SO₄.
Важная особенность: гидроксид цинка амфотерен, и в избытке щёлочи осадок растворяется с образованием тетрагидроксоцинката:
Zn(OH)₂ + 2NaOH → Na₂[Zn(OH)₄]
Результат опыта зависит от соотношения реагентов: при недостатке щёлочи выпадает белый осадок, при избытке получается прозрачный раствор цинката. На этом свойстве основаны щелочные (цинкатные) электролиты для цинкования.
Если щёлочи взять недостаточно для полного осаждения, вместо чистого гидроксида выпадают основные сульфаты цинка переменного состава:
4ZnSO₄ + 6NaOH → Zn₄(OH)₆SO₄↓ + 3Na₂SO₄
Именно образование таких основных солей вызывает помутнение сернокислых электролитов при завышенном pH. С гидроксидом кальция осаждаются сразу два продукта: ZnSO₄ + Ca(OH)₂ → Zn(OH)₂↓ + CaSO₄↓.
Реакции с металлами
Возможность реакции определяется рядом активности: вытеснить цинк из раствора его соли может только более активный металл — но не щелочной и не щелочноземельный, поскольку в водном растворе те реагируют прежде всего с водой. Корректный пример — магний:
Mg + ZnSO₄ → MgSO₄ + Zn↓
Натрий, калий, кальций и барий цинк из раствора не вытесняют: они бурно реагируют с водой, а образовавшаяся щёлочь осаждает гидроксид цинка. Например, для бария: Ba(OH)₂ + ZnSO₄ → BaSO₄↓ + Zn(OH)₂↓.
Железо и медь стоят в ряду активности правее цинка и вытеснить его не могут. Для железа это фундаментальный факт цинкования: в гальванической паре цинк—железо растворяется именно цинк, поэтому цинковое покрытие защищает сталь протекторно даже при царапинах и порах.
Сам цинк с раствором собственной соли не реагирует — вытеснить себя металл не может. Однако пара «цинковая пыль + раствор сульфата цинка» широко применяется для цементационной очистки: более благородные примеси (медь, кадмий, никель) осаждаются на поверхности цинковой пыли, а эквивалентное количество цинка переходит в раствор.
Реакции с солями
Обменная реакция между солями в растворе идёт только при образовании осадка, газа или слабого электролита. Для сульфата цинка это означает, что реакция протекает с растворимыми солями бария (осадок BaSO₄) и с карбонатами (осадок ZnCO₃):
ZnSO₄ + BaCl₂ → BaSO₄↓ + ZnCl₂
Это качественная реакция на сульфат-ион: белый осадок сульфата бария не растворяется ни в воде, ни в кислотах. Ею пользуются и в заводских лабораториях для определения сульфатов в электролитах цинкования. Аналогично идёт реакция с нитратом бария.
С карбонатами натрия и калия выпадает карбонат цинка (на практике — основные карбонаты переменного состава):
ZnSO₄ + Na₂CO₃ → ZnCO₃↓ + Na₂SO₄
Со всеми остальными растворимыми солями смешивание растворов к реакции не приводит.
Сводная таблица: с чем реагирует сульфат цинка
Ниже собраны самые частые пары веществ с участием сульфата цинка и его соединений — с указанием, идёт ли реакция и почему.
Получение сульфата цинка
Лабораторные способы
Сульфат цинка получают действием серной кислоты на цинк или его соединения. Растворением металлического цинка — с выделением водорода:
Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂↑
Растворением оксида цинка — реакция нейтрализации, водород не выделяется:
ZnO + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂O
Растворением гидроксида цинка:
Zn(OH)₂ + H₂SO₄ → ZnSO₄ + 2H₂O
Методика получения из оксида цинка
В колбу помещают оксид цинка и добавляют разбавленную серную кислоту, нагревают смесь до 80–90 °C и перемешивают до растворения оксида. Раствор фильтруют от нерастворившихся частиц и охлаждают. При охлаждении ниже 38,8 °C кристаллизуется гептагидрат — цинковый купорос ZnSO₄·7H₂O.
Кристаллы отфильтровывают и промывают этанолом или небольшим количеством ледяной воды. Тёплой водой промывать нельзя: сульфат цинка хорошо растворяется, и продукт уйдёт в промывные воды.
