Польза натуральных продуктов. Витамины, макроэлементы
›

Цинк взаимодействует с водой при нагревании. Что такое цинк? Формула, соединения цинка. Применение цинка

Цинк или Zincum является 30 элементом периодической системы химических элементов Менделеева и обозначается символом Zn . В основном он используется при создании деформированных полуфабрикатов и в составе разного рода смесей. В чистом виде выглядит как хрупкий металл голубовато-серебристого цвета, быстро окисляется и покрывается защитной пленкой (оксидом), из-за которой заметно тускнеет.

Добывают его в Казахстане, Австралии, Иране и Боливии. Из-за сложностей в определении металла его часто называют «обманкой» .

Само название «цинк» впервые было упомянуто в книге « Liber Mineralium » Парацельса. По некоторым данным оно означало «зубец». Сплав цинка с медью или латунь известен давно. Его применяли в Древней Греции, Индии и Древнем Египте, позднее материал стал известен в Китае.

В чистом виде металл удалось получить лишь в первой половине XVIII века в 1738 году в Великобритании при помощи дистилляционного способа. Его открывателем стал Уильям Чемпион. Промышленное производство началось через 5 лет, а в 1746 году в Германии химик Андреас Сигизмунд Маргграф разработал и в деталях описал собственный способ получения цинка . Он предлагал использовать метод прокаливания смеси окиси металл с углем в огнеупорных ретортах из глины без доступа воздуха. Последующая конденсация паров должна была проходить в холодильнике. Из-за подробного описания и кропотливых разработок Маргграфа часто называют первооткрывателем вещества.

В начале XIX века был найден способ выделения металла путем прокатки при 100 C о -150 C о. В начале следующего века научились добывать цинк электролитическим способом. В России первый металл получили только в 1905 году.

Физические свойства

  • Атомный номер: 30.
  • Атомная масса: 65,37.
  • Атомный объем: 9,15
  • Плотность: 7,133 г/см 3 .
  • Температура, необходимая для плавления: 419,5 C о.
  • Температура кипения: 906 C о.
  • Поверхностная энергия: 105 мДж/м 2 .
  • Удельная электропроводность: 16,2*10 -6 См/м.
  • Молярная теплоемкость: 25,4 Дж/(К*моль).
  • Молярный объем: 9,2 см 3 /моль.

Цинк обладает слабыми механическими свойствами, при нормальной температуре легко ломается и крошится, но при температуре 100 C о -150 C о становится довольно тягучим и легко поддается деформации: куется, раскатывается в листы. Простая вода для металла безопасна, а кислоты и щелочи легко разъедают. Из-за этого цинк в чистом виде для изготовления деталей не применяют, только сплавы.

Химические свойства

Внешняя электронная конфигурация одного атома цинка можно записать как 3 d 10 4 s 2 . Металл активен и является энергичным восстановителем. При температуре в 100 C о на открытом воздухе покрывается пленкой, состоящей из основных карбонатов, и сильно тускнеет. При воздействии углекислого газа и повышенной влажности элемент начинает разрушаться. В кислородной или обычной среде при сильном нагревании цинк сгорает, образуя голубоватое пламя и белый дым, который состоит из оксида цинка. Огнеопасно воздействуют на цинк сухие элементы фтора, брома и хлора, но только при участии паров воды.

При соединении металла и сильных минеральных кислот первый растворяется, особенно если смеси нагреть, в результате образуются соответствующие соли . Щелочи, расплавы и растворы окисляют вещество, в результате образуются цинкиты, растворимые в воде, и выделяется водород. Интенсивность воздействия кислот и щелочей зависит от наличия в цинке примесей. Чем более «чист» металл, тем слабее он взаимодействует из-за перенапряжения водорода.

Как самостоятельный элемент цинк в природе не встречается. Его можно добыть из 66 минералов, среди которых сфалерит, каламин, франклинит, цинкит, виллемит, смитсонит. Первый является наиболее распространенным источником металла, его часто называют «цинковой обманкой». Он состоит из сульфида цинка и примесей, которые придают минералу разнообразные цвета. Это осложняет его поиск и правильное определение.

Найти цинк можно в кислых и изверженных породах - во последних его немного больше. Часто металл в виде сульфида вместе со свинцом встречается в термальных водах , мигрирует в поверхностных и подземных источниках.

