Соединения цинка

Соединения цинка — это обширная группа веществ, в которую входит более 300 неорганических и органических соединений, находящих применение в промышленности, медицине, сельском хозяйстве и науке. Цинк — переходный металл, и почти во всех своих соединениях он проявляет постоянную степень окисления +2, образуя катион Zn²⁺. Соединения цинка(I) в обычных условиях не существуют, поэтому, когда говорят о соединениях цинка, по умолчанию подразумевают именно цинк в степени окисления +2.

Соединения цинка

Классификация

Класс соединений	Представители	Характеристика
Бинарные соединения	оксид ZnO, сульфид ZnS, селенид ZnSe, нитрид Zn₃N₂, галогениды (хлорид ZnCl₂, бромид ZnBr₂, йодид ZnI₂)	Цинк в соединении с одним другим элементом
Гидроксид	Zn(OH)₂	Амфотерное основание, реагирует и с кислотами, и со щелочами
Соли кислородсодержащих кислот	сульфат ZnSO₄, нитрат Zn(NO₃)₂, карбонат ZnCO₃, фосфат Zn₃(PO₄)₂, ацетат Zn(CH₃COO)₂	Самый многочисленный класс соединений цинка
Комплексные соединения	[Zn(NH₃)₄]²⁺, [Zn(OH)₄]²⁻	Цинк — центральный атом в комплексном ионе
Органоцинковые соединения	диэтилцинк (C₂H₅)₂Zn, диметилцинк (CH₃)₂Zn	Содержат связь цинк–углерод, применяются в органическом синтезе

По характеру химической связи соединения цинка делятся на две большие группы. Ионные соединения образуются, когда цинк отдаёт два валентных электрона и связывается с отрицательно заряженными ионами; к ним относятся оксид цинка ZnO, хлорид цинка ZnCl₂, сульфат цинка ZnSO₄ и многие соли.

Помимо простых ионных солей, цинк образует комплексные соединения (например, аммиачный комплекс [Zn(NH₃)₄]²⁺ и гидроксокомплекс [Zn(OH)₄]²⁻), а также органические соединения — органоцинковые, в которых атом цинка связан с углеродом. Такое разнообразие объясняется химической активностью цинка и его способностью вступать в реакции со множеством элементов и веществ.

Химические соединения цинка

1. Оксид цинка (ZnO) — порошок белого цвета, желтеющий при нагревании (это обратимое свойство: остывая, он снова белеет). Одно из важнейших соединений цинка. Оксид цинка амфотерен — реагирует и с кислотами, и со щелочами, а по электрическим свойствам это не проводник, а полупроводник с широкой запрещённой зоной (около 3,3 эВ), что используется в электронике и оптике. Применяют его очень широко: как белый пигмент (цинковые белила), активатор вулканизации в производстве резины, UV-фильтр в солнцезащитной косметике, компонент керамики и стекла, а также в медицине — в составе мазей, паст и присыпок. Получают оксид цинка сжиганием металлического цинка в кислороде, а также прокаливанием карбоната или гидроксида цинка:

2Zn + O₂ → 2ZnO

2. Сульфид цинка (ZnS) — белый или слегка желтоватый кристаллический порошок, нерастворимый в воде. Это полупроводник, способный люминесцировать, поэтому его применяют в люминофорах, светящихся составах, экранах и фотоэлементах. В виде смеси с сульфатом бария (литопон) сульфид цинка служит укрывистым белым пигментом для красок, пластмасс и резины. В природе встречается как минералы сфалерит и вюрцит и является главным сырьём для получения металлического цинка. Получают сульфид цинка прямым взаимодействием цинка с серой или осаждением сероводородом из растворов солей цинка:

Zn + S → ZnS

3. Сульфат цинка (ZnSO₄) — белый кристаллический порошок, хорошо растворимый в воде; обычно существует в виде кристаллогидрата ZnSO₄·7H₂O (цинковый купорос). Его применяют в медицине (антисептик, глазные капли), в сельском хозяйстве как микроудобрение, при флотации руд, в производстве вискозы и в гальванике как компонент электролитов. В разбавленной серной кислоте цинк растворяется с выделением водорода:

Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂↑

С концентрированной серной кислотой реакция идёт иначе: цинк как активный металл восстанавливает серу из степени окисления +6 до +4, и вместо водорода выделяется диоксид серы:

Zn + 2H₂SO₄ (конц.) → ZnSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O

Выделяющийся диоксид серы — ценное сырьё для получения серной кислоты.

