Цинк и гидроксид калия реагируют друг с другом. В растворе: Zn + 2KOH + 2H₂O = K₂[Zn(OH)₄] + H₂↑. При сплавлении: Zn + 2KOH → K₂ZnO₂ + H₂↑.
- Цинк, его оксид и гидроксид амфотерны: они реагируют и с кислотами, и со щелочами.
- В растворе образуется комплексная соль тетрагидроксоцинкат калия K₂[Zn(OH)₄].
- При сплавлении образуется цинкат калия K₂ZnO₂.
- В растворе окислитель — вода: атомы водорода в ней восстанавливаются из степени окисления +1 до 0.
- Выделяется водород. По этому газу ты, например, отличишь цинк от железа в растворе щёлочи.
Как это спрашивают на экзамене
Эта реакция встречается в заданиях такого типа.
«Цинк полностью растворили в концентрированном растворе гидроксида калия…» — мысленный эксперимент, в котором нужно записать четыре уравнения реакций.
«Каким реагентом можно различить цинк и железо?» — распознавание пары Zn и Fe с помощью раствора KOH.
«Выберите вещества, с которыми реагирует амфотерный гидроксид» — свойства амфотерных соединений.
«Запишите молекулярное и ионное уравнения образования Zn(OH)₂» — получение амфотерного гидроксида.
Если в условии сказано «раствор», ищи в продуктах комплекс. Если «сплавили», нужен цинкат. Ошибка здесь дорогая: каждое уравнение мысленного эксперимента оценивают отдельно, но неверный продукт в первом уравнении часто ломает и следующие — в них участвует уже не то вещество.
Почему цинк реагирует со щёлочью
Уравнение мало запомнить: тебе нужно понимать, откуда оно берётся.
Амфотерность — способность вещества проявлять и основные, и кислотные свойства. Цинк — амфотерный металл, ZnO — амфотерный оксид, Zn(OH)₂ — амфотерный гидроксид.
В ряду напряжений цинк стоит левее водорода: … Mg Al Mn Zn Cr Fe … (H₂) … Он способен восстанавливать водород из соединений. Но поверхность цинка покрыта плотной оксидной плёнкой, и с водой при обычных условиях он практически не реагирует. Голубовато-белый цинк покрывается тонким слоем оксида уже на воздухе.
С водяным паром цинк реагирует только при сильном нагревании, например при температуре красного каления:
Zn + H₂O → ZnO + H₂ (t)
Щёлочь растворяет амфотерную оксидную плёнку и переводит её в растворимый комплекс. Комплексное соединение — вещество, в котором центральный атом окружён связанными с ним частицами (лигандами); в этой реакции это ион [Zn(OH)₄]²⁻. Поверхность металла остаётся открытой, и реакция идёт дальше.
Электронный баланс
Для щелочной среды полуреакции записывают через ионы OH⁻ и молекулы воды:
Zn + 4OH⁻ − 2e⁻ → [Zn(OH)₄]²⁻ | 1 — цинк восстановитель, окисление
2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻ | 1 — вода окислитель, восстановление
Это запись методом полуреакций. В электронном балансе, как в ответах ФИПИ, указывают степени окисления: Zn⁰ − 2e⁻ → Zn⁺² | 1 — восстановитель; 2H⁺¹ + 2e⁻ → H₂⁰ | 1 — окислитель. Здесь H⁺¹ — степень окисления водорода в воде, а не ион H⁺ кислой среды, поэтому такая запись для щелочного раствора верна.
Окислительно-восстановительная реакция (ОВР) — реакция, в которой меняются степени окисления атомов. Цинк переходит из 0 в +2, водород в молекуле воды — из +1 в 0. Калий и кислород степень окисления не меняют. Учти тонкость: в комплексе [Zn(OH)₄]²⁻ цинк имеет степень окисления +2, а заряд −2 принадлежит всему иону.
В кодификаторе тема входит в раздел о химических свойствах важнейших металлов и их соединений, цинк в этом списке есть. Отдельно проверяется умение составлять уравнения комплексообразования на примере гидроксокомплексов цинка и алюминия.
Раствор или сплав: два разных продукта
Запись «цинк плюс гидроксид калия» без условий неполна: продукт зависит от того, в каких условиях идёт реакция.
| Исходное вещество | С раствором KOH | При сплавлении с KOH |
|---|---|---|
| Zn | K₂[Zn(OH)₄], выделяется H₂ | K₂ZnO₂, выделяется H₂ |
| ZnO | K₂[Zn(OH)₄], вода расходуется | K₂ZnO₂, выделяется H₂O |
| Zn(OH)₂ | K₂[Zn(OH)₄], вода не участвует | K₂ZnO₂, выделяется H₂O |
K₂[Zn(OH)₄] — тетрагидроксоцинкат калия, комплексная соль. K₂ZnO₂ — цинкат калия, средняя соль без воды в составе.
Уравнения для раствора:
Zn + 2KOH + 2H₂O = K₂[Zn(OH)₄] + H₂↑
Сокращённое ионное уравнение этой реакции:
Zn + 2OH⁻ + 2H₂O → [Zn(OH)₄]²⁻ + H₂↑
ZnO + 2KOH + H₂O = K₂[Zn(OH)₄]
Zn(OH)₂ + 2KOH = K₂[Zn(OH)₄]
Уравнения для сплавления:
Zn + 2KOH → K₂ZnO₂ + H₂↑ (t)
ZnO + 2KOH → K₂ZnO₂ + H₂O (t)
Zn(OH)₂ + 2KOH → K₂ZnO₂ + 2H₂O (t)
Откуда разница? В растворе есть вода, и гидроксид-ионы входят в состав комплекса. При сплавлении воды в системе нет, а из оксида и гидроксида она выделяется. Если тебе попалось сплавление ZnO со щёлочью, проверь, что в правой части стоит вода: без неё кислород и водород не уравняются.
