Хімічний елемент № 30
4.Електронное будова атома.
4.2. Дайте пояснення фізичного сенсу всіх індексів у даного хімічного елемента в системі Д.І. Менделєєва (порядковий номер, номер періоду, номер групи, приналежність до групи «А» або «Б»). Визначте можливість «Ефекту провалу електрона».
Порядковий номер хімічного елемента в періодичний системі - 30. молярна маса елемента дорівнює 65.39 г / моль.
. Це означає, що в нейтральному атомі цинку міститься 30 електронів, заряд ядра атома цинку також дорівнює 30. Цинк розташований в четвертому періоді системи. Це означає, що в атомі цинку є чотири електронних шару, на яких розташовані електрони. Цинк розташований у другій групі періодичної системи. В атомі цинку повністю заповнюється 3d-підрівень на якому тепер знаходиться 10 електронів. Цинк належить до побічної підгрупи, або групі «Б».
Провал чи проскок електрона для цинку неможливий, оскільки у нього повністю заповнений 3d-підрівень. Провал електрона характерний для міді, срібла, у них кількість d-електронів також дорівнює 10, але s-електрон тільки один. Це можна пояснити підвищеною енергетичною стійкістю електронних структур, що відповідають повністю заповненим енергетичним подуровням. Перехід електрона в атомі міді з 4s на 3d-підрівень призводить до утворення повністю заповненого 3d-підрівня і це енергетично вигідно. У цинку 3d - під рівень заповнений і електрону нікуди переходити.
4.3. Виділіть валентні підрівні в електронній формулі атома хімічного елемента, визначте приналежність хімічного елемента до типу s-, p-, d-, f-елементів.
Покажемо розташування валентних електронів в атомі цинку. Як видно з електронної формули цинк відноситься до d-елементів, оскільки у нього заповнюється 3d-підрівень.
На наведеному малюнку еліпсом виділено розташування валентних електронів.
4.4. Напишіть набори квантових чисел для всіх валентних електронів.
У атома цинку буде два валентних електрона. Запишемо набори квантових чисел для цих електронів. Головне квантове число дорівнює 4 і хімічний елемент знаходиться в 4 періоді періодичної системи хімічних елементів. Оскільки в цинку валентні електрони розташовані тільки на s-підрівні то його орбітальне квантове число має значення рівне 0. Оскільки цих електронів буде 2 то вони мають протилежні спини ms = ± 1/2. Оскільки ml = 0 то у елемента не буде інших підрівнів крім s-підрівні.
Набори квантових чисел матимуть вигляд:
4.5. Визначте приналежність хімічного елемента до металів або неметалів, спрогнозуйте величини ступеня окислення.
Оскільки цинк розташований у другій групі періодичної системи, то він відноситься до металів. У хімічних реакціях він буде проявляти металеві властивості. для металів більш прийнятна віддача електронів. Тому цинк може віддавати два електрона з - підрівні. Тому цинк буде виявляти ступінь окислення +2. У зв'язку з екрануванням 3d - підрівні і його заповненістью, електрони з нього не будуть брати участь в хімічних процесах і тому цинк буде виявляти тільки ступінь окислення дорівнює +2.
4.6. Розподіліть валентні електрони атома хімічного елемента з енергетичних осередкам відповідно до принципу найменшої енергії і правилом Гунда.
Відповідно до принципу найменшої енергії два валентних електрона атома цинку розташуються на 4s-підрівні, оскільки він має в своєму розпорядженні меншою енергією ніж будь-який інший підрівень. Правила Гунда говорить, що стійкого стану атома відповідає таке розташування електронів в межах енергетичного підрівня, при якому абсолютне значення сумарного спина атома максимально. Тому ми могли б вважати. Що в одній комірці будуть електрони з однаково спрямованими спинами. Але це суперечить принципу Паулі. І тому розташування електронів для цинку буде таке як на наведеному нами малюнку:
4.7. Прогнозують тип гібридизація валентних атомних орбіталей при утворенні бінарних сполук (фторидів, хлоридів та ін.).
Кожен атом фтору, що входить до складу даної молекули, володіє одним неспареним електроном, який і бере участь у створенні ковалентного зв'язку. Атом цинку в НЕ збудженому стані неспарених електронів не має взагалі:
Тому для участі в хімічній сполуці атом цинку повинен перейти в збуджений стан:.
