Цинк и гидроксид калия: уравнения реакции в растворе и при сплавлении

Цинк и гидроксид калия: уравнения реакции в растворе и при сплавлении
Коротко

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

Типовые формулировки

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.

  1. Zn + 2KOH + 2H₂O = K₂[Zn(OH)₄] + H₂↑
  2. K₂[Zn(OH)₄] + 2CO₂ = Zn(OH)₂↓ + 2KHCO₃
  3. Zn(OH)₂ → ZnO + H₂O (t)
  4. 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.

  1. Нет воды в левой части. Без 2H₂O уравнение для раствора не уравнивается по водороду и кислороду.
  2. Продукт не соответствует условиям. Если ты пишешь K₂ZnO₂ для раствора или комплекс для сплавления, уравнение описывает уже не тот опыт, что дан в задании.
  3. Перепутаны оксид и гидроксид. Zn(OH)₂ — гидроксид, его нельзя выбирать в ответ на вопрос об амфотерном оксиде.
  4. Не учтено количество кислоты. При недостатке HCl выпадает Zn(OH)₂, при избытке образуется ZnCl₂.
  5. 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.

Другие статьи по теме