Реакция цинка с сульфатом меди
Классический школьный способ получить сульфат цинка — реакция замещения:
Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu↓
При погружении цинка в раствор сульфата меди(II) на поверхности металла образуется красно-бурый налёт меди, а раствор постепенно теряет голубую окраску: ионы Cu²⁺ уходят из раствора, замещаясь бесцветными ионами Zn²⁺. Движущая сила — разница электродных потенциалов: у цинка −0,76 В, у меди +0,34 В, поэтому более активный цинк переходит в раствор, а медь восстанавливается до металла.
Обратная реакция невозможна: медь не вытесняет цинк из сульфата цинка, поскольку стоит в ряду активности правее. Никакого самопроизвольного «цикла» из прямой и обратной реакций не существует.
Эта же реакция работает в промышленности как цементационная очистка растворов сульфата цинка от примесей меди — по сути вытеснение меди цинковой пылью. А если цинк и медь разделить растворами их сульфатов и соединить внешней цепью, получится гальванический элемент Даниэля, на котором в учебниках объясняют электрохимию.
Промышленное производство
Обжиг с последующим выщелачиванием — основная схема. Сульфидный цинковый концентрат (сфалерит ZnS) обжигают в печах кипящего слоя при 900–950 °C:
2ZnS + 3O₂ → 2ZnO + 2SO₂↑
Образующийся сернистый газ направляют на производство серной кислоты — той самой, которой затем выщелачивают огарок:
ZnO + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂O
Раствор очищают: железо окисляют и осаждают гидролизом, медь и кадмий удаляют цементацией на цинковой пыли. Очищенный раствор либо направляют на электролиз для получения металлического цинка, либо упаривают и кристаллизуют из него купорос.
Автоклавное окислительное выщелачивание — более современная схема без обжига. Концентрат обрабатывают серной кислотой под давлением кислорода при температуре около 150 °C:
ZnS + H₂SO₄ + ½O₂ → ZnSO₄ + S↓ + H₂O
Сера выделяется в элементарной форме, а не в виде сернистого газа — это главное экологическое преимущество метода.
Переработка вторичного сырья. Сульфат цинка получают также из цинксодержащих отходов: огарка, гарцинка, пыли сталеплавильного производства. Их обрабатывают серной кислотой, а растворы очищают по той же схеме.
Товарные формы продукта: цинковый купорос ZnSO₄·7H₂O (кристаллизация из раствора) и моногидрат ZnSO₄·H₂O (сушка при повышенной температуре) — он выгоднее при транспортировке, так как содержит больше цинка на тонну.
Электролиз раствора сульфата цинка
При электролизе раствора сульфата цинка с нерастворимыми анодами на катоде выделяется металлический цинк, на аноде — кислород.
На катоде восстанавливаются ионы цинка:
Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn
Параллельно частично выделяется водород (2H⁺ + 2e⁻ → H₂↑). Осадить цинк из кислого раствора удаётся только благодаря высокому перенапряжению выделения водорода на цинке — без этого явления выделялся бы один водород. Доля тока, идущая на осаждение металла, называется выходом по току; при промышленном электролизе цинка она составляет порядка 88–93%.
На аноде сульфат-ион не окисляется — окисляется вода:
2H₂O − 4e⁻ → O₂↑ + 4H⁺
Суммарное уравнение электролиза:
2ZnSO₄ + 2H₂O → 2Zn + O₂↑ + 2H₂SO₄
Цепочки превращений соединений цинка
Сульфат, оксид и гидроксид цинка связаны замкнутым циклом взаимных превращений: из сульфата щёлочью осаждают гидроксид, из гидроксида прокаливанием получают оксид, а оксид и гидроксид при растворении в серной кислоте снова дают сульфат.
Лабораторная цепочка ZnCl₂ → Zn(OH)₂ → ZnSO₄
- Растворите хлорид цинка в воде до концентрации около 1 М при перемешивании.
- По каплям добавляйте гидроксид натрия — выпадет белый осадок: ZnCl₂ + 2NaOH → Zn(OH)₂↓ + 2NaCl. Щёлочь добавляйте только до полного осаждения: избыток недопустим, гидроксид цинка амфотерен и растворится с образованием цинката.
- Отфильтруйте осадок и промойте дистиллированной водой от хлоридов и остатков щёлочи (гидроксид цинка нерастворим, потерь не будет).
