Zink: Identitätsprüfung und Zinkverbindungen
Wie man Zink(II) über Hydroxid, Zinkat, Amminkomplex und Sulfid identifiziert und welche weiteren Eigenschaften seine Verbindungen zeigen.
Das Wichtigste in Kürze
- Die Identitätsprüfung auf Zink verfolgt \(\ce{Zn^2+}\) über Hydroxid, Zinkat und Amminkomplex bis zur Fällung als Sulfid.
- Wenig NaOH fällt weißes \(\ce{Zn(OH)2}\), das sich als amphoteres Hydroxid im Überschuss als \(\ce{[Zn(OH)4]^2-}\) löst.
- \(\ce{NH4Cl}\) senkt den pH, die Lösung bleibt aber klar, weil Zink als \(\ce{[Zn(NH3)4]^2+}\) gelöst bleibt; mit \(\ce{Na2S}\) fällt dann weißes ZnS, und ZnO entsteht nie.
- Im Ammoniak-Überschuss löst sich \(\ce{Zn(OH)2}\) als Amminkomplex, nicht als Zinkat; beim alkalischen Sturz geht Zink als Hydroxidozinkat ins Filtrat.
- ZnO wird beim Erhitzen reversibel gelb, Zink(II)-Salze sind keine Reduktionsmittel, und mit Cobaltnitrat entsteht Rinmans Grün \(\ce{ZnCo2O4}\).
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Worum es geht
Zink(II) hat ein amphoteres Hydroxid und bildet durchweg farblose Verbindungen. Sein Nachweis verfolgt das Ion deshalb über einen Wechsel von Fällen und Lösen. Pharmazeutisch begegnet Zink etwa in Zinkoxid-Salben und Zinksulfat-Augentropfen.
| Nachweis | Reagenz und Bedingungen | Beobachtung |
|---|---|---|
| Hydroxidfällung und Zinkatbildung | erst wenig, dann überschüssige NaOH | weißer Niederschlag \(\ce{Zn(OH)2}\), löst sich klar als \(\ce{[Zn(OH)4]^2-}\) |
| Ammoniumchlorid | \(\ce{NH4Cl}\) zur alkalischen Zinkatlösung | Lösung bleibt klar, \(\ce{[Zn(NH3)4]^2+}\) |
| Sulfidfällung | \(\ce{Na2S}\) zur Amminkomplex-Lösung oder \(\ce{H2S}\) in acetatgepufferter Lösung | weißes, flockiges \(\ce{ZnS}\) |
| Ammoniak | erst wenig, dann überschüssiges \(\ce{NH3}\) | weißer Niederschlag, löst sich farblos |
| Hexacyanidoferrat(II) | \(\ce{K4[Fe(CN)6]}\), auch ohne \(\ce{NH4Cl}\) | weißer Niederschlag |
| Rinmans Grün | ZnO mit \(\ce{Co(NO3)2}\) glühen | grüne Masse \(\ce{ZnCo2O4}\) |
Identitätsprüfung
Die Identitätsprüfung beruht auf zwei Eigenschaften von Zink(II). Sein Hydroxid ist amphoter: Es löst sich in Säuren und in starken Basen. Außerdem bindet \(\ce{Zn^2+}\) Ammoniak zu einem stabilen Amminkomplex. Die allgemeinen Grundlagen dazu stehen unter Amphotere Hydroxide, Amminkomplexe und alkalischer Sturz. Hier geht es um den konkreten Ablauf beim Zink.
Durchführung und Beobachtung
Man gibt die Reagenzien nacheinander zur selben Probelösung. Jeder Schritt verändert die Zinkspezies, und jede ist farblos, weil Zink(II) eine volle d-Schale besitzt.
- Wenig Natronlauge: Es fällt ein weißer Niederschlag von \(\ce{Zn(OH)2}\).
- Überschuss Natronlauge: Der Niederschlag löst sich. Zink liegt als Tetrahydroxidozinkat \(\ce{[Zn(OH)4]^2-}\) gelöst vor.
- Ammoniumchlorid: Der pH-Wert sinkt, die Lösung bleibt klar. Zink liegt jetzt als \(\ce{[Zn(NH3)4]^2+}\) vor.
