Карбонат цинка: формула, свойства, применение и реакции

Карбонат цинка (ZnCO3) – это белый кристаллический порошок. Он практически нерастворим в воде и обычно используется в качестве пигмента или наполнителя в различных технологических процессах.

Свойства карбоната цинка – термическая стабильность, устойчивость к кислотам и щелочам, а также его способность защищать поверхность металлических изделий от коррозии. Карбонат цинка также используется в качестве добавки в косметических и фармацевтических продуктах, а также в производстве резиновых изделий, лакокрасочных материалов.

Основные модификации карбоната цинка

1. Карбонат цинка I. Базовый карбонат цинка (ZnCO3•2Zn(OH)2) – образуется при реакции цинковой соли с раствором карбоната натрия и гидроксида натрия в водной среде. Имеет белый цвет и используется в качестве пигмента в производстве красок.
2. Карбонат цинка II (карбонат цинка 2). Артезианит (ZnCO3•3Zn(OH)2•3H2O) – образуется при обработке раствора цинковой соли угольной кислотой. Имеет белый цвет и используется в производстве красок и лаков.
3. Карбонат цинка III.Оксокарбонат цинка (ZnO•ZnCO3) – образуется при нагревании карбоната цинка до высоких температур. Имеет белый цвет и используется в качестве пигмента в производстве красок.
4. Карбонат цинка IV. Гидрокарбонат цинка (Zn5(CO3)2(OH)6) – образуется при реакции цинковой соли с угольной кислотой и гидроксидом натрия в водной среде. Имеет белый цвет и используется в качестве наполнителя в производстве пластмасс.

Каждая из модификаций карбоната цинка обладает уникальными свойствами и находит свое применение в различных отраслях промышленности.

Формула и структура карбоната цинка

Карбонат цинка формула

Карбонат цинка формула – ZnCO3 – указывает на то, что молекула карбоната цинка состоит из одного атома цинка (Zn), одного атома углерода (C) и трех атомов кислорода (O).

 Структура молекулы карбоната цинка

Молекула карбоната цинка имеет трехмерную структуру и представляет собой ионный кристалл. Она состоит из ионов цинка (Zn2+) и ионов карбоната (CO32-), связанных между собой ионными связями.

В структуре ZnCO3 ионы Zn располагаются в центре октаэдра, окруженного шестью атомами кислорода, каждый из которых образует ковалентную связь с атомом углерода. ZnCO3 – это соединение, в котором ионы цинка и карбоната связаны между собой ионными связями и образуют трехмерную кристаллическую решетку.

Физические свойства карбоната цинка

Цвет – это белый кристаллический порошок без запаха.

Точка плавления карбоната цинка составляет около 344 °C, при этой температуре он превращается в оксид цинка (ZnO).

ZnCO3 не обладает точкой кипения, так как при нагревании он сначала разлагается на оксид цинка и углекислый газ (СО2).

Карбонат цинка – растворимость в воде и других растворителях

ZnCO3 практически нерастворим в воде при обычных условиях. Однако он может растворяться в кислотах и щелочах.

ZnCO3 также растворяется в растворах сильных кислот, например, в растворе соляной кислоты (HCl) или в растворе азотной кислоты (HNO3), при этом образуется раствор, содержащий ион цинка (Zn2+) и ионы карбоната (CO32-).

ZnCO3 может растворяться в некоторых других растворителях – в растворах аммиака (NH3) или аммонийных солей, при этом образуется комплексный ион, содержащий цинк и аммиак.

Химические свойства карбоната цинка

Взаимодействие карбоната цинка с кислотами и щелочами.

Карбонат цинка кислоты

• ZnCO3 реагирует с кислотами, образуя соли цинка и выделяя углекислый газ (CO2). Карбонат цинка уравнение реакции с соляной кислотой (HCl)выглядит следующим образом:

ZnCO3 + 2HCl → ZnCl2 + CO2 + H2O (карбонат – хлорид цинка)

В результате этой реакции образуется хлорид цинка (ZnCl2), вода (H2O) и углекислый газ (CO2). Реакция происходит с выделением пузырьков газа и может сопровождаться шипением и небольшим нагреванием смеси.

Карбонат цинка и соляная кислота используются  для получения хлорида цинка из карбоната цинка (карбонат цинка – соль).

• Карбонат цинка реакция с серной кислотой (H2SO4):

ZnCO3 + H2SO4 → ZnSO4 + H2O + CO2

Карбонат цинка и серная кислота – результат реакции сульфат цинка (ZnSO4), вода (H2O) и углекислый газ (CO2). Реакция происходит с выделением пузырьков газа и может сопровождаться шипением и небольшим нагреванием смеси.