Утворився збуджений атом цинку володіє двома який спареними електронами, електронне хмара одного електрона відповідає стану 4s, а іншого станом 4p. При витраті деякої енергії замість вихідних орбіта лей можуть утворюватися дві рівноцінні гібридні орбіталі (sp - орбіталі). У атома цинку в бінарних сполуках буде спостерігатися sp-гібридизація. Гібридні sp орбіталі будуть витягнуті в протилежних напрямках, як це показано на малюнку.
Мал. 1. Будова молекули ZnF2.
5. З'єднання даного хімічного елемента з неметалами.
5.2. З галогенами.
Газоподібні фтор, бром, хлор, йод не реагують з цинком на холоду. Але в присутності парів води реакція може проходити з займання металу і виділенням великої кількості теплоти (для фтору 172 ккал, для хлору 95,6 ккал на моль цинку)
В реакції з галогенами отримуємо галоген похідні цинку: фториди, хлориди, бромати.
З азотом, навіть в парах цинк не реагує, але досить легко реагує при температурі червоного розжарювання з аміаком з виділенням нітриду цинку.
Цинк безпосередньо не реагує з вуглецем і карбід цинку ми можемо отримати тільки через проміжні реакції. Карбід цинку ми можемо отримати при нагріванні цинку в струмі ацетилену при температурах близько 200 - 300 С.
Карбід цинку досить нестійке з'єднання, яке легко розкладається водою і кислотами.
6. Оксиди і гідроксиди даного хімічного елемента.
6.1. Запишіть ряд оксидів даного хімічного елемента (прогноз по електронній формулі і ковалентності).
Для цинку характерна ступінь окислення +2. тому цинк має тільки один оксид: ZnO. Інші оксиди цинку невідомі. Можливо існування пров оксиду цинку ZnO2. ковалентность цинку в пер оксиді дорівнює двом, будова його молекули наведено на малюнку.
Ковалентність цинку в оксиді ZnO дорівнює двом.
Запишемо електронну формулу для ZnO:
6.2. Прогнозують характер оксидів (основний, кислотний, амфотерний) за величиною Е.О. і правилом хімічних властивостей ряду оксидів.
У другій побічної підгрупи періодичної системи окрім цинку знаходиться також і кадмій і ртуть. Всі ці метали мають основні оксиди, кадмій проявляє також і амфотерні властивості. Тому можна прогнозувати, що оксид цинку буде проявляти також амфотерні властивості.
Розглянемо електронегативності оксиду цинку:
Різниця електронегатівностей для ZnO дорівнює 3,5 - 1,8 = 1,7. Для основних оксидів Na2O, CaO, BaO ця різниця становить близько 2,5, а для кислотних оксидів SO2, SO3, P2O5 близько 1ч1,3. як видно оксид цинку лежить посередині цих значень, як метал він буде володіти амфотерними властивостями.
6.3. Запишіть відповідні гідроксиди (підстави і кислоти). Визначте приналежність до сильних або слабких електролітів.
Для цинку характерний тільки один гідроксид.
Оскільки цинк двухвалентен, то формула гідроксиду цинку має вигляд:. Гідроксид цинку виділяється з розчинів солей цинку при дії лугів у вигляді білого аморфного осаду. При стоянні він поступово набуває кристалічної структури. Швидкість кристалізації залежить від розчину солі з якої вона кристалізується. Так з розчинів хлоридів гідроксид цинку кристалізується значно швидше ніж з розчинів нітратів.
Гідроксид цинку володіє амфотерними властивостями (з переважанням основних властивостей), константа дисоціації підстави дорівнює, а кислоти. Твір розчинності гідроксиду цинку одно. Є дані, що у свіжоосадженого гідроксиду цинку вона дещо більше і складає.
6.4. Складіть рівняння реакцій, що підтверджують характер гідроксидів про молекулярному і іонному вигляді.
Гідроксид цинку володіє амфотерними властивостями. Він реагує як з кислотами так і з лугами. З кислотами гідроксид цинку дає солі цинку, наприклад:
У лужному розчині гідроокис цинку веде себе як ангідрідокіслота, тобто переходить в розчин у вигляді гідроксоцінкат-іонів за рахунок приєднання іонів гідроксилу. Відомі солі три-, тетра- і гексагідроксоцінкатов, наприклад:.
