Хлорид цинка — неорганическое химическое соединение с формулой ZnCl2 · nH2O , где n варьируется от 0 до 4,5, образующее гидраты . Хлорид цинка безводный и его гидраты — бесцветные или белые кристаллические твердые вещества, хорошо растворимые в воде . Известно пять гидратов хлорида цинка, а также четыре формы безводного хлорида цинка. [5]
Все формы хлорида цинка являются расплывающимися . Хлорид цинка находит широкое применение в текстильной обработке, металлургических флюсах и химическом синтезе. [5] В большой монографии хлориды цинка были описаны как «одно из важных соединений цинка». [6]
Хлорид цинка известен давно, но все его современные промышленные применения появились во второй половине 20-го века. [5]
Аморфный цемент, образованный из водного хлорида цинка и оксида цинка, был впервые исследован в 1855 году Станиславом Сорелем . Позднее Сорель продолжил исследование связанного с ним цемента на основе оксихлорида магния , который носит его имя. [7]
Разбавленный водный раствор хлорида цинка использовался в качестве дезинфицирующего средства под названием «Дезинфицирующая жидкость Бернетта». [8] С 1839 года сэр Уильям Бернетт пропагандировал его использование в качестве дезинфицирующего средства, а также консерванта древесины. [9] Королевский флот проводил испытания его использования в качестве дезинфицирующего средства в конце 1840-х годов, в том числе во время эпидемии холеры 1849 года ; и в то же время проводились эксперименты по его консервирующим свойствам применительно к судостроению и железнодорожной промышленности. Бернетт имел некоторый коммерческий успех со своей одноименной жидкостью. Однако после его смерти ее использование было в значительной степени вытеснено использованием карболовой кислоты и других запатентованных продуктов. [ необходима цитата ]
По сравнению с другими дигалогенидами металлов дихлорид цинка необычен тем, что образует несколько кристаллических форм ( полиморфов ). Известно четыре из них: α, β, γ и δ. В каждом случае присутствуют тетраэдрические центры Zn2 + . [10]
Здесь a , b и c — постоянные решетки, Z — число структурных единиц на элементарную ячейку, а ρ — плотность, рассчитанная из параметров структуры. [11] [12] [13]
Орторомбическая форма (δ) быстро переходит в одну из других форм под воздействием атмосферы. Возможным объяснением является то, что ионы OH − , происходящие из поглощенной воды, облегчают перегруппировку. [10] Быстрое охлаждение расплавленного ZnCl 2 дает стекло . [14]
Расплавленный ZnCl 2 имеет высокую вязкость при температуре плавления и сравнительно низкую электропроводность, которая заметно увеличивается с температурой. [15] [16] Как показало исследование рассеяния Рамана , вязкость объясняется присутствием полимеров. [17] Исследование рассеяния нейтронов показало наличие тетраэдрических центров ZnCl 4 , что также требует агрегации мономеров ZnCl 2. [18]