Эта реакция может быть использована для получения сульфата цинка из карбоната цинка.

• Уравнение реакции – карбонат цинка азотная кислота:

ZnCO3 + 2HNO3 → Zn(NO3)

Результат реакции –  нитрат цинка (Zn(NO3)2), углекислый газ (CO2) и вода (H2O). В процессе реакции происходит интенсивное выделение пузырьков газа и нагревание полученного вещества.

Взаимодействие карбоната цинка со щелочами

При реакции ZnCO3 со щелочами образуются соли цинка и осадок гидроксида цинка (Zn(OH)2).

Реакция карбонат цинка и гидроксид натрия (NaOH):

ZnCO3 + 2NaOH → Zn(OH)2 + Na2CO3

Образовавшийся осадок гидроксида цинка может дальше растворяться в щелочах, образуя соответствующие соли цинка и гидроксиды.

Реакция карбоната цинка с другими соединениями цинка

• При нагревании ZnCO3 с хлоридом цинка (ZnCl2) образуется оксид цинка (ZnO) и диоксид углерода (CO2). Уравнение реакции хлорид цинка – карбонат цинка:

ZnCO3 + ZnCl2 → ZnO + 2CO2 + Cl2

• Когда карбонат цинка реагирует с гидроксидом цинка, происходит двойная замещение, в результате которого образуется гидрокарбонат цинка и вода:

ZnCO3 + Zn(OH)2 → Zn3(OH)2(CO3)2 + H2O

Или в простой форме:

ZnCO3 + Zn(OH)2 → Zn(OH)2CO3

Образовавшийся гидрокарбонат цинка может выпадать в осадок и использоваться в различных промышленных процессах – производство красок, пластмасс и других продуктов.

• Карбонат цинка может реагировать с цианидом цинка (Zn(CN)2), образуя цианид цинка и карбонат натрия (Na2CO3):

ZnCO3 + Zn(CN)2 → 2Zn(CN)2 + Na2CO3

• Фосфат натрия карбонат цинка. Если смешать фосфат натрия и ZnCO3, то произойдет реакция двойного замещения, которая приведет к образованию фосфата цинка и карбоната натрия:

Na3PO4 + ZnCO3 → Zn3(PO4)2 + Na2CO3

Упрощенная форма:

3Na2PO4 + ZnCO3 → Zn3(PO4)2 + 3Na2CO3

Продукты реакции выпадают в осадок.

• Карбонат цинка фосфат калия – реакция двойного замещения, которая приведет к образованию карбоната калия и фосфата цинка:

ZnCO3 + K3PO4 → Zn3(PO4)2 + 3K2CO3

Или в более простой форме:

3ZnCO3 + 2K3PO4 → Zn3(PO4)2 + 6K2CO3

Образуется нерастворимый осадок.

• Карбонат цинка магний. ZnCO3 реагирует с магнием, происходит реакция обмена, в результате которой образуется карбонат магния и металлический цинк. Магний карбонат цинка реакция

ZnCO3 + Mg → MgCO3 + Zn

В результате реакции карбонат магния выпадает в осадок.

В этой реакции ZnCO3 и магний (Mg) реагируют, образуя карбонат магния (MgCO3) и цинк (Zn). Эта реакция является реакцией обмена или двойной замены.

Эта реакция происходит при обычных условиях (комнатная температура и давление), и является относительно медленной.

• Карбонат цинка железо. ZnCO3 и железо могут реагировать при достаточно высоких температурах, образуя цинк и оксид железа. Это реакция обмена или редокс-реакция.

ZnCO3 + Fe → Zn + FeO + CO2

В этой реакции карбонат цинка (ZnCO3) и железо (Fe) реагируют, образуя цинк (Zn), оксид железа (FeO) и углекислый газ (CO2). Оксид железа может далее реагировать с кислородом воздуха, образуя оксид железа(III) (Fe2O3), так как железо в реакции

ZnCO3 + 2Fe → Zn + Fe2O3 + CO2

Это лишь несколько примеров реакций карбоната цинка с другими соединениями цинка, возможные продукты реакции зависят от многих факторов, включая условия реакции и стехиометрию реагентов.

