亜鉛(Zn)の化学的性質

基本情報

• 元素記号: Zn
• 原子番号: 30
• 電子配置: [Ar]3d¹⁰4s²
• 酸化数: +2(亜鉛イオン Zn²⁺)のみ
• 常温での状態: 青白色の金属
• 特徴: 遷移元素、両性元素(酸・塩基両方と反応)、常温では脆いが100~150℃で展性・延性を示す

亜鉛の製法

1. 乾式製錬法

亜鉛鉱石(主に硫化亜鉛 ZnS)を焙焼して酸化亜鉛とし、コークスで還元して亜鉛を得る方法。

反応の流れ

亜鉛の化学反応

1. 酸素・空気との反応

• 常温の乾燥空気中: 表面に緻密な酸化皮膜(ZnO)を形成し、内部を保護
• 加熱した亜鉛と酸素: (6) 2Zn + O₂ → 2ZnO (酸化亜鉛、白色)

2. 水との反応

• 常温の水: ほとんど反応しない(酸化皮膜により保護)
• 高温の水蒸気: (7) Zn + H₂O → ZnO + H₂↑

3. 酸との反応(両性元素の性質)

亜鉛は両性元素なので、酸とも塩基とも反応する。

希硫酸・希塩酸との反応

• 希硫酸: (8) Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂↑
• 希塩酸: (9) Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑

硝酸との反応

• 希硝酸: (10) 4Zn + 10HNO₃(希) → 4Zn(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O
• または: (11) 3Zn + 8HNO₃(希) → 3Zn(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O
• 濃硝酸: (12) Zn + 4HNO₃(濃) → Zn(NO₃)₂ + 2NO₂↑ + 2H₂O

4. 塩基との反応(両性元素の性質)

亜鉛は両性元素なので、強塩基とも反応して水素を発生する。

• 水酸化ナトリウム水溶液: (13) Zn + 2NaOH + 2H₂O → Na₂[Zn(OH)₄] + H₂↑
• 　　　　　　　　　　　(テトラヒドロキソ亜鉛(II)酸ナトリウム)
• イオン反応式: (14) Zn + 2OH⁻ + 2H₂O → [Zn(OH)₄]²⁻ + H₂↑

5. ハロゲンとの反応

• 塩素との反応: (15) Zn + Cl₂ → ZnCl₂ (塩化亜鉛、白色)

6. 硫黄との反応

• 加熱した亜鉛と硫黄: (16) Zn + S → ZnS (硫化亜鉛、白色)

7. 金属イオンとの反応(イオン化傾向)

Zn は Cu²⁺ よりイオン化傾向が大きいため、銅イオンを還元する。

• 硫酸銅水溶液に亜鉛を浸す: (17) Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu
• イオン反応式: (18) Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu

亜鉛の化合物

1. 亜鉛イオン Zn²⁺ の性質

• 色: 水溶液は無色
• 酸化数: +2 のみ(d軌道が完全に満たされている)
• 錯イオン形成: アンミン錯イオンやヒドロキソ錯イオンを形成

2. 酸化亜鉛 ZnO の性質

両性酸化物であり、酸にも塩基にも溶ける。

• 酸との反応: (19) ZnO + 2HCl → ZnCl₂ + H₂O
• 塩基との反応: (20) ZnO + 2NaOH + H₂O → Na₂[Zn(OH)₄]

用途: 白色顔料(亜鉛華)、化粧品、医薬品

3. 水酸化亜鉛 Zn(OH)₂ の性質

両性水酸化物であり、酸にも塩基にも溶ける。

• 生成: (21) Zn²⁺ + 2OH⁻ → Zn(OH)₂↓ (白色沈殿)
• 酸との反応: (22) Zn(OH)₂ + 2HCl → ZnCl₂ + 2H₂O
• 塩基との反応: (23) Zn(OH)₂ + 2NaOH → Na₂[Zn(OH)₄]
• イオン反応式: (24) Zn(OH)₂ + 2OH⁻ → [Zn(OH)₄]²⁻