Известны различные гидраты хлорида цинка: ZnCl 2 (H 2 O) n с n = 1, 1,33, 2,5, 3 и 4,5. [19] 1,33-гидрат, ранее считавшийся полутригидратом, состоит из транс -Zn(H 2 O) 4 Cl 2 -центров с атомами хлора, связанными с повторяющимися цепями ZnCl 4 . Полупентагидрат, структурно сформулированный как [Zn(H 2 O) 5 ][ZnCl 4 ], состоит из октаэдров Zn(H 2 O) 5 Cl, где атом хлора является частью тетраэдров [ZnCl 4 ] 2- . Тригидрат состоит из отдельных катионов гексааквоцинка(II) и анионов тетрахлорцинката ; сформулирован как [Zn(H 2 O) 6 ][ZnCl 4 ]. Наконец, геминонагидрат, структурно сформулированный как [Zn(H 2 O) 6 ][ZnCl 4 ]·3H 2 O, также состоит из отдельных катионов гексааквоцинка(II) и анионов тетрахлорцинката, как и тригидрат, но имеет три дополнительные молекулы воды. [20] [21]
Исторически хлориды цинка получаются из реакции соляной кислоты с металлическим цинком или оксидом цинка. Водные кислоты не могут быть использованы для получения безводного хлорида цинка. Согласно ранней процедуре, суспензия порошкообразного цинка в диэтиловом эфире обрабатывается хлористым водородом, а затем высушивается [22] Общий метод остается полезным в промышленности, но без растворителя: [5]
Водные растворы можно легко приготовить аналогичным образом, обрабатывая металлический Zn, карбонат цинка, оксид цинка и сульфид цинка соляной кислотой: [23]
Гидраты могут быть получены путем испарения водного раствора хлорида цинка. Температура испарения определяет гидраты. Например, испарение при комнатной температуре дает 1,33-гидрат. [20] [24] Более низкие температуры испарения дают более высокие гидраты. [21]
Коммерческие образцы хлорида цинка обычно содержат воду и продукты гидролиза в качестве примесей. Лабораторные образцы могут быть очищены перекристаллизацией из горячего диоксана . Безводные образцы могут быть очищены сублимацией в потоке газообразного хлористого водорода с последующим нагреванием сублимата до 400 °C в потоке сухого газообразного азота. [25] Простой метод основан на обработке хлорида цинка тионилхлоридом . [ 26]
Известен ряд солей , содержащих анион тетрахлорцинката [ZnCl 4 ] 2− . [15] «Реагент Колтона», V 2 Cl 3 ( thf ) 6 ] [Zn 2 Cl 6 ] , который используется в органической химии, является примером соли, содержащей [Zn 2 Cl 6 ] 2− . [27] [28] Соединение Cs 3 ZnCl 5 содержит тетраэдрические анионы [ZnCl 4 ] 2− и Cl − , [10] поэтому соединение не является пентахлорцинкатом цезия, а хлоридом тетрахлорцинката цезия. Соединения, содержащие ион [ZnCl 6 ] 4− (ион гексахлорцинката), не были охарактеризованы. [10] Соединение ZnCl 2 ·0,5HCl·H 2 O кристаллизуется из раствора ZnCl 2 в соляной кислоте . Оно содержит полимерный анион (Zn 2 Cl −5) n с уравновешивающими моногидратированными ионами гидроксония , H 5 O+2ионы. [10]
Аддукт с thf ZnCl 2 (thf) 2 иллюстрирует тенденцию хлорида цинка образовывать аддукты 1:2 со слабыми основаниями Льюиса . Будучи растворимым в эфирах и не имея кислотных протонов, этот комплекс используется в синтезе цинкорганических соединений . [30] Родственный комплекс 1:2 - ZnCl 2 (NH 2 OH) 2 (дихлорид цинка ди(гидроксиламин)). Известный как соль Крисмера, этот комплекс выделяет гидроксиламин при нагревании. [31] Отличительная способность водных растворов ZnCl 2 растворять целлюлозу объясняется образованием комплексов цинк-целлюлоза, что иллюстрирует стабильность ее аддуктов. [32] Целлюлоза также растворяется в расплавленном гидрате ZnCl 2. [33] В целом, это поведение согласуется с Zn 2+ как жесткой кислотой Льюиса.