Температура, необходимая для плавления цинка, должна быть меньше 419 C о, но и не больше 480 C о. В противном случае вырастет угар металла и повысится износ стенок ванны, которую стандартно производят из железа. В расплавленном состоянии допускается не более 0,05% примеси железа, иначе температура, нужная при плавлении, начнет повышаться. Если процент содержания железа будет превышать 0,2%, цинк нельзя будет подвергать прокатке.

Цинк получают из полиметаллических руд, в которых может содержаться до 4% элемента . Если руды были обогащены селективной флотацией, из них можно получить до 60% цинковых концентратов, остальное будет занято концентратами других металлов. Цинковые концентраты обжигают в печах в кипящем слое, после чего сульфид цинка переходит в оксид, и выделяется сернистый газ. Последний идет в расход: из него получают серную кислоту.

Чтобы перевести оксид цинка в сам металл, используют два способа.

  1. Дистилляционный или пирометаллургический. Концентрат обжигают, затем подвергают спеканию, чтобы придать газопроницаемости и зернистости и восстанавливают при помощи кокса или угля при воздействии температуры в 1200-1300 C о. Во время реакции образуются пары металла, который конденсируют и разливают в изложницы. Чистота цинка достигает 98,7%, после можно повысить ее до 99,995% при помощи ректификации, но последний способ достаточно дорогой и сложный.
  2. Электролитический или гидрометаллургический. Обожженные концентраты обрабатывают серной кислотой, раствор очищают от примесей при помощи цинковой пыли и подвергают электролизу в выложенных изнутри свинцом или винипластом ваннах. Цинк оседает на алюминиевых катодах, откуда его собирают и плавят в индукционных печах. Чистота металла, полученного этим способом, достигает 99,95%.

Для усиления прочности и увеличения температуры плавления металл смешивают с медью, алюминием, оловом, магнием и свинцом.

Самым известным и востребованным сплавом является латунь. Это смесь меди с добавлением цинка, иногда встречаются и олово, никель, марганец, железо, свинец. Плотность латуни достигает 8700 кг/м 3 . Температура, нужная для плавления, держится на отметке 880 C о - 950 C о: чем больше в ней содержание цинка, тем она ниже. Сплав отлично сопротивляется неблагоприятной внешней среде, хоть и чернеет на воздухе, если не покрыта лаком, прекрасно полируется и сваривается контактной сваркой.

Существует два вида латуни:

  1. Альфа-латунь: более пластична, хорошо гнется в любом состоянии, но сильнее изнашивается.
  2. Альфа+бета-латунь: деформируется только при нагревании, при этом более износостойка. Часто сплавляют с магнием, алюминием, свинцом и железом. Это позволяет увеличить прочность, но уменьшает пластичность.

Сплав Zamak или Zamac состоит из цинка, алюминия, меди и магния . Само название образовано из первых букв латинских названий: Zink - Aluminium - Magnesium - Kupfer / Cuprum (Цинк-Алюминий-Магний-Медь). В СССР сплав был известен как ЦАМ: Цинк-Алюминий-Медь. Активно применяется в литье под давлением, плавление начинается при низкой температуре (381 C о - 387 C о) и имеет низкий коэффициент трения (0,07). Обладает повышенной прочностью, что позволяет получать изделия сложной формы, которые не боятся сломаться: дверные ручки, клюшки для гольфа, затворы огнестрельного оружия, строительную фурнитуру, застежки разных видов и рыболовные снасти.

Небольшой процент цинка (не более 0,01%) содержится в гартовых сплавах, применяемых в полиграфии для отливки типографских шрифтов и линеек, печатных форм и машинного набора. Это устаревшие смеси, на место которых пришел чистый цинк с небольшим добавлением примесей.

Невысокая температура, которая требуется для плавления цинка, часто компенсируется за счет сплавов с другими металлами, но бывает и наоборот. Если температура, необходимая для плавления «чистого» металла, составляет 419,5 C о , то сплав с оловом снижается до 199 C о, а с оловом и свинцом - до 150 C о. И хотя такие сплавы можно паять и варить, чаще всего смеси с цинком применяют только для заделки имеющихся дефектов из-за их слабой прочности. Например, сплав олова, свинца и цинка рекомендуется применять только на никелированных изделиях.

Чаще всего цинковые сплавы применяют для создания карбюраторов, рам спидометров, радиаторных решеток, гидравлических тормозов, насосов и декоративных элементов, деталей для стиральных машин, миксеров и кухонного оборудования, часовых корпусов, пишущих машинок, кассовых аппаратов и бытовой техники. Эти детали нельзя применять в промышленном производстве: при повышении температуры до 100 C о прочность изделия снижается на треть, а твердость - почти на 40%. При понижении температуры до 0 C о цинк становится слишком хрупким, что может привести к поломке.