Деякі з цинкати виділені в твердому стані:. Вони утворюються тільки при надлишку лугу.
Деякі з отриманих сполук містять кріталлізаціонную воду. У більшості випадків остання легко відчіплюється при нагріванні. Конституційно зв'язана вода утримується в таких з'єднаннях досить міцно, наприклад при нагріванні до температури 465єС втрати води не відбувається.
Цинкати також можуть бути отримані при сплаву окису цинку і окисів інших металів, але отримані таким чином цинкати не розчинні у воді.
6.5. Напишіть рівняння реакцій електролітичноїдисоціації гідроксидів.
У водних розчинах дисоціюють на іони згідно рівняння:
Але оскільки мало розчинний, то дисоціація протікає незначно.
7. Чи може даний хімічний елемент утворювати комплексні сполуки? Якщо так, то, які (кислоти, основи, солі)? Наведіть приклади.
Цинк може утворювати комплексні сполуки. Комплекси цинк утворює з аміаком, ціанідами, гидразином, роданидами, а також з багатьма органічними речовинами, наприклад акридином, пірамідоном, дифенілгуанідин, деякими органічними барвниками. Відсутність в комплексах цинку стабілізації полем лігандів призводить до того, що їх стереохімія залежить тільки від розміру і від електростатичного і ковалентного складової зв'язку. Комплекси цинку можуть бути тетраедричних - або октаедричних -.
З аміаком були виділені комплексні сполуки складу:,,. Комплекси з 6 молекулами аміаку були отримані тільки в сухому вигляді.
Відомо значне число комплексів цинку з органічними сполуками основного характеру. Залежно від умов можуть утворюватися сполуки двох типів. До першого з них відносяться з'єднання, де органічний реагент безпосередньо пов'язаний з іоном цинку і утворює типовий комплекс поза-сення. До другого типу можна віднести з'єднання, в яких органічна підстава грає роль катіона, що дає солі з іншими ацідокомплекснимі анионами цинку. Ці сполуки »характеру зв'язку з органічними реагентами по суті від-носяться до звичайних іонним асоціатів.
Цікаво відзначити, що змінюючи умови утворення комплексів, і перш за все кислотність середовища, нерідко вдається спостерігати взаємне перетворення комплексів впровадження ( «аміакати») в комплекси типу «амонійних солей» і назад.
Гідразингідрат складу, мають значну міцність з розчинів комплексів сірководень не осаджує сульфід цинку. Перший з них погано розчиняється у воді, не розчинний в спирті.
8. Напишіть рівняння реакцій гідролізу солі по 1-ій стадії в молекулярному та іонному вигляді з урахуванням всіх рівноваг. Розрахуйте рН середовища при гідролізі цієї солі (0,01 моль / л). Як посилити гідроліз?
Солі цинку легко гідролізуються.
Розглянемо гідроліз нітрату цинку.
В результаті гідролізу нітрату цинку ми отримаємо основну сіль, основний нітрат цинку.
При гідролізі зазначеної солі ми отримаємо іони, тоді РН <7. Раствор будет иметь кислую реакцию.
Розрахуємо РН середовища.
Вплинути на процес гідролізу можна за допомогою добавки реактивів, кислот або основ. В процесі гідролізу ми отримуємо іони Н +, якщо їх зв'язати дією іонів ОН-. то процес гідролізу посилиться. Оскільки гідроліз процес рівноважний, то зменшення концентрації іонів Н + з - за реакції: призведе до зміщення рівноваги вправо, до посилення гідролізу.
Послабити гідроліз можна введення іонів Н +, що призведе до зміщення рівноваги вліво.
9. Окисно-відновні реакції.
9.1. Дайте оцінку відновлювальних властивостей Zn і окислювально-відновних властивостей його іонів в залежності від його рН середовища (використовуйте довідкові характеристики).
Цинк - сильний відновник. На реакції цинку і іонами міді заснована робота хімічного елемента Даніеля. Нормальний електродний потенціал цинку - 0.7618 В. як відновник цинк використовують у багатьох хімічних процесах, наприклад, він використовується при відновленні органічних речовин, і т.п.
Відновлювальна активність цинку проявляється особливо активно при РН<7, в кислых растворах. Он восстанавливает водород из кислот, например разбавленной серной или соляной.