4. Карбонат цинка (ZnCO₃) — белый кристаллический порошок без запаха, практически нерастворимый в воде. Его применяют в производстве лакокрасочных материалов, пластмасс и резины, как наполнитель и пигмент, а также как сырьё для получения оксида цинка. В природе встречается в виде минерала смитсонита. В лаборатории карбонат цинка получают обменной реакцией растворимой соли цинка с растворимым карбонатом — например, хлорида цинка с содой:

ZnCl₂ + Na₂CO₃ → ZnCO₃↓ + 2NaCl

5. Хлорид цинка (ZnCl₂) — белый кристаллический порошок, очень хорошо растворимый в воде и крайне гигроскопичный (расплывается на воздухе). Это одно из самых востребованных соединений цинка: его применяют как флюс при пайке и лужении, антисептик и консервант для древесины, протраву в текстильном деле, компонент электролитов и катализатор в органическом синтезе. Получают хлорид цинка растворением металлического цинка в соляной кислоте:

Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑

6. Нитрат цинка (Zn(NO₃)₂) — белый кристаллический порошок, хорошо растворимый в воде, обычно существует в виде кристаллогидрата Zn(NO₃)₂·6H₂O. Его используют как микроудобрение, протраву при крашении тканей, компонент пиротехнических составов и реактив в химических синтезах. Получают нитрат цинка растворением оксида, гидроксида или карбоната цинка в азотной кислоте:

ZnO + 2HNO₃ → Zn(NO₃)₂ + H₂O

7. Нитрид цинка (Zn₃N₂) — бинарное неорганическое соединение из трёх атомов цинка и двух атомов азота, тёмно-серое твёрдое вещество с полупроводниковыми свойствами. Его применяют в электронике и при создании полупроводниковых структур. Получают нитрид цинка нагреванием цинка в атмосфере азота или аммиака:

3Zn + N₂ → Zn₃N₂

Основные свойства нитрида цинка:

• Твёрдое вещество — тёмно-серый или почти чёрный кристаллический порошок.
• Полупроводник — обладает полупроводниковыми свойствами и представляет интерес для электроники и оптоэлектроники.
• Реакция с водой — в отличие от утверждения о «нерастворимости», нитрид цинка гидролизуется водой, особенно при нагревании, с выделением аммиака:

Zn₃N₂ + 6H₂O → 3Zn(OH)₂ + 2NH₃↑

• Термическая нестабильность — при сильном нагревании разлагается, поэтому к «жаростойким» материалам его не относят.

8. Ацетат цинка (Zn(CH₃COO)₂) — белый кристаллический порошок, растворимый в воде и спирте, обычно в виде дигидрата Zn(CH₃COO)₂·2H₂O. Его применяют как протраву при крашении, консервант древесины, катализатор и промежуточный продукт в производстве лаков и других соединений цинка, а также в медицине как вяжущее средство. Получают ацетат цинка растворением цинка, его оксида или карбоната в уксусной кислоте:

Zn + 2CH₃COOH → Zn(CH₃COO)₂ + H₂↑

9. Фосфат цинка (Zn₃(PO₄)₂) — белый кристаллический порошок, нерастворимый в воде, но растворимый в кислотах. Это средний (трёхзамещённый) фосфат цинка — его правильнее называть ортофосфатом цинка, а не «трибазическим». Главное применение — антикоррозионный пигмент для грунтовок и эмалей по металлу, а также основа стоматологического цинк-фосфатного цемента. Получают его осаждением из растворов солей цинка растворимым фосфатом или взаимодействием оксида цинка с фосфорной кислотой:

3ZnO + 2H₃PO₄ → Zn₃(PO₄)₂↓ + 3H₂O

Помимо среднего фосфата, фосфорная кислота даёт с цинком и кислые соли: гидрофосфат цинка ZnHPO₄ (замещены два атома водорода) и дигидрофосфат цинка Zn(H₂PO₄)₂ (замещён один). Они лучше растворимы и имеют более узкое применение. Распространённые в сети записи вида «Zn + H₂PO₄⁻ → Zn(H₂PO₄)₂ + H₂» некорректны и не сбалансированы.