Применение

Цинк является одним из наиболее востребованных металлов в мире: он находится на третьем месте по объему добычи среди цветных металлов, уступая только меди и алюминию. Этому способствует и его невысокая цена. Чаще всего его применяют для защиты от коррозии и в качестве части сплава, например, латуни.

В живых организмах

В теле человека содержится около 2 граммов цинка , около 400 ферментов содержат его. К последним относятся ферменты, катализирующие гидролиз белков, сложных эфиров и лептидов, полимеризацию РНК и ДНК, образование альдегидов. Чистый элемент содержится в мышцах, поджелудочной железе и печени. В день мужчинам требуется 11 мг цинка, женщинам - 8 мг.

В организме цинк выполняет следующие функции:

При недостатке элемента в организме наблюдается быстрая утомляемость, раздражительность , потеря памяти, снижение зрения и веса без объективной причины, приступы аллергии, депрессивное состояние. Происходит понижение уровня инсулина и накопление в теле некоторых элементов: железа, свинца, меди, кадмия.

В продуктах питания

Элемент имеется в мясе, сыре, кунжуте, устрицах, шоколаде, бобовых, овсянке, подсолнечных и тыквенных семечках, часто присутствует в минеральной воде. Наибольший процент цинка содержится в следующих продуктах (из расчета на 100 грамм):

  1. Устрицы (до 40 мг), анчоусы (1,72 мг), осьминог (1,68 мг), карп (1,48 мг), икра (до 1 мг), сельдь (около 1 мг).
  2. Тыквенные семечки (10 мг), кунжут (7 мг), подсолнечные семечки (5,3 мг), арахис (4 мг), грецкие орехи (3 мг), миндаль (3 мг).
  3. Говядина (до 8,4 мг), баранина (до 6 мг), говяжья печень (4 мг), свинина (до 3,5 мг), курица (до 3,5 мг).
  4. Какао-порошок без сахара и подсластителей (6,81 мг), чистый горький шоколад (2,3 мг), шоколадные конфеты (до 2 мг в зависимости от количества и вида шоколада).
  5. Чечевица (4,78 мг), овес (3,97 мг), пшеница (3,46 мг), соевые бобы (3 мг), рожь (2,65 мг), хлеб (до 1,5 мг), зеленый горошек (1,24 мг), горох (1,2 мг), ростки бамбука (1,1 мг), рис (1 мг), злаковое печенье (до 1 мг).
  6. Твердый сыр (до 4 мг).

Опасность для человека

Отравление цинком обычно происходит при длительном вдыхании его паров . Первыми признаками являются сильная жажда, потеря аппетита, сладковатый привкус во рту. Нередко появляется усталость, сонливость, сухой кашель, чувство разбитости, давящая боль в грудной клетке. Длительное воздействие может привести к бесплодию, малокровию, задержке в развитие. В быту опасность представляет оцинкованная посуда, в которой длительно хранится пища.

К элементам подгруппы цинка относятся : Zn, Cd, Hg. Атомные веса: Zn - 65,37, Cd - 112,4, Hg - 200,59.
Электроны по энергетическим уровням распределяются так, что на внешнем энергетическом уровне располагаются 2 электрона, находящихся на s-оболочке (табл. 24).
Валентными в атомах элементов в данной подгруппе являются лишь электроны внешнего электронного слоя. Электроны предвнешнего слоя в образовании валентных

Распределение электронов по энергетическим уровням элементов побочной подгруппы II группы. Таблица 24

Заряд ядра

Число электронов на энергетических уровнях

Радиус атома A

связей не участвуют в отличие от элементов побочной подгруппы I группы.
С возрастанием заряда ядра от цинка к ртути снижается восстановительная активность. в ряду напряжений располагается левее водорода.
Физические свойства элементов подгруппы цинка приведены в табл. 25.

Из элементов подгруппы цинка наибольшее значение имеют цинк и ртуть, поэтому мы в основном остановимся на этих металлах.
23. Сравните величину радиусов атомов щелочноземельных металлов и металлов подгруппы цинка, находящихся в одних и тех же периодах, и объясните, почему при одинаковой структуре внешнего электронного слоя элементы подгруппы цинка проявляют меньшую восстановительную активность.
24. Изобразите электронные конфигурации внешнего и предвнешнего слоя атомов элементов подгруппы цинка и распределение электронов по орбиталям. Отметьте их сходство и различие.