Что дальше бывает с тетрагидроксоцинкатом
Комплекс устойчив в щелочной среде. Если ионы OH⁻ связать, он разрушается.
В растворе существует равновесие:
Zn²⁺ + 4OH⁻ ⇄ [Zn(OH)₄]²⁻ + Q
Если добавить ZnCl₂, концентрация Zn²⁺ растёт, и равновесие смещается вправо. Давление не влияет: газов в системе нет. Прямая реакция экзотермическая, поэтому понижение температуры смещает равновесие вправо. Кислота HClO₄ связывает ионы OH⁻, и равновесие уходит влево.
Если через раствор комплекса пропустить избыток углекислого газа, выпадает гидроксид цинка:
K₂[Zn(OH)₄] + 2CO₂ = Zn(OH)₂↓ + 2KHCO₃
С сильной кислотой результат зависит от её количества. При недостатке HCl:
K₂[Zn(OH)₄] + 2HCl = 2KCl + Zn(OH)₂↓ + 2H₂O
При избытке HCl осадок растворяется:
K₂[Zn(OH)₄] + 4HCl = 2KCl + ZnCl₂ + 4H₂O
Сам гидроксид получают из соли цинка и щёлочи, взятой без избытка:
Zn(NO₃)₂ + 2NaOH = 2NaNO₃ + Zn(OH)₂↓
Zn²⁺ + 2OH⁻ = Zn(OH)₂↓
Разбор задания
Решим задачу в формате мысленного эксперимента.
Условие. Цинк растворили в концентрированном растворе гидроксида калия. Через раствор пропустили избыток углекислого газа. Выпавший осадок отделили и прокалили. Твёрдый остаток сплавили с гидроксидом калия.
- Zn + 2KOH + 2H₂O = K₂[Zn(OH)₄] + H₂↑
- K₂[Zn(OH)₄] + 2CO₂ = Zn(OH)₂↓ + 2KHCO₃
- Zn(OH)₂ → ZnO + H₂O (t)
- ZnO + 2KOH → K₂ZnO₂ + H₂O (t)
Заметь: в первом уравнении условие «раствор», в последнем «сплавили», и продукты разные.
Допустим, к условию добавлен расчёт: какой объём водорода (н. у.) выделится из 13 г цинка? n(Zn) = 13 : 65 = 0,2 моль. По уравнению 1 n(H₂) = n(Zn) = 0,2 моль. V(H₂) = 0,2 · 22,4 = 4,48 л.
В заданиях на распознавание пару Zn и Fe различают раствором KOH. Металл растворяется в щёлочи с выделением газа? Это цинк. Железо с раствором щёлочи не реагирует.
Ошибки, за которые снимают баллы
Баллы чаще теряют из-за невнимательности к условиям, хотя саму тему знают.
- Нет воды в левой части. Без 2H₂O уравнение для раствора не уравнивается по водороду и кислороду.
- Продукт не соответствует условиям. Если ты пишешь K₂ZnO₂ для раствора или комплекс для сплавления, уравнение описывает уже не тот опыт, что дан в задании.
- Перепутаны оксид и гидроксид. Zn(OH)₂ — гидроксид, его нельзя выбирать в ответ на вопрос об амфотерном оксиде.
- Не учтено количество кислоты. При недостатке HCl выпадает Zn(OH)₂, при избытке образуется ZnCl₂.
- Неверный окислитель в балансе. Калий степень окисления не меняет. Окислитель — вода: водород в ней переходит из +1 в 0.
Проверь каждое уравнение подсчётом атомов слева и справа: на это уходит меньше минуты.
Шпаргалка
Если перед тобой задание на цинк и щёлочь, сверься с этой таблицей.
| Условие | Уравнение |
|---|---|
| Zn, раствор KOH | Zn + 2KOH + 2H₂O = K₂[Zn(OH)₄] + H₂↑ |
| Zn, сплавление | Zn + 2KOH → K₂ZnO₂ + H₂↑ (t) |
| ZnO, раствор KOH | ZnO + 2KOH + H₂O = K₂[Zn(OH)₄] |
| Zn(OH)₂, раствор KOH | Zn(OH)₂ + 2KOH = K₂[Zn(OH)₄] |
| Комплекс + избыток CO₂ | K₂[Zn(OH)₄] + 2CO₂ = Zn(OH)₂↓ + 2KHCO₃ |
| Zn + водяной пар | Zn + H₂O → ZnO + H₂ (t, красное каление) |
Проверь себя
Попробуй ответить сам, прежде чем смотреть ответ.
Что образуется, если ZnO сплавить с KOH?
K₂ZnO₂ и H₂O.
Какое вещество — окислитель в реакции цинка с раствором KOH?
вода; атомы водорода в ней восстанавливаются из степени окисления +1 до 0.
Какой объём водорода (н. у.) выделится из 6,5 г цинка при растворении в щёлочи?
n(Zn) = 6,5 : 65 = 0,1 моль; V(H₂) = 0,1 · 22,4 = 2,24 л.
Куда сместится равновесие Zn²⁺ + 4OH⁻ ⇄ [Zn(OH)₄]²⁻ + Q при добавлении HClO₄?
влево, потому что кислота связывает ионы OH⁻.
В первую очередь повтори разницу между раствором и сплавлением и электронный баланс: на них держатся все задания по этой теме.