10. Гидроксид цинка (Zn(OH)₂) — белый студенистый осадок, нерастворимый в воде. Образуется при действии щёлочи на растворимую соль цинка:

ZnCl₂ + 2NaOH → Zn(OH)₂↓ + 2NaCl

Гидроксид цинка амфотерен — растворяется и в кислотах (как основание), и в щелочах (как кислота, с образованием цинката). Применяется как пигмент, наполнитель, адсорбент и промежуточный продукт. Важно: никакого отдельного «дигидроксида цинка» с той же формулой Zn(OH)₂, образующегося при реакции цинка с соляной кислотой, не существует — это ошибка. Цинк с соляной кислотой даёт хлорид цинка и водород, а не гидроксид.

11. Гидроксоцинкаты (цинкаты) — соли, в которых цинк входит в состав комплексного аниона. Они образуются не при действии кислоты, как иногда ошибочно пишут, а при растворении амфотерного гидроксида цинка в избытке щёлочи:

Zn(OH)₂ + 2NaOH → Na₂[Zn(OH)₄]

Здесь образуется тетрагидроксоцинкат натрия. От гидроксоцинкатов следует отличать основные соли цинка — например, гидроксосульфат, который получается при недостатке кислоты, а не её избытке. Это разные классы соединений, и их часто путают.

12. Селенид цинка (ZnSe) — кристаллическое вещество от жёлтого до оранжевого цвета, полупроводник. Его применяют в инфракрасной оптике (линзы, окна для CO₂-лазеров), в производстве светодиодов и других оптоэлектронных приборов. Получают селенид цинка взаимодействием цинка с селеном или осаждением из растворов.

Органические соединения цинка

Помимо неорганических, цинк образует органические соединения цинка, которые называют органоцинковыми. В них атом цинка связан непосредственно с атомом углерода органической группы; общая формула — R–Zn–R′, где R и R′ — органические радикалы (алкильные, арильные и другие). Это первый класс металлоорганических соединений, полученный в истории химии: диэтилцинк был синтезирован Эдуардом Франклендом ещё в 1849 году.

Наиболее известные представители — диэтилцинк (C₂H₅)₂Zn и диметилцинк (CH₃)₂Zn. Это летучие жидкости с резким запахом, чрезвычайно химически активные. Их главные особенности:

• Пирофорность — самовоспламеняются на воздухе, поэтому работают с ними только в инертной атмосфере (азот, аргон) и без доступа влаги.
• Бурная реакция с водой — мгновенно разлагаются водой с выделением углеводорода, поэтому хранят их в безводных условиях.
• Применение в синтезе — служат реагентами для введения алкильных групп в органические молекулы и катализаторами; диэтилцинк используют также в тонком химическом синтезе и при производстве некоторых полимеров.

Органоцинковые соединения мягче и селективнее, чем более активные магний- и литийорганические реагенты, что и делает их ценными в органическом синтезе. Из-за пирофорности и токсичности работа с ними требует специальной техники безопасности и подготовки.

 Соединения, которые встречаются в природе

В природе цинк почти не встречается в свободном виде — он входит в состав минералов, главным образом сульфидных и карбонатных. Важнейшие из них:

• Сфалерит (цинковая обманка) — минерал состава сульфид цинка ZnS, бывает жёлтой, бурой, коричневой или почти чёрной окраски. Это самый распространённый цинковый минерал и основной промышленный источник цинка в мире. Его кубическая разновидность называется сфалеритом, а более редкая гексагональная — вюрцитом.
• Смитсонит — минерал состава карбонат цинка ZnCO₃ (а вовсе не «оксид цинка и меди»). Обычно белый, серый, желтоватый или зеленоватый; это вторая по значению цинковая руда после сфалерита.
• Цинкит — минерал состава оксид цинка ZnO, красно-оранжевого цвета; встречается реже, но представляет интерес как природный оксид цинка.
• Гемиморфит и каламин — водные силикаты цинка; в старой литературе «каламином» называли как силикатные, так и карбонатные руды цинка.
• Франклинит — сложный оксид цинка, марганца и железа, по составу близкий к шпинелям.

