Цинк является важным микроэлементом, участвующим во многих биохимических процессах в организме человека. От того, какой валентностью обладает цинк, зависят его химические свойства и способность взаимодействовать с другими веществами.
1. Место цинка в периодической системе
Цинк в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева находится в четвертом периоде и второй группе (ИИВ группа). Его атомный номер равен 30. Цинк расположен в d-блоке элементов, поэтому его валентность принципиально иная, чем у соседних главных подгрупп.
Электронная конфигурация цинка:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2
Атом цинка может находиться как в основном, так и в возбужденном состоянии. Это связано с тем, что орбитали 4p-подуровня являются вакантными, поэтому электроны 4s-подуровня могут распариваться и занимать свободную 4p-орбиталь.
2. Понятие валентности в химии
Валентность - это способность атома химического элемента образовывать определенное число химических связей с другими атомами. Различают следующие виды валентности:
- постоянная валентность - характерна для атомов неметаллов;
- переменная валентность - характерна для атомов металлов и некоторых неметаллов;
- высшая валентность - равна номеру группы элемента в периодической системе;
- низшая валентность - равна разности между 8 и номером группы.
Числовое значение валентности записывается римскими цифрами. Валентность цинка постоянна и равна II, то есть цинк способен отдавать или принимать два электрона при образовании химических соединений.
3. Валентные электроны цинка
Согласно электронной конфигурации цинка, последние два электрона расположены на d-орбитали:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2
Какая валентность у цинка? У цинка валентность равна II, то есть на внешней энергетической оболочке находятся два валентных электрона.
Валентность химических элементов (Таблица): Валентность цинка постоянна и равна II. Цинк проявляет постоянную валентность.
Число протонов в атоме цинка равно его атомному номеру - 30, это же число электронов содержит атом цинка в нейтральном состоянии. Образуя положительно заряженный ион цинка Zn2+, атом цинка отдает два электрона.
4. Валентность цинка в соединениях
Рассмотрим валентность цинка на примере некоторых его соединений.
4.1. Оксид цинка ZnO
В оксиде цинка валентность цинка равна +2, а кислорода -2. Это подтверждает постоянную валентность цинка, равную II:
Zn (+2) + O (-2) = ZnO
4.2. Хлорид цинка ZnCl2
В молекуле хлорида цинка валентность цинка хлора также составляет +2, а хлора - по 1. Из этого следует, что валентность цинка не меняется и в хлориде равна двум:
Zn (+2) + 2Cl (-1) = ZnCl2
4.3. Реакции цинка с кислотами
При взаимодействии цинка с серной кислотой H2SO4 происходит следующая реакция:
Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2↑
Здесь цинк также проявляет валентность, равную +2. То есть вступает в реакции с кислотами, отдавая 2 электрона.
5. Физические свойства цинка
Далее рассмотрим некоторые физические характеристика цинка, которые обусловлены его валентностью.
5.1. Внешний вид
В чистом виде цинк представляет собой серебристо-белый металл с голубоватым оттенком.
5.2. Плотность
Плотность цинка составляет 7,133 г/см3 при 25°С. Это обусловлено прочностью металлической кристаллической решетки.
6. Применение цинка
Благодаря своим физико-химическим свойствам, цинк и его соединения широко используются на практике.
6.1. Гальванизация стали
Одно из распространенных применений цинка - это гальванизация стали. Цинк наносится тонким слоем на поверхность стальных изделий, защищая их от коррозии.
6.2. Производство красок
Оксид цинка является популярным белым пигментом, который используется при производстве различных красок и покрытий.
6.3. Изготовление аккумуляторов
Многие современные батарейки содержат порошок цинка в качестве одного из электродов. Цинк обеспечивает протекание электрохимических реакций.
6.4. Медицинские препараты
Соединения цинка входят в состав некоторых мазей, кремов и других медицинских препаратов благодаря своим полезным свойствам.
6.5. Легирование меди и алюминия
Добавки цинка используют для улучшения механических свойств медных и алюминиевых сплавов, таких как латунь и дюралюмин.
7. Биологическая роль цинка
Цинк жизненно необходим для нормального функционирования живых организмов, в том числе человека.
7.1. Содержание в организме
В среднем организм взрослого человека содержит около 2-3 грамм цинка. Ежедневно требуется пополнять запасы этого микроэлемента.
7.2. Участие в биохимических процессах
Цинк входит в состав многих ферментов и белков, участвующих в обмене веществ, росте и делении клеток.
7.3. Содержание в продуктах питания
Много цинка содержится в морепродуктах, печени, мясе, орехах, бобовых и цельнозерновых культурах.
7.4. Недостаток и избыток цинка
Как дефицит, так и избыток цинка в организме человека может приводить к нарушениям здоровья.
8. Добыча и получение цинка
Цинк в природе встречается главным образом в виде минералов, из которых его извлекают различными способами.
8.1. Основные цинковые руды
Наиболее распространенной цинковой рудой является сфалерит (цинковая обманка) - сульфид цинка с примесями других металлов.
8.2. Технология обогащения руд
Извлечение цинка из руды осуществляется методами дробления, измельчения, флотации с получением цинкового концентрата.
8.3. Плавка и рафинирование
Затем цинковый концентрат подвергают высокотемпературной плавке с получением чернового металла, который очищают от примесей.
8.4. Электролитическое получение
Для получения особо чистого цинка используют электролиз водных растворов его солей.
9. Экологические аспекты
Производство, использование и утилизация цинка и его соединений имеют определенное экологическое значение.
9.1. Воздействие на окружающую среду
При добыче и переработке цинковых руд образуются отходы, загрязняющие почву, воду и воздух токсичными веществами.
9.2. Контроль выбросов
Для снижения негативного влияния на экологию применяются различные методы очистки выбросов и стоков на горно-обогатительных комбинатах.
9.3. Вторичное использование отходов
Отходы производства цинка могут частично перерабатываться и повторно использоваться, что уменьшает потребление первичного сырья.
9.4. Утилизация изделий
После окончания срока службы изделия из цинка должны направляться на специальную утилизацию с извлечением и переработкой металла.
10. Токсичность соединений цинка
Несмотря на столь жизненную необходимость, избыточное количество соединений цинка может оказывать токсическое действие.
10.1. Острая интоксикация
При проглатывании или вдыхании больших доз солей цинка возможно развитие острого отравления с поражением желудочно-кишечного тракта и дыхательной системы.
10.2. Хроническая интоксикация
Длительное воздействие повышенных концентраций соединений цинка приводит к нарушениям обмена веществ и функции различных органов.
10.3. Лечение интоксикации
Лечение острых и хронических отравлений цинком заключается в промывании желудка, назначении антидотов, гемосорбции и симптоматической терапии.