- Natriumsulfid: Es fällt weißes, flockiges \(\ce{ZnS}\).
\[\ce{Zn^2+ + 2 OH- -> Zn(OH)2 v}\]
\[\ce{Zn(OH)2 + 2 OH- -> [Zn(OH)4]^2-}\]
\[\ce{[Zn(OH)4]^2- + 4 NH4+ -> [Zn(NH3)4]^2+ + 4 H2O}\]
\[\ce{[Zn(NH3)4]^2+ + S^2- -> ZnS v + 4 NH3}\]
Die Zink-Identitätsprüfung ist ein Examensklassiker: weißes \(\ce{Zn(OH)2}\), Lösen als \(\ce{[Zn(OH)4]^2-}\), nach \(\ce{NH4Cl}\) klare Lösung mit \(\ce{[Zn(NH3)4]^2+}\), mit \(\ce{Na2S}\) weißes \(\ce{ZnS}\). Achte darauf, dass Zink nach Ammoniumchlorid gelöst bleibt und in keinem Schritt \(\ce{ZnO}\) entsteht.
Warum die Lösung nach Ammoniumchlorid klar bleibt
Das Ammonium-Ion ist eine schwache Säure. Es fängt Hydroxid-Ionen ab und senkt so den pH der stark alkalischen Lösung. Dabei entsteht Ammoniak:
\[\ce{NH4+ + OH- -> NH3 + H2O}\]
Man könnte erwarten, dass bei sinkendem pH wieder \(\ce{Zn(OH)2}\) ausfällt. Das geschieht nicht dauerhaft. Der frisch gebildete Ammoniak tritt sofort als Ligand an das Zink. Die Hydroxid-Liganden werden also gegen Ammin-Liganden getauscht, und beide Komplexe sind tetraedrisch gebaut. Die Abbildung zeigt diesen Ligandenwechsel.
Sichtbar ist dabei nichts: Auch \(\ce{[Zn(NH3)4]^2+}\) ist farblos. Erst Sulfid zeigt das Zink wieder an. \(\ce{ZnS}\) ist so schwer löslich, dass es selbst den stabilen Amminkomplex zerlegt.
Verhalten mit Ammoniak
Direkt mit Ammoniak-Lösung verhält sich Zink ähnlich. Wenig Ammoniak fällt weißes \(\ce{Zn(OH)2}\), weil Ammoniak als Base Hydroxid-Ionen liefert. Im Überschuss löst sich der Niederschlag als Amminkomplex:
\[\ce{Zn^2+ + 2 NH3 + 2 H2O -> Zn(OH)2 v + 2 NH4+}\]
\[\ce{Zn(OH)2 + 4 NH3 -> [Zn(NH3)4]^2+ + 2 OH-}\]
Im Ammoniak-Überschuss entsteht \(\ce{[Zn(NH3)4]^2+}\) und kein Tetrahydroxidozinkat. Ammoniak ist eine zu schwache Base, um genug Hydroxid-Ionen für \(\ce{[Zn(OH)4]^2-}\) bereitzustellen.
Zink im Trennungsgang
Beim alkalischen Sturz mit überschüssiger NaOH und \(\ce{H2O2}\) fällt Zink nicht aus. Es geht als \(\ce{[Zn(OH)4]^2-}\) ins Filtrat. Im Kationentrennungsgang bleibt Zink im essigsauren Filtrat gelöst. Aus acetatgepufferter Lösung fällt es dann mit \(\ce{H2S}\) als weißes \(\ce{ZnS}\).
Verwechslungen
Der Nachweis nutzt die amphoteren Eigenschaften des Hydroxids. Amphiphil wäre etwas anderes, nämlich ein Molekül mit polarem und unpolarem Teil. Den Unterschied zu Aluminium macht der Ammoniumchlorid-Schritt sichtbar, denn auch \(\ce{Al(OH)3}\) ist amphoter.
Nach \(\ce{NH4Cl}\) bleibt die Zinkatlösung klar. Zink bildet den löslichen Komplex \(\ce{[Zn(NH3)4]^2+}\).
Nach \(\ce{NH4Cl}\) fällt weißes, gallertiges \(\ce{Al(OH)3}\). Aluminium bildet keinen Amminkomplex, siehe Aluminium.
Eigenschaften von Zinkverbindungen
Neben der Identitätsprüfung zeigen Zinkverbindungen einige Eigenschaften, die sie von anderen Kationen abgrenzen.