Карбонат цинка – разложение при нагревании

Оксид цинка из карбоната цинка. ZnCO3 разлагается при нагревании, образуя оксид цинка и углекислый газ. Реакция разложения карбоната цинка может быть представлена уравнением:

ZnCO3 (тв) → ZnO (тв) + CO2 (г)

При нагревании карбоната цинка до температуры около 300-400 градусов Цельсия начинается процесс разложения, при котором молекулы карбоната цинка распадаются на оксид цинка и молекулы углекислого газа. Разложение карбоната цинка является эндотермической реакцией, т.е. требует затраты энергии для протекания. Поэтому для разложения карбоната цинка необходимо нагревание до высокой температуры, обычно свыше 400 градусов Цельсия.

Разложение карбоната цинка при нагревании используется для получения оксида цинка.

Получение карбоната цинка

Карбонат цинка – химические способы получения

Метод нейтрализации

1. Метод нейтрализации раствора цинка с угольной кислотой до образования осадка карбоната цинка:

ZnSO4 + Na2CO3 → ZnCO3 + Na2SO4

2. Получить карбонат цинка можно методом обработки раствора цинка углекислым газом, что приводит к выпадению карбоната цинка в виде осадка:

ZnCl2 + Na2CO3 + H2O → ZnCO3 + 2NaCl + 2HCl

3. ZnCO3 можно получить путем осаждения его из раствора цинка и карбоната натрия при помощи аммиака:

ZnSO4 + Na2CO3 + 2NH4OH → ZnCO3 + 2NH4SO4 + 2H2O

Полученный карбонат цинка обычно проходит процесс очистки и сушки для удаления примесей и влаги.

Метод замещения

• Цинк – карбонат калия. Когда цинк (Zn) реагирует с карбонатом калия (K2CO3), происходит одинарная замещение реакция, в результате которой образуется ZnCO3 и калий (K) в элементарной форме:

Zn + K2CO3 → ZnCO3 + 2K

Или в более простой форме:

Zn + K2CO3 → ZnCO3 + K

• Цинк – карбонат кальция. Реакция между цинком и карбонатом кальция может быть записана следующим образом:

Zn + CaCO3 → ZnCO3 + Ca

В результате этой реакции образуется ZnCO3 и металлический кальций (Ca).

Эта реакция является реакцией замещения, так как ион цинка замещает катион кальция в карбонате кальция, образуя новое соединение, а ион кальция освобождается в свободное состояние.

• Цинк и карбонат натрия. Цинк и карбонат натрия реакция:

Zn + Na2CO3 → ZnCO3 + 2Na

Цинк, взаимодействуя с раствором карбоната натрия, образует ZnCO3 и металлический натрий (Na).

Ион цинка замещает катион натрия в карбонате натрия, образуя новое соединение, а ион натрия освобождается в свободное состояние.

• Цинк – карбонат серебра. Реакция между цинком и карбонатом серебра может быть записана следующим образом:

Zn + Ag2CO3 → ZnCO3 + 2Ag

В результате этой реакции образуется ZnCO3 и металлическое серебро (Ag).

Однако карбонат серебра достаточно трудно растворим в воде, поэтому эта реакция может протекать медленно или не полностью в обычных условиях.

• Карбонат бария и цинк

BaCO3 + Zn → ZnCO3 + Ba

Металлический барий является реактивным металлом, который может реагировать с кислородом и влажным воздухом, поэтому он должен храниться в инертной среде. ZnCO3, который также образуется в результате реакции, является малорастворимым в воде соединением и может выпадать в осадок.

Метод двойного разложения

ZnCO3 можно получить путем реакции раствора соли цинка с раствором карбоната натрия. Хлорид цинка ii – карбонат натрия:

ZnCl2 + Na2CO3 → ZnCO3 + 2NaCl.

В результате этой реакции образуется ZnCO3 и хлорид натрия (NaCl). Реакция является обменной реакцией, где ионы цинка и натрия меняются местами.

Эта реакция может быть использована для получения карбоната цинка из хлорида цинка.

Метод осаждения

В этом методе карбонат цинка выпадает в виде осадка при добавлении алкалийного раствора к раствору соли цинка:

ZnSO4 + 2NaOH → Zn(OH)2 + Na2SO4 Zn(OH)2 + CO2 → ZnCO3 + H2O

1. Метод сульфирования. ZnCO3 может быть получен путем обработки цинка сульфидным раствором, например, серной кислотой и гидросульфитом натрия:

Zn + H2SO4 + Na2S2O4 → ZnSO4 + Na2SO4 + H2O + ZnS ZnS + H2O + CO2 → ZnCO3 + H2S

Метод двойного обмена

• Цинк – гидроксид карбонат. Уравнение реакции между цинком и гидроксидом карбонатом:

Zn + 2NaHCO3 → Zn(OH)2 + Na2CO3 + H2O + CO2

В результате реакции образуется гидроксид цинка (Zn(OH)2), карбонат натрия (Na2CO3), вода (H2O) и углекислый газ (CO2).