§ 112. Цинк Zn

Цинк Zn - тяжелый цветной металл, химически активен, обладает хорошо выраженными восстановительными свойствами. Подобно алюминию, он покрыт защитной пленкой окиси, однако реагирует с кислородом при нагревании и даже может гореть в кислороде с образованием окиси цинка ZnO:
2Zn + О2 = 2ZnO
В соединениях цинк постоянно двухвалентен.
Если смешать тонкий порошок металлического цинка с мелкорастертой серой и нагреть, происходит бурная реакция, сопровождающаяся яркой вспышкой, образуется сульфид цинка белого цвета:
Zn + S = ZnS
С галогенами цинк реагирует без нагревания: Zn + Cl2 = ZnCl2
Взаимодействие с водой практически прекращается сразу после начала реакции, так как на поверхности металла образуется плотная пленка цинка, которая прекращает доступ воды к металлу. Однако если берется в виде перегретого пара, а цинк - сильно раскаленный, идет реакция с образованием окиси цинка:
Zn + H2O = ZnO + H2
С кислотами цинк активно реагирует с вытеснением водорода. Реакция идет при обычных условиях и служит общеизвестным способом получения водорода в лаборатории:
Zn + 2НСl = ZnCl2 + H2

Zn + 2H + = Zn 2+ + H2
При взаимодействии с концентрированной серной кислотой цинк в зависимости от концентрации кислоты и других условий может восстанавливать серу до сероводорода, до свободной серы или до двуокиси серы:
Zn + H2SO4 → … (S +4)
Zn + H2SO4 → … (S -2)
Zn + H2SO4 → … (S 0)
Самостоятельно составьте полные уравнения и расставьте коэффициенты на основе электронного баланса.
Особенностью цинка является его амфотерность. Наряду с реакцией между цинком и кислотами легко происходит реакция между цинком и щелочами. При этом цинк вытесняет из щелочей и образует соли - цинкаты:
Zn + 2NaOH = Na2ZnO2 + H2
цинкат
натрия
Zn + 2Na + + 2OH — = 2Na + + ZnO 2 2 — + H2

Zn + 2OH — = ZnO 2 2 — + H2
■ 25. Перечислите особенности химических свойств цинка, подтвердите их уравнениями реакции и обоснуйте с позиции теории строения атомов. Составьте план изложения этого вопроса.
Окись цинка ZnO с водой в реакцию не вступает, однако обладая амфотерным характером, может вступать в реакцию как с кислотами:
ZnO + H2SO4 = ZnSO4 + Н2O
ZnO + 2Н + + SO 2 4 — = Zn 2+ + SO 2 4 — + H2O
ZnO + 2H + = Zn 2+ + H2O
так и со щелочами:
ZnO + 2NaOH = Na2ZnO2 + H2O
ZnO + 2Na + + 2OH — = 2Na + + ZnO 2 2 — + H2O
ZnO + 2OH — = ZnO 2 2 — + H2O
Окись цинка широко используется для изготовления нетемнеющих цинковых белил.
При сильном нагревании с углем окись цинка может быть восстановлена до свободного цинка:
ZnO + С = Zn + СО
Окись цинка иногда встречается в природе.
Гидроокись цинка Zn(OH)2 - также вещество амфотер-ное, нерастворимое в воде, но хорошо растворимое как в кислотах:
Zn(OH)2 + 2Н + = Zn 2+ + 2Н2O
так и в щелочах:
Zn(OH)2 + 2OН — = ZnO 2 2 — + 2Н2O
На основании приведенных сокращенных ионных. уравнений составьте полные ионные и молекулярные уравнения.
Из солей цинка важнейшими являются хлорид ZnCl2 и сульфат ZnSO4.