Thermochromie und Redoxverhalten
Zinkoxid ist kalt weiß und färbt sich beim starken Erhitzen gelb. Beim Abkühlen wird es wieder weiß, die Farbänderung ist also reversibel. Zinksulfid zeigt beim Erhitzen keine solche gelb-grüne Thermochromie.
Zink(II) hat nur diese eine stabile Oxidationsstufe. Zink(II)-Salze sind daher keine Reduktionsmittel. Mit \(\ce{HgCl2}\)-Lösung geben sie keinen grauen, später schwarzen Niederschlag. Diese Reaktion zeigt ein echtes Reduktionsmittel wie Zinn(II), das Quecksilber(II) bis zum Metall reduziert.
Hexacyanidoferrat-Reaktionen
Mit Kaliumhexacyanidoferrat(II) bildet \(\ce{Zn^2+}\) einen weißen Niederschlag. Dafür braucht es kein Ammoniumchlorid:
\[\ce{3 Zn^2+ + 2 K+ + 2 [Fe(CN)6]^4- -> K2Zn3[Fe(CN)6]2 v}\]
Mit Hexacyanidoferrat(III) entsteht dagegen kein tiefblauer Niederschlag. Dieses Blau ist typisch für Eisen(II), siehe Eisen.
Rinmans Grün
Glüht man Zinkoxid mit Cobalt(II)-nitrat, entsteht eine grüne Masse. Sie heißt Rinmans Grün und ist der Spinell \(\ce{ZnCo2O4}\). Cobalt wird dabei zu Cobalt(III) oxidiert, Nitrat zu \(\ce{NO2}\) reduziert:
\[\ce{ZnO + 2 Co(NO3)2 -> ZnCo2O4 + 4 NO2 + 1/2 O2}\]
Zink bleibt fast immer farblos und weiß. Farbe zeigt es nur indirekt: gelb im heißen Zinkoxid und grün im Cobalt-Spinell.
Quiz
Aussage 1
Ammoniumchlorid erhöht beim Zinknachweis den pH-Wert der Lösung.
\(\ce{NH4+}\) ist eine schwache Säure, fängt \(\ce{OH-}\) ab und senkt den pH der stark alkalischen Lösung.
Aussage 2
Gibt man Ammoniumchlorid zur alkalischen Zinkatlösung, fällt bleibend weißes \(\ce{Zn(OH)2}\) aus.
Die Lösung bleibt klar, weil der entstehende Ammoniak Zink als \(\ce{[Zn(NH3)4]^2+}\) in Lösung hält. Bleibend fällt so Aluminium als \(\ce{Al(OH)3}\).
Aussage 3
Die Bildung von \(\ce{[Zn(NH3)4]^2+}\) ist mit keiner sichtbaren Farbänderung verbunden.
Zink(II) hat eine volle d-Schale, seine Komplexe sind farblos. Erst die Sulfidfällung macht Zink wieder sichtbar.
Aussage 4
Zinkhydroxid löst sich in überschüssiger Natronlauge unter Bildung von \(\ce{[Zn(OH)4]^2-}\).
\(\ce{Zn(OH)2}\) ist amphoter und bildet mit weiteren Hydroxid-Ionen das lösliche Tetrahydroxidozinkat.
Aussage 5
Zinkoxid färbt sich beim starken Erhitzen gelb und wird beim Abkühlen wieder weiß.
Die Thermochromie des Zinkoxids ist reversibel. Zinksulfid zeigt diese Farbänderung nicht.
Aussage 6
Zink(II)-Salze reduzieren Quecksilber(II)-chlorid zu einem grauen, später schwarzen Niederschlag.
Zink(II)-Salze sind keine Reduktionsmittel und reagieren nicht so mit \(\ce{HgCl2}\). Diese Reaktion zeigt etwa Zinn(II).
Aussage 7
Löst man \(\ce{Zn(OH)2}\) in überschüssiger Ammoniak-Lösung, liegt Zink als Tetrahydroxidozinkat vor.
Im Ammoniak-Überschuss entsteht der Amminkomplex \(\ce{[Zn(NH3)4]^2+}\). Ammoniak liefert zu wenig Hydroxid-Ionen für das Zinkat.
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