Данная реакция является реакцией двойного обмена, так как ионы гидроксида карбоната и ионы цинка обмениваются местами в реакционной смеси, образуя новые соединения. В реакции происходит образование гидроксида цинка и ZnCO3, при этом натрий, ионизированный в виде катиона, также участвует в реакции.

• Карбонат натрия – хлорид цинка. Реакция между карбонатом натрия и хлоридом цинка:

Na2CO3 + ZnCl2 → ZnCO3 + 2NaCl

Продукты реакции – ZnCO3 и хлорид натрия (NaCl).

Карбонат цинка является малорастворимым соединением в воде, он выпадает в осадок.

• Сульфат цинка – карбонат натрия. Уравнение реакции между сульфатом цинка и карбонатом натрия может:

ZnSO4 + Na2CO3 → ZnCO3 + Na2SO4

Карбонат цинка (ZnCO3) и сульфат натрия (Na2SO4) – результат реакции.

• Карбонат калия – сульфат цинка. Карбонат калия и сульфат цинка реакция:

K2CO3 + ZnSO4 → ZnCO3 + K2SO4

Продукты химического процесса – ZnCO3 и сульфат калия (K2SO4).

ZnCO3 выпадает в осадок в результате реакции. Сульфат калия растворяется в воде и не образует осадок.

• Хлорид цинка – карбонат калия.

ZnCl2 + K2CO3 → ZnCO3 + 2KCl

В результате этой реакции образуется ZnCO3 и хлорид калия (KCl).

• Нитрат цинка – карбонат натрия. Реакция между нитратом цинка и карбонатом натрия:

Zn(NO3)2 + Na2CO3 → ZnCO3 + 2NaNO3

Образуется нерастворимый осадок карбоната цинка (ZnCO3) и раствор нитрата натрия (NaNO3).

• Нитрат цинка + карбонат бария.

Zn(NO3)2 + BaCO3 → ZnCO3 + Ba(NO3)

В результате этой реакции образуется ZnCO3 и нитрат бария (Ba(NO3)2).

• Карбонат бария сульфат цинка. Реакция между карбонатом бария и сульфатом цинка может быть записана следующим образом:

BaCO3 + ZnSO4 → ZnCO3 + BaSO4

ZnCO3 и сульфат бария (BaSO4) – продукты реакции.

• ·Гидроксид цинка карбонат калия

Zn(OH)2 + K2CO3 → ZnCO3 + 2KOH

Эта реакция также является реакцией двойного обмена, так как ионы гидроксида цинка и ионы карбоната калия обмениваются местами в реакционной смеси, образуя новые соединения. В реакции происходит образование ZnCO3 и гидроксида калия.

• Хлорид цинка – карбонат кальция

ZnCl2 + CaCO3 → ZnCO3 + CaCl2

В результате этой реакции образуется ZnCO3 и хлорид кальция (CaCl2).

• Гидроксид цинка карбонат кальция

Zn(OH)2 + CaCO3 → ZnCO3 + Ca(OH)2

Эта реакция является реакцией двойного обмена, так как ионы гидроксида цинка и ионы карбоната кальция обмениваются местами в реакционной смеси, образуя новые соединения. В реакции происходит образование карбоната цинка и гидроксида кальция.

Гидроксид кальция является малорастворимым в воде соединением, поэтому в результате этой реакции он может выпасть в осадок. ZnCO3 является малорастворимым в воде соединением, и также может выпасть в осадок.

• Карбонат магния – хлорид цинка.

MgCO3 + ZnCl2 → MgCl2 + ZnCO3

• Оксид цинка и карбонат натрия

ZnO + Na2CO3 → ZnCO3 + Na2O

В результате этой реакции образуются ZnCO3 и оксид натрия (Na2O).

Оксид натрия растворяется в воде с образованием щелочного раствора, поэтому при добавлении воды к получившемуся продукту (Na2O) образуется щелочной раствор натрия. Карбонат цинка в растворе воды выпадает в осадок.

