microbik.ru
1
Лабораторная работа №11: Цинк, кадмий, ртуть.

Цель: ознакомиться с типичными свойсвами цинка, кадмия, ртути и их соединений.

Оборудование и реактивы: химическая посуда, спиртовка, щипцы, водяная баня, соединения цинка, кадмия и ртути.

Теоретическая часть:

Цинк.

Цинк – элемент побочной подгруппы второй группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 30. Простое вещество цинк при нормальных условиях – хрупкий переходный металл голубовато-белого цвета (тускнеет на воздухе, покрываясь тонким слоем оксида цинка).

Наиболее распространенный минерал цинка — сфалерит, или цинковая обманка. Основной компонент минерала — сульфид цинка ZnS, а разнообразные примеси придают этому веществу всевозможные цвета. Видимо, за это минерал и называют обманкой. Цинковую обманку считают первичным минералом, из которого образовались другие минералы элемента № 30: смитсонит ZnCO3, цинкит ZnO, каламин 2ZnO · SiO2 · Н2O. На Алтае нередко можно встретить полосатую «бурундучную» руду — смесь цинковой обманки и бурого шпата. Кусок такой руды издали действительно похож на затаившегося полосатого зверька.

Физические свойства:

В чистом виде – довольно пластичный серебристо-белый металл. Обладает гексагональной решеткой с параметрами а = 0,26649 нм, с = 0,49468 нм. При комнатной температуре хрупок, при сгибании пластинки слышен треск от трения кристаллитов (обычно сильнее, чем «крик олова»). При 100 – 150 °C цинк пластичен. Примеси, даже незначительные, резко увеличивают хрупкость цинка.

Химические свойства:

Типичный амфотерный металл. Стандартный электродный потенциал −0,76 В, в ряду стандартных потенциалов расположен до железа. На воздухе цинк покрывается тонкой пленкой оксида ZnO. При сильном нагревании сгорает с образованием амфотерного белого оксида ZnO:

2Zn + O2 = 2ZnO.

Оксид цинка реагирует как с растворами кислот:

ZnO + 2HNO3 = Zn(NO3)2 + H2O

так и щелочами:

ZnO + 2NaOH = Na2ZnO2 + Н2О,

Цинк обычной чистоты активно реагирует с растворами кислот:

Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2↑,

Zn + H2SO4(разб.) = ZnSO4 + H2

и растворами щелочей:

Zn + 2NaOH + 2H2O = Na2[Zn(OH)4] + H2↑,

образуя гидроксоцинкаты. С растворами кислот и щелочей очень чистый цинк не реагирует. Взаимодействие начинается при добавлении нескольких капель раствора сульфата меди CuSO4.

При нагревании цинк реагирует с галогенами с образованием галогенидов ZnHal2. С фосфором цинк образует фосфиды Zn3P2 и ZnP2. С серой и ее аналогами — селеном и теллуром — различные халькогениды, ZnS, ZnSe, ZnSe2 и ZnTe.

С водородом, азотом, углеродом, кремнием и бором цинк непосредственно не реагирует. Нитрид Zn3N2 получают реакцией цинка с аммиаком при 550—600 °C.

В водных растворах ионы цинка Zn2+ образуют аквакомплексы [Zn(H2O)4]2+ и [Zn(H2O)6]2+.

Получение:

Основной способ получения цинка — электролитический (гидрометаллургический). Обожженные концентраты обрабатывают серной кислотой; получаемый сульфатный раствор очищают от примесей (осаждением их цинковой пылью) и подвергают электролизу в ваннах, плотно выложенных внутри свинцом или винипластом. Цинк осаждается на алюминиевых катодах, с которых его ежесуточно удаляют (сдирают) и плавят в индукционных печах.

Кадмий.

Кадмий — элемент побочной подгруппы второй группы, пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 48. Простое вещество кадмий при нормальных условиях — мягкий ковкий тягучий переходный металл серебристо-белого цвета. Устойчив в сухом воздухе, во влажном на его поверхности образуется плёнка оксида, препятствующая дальнейшему окислению металла.

Физические свойства:

Кадмий — серебристо-белый мягкий металл с гексагональной решёткой. Если кадмиевую палочку изгибать, то можно услышать слабый треск — это трутся друг о друга микрокристаллы металла (так же трещит и пруток олова).

Химические свойства:

Кадмий расположен в одной группе периодической системы с цинком и ртутью, занимая промежуточное место между ними, поэтому некоторые химические свойства этих элементов сходны. Так, сульфиды и оксиды этих элементов практически нерастворимы в воде.

Получение:

Единственный минерал, который представляет интерес в получении кадмия — гринокит, так называемая «кадмиевая обманка». Его добывают вместе с фаеритом при разработке цинковых руд. В ходе переработки кадмий концентрируется в побочных продуктах процесса, откуда его потом извлекают. В настоящее время производится свыше 10³ тонн кадмия в год.

Ртуть

Ртуть — элемент побочной подгруппы второй группы, шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 80. Простое вещество ртуть — переходный металл, при комнатной температуре представляет собой тяжёлую серебристо-белую заметно летучую жидкость, пары которой чрезвычайно ядовиты. Ртуть — один из двух химических элементов (и единственный металл), простые вещества которых при нормальных условиях находятся в жидком агрегатном состоянии (второй элемент — бром). В природе находится как в самородном виде, так и образует ряд минералов. Чаще всего ртуть получают путём восстановления из её наиболее распространённого минерала — киновари. Применяется для изготовления измерительных приборов, вакуумных насосов, источников света и в других областях науки и техники.

Физические свойства:

Ртуть — единственный металл, жидкий при комнатной температуре. Обладает свойствами диамагнетика. Образует со многими металлами жидкие сплавы — амальгамы. Не амальгамируются лишь железо, марганец и никель. Ядовит.

Химические свойства:

Ртуть — малоактивный металл. При нагревании до 300 °C ртуть вступает в реакцию с кислородом: 2Hg + O2 → 2HgO

Образуется оксид ртути(II) красного цвета. Эта реакция обратима: при нагревании выше 340 °C оксид разлагается до простых веществ. Реакция разложения оксида ртути исторически является одним из первых способов получения кислорода. При нагревании ртути с серой образуется сульфид ртути(II). Ртуть не растворяется в растворах кислот, не обладающих окислительными свойствами, но растворяется в царской водке и азотной кислоте, образуя соли двухвалентной ртути. При растворении избытка ртути в азотной кислоте на холоде образуется нитрат Hg2(NO3)2. Из элементов IIБ группы именно у ртути появляется возможность разрушения очень устойчивой 6d10 — электронной оболочки, что приводит к возможности существования соединений ртути (+4). Так, кроме малорастворимого Hg2F2 и разлагающегося водой HgF2 существует и HgF4, получаемый при взаимодействии атомов ртути и смеси неона и фтора при температуре 4К[2].
Экспериментальная часть:

Опыт1 : свойства гидрооксидов.

Налили в 3 пробирки отдельно по 5 капель солей цинка, кадмия и ртути. В каждую добавили NaOH. Отметили цвет осадков. Записали уравнения реакций.

ZnSO4+2NaOHNa2SO4+Zn(OH)2(мелкие бледно-белые хлопья)

CdSO4+2NaOHNa2SO4+Cd(OH)2(густой белый осадок)

Hg(NO3)2+2NaOHNaNO3+Hg(OH)2(черный)

Гидрооксид цинка разделили на 2 пробирки. Подействовали в первом случае соляной кислотой, во втором – щелочью. Написали уравнения реакций.

Zn(OH)2+2HClZnCl2+H2O

Zn(OH)2+2NaOHNa2[Zn(OH)4]

Опыт 2: действие щелочей на цинк.

Поместили в пробирку немного цинковой пыли и налили в не 2-3мл 30% раствора NaOH. Пробирку нагрели. Наблюдали выделение водорода. В данной реакции не выпадает никакого осадка, так как образуется комплексное соединение тетрагидроксоцинкат натрия. Записали уравнение реакции.

Zn+2NaOH+2H2ONa2[Zn(OH)2]+H2

Опыт 3: Действие кислот на цинк.

В 3 пробирки поместили гранулированный цинк и налили в одну разбавленной серной кислоты, в другую – концентрированной серной кислоты, в третью – разбавленной азотной кислоты. Наблюдали изменения, происходящие в пробирках.

Zn+H2SO4(разб)ZnSO4+H2

4Zn+5H2SO4(конц)4ZnSO4+H2S+4H2O

4Zn+10HNO3(разб)4Zn(NO3)2+2NH4NO3+3H2O

Опыт 4: комплексные соединения цинка и кадмия.

Налили в 2 пробирки отдельно соль цинка и соль кадмия. Добавили в каждую гидрооксида аммония до образования осадков, а затем до их растворения. В пробирках образовались аммиакаты цинка и кадмия. Записали соответствующие уравнения реакций.

ZnCl2+2NH4OH [Zn(NH3)2Cl2] + 2 H2O

CdCl2+2NH4OH [Cd(NH3)2Cl2] + 2 H2O

Опыт 5: цинк, кадмий, ртуть в ряду напряжений металлов.

Опустили кусочек цинка в чашечку с раствором соли кадмия. Цинк более активный металл и он вытесняет кадмий из его соли по уравнению.

Zn + CdSO4ZnSO4+Cd

Опустили медную монету в раствор соли ртути. Так как медь активнее ртути, медь вытесняет ее из соли. Наблюдали потемнение монеты через некоторое время. Написали уравнение реакции.

Cu + Hg(NO3)2Cu(NO3)2+Hg

Опыт 6: сульфиды цинка, кадмия, ртути.

Налили в пробирки отдельно растворы солей цинка, кадмия, ртути и подействовали на них раствором Na2S. Отметили цвета осадков. Записали уравнения реакций.

ZnSO4+Na2SNa2SO4+ZnS(белый)

CdSO4+Na2SNa2SO4+CdS(желтый)

Hg(NO3)2+Na2S2NaNO3+HgS(черный)

Подействовали на осадки раствором соляной кислоты. Сульфиды цинка и кадмия растворились, сульфит ртути – нет.

ZnS+2HClZnCl2+H2S

CdS+2HClCdCl2+H2S

HgS+HCl реакция не идет

Вывод: ознакомились с типичными свойсвами цинка, кадмия, ртути и их соединений. Проверили действие щелочей и кислот на цинк. Получили комплексные соединения цинка и кадмия. Проверили растворимость сульфидов цинка, кадмия и ртути.