Kẽm (Zn): tính chất hóa học, tính chất vật lí, nhận biết, điều chế, ứng dụng

I. Định nghĩa

- Kẽm là một kim loại đã được phát hiện từ thời kỳ cổ đại. Các loại quặng kẽm đã được sử dụng để làm hợp kim đồng-kẽm là đồng thau vài thế kỷ trước khi phát hiện ra kẽm ở dạng nguyên tố riêng biệt. Đồng thau Palestin có từ thế kỷ 14 TCN đến thế kỷ 10 TCN chứa 23% kẽm.

- Kí hiệu: Zn

- Cấu hình electron: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁹4s² hay [Ar]3d¹⁰4s²

- Số hiệu nguyên tử: 30

- Khối lượng nguyên tử: 65g/ mol

- Vị trí trong bảng tuần hoàn

   + Ô: 30

   + Nhóm: IIB

   + Chu kì: 4

- Đồng vị: ⁶⁴Zn, ⁶⁵Zn, ⁶⁷Zn, ⁶⁸Zn và ⁷⁰Zn

- Độ âm điện: 1,65

II. Tính chất hóa học

- Kẽm là kim loại hoạt động có tính khử mạnh Zn → Zn²⁺ + 2e

a. Tác dụng với phi kim

- Zn tác dụng trực tiếp với nhiều phi kim.

2Zn + O₂ → 2ZnO

Zn + Cl₂ → ZnCl₂

b. Tác dụng với axit

- Với các dung dịch axit HCl, H₂SO₄ loãng:

Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂

- Với dung dịch HNO₃, H₂SO₄ đặc:

Zn + 4HNO₃ đ → Zn(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O

c. Tác dụng với H₂O

- Phản ứng này hầu như không xảy ra vì trên bề mặt của kẽm có màng oxit bảo vệ.

d. Tác dụng với bazơ

- Kẽm tác dụng với dung dịch bazơ mạnh: NaOH, KOH, Ca(OH)₂....

Zn + 2NaOH + 2H₂O → Na₂[Zn(OH)4] + H₂

III. Tính chất vật lí & nhận biết

1. Tính chất vật lí:

- Kẽm là kim loại có màu lam nhạt, giòn ở nhiệt độ phòng, dẻo ở nhiệt độ 100 – 150⁰C, giòn trở lại ở nhiệt dộ trên 200⁰C. Kẽm có khối lượng riêng bằng 7,13 g/cm³, nóng chảy ở 419,5⁰C và sôi ở 906⁰C.

2. Nhận biết

- Kim loại kẽm tan trong dung dịch NaOH, sinh ra khí không màu.

Zn + 2NaOH + 2H₂O → Na₂[Zn(OH)₄] + H₂

IV. Trạng thái tự nhiên

- Nguyên tố này thường tồn tại ở dạng hợp chất đi cùng với các nguyên tố kim loại thông thường khác như đồng và chì trong quặng. Sphalerit là một dạng kẽm sulfua, và là loại quặng chứa nhiều kẽm nhất với hàm lượng kẽm lên đến 60–62%.

- Các loại khác khác có thể thu hồi được kẽm như smithsonit (kẽm cacbonat), hemimorphit (kẽm silicat), wurtzit (loại kẽm sulfua khác), và đôi khi là hydrozincit (kẽm cacbonat)

V. Điều chế

- Kẽm kim loại được sản xuất bằng luyện kim khai khoáng. Sau khi nghiền quặng, phương pháp tuyển nổi bọt được sử dụng để tách các khoáng dựa vào tính dính ướt khác nhau của chúng. Ở bước cuối cùng này thì kẽm chiếm 50%, phần còn lại là lưu huỳnh (32%), sắt (13%), và SiO2 (5%).

- Công đoạn thiêu kết sẽ chuyển kẽm sulfua thành kẽm ôxít

2 ZnS + 3 O₂ → 2 ZnO + 2 SO₂

- Sau đó, người ta có thể dùng 2 phương pháp cơ bản trong luyện kim là nhiệt luyện (pyrometallurgy) hoặc điện phân (electrowinning). Quá trình nhiệt luyện khử kẽm ôxít với cacbon hoặc cacbon mônôxít ở 950 °C (1.740 °F) thành kim loại kẽm ở dạng hơi. Hơi kẽm được thu hồi trong bình ngưng. Quá trình được biểu diễn theo các phương trình dưới đây:

2 ZnO + C → 2 Zn + CO₂

2 ZnO + 2 CO → 2 Zn + 2 CO₂

- Quá trình điện phân, tách kẽm từ quặng tinh bằng axít sulfuric.

ZnO + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂O

Sau đó, người ta dùng phương pháp điện phân để sản xuất kẽm kim loại

2 ZnSO₄ + 2 H₂O → 2 Zn + 2 H₂SO₄ + O₂

VI. Ứng dụng

Kẽm là kim loại được sử dụng phổ biến hàng thứ tư sau sắt, nhôm, đồng tính theo lượng sản xuất hàng năm:

   - Kẽm được sử dụng để mạ kim loại, chẳng hạn như thép để chống ăn rỉ.

   - Kẽm được sử dụng trong các hợp kim như đồng thau, niken trắng, các loại que hàn, bạc Đức v.v. Đồng thau có ứng dụng rộng rãi nhờ độ cứng và sức kháng rỉ cao.

   - Kẽm được sử dụng trong đúc khuôn, đặc biệt là trong công nghiệp ô tô.

   - Kẽm dạng cuộn được sử dụng để làm vỏ pin

VII. Các hợp chất quan trọng của Kẽm

   - Kẽm clorua: ZnCl₂

   - Kẽm oxit: ZnO

   - Kẽm hi đroxit: Zn(OH)₂