- Растворите промытый осадок в разбавленной серной кислоте: Zn(OH)₂ + H₂SO₄ → ZnSO₄ + 2H₂O.
- Упарьте раствор и охладите ниже 38,8 °C — кристаллизуется купорос ZnSO₄·7H₂O. Кристаллы отфильтруйте и промойте этанолом.
Итог: ZnCl₂ → Zn(OH)₂ → ZnSO₄. Чтобы замкнуть кольцо на оксиде, прокалите часть гидроксида выше 125 °C (Zn(OH)₂ → ZnO + H₂O), а полученный оксид растворите в серной кислоте — снова образуется сульфат.
Цепочка ZnSO₄ → Zn → ZnCl₂ → Zn(OH)₂
Здесь промежуточным звеном служит металлический цинк. Сначала его получают электролизом раствора сульфата (2ZnSO₄ + 2H₂O → 2Zn + O₂↑ + 2H₂SO₄), затем растворяют в разбавленной соляной кислоте (Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑ — реакцию ведут без открытого огня, водород горюч), а из хлорида действием щёлочи осаждают гидроксид (ZnCl₂ + 2NaOH → Zn(OH)₂↓ + 2NaCl).
Замкнуть цепочку обратно на сульфат можно растворением гидроксида в серной кислоте.
Сравнение с хлоридом и гидроксидом цинка
В растворе эти соединения друг с другом не реагируют: у всех троих один и тот же катион, обмениваться нечем. Распространённые в интернете уравнения с «хлорсульфатом цинка» и подобными продуктами — ошибка, таких реакций не существует.
Реальное взаимодействие этих веществ приводит к образованию основных солей. При частичном подщелачивании растворов сульфата осаждаются основные сульфаты цинка переменного состава (например, ZnSO₄·3Zn(OH)₂) — именно они вызывают помутнение сернокислых электролитов при повышенном pH. А основной хлорид цинка Zn₅(OH)₈Cl₂·H₂O (минерал симонколлиит) — главный компонент белых продуктов коррозии цинка в хлоридных средах: он образуется на оцинкованных поверхностях у моря и на дорогах, обработанных противогололёдными реагентами.
Применение сульфата цинка
Сульфат цинка в гальванике
Главное промышленное применение сульфата цинка — основа сернокислых электролитов цинкования. В простом кислом электролите цинк присутствует в виде гептагидрата ZnSO₄·7H₂O; типовая концентрация купороса — порядка 200–300 г/л. Соль служит источником ионов Zn²⁺, которые осаждаются на детали, а серная кислота и проводящие добавки (сульфат натрия или алюминия, буферирующие соединения) поддерживают электропроводность и стабильный pH.
Сернокислые электролиты ценят за простоту состава, дешевизну и высокий выход по току. При этом они дают сравнительно грубый осадок и хуже рассеивают ток, чем хлоридные и щелочные, поэтому применяются в основном для деталей простой формы, ленты и проволоки. Как параметры ванны связаны между собой, разобрано в статье о характеристиках электролита цинкования.
После цинкования покрытие пассивируют (хроматируют) — именно на этом этапе определяется долговечность антикоррозионной защиты.
Марки и стандарты
В России сульфат цинка выпускают по двум основным стандартам — в зависимости от назначения.
Технический цинковый купорос — ГОСТ 8723-82 «Купорос цинковый. Технические условия». Это гептагидрат ZnSO₄·7H₂O, бесцветные кристаллы плотностью 1,96 г/см³. Выпускается по сортам; применяется в сельском хозяйстве, флотации руд, производстве вискозы и других технических целях. Содержание цинка в товарном продукте — около 18–22%.
Реактивный сульфат цинка — ГОСТ 4174-77 «Реактивы. Цинк сернокислый 7-водный. Технические условия». Тот же гептагидрат, но реактивной чистоты: марки «ч» (чистый), «чда» (чистый для анализа), «хч» (химически чистый). Применяется в лабораторной практике и точных производствах, включая приготовление гальванических электролитов.
Для медицинского и фармацевтического применения сульфат цинка выпускают по отдельным фармакопейным требованиям.
Безопасность и хранение
По степени воздействия на организм цинковый купорос относится ко 2-му классу опасности (вещества высокоопасные). Несмотря на то что цинк — необходимый организму микроэлемент, концентрированный сульфат цинка требует осторожного обращения.
