Условие задачи
Осуществите превращения:
Zn → ZnO → ZnSO4 → Zn(OH)2 → Na2ZnO2
Приведите уравнения реакций в молекулярном и ионном виде.
Решение
Ниже представлено подробное решение задачи по неорганической химии (химия неорганических соединений, реакций окисления, кислотно-основных реакций и комплексообразования). Задача состоит в последовательном превращении цинка в различные соединения: сначала оксид, затем сульфат, затем гидроксид, а потом – комплексное соединение – натриевый цинкат. Для каждого этапа приведём молекулярное (полное) уравнение реакции и соответствующее ионное уравнение (с удалением “спектаторских” ионов, если это возможно).
─────────────────────────────
1. Превращение: Zn → ZnO
При нагревании металлический цинк (Zn) в присутствии кислорода (O₂) окисляется с образованием оксида цинка.
Молекулярное уравнение:
2 Zn(т) + O₂(г) → 2 ZnO(т)
Поскольку реакция происходит в твердой фазе (для металла и оксида) и в газовой среде (кислород), она не поддается разбиению на свободно перемещающиеся ионы; поэтому ионное уравнение отсутствует.
─────────────────────────────
2. Превращение: ZnO → ZnSO₄
Оксид цинка реагирует с серной кислотой, образуя сульфат цинка и воду.
Молекулярное уравнение:
ZnO(т) + H₂SO₄(раств) → ZnSO₄(раств) + H₂O(ж)
Для составления ионного уравнения учтём, что серная кислота в растворе диссоциирует почти полностью, а сульфат цинка тоже растворим:
H₂SO₄ → 2 H⁺(раств) + SO₄²⁻(раств)
ZnSO₄ → Zn²⁺(раств) + SO₄²⁻(раств)
В итоге молекулярное уравнение расписывается в ионной форме (только для тех веществ, которые диссоциируют):
ZnO(т) + 2 H⁺(раств) + SO₄²⁻(раств) → Zn²⁺(раств) + SO₄²⁻(раств) + H₂O(ж)
После исключения ионов-сpectаторов (SO₄²⁻ как одинаковые по обе стороны) получаем чистое ионное уравнение:
ZnO(т) + 2 H⁺(раств) → Zn²⁺(раств) + H₂O(ж)
─────────────────────────────
3. Превращение: ZnSO₄ → Zn(OH)₂
Сульфат цинка реагирует с раствором гидроксида натрия, при добавлении которого в растворе появляются ионы OH⁻, и в результате образуется малорастворимый гидроксид цинка.
Молекулярное уравнение:
ZnSO₄(раств) + 2 NaOH(раств) → Zn(OH)₂(т) + Na₂SO₄(раств)
В ионном уравнении распишем диссоциацию растворимых соединений:
ZnSO₄ → Zn²⁺(раств) + SO₄²⁻(раств)
NaOH → Na⁺(раств) + OH⁻(раств)
Na₂SO₄ → 2 Na⁺(раств) + SO₄²⁻(раств)
Полное ионное уравнение:
Zn²⁺(раств) + SO₄²⁻(раств) + 2 Na⁺(раств) + 2 OH⁻(раств) → Zn(OH)₂(т) + 2 Na⁺(раств) + SO₄²⁻(раств)
Удаляем ионы‑спектаторы (Na⁺ и SO₄²⁻):
Zn²⁺(раств) + 2 OH⁻(раств) → Zn(OH)₂(т)
─────────────────────────────
4. Превращение: Zn(OH)₂ → Na₂ZnO₂
Гидроксид цинка при избыточном количестве гидроксида натрия переходит в растворимое комплексное соединение – натриевый цинкат (Na₂ZnO₂). Такая реакция характерна для амфотерных гидроксидов металлов.
Молекулярное уравнение:
Zn(OH)₂(т) + 2 NaOH(раств) → Na₂ZnO₂(раств) + 2 H₂O(ж)
При записи ионного уравнения выделим, что NaOH диссоциирует:
NaOH → Na⁺(раств) + OH⁻(раств)
Комплекс-ион Na₂ZnO₂ в растворе можно представить как Na₂[ZnO₂] (где комплексный ион [ZnO₂]²⁻).
Полное ионное уравнение:
Zn(OH)₂(т) + 2 Na⁺(раств) + 2 OH⁻(раств) → 2 Na⁺(раств) + [ZnO₂]²⁻(раств) + 2 H₂O(ж)
После устранения ионов‑спектаторов (Na⁺):
Zn(OH)₂(т) + 2 OH⁻(раств) → [ZnO₂]²⁻(раств) + 2 H₂O(ж)
Чтобы отразить образование натриевого соли, можно записать полный молекулярный вариант с Na₂ZnO₂.
─────────────────────────────
Итоговое представление последовательных превращений:
1) Окисление цинка:
Молекулярное: 2 Zn(т) + O₂(г) → 2 ZnO(т)
Ионное: не применяется
2) Растворение оксида цинка серной кислотой:
Молекулярное: ZnO(т) + H₂SO₄(раств) → ZnSO₄(раств) + H₂O(ж)
Ионное: ZnO(т) + 2 H⁺(раств) → Zn²⁺(раств) + H₂O(ж)
3) Образование гидроксида цинка:
Молекулярное: ZnSO₄(раств) + 2 NaOH(раств) → Zn(OH)₂(т) + Na₂SO₄(раств)
Ионное: Zn²⁺(раств) + 2 OH⁻(раств) → Zn(OH)₂(т)
4) Образование натриевого цинка (цинката):
Молекулярное: Zn(OH)₂(т) + 2 NaOH(раств) → Na₂ZnO₂(раств) + 2 H₂O(ж)
Ионное: Zn(OH)₂(т) + 2 OH⁻(раств) → [ZnO₂]²⁻(раств) + 2 H₂O(ж) (при добавлении 2 Na⁺ получаем Na₂ZnO₂)
─────────────────────────────
Таким образом, каждое превращение представлено в виде уравнений как в молекулярном, так и с участием ионов (после исключения спектаторских частиц).