4. アンミン錯イオンの形成

• 少量のアンモニア水: (25) Zn²⁺ + 2NH₃ + 2H₂O → Zn(OH)₂↓ + 2NH₄⁺
• 過剰のアンモニア水: (26) Zn(OH)₂ + 4NH₃ → [Zn(NH₃)₄]²⁺ + 2OH⁻
• 　　　　　　　　　(テトラアンミン亜鉛(II)イオン、無色)

5. 主な亜鉛化合物

• 硫酸亜鉛 ZnSO₄: 無色結晶、水溶液は無色
• 塩化亜鉛 ZnCl₂: 白色、潮解性あり
• 硫化亜鉛 ZnS: 白色、蛍光物質(硫化亜鉛に微量の銅や銀を加えると蛍光を発する)
• 炭酸亜鉛 ZnCO₃: 白色、菱亜鉛鉱

亜鉛イオンの沈殿反応と検出

1. 水酸化物の沈殿(両性)

• Zn²⁺ + 水酸化ナトリウム(少量): (27) Zn²⁺ + 2OH⁻ → Zn(OH)₂↓ (白色沈殿)
• 過剰の水酸化ナトリウム: (28) Zn(OH)₂ + 2OH⁻ → [Zn(OH)₄]²⁻ (沈殿が溶解)

2. 硫化物の沈殿

• Zn²⁺ + 硫化水素(塩基性): (29) Zn²⁺ + S²⁻ → ZnS↓ (白色沈殿)
• ※ 硫化亜鉛は酸性では沈殿しにくい
• 酸性での溶解: (30) ZnS + 2H⁺ → Zn²⁺ + H₂S↑

3. 炭酸塩の沈殿

• Zn²⁺ + 炭酸ナトリウム: (31) Zn²⁺ + CO₃²⁻ → ZnCO₃↓ (白色沈殿)

4. ヘキサシアノ鉄(II)酸カリウムによる検出

• Zn²⁺ + K₄[Fe(CN)₆]: (32) 2Zn²⁺ + K₄[Fe(CN)₆] → Zn₂[Fe(CN)₆]↓ + 4K⁺
• 　　　　　　　　　　(白色沈殿)

5. 亜鉛イオンの分離

硫化水素による系統分離では、亜鉛は塩基性で沈殿する第4属に分類される。

• 第4属: Zn²⁺, Mn²⁺, Fe²⁺, Co²⁺, Ni²⁺ など
• 塩基性(NH₄Cl + NH₃水溶液)で H₂S を通じると ZnS として沈殿

その他の重要事項

イオン化傾向

K > Ca > Na > Mg > Al > Zn > Fe > Ni > Sn > Pb > (H₂) > Cu > Hg > Ag > Pt > Au

• 亜鉛は水素よりイオン化傾向が大きいため、希酸と反応して水素を発生
• 亜鉛は鉄より活性が大きいため、鉄の防食に利用される(トタン)

両性元素としての亜鉛

亜鉛は両性元素であり、酸とも強塩基とも反応する。

• 酸との反応: Zn²⁺ を生成
• 塩基との反応: [Zn(OH)₄]²⁻ を生成
• ※ 同様に両性を示す元素: Al, Sn, Pb など

亜鉛の用途

• めっき: トタン(鉄板に亜鉛めっき)、防食作用
• 合金: 真鍮(黄銅、Cu + Zn)、洋銀(Cu + Zn + Ni)
• 乾電池: マンガン乾電池の負極
• 酸化亜鉛: 白色顔料(亜鉛華)、化粧品、ゴムの加硫促進剤
• 硫化亜鉛: 蛍光物質、夜光塗料

ボルタ電池

亜鉛は乾電池や電気化学の実験でよく使われる。

• 負極(Zn): (33) Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ (酸化)
• 正極(Cu): (34) 2H⁺ + 2e⁻ → H₂↑ (還元)

トタンとブリキの比較

• トタン(亜鉛めっき): 傷がついても亜鉛が先に酸化されるため、鉄を保護(犠牲陽極)
• ブリキ(スズめっき): 傷がつくと鉄が先に酸化される