Действие на человека. При попадании на кожу вызывает раздражение и изъязвления — характерные язвочки, которые в практике называют «птичьими глазками»; тыльная сторона кистей поражается чаще ладоней. Аэрозоль и пыль при постоянном вдыхании поражают слизистые дыхательных путей, вызывая их атрофию и эрозии. Проглатывание концентрированного раствора или порошка вызывает раздражение желудочно-кишечного тракта.
Меры защиты. Работать в перчатках, защитных очках и респираторе при контакте с порошком и аэрозолями; на гальванических участках предусматривать местную вытяжную вентиляцию над ваннами; после работы мыть руки.
Хранение. В сухих закрытых помещениях, в плотно укупоренной таре. Купорос гигроскопичен и одновременно выветривается на воздухе (теряет кристаллизационную воду с поверхности), поэтому открытое хранение недопустимо. Беречь от попадания в водоёмы — соединения цинка токсичны для водных организмов.
Новые разработки
Водные цинк-ионные аккумуляторы. Самое активное направление последних лет. В качестве электролита используют водные растворы сульфата цинка — нетоксичные, негорючие, с pH, близким к нейтральному, что выгодно отличает их от органических электролитов литий-ионных батарей. Интерес объясняется дешевизной и безопасностью: запасы цинка велики, теоретическая ёмкость достигает 819 мА·ч/г при электродном потенциале −0,76 В. Основная нерешённая проблема — рост дендритов на цинковом аноде и побочное выделение водорода.
Биосовместимые источники тока. На основе цинка разрабатывают саморассасывающиеся батареи для медицинских имплантатов: после выполнения функции они растворяются в организме, выделяя безвредные ионы цинка. Отдельное направление — гелевые электролиты на основе сульфата цинка для гибких и носимых устройств.
Наноматериалы. Сульфат цинка служит прекурсором для синтеза наноструктур оксида цинка: из нанопластинок основного сульфата термическим разложением получают пористые листы ZnO — материал для сенсоров, катализаторов и защитных покрытий электродов.
Задачи с решениями
Сульфат цинка — одно из ключевых соединений цинка в школьном и вузовском курсе химии. Разберём типовые задачи с подробными решениями.
Задача 1. Сульфат цинка и гидроксид натрия
Условие. Запишите молекулярное, полное и сокращённое ионное уравнения реакции между сульфатом цинка и гидроксидом натрия (при недостатке щёлочи).
Решение. При взаимодействии с небольшим количеством NaOH выпадает белый осадок гидроксида цинка.
Молекулярное: ZnSO₄ + 2NaOH → Zn(OH)₂↓ + Na₂SO₄
Полное ионное: Zn²⁺ + SO₄²⁻ + 2Na⁺ + 2OH⁻ → Zn(OH)₂↓ + 2Na⁺ + SO₄²⁻
Сокращённое ионное: Zn²⁺ + 2OH⁻ → Zn(OH)₂↓
Ответ: ионы Na⁺ и SO₄²⁻ — наблюдатели, в реакции не участвуют.
Задача 2. Сульфат цинка и избыток щёлочи
Условие. Что произойдёт, если к сульфату цинка добавить избыток гидроксида натрия?
Решение. Реакция идёт в две стадии. Сначала выпадает белый осадок: Zn²⁺ + 2OH⁻ → Zn(OH)₂↓. Затем гидроксид цинка как амфотерное соединение растворяется: Zn(OH)₂ + 2OH⁻ → [Zn(OH)₄]²⁻.
Суммарное уравнение: ZnSO₄ + 4NaOH(избыток) → Na₂[Zn(OH)₄] + Na₂SO₄
Ответ: при недостатке щёлочи выпадает осадок, при избытке он растворяется — признак амфотерности.
Задача 3. Среда раствора сульфата цинка
Условие. Какую среду имеет водный раствор сульфата цинка? Объясните.
Решение. ZnSO₄ — соль слабого основания Zn(OH)₂ и сильной кислоты H₂SO₄, поэтому гидролизуется по катиону: Zn²⁺ + H₂O ⇌ ZnOH⁺ + H⁺. Образование ионов H⁺ объясняет кислую реакцию.
Ответ: среда кислая, pH около 4–5.
Задача 4. Реакция вытеснения из сульфата меди
Условие. Что произойдёт, если в раствор сульфата меди(II) опустить цинковую пластинку?