• Цинк – карбонат железа ii. Цинк и карбонат железа (II) могут реагировать между собой, образуя ZnCO3  и гидроксид железа (II):

Zn + FeCO3 → ZnCO3 + Fe(OH)2

В этой реакции цинк (Zn) и карбонат железа (II) (FeCO3) реагируют, образуя ZnCO3 и гидроксид железа (II) (Fe(OH)2). Эта реакция является реакцией двойной замены или обмена.

Гидроксид железа (II) легко окисляется до гидроксида железа (III) на воздухе, так что в реальной ситуации можно ожидать образование гидроксида железа (III) вместо гидроксида железа (II).

Комплексный метод получения карбоната цинка

Сульфат натрия, хлорид цинка, карбонат калия могут быть использованы для получения карбоната цинка в химической лаборатории или промышленных условиях.

Для получения карбоната цинка, можно провести две последовательные реакции. Сначала, растворим хлорид цинка в воде, затем добавим раствор сульфата натрия, чтобы образовался осадок гидроксида цинка:

ZnCl2 + 2Na2SO4 → ZnSO4 + 2NaCl

ZnSO4 + 2NaOH → Zn(OH)2 + Na2SO4

Затем, полученный гидроксид цинка можно прокипятить или высушить и нагреть в течение нескольких часов при температуре около 900 градусов Цельсия:

Zn(OH)2 → ZnO + H2O

ZnO + CO2 → ZnCO3

При использовании сульфат натрия, хлорид цинка и карбоната калия в определенной последовательности можно получить ZnCO3 .

В зависимости от метода получения, карбонат цинка может иметь различную чистоту и свойства.

Карбонат цинка – получение из природных источников

ZnCO3 является достаточно распространенным минералом и может быть найден в различных природных источниках, таких как залежи, шахты и карьеры.

Одним из наиболее распространенных источников карбоната цинка являются цинковые руды -сфалерит (цинковый сульфид), которые обычно содержат небольшие количества карбоната цинка вместе с другими минералами.

Для получения карбоната цинка из цинковых руд, сначала руда обрабатывается, чтобы извлечь из нее цинк, обычно с помощью флотации. Затем извлеченный цинк перерабатывается химическим способом, например, обработкой кислотой, для получения раствора соли цинка.

После этого  ZnCO3 может быть получен путем реакции раствора соли цинка с угольной кислотой или ее солями.

Добыча карбоната цинка может происходить непосредственно из отложений цинковой руды и карбонатитов, при условии, что они содержат достаточно высокую концентрацию карбоната цинка для экономически целесообразной добычи.

Промышленное производство карбоната цинка

Промышленное производство карбоната цинка может осуществляться различными способами, в зависимости от исходных сырьевых материалов и условий производства.

Один из распространенных способов производства карбоната цинка – это использование цинковых оксидов в качестве сырья. Для этого сначала из цинковых руд извлекают цинк, например, с помощью электролиза или обработки кислотой. Затем цинковые оксиды получают путем обжига цинковых концентратов или рециклинга отходов, содержащих цинк.

Далее цинковые оксиды реагируют с угольной кислотой или ее солями для образования карбоната цинка. Реакция может происходить в различных условиях в зависимости от используемых реакционных условий и типа оборудования, например, в реакторах с пульпой или ротационных печах.

ZnCO3 может быть получен из некоторых других исходных сырьевых материалов, таких как оксид цинка, гидроксид цинка или аммиакат цинка, путем их реакции с угольной кислотой или ее солями.

В промышленном производстве карбоната цинка также могут использоваться различные методы обработки, такие как мокрый или сухой помол и обогащение продукта с целью улучшения его качества и удовлетворения требований конечных потребителей.

Применение карбоната цинка

1. Медицина и косметика – как антисептик, средство сушащего и противовоспалительного характера, а также как компонент в косметических средствах – порошки, тени для век и помады.
2. Производство пластмасс и резиновых изделий – наполнитель для улучшения механических свойств и снижения стоимости пластмасс и резиновых изделий.
3. Сельское хозяйство – добавки в корма для животных для предотвращения дефицита цинка, который необходим для роста и развития животных.
4. Пищевая промышленность – добавки в пищу для улучшения вкуса и аромата, а также как пигмент в производстве пищевых красителей.

ZnCO3 также используется в производстве бумаги, красок, лаков, текстиля, пластических масс, электронных компонентов и многих других продуктов.

Химия и свойства карбоната цинка 

Химическая библиотека | Наука | Академия Хана (khanacademy.org)

Главная | ЦИНК. Международная цинковая ассоциация (zinc.org)