Активность цинка определяет возможность вступать в реакции с большим количеством различных элементов. Поэтому соединения цинка так многочисленны и разнообразны.

Применение соединений цинка

Применение соединений цинка охватывает практически все отрасли — от тяжёлой промышленности до медицины и электроники.

Отрасль	Соединения	Применение
Лакокрасочная и резиновая промышленность	оксид, сульфид, литопон, фосфат цинка	Белый пигмент (цинковые белила), активатор вулканизации резины, антикоррозионный пигмент в грунтовках и эмалях
Медицина и фармацевтика	оксид, сульфат, фосфат, ацетат, хелаты цинка	Мази, пасты и присыпки, антисептик и глазные капли, стоматологический цемент, источник цинка в БАДах
Сельское хозяйство	сульфат, нитрат цинка	Микроудобрения и кормовые добавки, восполняющие дефицит цинка у растений и животных
Электроника и оптика	сульфид, селенид, нитрид цинка	Люминофоры, светодиоды, фотоэлементы и экраны, инфракрасная оптика и лазерная техника
Гальваника и металлообработка	сульфат, хлорид цинка	Компоненты электролитов цинкования, флюс при пайке и лужении, протрава в металлообработке
Химическая промышленность	хлорид, органоцинковые соединения	Катализатор и водоотнимающее средство, реагенты в органическом синтезе, промежуточные продукты

Такое широкое применение объясняется сочетанием полезных свойств: оптической белизны оксида и сульфида, полупроводниковых свойств халькогенидов, антикоррозионного действия фосфата и биологической роли цинка как незаменимого микроэлемента.

Задачи с решениями

Задача 1. Степень окисления цинка в соединениях. 

Определите степень окисления цинка в ZnO, ZnCl₂, ZnSO₄ и в ионе [Zn(OH)₄]²⁻.

Решение. Цинк во всех устойчивых соединениях проявляет постоянную степень окисления +2. Проверим по электронейтральности: в ZnO кислород −2, значит цинк +2; в ZnCl₂ два хлора по −1 дают −2, значит цинк +2; в ZnSO₄ сульфат-ион SO₄²⁻ несёт заряд −2, значит цинк +2; в комплексном ионе [Zn(OH)₄]²⁻ четыре гидроксогруппы по −1 дают −4, а суммарный заряд иона −2, поэтому цинк +2.

 Ответ: во всех случаях +2.

Задача 2. Составление формулы соединения.

 Составьте формулу соединения цинка с хлором, с серой и с кислородом.

Решение. Цинк двухвалентен (Zn²⁺). Хлор одновалентен (Cl⁻) — на один ион цинка нужно два хлорид-иона: ZnCl₂. Сера в сульфиде двухвалентна (S²⁻) — соотношение 1:1: ZnS. Кислород двухвалентен (O²⁻) — соотношение 1:1: ZnO.

 Ответ: ZnCl₂, ZnS, ZnO.

Задача 3. Реакция соединения цинка с соляной кислотой.

Какой объём водорода (н. у.) выделится при растворении 13 г цинка в избытке соляной кислоты?

Решение. Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑. Молярная масса цинка 65 г/моль, значит n(Zn) = 13 / 65 = 0,2 моль. По уравнению из 1 моль цинка выделяется 1 моль водорода, поэтому n(H₂) = 0,2 моль. Объём: V = 0,2 · 22,4 = 4,48 л.

Ответ: 4,48 л водорода.

Задача 4. Цинк и серная кислота.

Какая масса сульфата цинка образуется при растворении 6,5 г цинка в избытке разбавленной серной кислоты?

Решение. Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂↑. n(Zn) = 6,5 / 65 = 0,1 моль. По уравнению n(ZnSO₄) = n(Zn) = 0,1 моль. Молярная масса M(ZnSO₄) = 161,4 г/моль, поэтому m(ZnSO₄) = 0,1 · 161,4 = 16,14 г.