Решение. Цинк активнее меди и вытесняет её из соли: Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu↓. На пластинке выделяется красноватый налёт меди, голубой раствор обесцвечивается.
Ответ: образуется сульфат цинка и металлическая медь.
Задача 5. Цинк и сульфат железа(II)
Условие. Реагирует ли цинк с раствором сульфата железа(II)?
Решение. Да: цинк активнее железа и вытесняет его из раствора соли — Zn + FeSO₄ → ZnSO₄ + Fe↓. Обратная реакция невозможна. На этом же принципе основана протекторная защита стали цинком.
Ответ: реакция идёт, выделяется металлическое железо.
Задача 6. Качественная реакция на сульфат-ион
Условие. Как доказать, что в растворе присутствует сульфат-ион?
Решение. Добавляют раствор хлорида бария: ZnSO₄ + BaCl₂ → BaSO₄↓ + ZnCl₂. Сокращённое ионное: Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓.
Ответ: белый осадок, не растворяющийся в кислотах, — признак сульфат-иона.
Задача 7. Массовая доля цинка в сульфате цинка
Условие. Вычислите массовую долю цинка в безводном сульфате цинка.
Решение. M(ZnSO₄) = 65,38 + 32,06 + 4 × 16,00 = 161,44 г/моль. ω(Zn) = 65,38 / 161,44 × 100% ≈ 40,5%.
Ответ: около 40,5%.
Задача 8. Сульфат цинка и серная кислота
Условие. Реагирует ли сульфат цинка с серной кислотой?
Решение. Нет. Сульфат цинка — соль серной кислоты, и добавление той же кислоты к реакции не приводит: нельзя вытеснить кислоту из её собственной соли. Ни осадка, ни газа, ни слабого электролита не образуется.
Ответ: реакция не протекает.
Задача 9. Сульфат цинка и хлорид бария
Условие. Что образуется при сливании растворов сульфата цинка и хлорида бария?
Решение. Реакция идёт за счёт образования нерастворимого сульфата бария: ZnSO₄ + BaCl₂ → BaSO₄↓ + ZnCl₂. Хлорид цинка остаётся в растворе.
Ответ: выпадает белый осадок BaSO₄.
Задача 10. Реагирует ли сульфат цинка с сульфатом натрия
Условие. Произойдёт ли реакция при смешивании растворов сульфата цинка и сульфата натрия?
Решение. Нет. Обе соли растворимы, у них общий анион, и в растворе оказываются ионы Zn²⁺, Na⁺ и SO₄²⁻, которым не из чего образовать осадок, газ или слабый электролит.
Ответ: реакция не идёт — нет движущей силы.
Задача 11. Реагирует ли цинк с сульфатом натрия или калия
Условие. Вытеснит ли цинк натрий из раствора сульфата натрия?
Решение. Нет. Вытеснить металл из соли может только более активный металл, а натрий и калий значительно активнее цинка. Более того, сами натрий и калий в растворе реагировали бы с водой, а не с солью.
Ответ: реакция не идёт.
Задача 12. Цинк и сульфат железа(III)
Условие. Что происходит при добавлении цинка в раствор сульфата железа(III)?
Решение. Реакция идёт в две ступени. Сначала цинк восстанавливает Fe³⁺ до Fe²⁺: Zn + Fe₂(SO₄)₃ → ZnSO₄ + 2FeSO₄. При избытке цинка железо восстанавливается дальше, до металла: Zn + FeSO₄ → ZnSO₄ + Fe↓.
Ответ: при недостатке цинка образуется сульфат железа(II), при избытке выделяется металлическое железо.
Задача 13. Получение сульфата цинка
Условие. Какими способами можно получить сульфат цинка? Запишите уравнения.
Решение. Действием серной кислоты на цинк или его соединения: Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂↑; ZnO + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂O; Zn(OH)₂ + H₂SO₄ → ZnSO₄ + 2H₂O.
Ответ: три способа; в промышленности преобладает получение из оксида цинка и обожжённого сырья.
Задача 14. Расчёт массы сульфата цинка из металла
Условие. Какая масса сульфата цинка образуется при растворении 13 г цинка в избытке серной кислоты?
Решение. Уравнение: Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂↑. n(Zn) = 13 / 65,38 ≈ 0,199 моль. По уравнению n(ZnSO₄) = n(Zn) = 0,199 моль. m(ZnSO₄) = 0,199 × 161,44 ≈ 32,1 г.