При обработке растворов хлорида цинка аммиаком образуются разнообразные аммиачные комплексы. В дополнение к тетраэдрическому комплексу 1:2 ZnCl 2 (NH 3 ) 2 . [34] [35] также был выделен комплекс Zn(NH 3 ) 4 Cl 2 ·H 2 O. Последний содержит ион [Zn(NH 3 ) 6 ] 2+ ,. [10] Были исследованы виды в водном растворе и показано, что [Zn(NH 3 ) 4 ] 2+ является основным видом, присутствующим вместе с [Zn(NH 3 ) 3 Cl] + , также присутствующим при более низком соотношении NH 3 :Zn. [36]
Хлорид цинка легко растворяется в воде, давая виды ZnCl x (H 2 O) 4− x и некоторое количество свободного хлорида. [37] [38] [39] Водные растворы ZnCl 2 являются кислыми: 6 М водный раствор имеет pH 1. [19] Кислотность водных растворов ZnCl 2 относительно растворов других солей Zn 2+ (например, сульфата) обусловлена образованием тетраэдрических хлороаквакомплексов, таких как [ZnCl 3 (H 2 O)] - . [40] Большинство дихлоридов металлов для октаэдрических комплексов с более сильными связями OH. Сочетание соляной кислоты и ZnCl 2 дает реагент, известный как « реагент Лукаса ». Такие реагенты когда-то использовались для проверки первичных спиртов. Подобные реакции являются основой промышленных путей от метанола и этанола соответственно до метилхлорида и этилхлорида . [41]
В щелочном растворе хлорид цинка превращается в различные гидроксихлориды цинка. К ним относятся [Zn(OH) 3 Cl] 2− , [Zn(OH) 2 Cl 2 ] 2− , [Zn(OH)Cl 3 ] 2− , и нерастворимый Zn 5 (OH) 8 Cl 2 ·H 2 O . Последний является минералом симонколлеитом . [42] При нагревании гидратов хлорида цинка выделяется газ HCl и образуются гидроксихлориды. [43]
В водном растворе ZnCl2 , а также другие галогениды (бромид, иодид) ведут себя взаимозаменяемо для получения других соединений цинка. Эти соли дают осадки карбоната цинка при обработке водными источниками карбоната: [ 5]
Нингидрин реагирует с аминокислотами и аминами , образуя окрашенное соединение «пурпур Руэманна» (RP). Опрыскивание раствором хлорида цинка, который бесцветен, образует комплекс RP: ZnCl(H 2 O) 2 в соотношении 1:1 , который легче обнаружить, поскольку он флуоресцирует интенсивнее, чем RP. [44]
Безводный хлорид цинка плавится и даже кипит без разложения до 900 °C. Эти необычные свойства приглашают к необычным экспериментам. Один из очень редких примеров соединений цинка, которые не являются Zn2 + , возникает при растворении металлического цинка в расплавленном ZnCl2 при 500–700 ° C . Получается желтый диамагнитный раствор, состоящий из Zn2+2. Природа этого диметаллического дикатиона была подтверждена Рамановской спектроскопией . [19] Хотя Zn2+2необычно, ртуть, тяжелый родственник цинка, образует большое разнообразие Hg2+2соли, см. ртутные .
В присутствии кислорода хлорид цинка окисляется до оксида цинка выше 400 °C. Опять же, это наблюдение указывает на неокисление Zn 2+ . [45]
Концентрированный водный раствор хлорида цинка растворяет оксид цинка , образуя гидроксихлорид цинка, который получается в виде бесцветных кристаллов: [46]
Тот же материал образуется при нагревании гидратированного хлорида цинка. [47]
Способность хлорида цинка растворять оксиды металлов (МО) [48] имеет отношение к полезности ZnCl2 в качестве флюса для пайки . Он растворяет пассивирующие оксиды , обнажая чистую поверхность металла. [48]
Хлорид цинка является случайным лабораторным реагентом, часто как кислота Льюиса . Ярким примером является превращение метанола в гексаметилбензол с использованием хлорида цинка в качестве растворителя и катализатора: [49]
Этот тип реактивности был исследован для валоризации предшественников C1. [50]
Примеры хлорида цинка как кислоты Льюиса включают синтез индола Фишера : [51]