Також цинк може відновлювати метали менш активні ніж він сам в нейтральному середовищі. Він відновлює метали від хрому (-0,74 В) до срібла (0,79 В). Це його властивість часто використовують для виготовлення гальванічних елементів.
У лужному середовищі цинк окислюється до іона, він також може відновлювати водень із води, відновлює багато неорганічні солі, кисневі сполуки.
Нормальний електродний потенціал електрода дорівнює для реакції: -1,216 В, це означає, що цинк може відновлювати в лужному середовищі все з'єднання з більш позитивним потенціалом, це будуть кисневі сполуки хрому, марганцю, олова, свинцю і т.п.
Наведене вище рівняння буде прикладів взаємодії цинку в лужному середовищі.
9.2. Складіть рівняння 3-х окислювально-відновних реакцій (з використанням речовини містить іони даного металу) при рН> 7, рН = 7, рН<7.
Попередньо розрахуйте Е0 хімічної реакції, використовуючи метод електронно-іонного балансу.
Для зазначених рівнянь запишемо окислювально-відновні рівняння реакцій. Спочатку розглянемо ці рівняння і вирішимо їх за допомогою електронного балансу.
Запишемо рівняння електронно-іонного балансу.
Запишемо отримане рівняння в молекулярному вигляді:
Підсумуємо отримані підлозі реакції.
Запишемо рівняння в молекулярному вигляді.
Розрахуємо Е0 хімічної реакції.
10.3. Складіть і опишіть схему гальванічного елемента з металевого електрода даного металу і електродної системи С,
Гальванічний елемент складається з катода і анода. Одним з електродів в нашому випадку буде цинковий електрод, іншим електродом буде інертний вугільний електрод.
Запишемо схему електрода.
Гальванічний елемент складається з цинкової пластини опущеною в розчин солі, що містить іони V3 + і H +. оскільки РН <7. угольный электрод опущен в раствор, что содержит ионы . Между электродами расположена диафрагма, которая пропускает ионы, но не дает смешиваться электродным растворам. Если электрическая цепь разеденена. То в при электродных пространствах быстро наступает равновесие.
Цинкова пластинка в гальванічному елементі легко віддає свої катіони в розчин, тоді вона буде окислятся.
Кожен іон цинку, переходячи в розчин, залишає на платівці два електрона. Через це платівка отримає негативний заряд. На вугільному електроді будуть проходити процеси відновлення:
Якщо ланцюг замкнути, то в гальванічному елементі виникне електричний струм. Електрони з місця, де щільність негативного заряду висока, будуть переходити в місце з меншою щільністю негативного заряду.
В цілому хімічну реакцію. Яка відбувається в гальванічному елементі можна записати так:. В молекулярному вигляді рівняння буде мати такий вигляд:.
Важливою характеристикою будь-якого гальванічного елемента буде його ЕРС. Вона дорівнює:, якщо округлити отримане значення ЕРС, то ми отримаємо:. При обчисленні ЕРС ми не враховували впливу концентрації іонів на величину потенціалу, а наведені значення точні тільки для ситуації, коли концентрації речовин дорівнюють нулю. Тому значення ЕРС в реальних гальванічних елементах буде дещо іншим. Також треба відзначити, що частіше використовується мідно-цинкові гальванічні елементи, які дешевші ніж елементи з використанням ванадію.
10.4. Опишіть процес електрохімічної корозії при контакті металу і вироби з Sn у вологому середовищі (Без аерації і при аерації).
Якщо включення олова в цинк мають значні розміри, то ми будемо мати справу з гальванічним елементом.
Оскільки електродні потенціали для олова і цинку рівні:
Ми будемо мати гальванічний елемент в якому цинк буде більш активним металом в порівнянні з оловом, що призведе до його окислення.
Розглянемо випадок, коли ми маємо включення олова в цинк у вологому атмосфері без аерації. Відсутність аерації означає відсутність активного кисню, який може вступати в електрохімічні взаємодії.
На швидкість корозії цинку буде також впливати наявність оксидної плівки на поверхні цинку.
Олово буде надавати на цинк поляризує вплив, що призведе до того, що цинк (потенціал якого менше) буде поляризувати анодно і швидкість його корозії зросте.
На аноді буде проходити реакція:.
На катоді, в ролі якого виступає олово, буде протікати реакція: