Лабораторная работа №11: Цинк, кадмий, ртуть. Цель

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 ZnHal 2. 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 6d 10 —
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.