Ответ: около 32 г.
Задача 15. Расчёт по раствору заданной концентрации
Условие. Сколько граммов сульфата цинка нужно для приготовления 200 г 5%-ного раствора?
Решение. m(ZnSO₄) = m(раствора) × ω = 200 × 0,05 = 10 г. Значит, нужно растворить 10 г соли в 190 г воды.
Ответ: 10 г сульфата цинка.
Часто задаваемые вопросы
Сульфат цинка и цинковый купорос — это одно и то же?
Цинковый купорос — конкретная форма сульфата цинка, его гептагидрат ZnSO₄·7H₂O. Сам сульфат цинка существует и в безводном виде, и в виде других гидратов, но в продаже под «сульфатом цинка» чаще всего понимают именно купорос.
Ядовит ли сульфат цинка?
Да, купорос относится ко 2-му классу опасности. При попадании на кожу вызывает раздражение и язвочки, аэрозоль и пыль поражают слизистые дыхательных путей. Работать нужно в перчатках, очках и респираторе. При этом сам цинк в малых дозах — необходимый организму микроэлемент.
Какого цвета сульфат цинка?
Чистый сульфат цинка бесцветный или белый. Голубой цвет имеет другое вещество — медный купорос CuSO₄·5H₂O, их часто путают. Зеленоватый или жёлтый оттенок технического продукта указывает на примеси железа.
Почему мутнеет раствор сульфата цинка?
Помутнение вызывает гидролиз: при недостатке кислоты из раствора выделяются нерастворимые основные соли цинка. Поэтому в сернокислых электролитах pH поддерживают подкислением.
Какую среду имеет раствор сульфата цинка?
Только кислую, pH около 4–5. Это результат гидролиза по катиону цинка. Щелочным раствор сульфата цинка не бывает ни при какой концентрации.
Растворяется ли сульфат цинка в спирте?
Нет. В этаноле и других органических растворителях он практически нерастворим — хорошо растворяется только в воде и глицерине. На этом основана промывка кристаллов спиртом без потерь продукта.
Что значит «сульфат цинка 2»?
Цифра обозначает степень окисления цинка(II). Во всех своих солях цинк имеет степень окисления +2, поэтому «сульфат цинка(II)» и «сульфат цинка» — одно и то же вещество.
Зачем сульфат цинка нужен в гальванике?
Он служит источником ионов цинка в сернокислых электролитах. Растворённый купорос поставляет ионы Zn²⁺, которые при электролизе осаждаются на детали в виде защитного покрытия.
Словарь терминов
- Сульфат цинка (ZnSO₄) — цинковая соль серной кислоты, сернокислый цинк. Белое кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде.
- Цинковый купорос — торговое название гептагидрата ZnSO₄·7H₂O, основной товарной формы.
- Кристаллогидрат — соединение, в решётке которого содержатся молекулы воды; у сульфата цинка известны моно-, тетра-, гекса- и гептагидрат.
- Безводная соль — соль без кристаллизационной воды, получаемая прокаливанием гидратов.
- Гидролиз — взаимодействие соли с водой; для сульфата цинка идёт по катиону и придаёт раствору кислую реакцию.
- Амфотерность — способность соединения проявлять и кислотные, и основные свойства; гидроксид цинка растворяется и в кислотах, и в избытке щёлочи.
- Цинкат — соль, образующаяся при растворении гидроксида цинка в щёлочи, например Na₂[Zn(OH)₄].
- Основная соль — соль, содержащая помимо кислотного остатка гидроксогруппы; основные сульфаты цинка вызывают помутнение электролитов.
- Электродный потенциал — величина, характеризующая способность металла отдавать электроны; у цинка −0,76 В.
- Ряд активности металлов — последовательность металлов по убыванию активности; металл вытесняет из раствора соли только тот, что стоит правее него.
- Цементация — вытеснение менее активного металла из раствора более активным; цинковой пылью очищают электролиты от меди и кадмия.
- Выход по току — доля тока, идущая на осаждение металла, в процентах.
- Литопон — белый пигмент, смесь ZnS и BaSO₄, получаемая из сульфата цинка и сульфида бария.
- Сернокислый электролит — кислый электролит цинкования на основе ZnSO₄·7H₂O и серной кислоты.