Связанное с Льюисом поведение кислоты иллюстрируется традиционным приготовлением красителя флуоресцеина из фталевого ангидрида и резорцина , которое включает ацилирование Фриделя-Крафтса . [52] Это преобразование фактически было достигнуто с использованием даже гидратированного образца ZnCl2 , показанного на рисунке выше. Во многих примерах описывается использование хлорида цинка в реакциях ацилирования Фриделя-Крафтса . [53] [54]
Хлорид цинка также активирует бензильные и аллильные галогениды в отношении замещения слабыми нуклеофилами , такими как алкены : [55]
Аналогичным образом ZnCl 2 способствует селективному восстановлению Na[BH 3 (CN)] третичных, аллильных или бензильных галогенидов до соответствующих углеводородов. [25]
Цинковые еноляты , полученные из щелочных металлов и ZnCl 2 , обеспечивают контроль стереохимии в реакциях альдольной конденсации . Этот контроль обусловлен хелатированием цинка. В примере, показанном ниже, продукт трео был предпочтительнее эритро в соотношении 5:1 при ZnCl 2 . [56]
Будучи недорогим и безводным, ZnCl2 широко используется для синтеза многих цинкорганических реагентов, таких как те, которые используются в катализируемой палладием реакции Негиши с арилгалогенидами или винилгалогенидами . Значимость этой реакции была подчеркнута присуждением Нобелевской премии по химии 2010 года Эйити Негиши . [57]
Цинк Рике , высокореакционная форма металлического цинка, образуется путем восстановления дихлорида цинка литием . Цинк Рике полезен для получения политиофенов [58] и для реакции Реформатского [59] .
Хлорид цинка используется в качестве катализатора или реагента в различных реакциях, проводимых в промышленных масштабах. Бензальдегид, 20 000 тонн которого ежегодно производится в западных странах, производится из недорогого толуола путем использования каталитических свойств дихлорида цинка. Этот процесс начинается с хлорирования толуола с получением хлорида бензаля . В присутствии небольшого количества безводного хлорида цинка смесь хлорида бензаля непрерывно обрабатывается водой в соответствии со следующей стехиометрией: [60]
Аналогично хлорид цинка используется в гидролизе бензотрихлорида, основного пути к бензоилхлориду . Он служит катализатором для производства метилен-бис(дитиокарбамата). [5]
Использование хлорида цинка в качестве флюса, иногда в смеси с хлоридом аммония (см. также Хлорид аммония цинка ), подразумевает образование HCl и его последующую реакцию с поверхностными оксидами.
Хлорид цинка образует две соли с хлоридом аммония: [NH 4 ] 2 [ZnCl 4 ] и [NH 4 ] 3 [ZnCl 4 ]Cl , которые разлагаются при нагревании, выделяя HCl, как и гидрат хлорида цинка. Действие флюсов хлорида цинка/хлорида аммония, например, в процессе горячего цинкования, приводит к образованию газа H 2 и паров аммиака. [61]
В связи с его сродством к этим материалам, ZnCl 2 используется в качестве огнезащитного средства и в тканевых «освежителях», таких как Febreze. Вулканизированное волокно изготавливается путем замачивания бумаги в концентрированном хлориде цинка. [ необходима цитата ]
Цинк и хлорид необходимы для жизни. Zn 2+ является компонентом нескольких ферментов , например, карбоксипептидазы и карбоангидразы . Таким образом, водные растворы хлоридов цинка редко являются проблематичными как острые яды. [5] Однако безводный хлорид цинка является агрессивной кислотой Льюиса , поскольку он может обжечь кожу и другие ткани. Проглатывание хлорида цинка, часто из паяльного флюса , требует эндоскопического контроля. [62] Другим источником хлорида цинка является дымовая смесь хлорида цинка («HC»), используемая в дымовых гранатах . Содержащая оксид цинка, гексахлорэтан и алюминиевый порошок, выделяет дым хлорида цинка, углерода и оксида алюминия , эффективную дымовую завесу . [63] Такие дымовые завесы могут привести к смертельным случаям. [64]
{{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список редакторов ( ссылка )