Ответ: около 16,1 г сульфата цинка.

Задача 5. Амфотерность.

Напишите уравнения, доказывающие амфотерность гидроксида цинка.

Решение. Гидроксид цинка реагирует и с кислотой (как основание), и со щёлочью (как кислота):

Zn(OH)₂ + 2HCl → ZnCl₂ + 2H₂O

Zn(OH)₂ + 2NaOH → Na₂[Zn(OH)₄]

Способность реагировать в обоих случаях и есть признак амфотерности.

Ответ: оба уравнения подтверждают амфотерный характер гидроксида цинка.

Часто задаваемые вопросы

Какова степень окисления цинка в соединениях?
Во всех устойчивых соединениях цинк проявляет постоянную степень окисления +2 и валентность II. Высшей или иной степени окисления у него не бывает: соединения цинка(I) и цинка(III) в обычных условиях не существуют. Поэтому «цинк 1» и «цинк 3» в записях соединений некорректны.

К какому классу соединений относится цинк?
Соединения цинка по составу делятся на бинарные (оксид, сульфид, галогениды, нитрид), соли кислородсодержащих кислот (сульфат, нитрат, карбонат, фосфат), гидроксид, комплексные и органоцинковые. По кислотно-основному характеру оксид и гидроксид цинка относят к амфотерным.

Почему соединения цинка амфотерны?
Амфотерность означает способность реагировать и с кислотами, и со щелочами. Оксид и гидроксид цинка реагируют с кислотами как основания (образуя соли цинка) и со щелочами как кислоты (образуя цинкаты). Это ключевая особенность химии цинка.

Образует ли цинк летучие водородные соединения?
Нет. Летучие водородные соединения (типа HCl, H₂S, NH₃) характерны для неметаллов, а цинк — металл. Простого летучего гидрида цинка не существует; водород входит только в состав сложных групп — гидроксид-иона, кристаллизационной воды.

Какого цвета соединения цинка?
Большинство соединений цинка белые или бесцветные (оксид, сульфид, сульфат, хлорид, карбонат, гидроксид, фосфат). Исключения связаны с другими элементами: селенид цинка — жёлто-оранжевый, нитрид цинка — тёмно-серый. Оксид цинка обратимо желтеет при нагревании.

Какие соединения цинка встречаются в природе?
Главные природные соединения — сульфид цинка (минерал сфалерит, основная руда), карбонат цинка (смитсонит) и оксид цинка (цинкит). Сфалерит служит основным сырьём для получения цинка.

Какие соединения цинка применяют в медицине?
Оксид цинка (мази, присыпки), сульфат цинка (антисептик, глазные капли), ацетат и хелаты цинка, а также соединения цинка как источник микроэлемента в витаминных комплексах и БАДах.

Словарь терминов

Литопон — белый пигмент, смесь сульфида цинка и сульфата бария.

Степень окисления — условный заряд атома в соединении; у цинка она постоянна и равна +2.

Амфотерность — способность соединения реагировать и с кислотами, и со щелочами; ею обладают оксид и гидроксид цинка.

Бинарное соединение — соединение из двух элементов (оксид ZnO, сульфид ZnS, нитрид Zn₃N₂, галогениды).

Комплексное соединение — соединение с комплексным ионом, где цинк является центральным атомом (например, цинкат [Zn(OH)₄]²⁻ и аммиачный комплекс [Zn(NH₃)₄]²⁺).

Цинкат (гидроксоцинкат) — соль, образующаяся при растворении гидроксида цинка в избытке щёлочи.

Органоцинковые соединения — соединения со связью цинк–углерод (диэтилцинк, диметилцинк), применяемые в органическом синтезе.

Сфалерит — минерал состава сульфид цинка ZnS, основная цинковая руда.

Смитсонит — минерал состава карбонат цинка ZnCO₃.

Цинкит — минерал состава оксид цинка ZnO.  

Интересные статьи по теме: «Бромид цинка: свойства, применение и методы производства», «Сульфат цинка (ZnSO4): свойства, применение и получение», «Цинковые белила: полный анализ».