Цинк - незаменимый микроэлемент, отвечающий за работу сотен ферментов в организме. Понимание особенностей электронного строения атома цинка позволяет объяснить его уникальные химические и биологические свойства.
Общая характеристика цинка как химического элемента
Цинк относится к переходным металлам, располагается в 12 группе, 4 периоде периодической системы элементов Д.И. Менделеева. В чистом виде при нормальных условиях цинк представляет собой хрупкий металл стально-голубого цвета. На воздухе покрывается тонкой пленкой оксида ZnO, придающей поверхности матовый оттенок.
В природе цинк встречается главным образом в виде минерала сфалерита (цинковой обманки) - сульфида цинка ZnS. Также известно еще 65 минералов цинка, в том числе цинкит, виллемит, каламин. Цинковые руды, как правило, комплексные, содержат примеси свинца, меди, серебра, золота.
Первые сведения о цинке относятся к эпохе Древнего Египта и Древней Индии, однако долгое время не удавалось получить чистый металл. Промышленный способ производства цинка отработан лишь в XVIII веке независимо Уильямом Чемпионом в Англии и А.С. Маргграфом в Германии.
Сегодня цинк широко используется в виде металлических покрытий для защиты стали от коррозии, в производстве латуни, в химических источниках тока. Оксид цинка применяют как белый пигмент в лакокрасочной промышленности, а также в медицине благодаря выраженным антисептическим свойствам.
Биологическая роль цинка
Цинк - жизненно необходимый микроэлемент, входящий в состав множества ферментов в организме человека. Особенно важна его роль для:
- Работы иммунитета
- Роста и деления клеток
- Синтеза белка
- Зрения и работы половых желез
При дефиците цинка в организме нарушается работа этих систем, что проявляется в виде частых инфекций, задержки роста, нарушений репродуктивной функции.
Основным источником цинка в пище служат морепродукты, мясо, тыквенные и подсолнечные семечки, цельное зерно. Рекомендуемая суточная норма потребления цинка:
- Для мужчин - 11 мг
- Для женщин - 8 мг
Строение и характеристика атома цинка
Химическая формула цинка записывается символом Zn, что соответствует заряду ядра в 30 протонов. Ядро атома цинка также содержит 35 нейтронов. Вокруг положительно заряженного ядра по электронным орбиталям движется 30 электронов, соответствующих количеству протонов.
Распределение электронов по энергетическим уровням выглядит следующим образом:
- 1s2 - 2 электрона
- 2s22p6 - 8 электронов
- 3s23p6 - 8 электронов
- 4s23d10 - 12 электронов
Таким образом, на внешнем четвертом энергетическом уровне атома цинка располагается 2 электрона на s-орбитали и 10 - на d-орбитали. Это объясняет возможность проявления степеней окисления +2 (отдача 2 валентных электронов 4s-подуровня) и +1 (отдача 1 электрона с 3d-подуровня).
В нормальном основном состоянии цинк электронная формула атома записывается:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2
При ионизации атома цинка с образованием двухвалетного катиона Zn2+ теряются оба 4s-электрона, а электронная конфигурация принимает вид:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10
Стоит отметить сходство в строении атомов цинка, марганца и хлора, которые занимают одну группу в периодической системе и имеют аналогичное количество валентных электронов. Однако особенности заполнения электронных подуровней определяют различия в химических свойствах этих элементов.
Рассмотрим более подробно особенности электронного строения атома цинка и связанные с этим химические свойства.
Заполнение электронных подуровней
Как видно из электронной формулы, последние электроны добавляются на 4s- и 3d-орбитали. При этом 4s-орбиталь заполняется раньше, чем 3d, что характерно для переходных металлов. Это связано с тем, что для заполнения 4s требуется меньше энергии, чем для 3d.
Возможные степени окисления
Наличие двух 4s-электронов и десяти 3d-электронов во внешнем слое объясняет химические свойства цинка. Цинк способен отдавать либо оба 4s-электрона (степень окисления +2), либо один из 3d-электронов (степень окисления +1).
Образование ионов
Потеря электронов с образованием положительно заряженных ионов лежит в основе большинства химических реакций с участием цинка. Так, при взаимодействии цинка с сильным окислителем - хлором - образуется хлорид цинка ZnCl2.
Амфотерные свойства
Наряду с окислительно-восстановительными реакциями, цинк проявляет и амфотерные свойства, взаимодействуя как с кислотами, так и со щелочами. Это объясняется образованием амфотерного оксида цинка ZnO и гидроксида цинка Zn(OH)2.
Реакции комплексообразования
Ионы цинка способны к образованию комплексных соединений, например, с аммиаком. В водных растворах ионы Zn2+ дают гидратированные формы [Zn(H2O)4]2+ и [Zn(H2O)6]2+. Это имеет значение для участия ионов цинка в биохимических реакциях.