Сульфат цинка (цинковый купорос) поступает в лаборатории в виде кристаллогидрата ZnSO4-7H2O. Разбавленные растворы применяются как лекарственное средство при некоторых заболеваниях. Как уже указывалось, сульфат цинка используют для получения металлического цинка путем электролиза, а также как протраву при крашении тканей.
Хлорид цинка ZnCl2 - «травленая кислота» применяется при паянии, для пропитки древесины с целью предохранения ее от гниения, в производстве пергамента.
Цинк в природе встречается в виде минерала цинковой обманки ZnS, которая является цинковой рудой. Цинк из нее получают посредством обжига на воздухе с последующим восстановлением полученной окиси углем:
2ZnS + 3O2 = 2SO2 + 2ZnO ZnO + С = Zn + СО
Образовавшуюся окись иногда при наличии дешевой электроэнергии переводят серной кислотой в сульфат, а затем последний подвергают электролизу.
Свободный цинк широко применяется в промышленности. Благодаря способности образовывать на поверхности металла защитную окисную пленку цинком покрывают изделия из железа для защиты от коррозии посредством погружения их в расплавленный цинк (). Чистый цинк довольно хрупок, поэтому чаще он применяется в составе сплавов, например латуни.
Соединения цинка имеют гораздо более ограниченное применение по сравнению с чистым металлом.
■ 26. Что такое амфотерность и как она проявляется в соединениях цинка?
27. Укажите способы получения окиси и цинка.
28. Почему цинковая посуда портится при добавлении в нее при стирке уксуса или щелочи? Можно ли в цинковой посуде держать раствор медного купороса?
29. Каким простейшим способом можно освободить раствор сульфата цинка от примеси раствора сульфата меди?

§ 113. Ртуть Hg

Ртуть - единственный металл, находящийся при обычной температуре в жидком состоянии (температуре плавления - 38,8°). Ртуть белого цвета. Она обладает меньшей восстановительной активностью, чем цинк. В ряду напряжений ртуть располагается правее водорода, т. е. не вытесняет его из воды и кислот. Радиус атома ртути почти равен радиусу атома кадмия, а заряд ядра атома значительно больше, поэтому электроны внешнего слоя удерживаются ртутью значительно прочнее.
■ 30. Изобразите электронную конфигурацию внешнего и предв-нешнего слоя атома ртути. Объясните, почему среди металлов группы цинка ртуть проявляет наименьшую восстановительную активность.
Ртуть легко образует с другими металлами , которые называются амальгамами.
Ртуть химически малоактивна и на воздухе без изменений может храниться довольно долго. Однако при длительном слабом нагревании может окисляться, образуя окись ртути:
2Hg + O2 = 2HgO
При растирании в ступке ртуть очень легко взаимодействует с серой, образуя сульфид ртути (II) черного цвета:
Hg + S = HgS
С водой ртуть в реакцию не вступает, но хорошо реагирует с азотной и концентрированной серной кислотами, обладающими сильным окисляющим действием. При этом в зависимости от того, при какой температуре ведется реакция, образуются соли как одновалентной, так и двухвалентной ртути. Ртуть в соединениях может быть одновалентной и двухвалентной. Соединения как одновалентной, так и двухвалентной ртути достаточно устойчивы, хотя и могут превращаться друг в друга.
Следует отметить сильную ядовитость ртути, которая даже при комнатной температуре легко испаряется и может вызвать тяжелые отравления, оказывающие сильное влияние на сердце. При попадании соединений ртути внутрь возникает расстройство деятельности органов пищеварения и почек. Очень ядовиты и , такие, как, например, сулема.
В промышленности применяется как металлическая ртуть, так и некоторые ее соли. Металлическую ртуть используют при изготовлении термометров, барометров и некоторых измерительных приборов, а также при добыче золота для его очистки от примесей, так как ртуть легко образует амальгамы с золотом и некоторыми другими драгоценными металлами. Этим ее свойством пользуются и в зубоврачебной практике для изготовления пломб.

Соли ртути также находят некоторое применение. Например, сулема HgCl2 используется как дезинфицирующее средство, каломель Hg2Cl2(Cl - Hg - Hg - Cl) - как легкое слабительное.
В природе ртуть встречается изредка в самородном жидком состоянии, но чаще в виде соединений, например киновари HgS. Для получения из нее ртути сначала обжигают:
2HgS + 3O2 = 2HgO + 2SO2
а затем полученную окись ртути HgO разлагают нагреванием:
2HgO = 2Hg + O2
Обычно обе реакции протекают одновременно в едином процессе.
■ 31. Что такое амальгамы? С какой амальгамой вы уже знакомы?
32. Перечислите особенности химических свойств ртути.
33. Каково физиологическое действие ртути?
34. Укажите, где применяется металлическая ртуть.
35. Что вам известно о соединениях ртути?
36. В каком виде ртуть может встречаться в природе и как можно получить ее из природных соединений? Подтвердите свой ответ уравнениями реакций.
37. Основываясь на положении ртути в ряду напряжений металлов, опишите отношение ртути к воде, соляной кислоте, разбавленной и концентрированной серной кислоте, разбавленной и концентрированной азотной кислоте.

Одним из металлов, которые были открыты достаточно давно, но и по сей день не потеряли своей актуальности в использовании благодаря замечательным своим свойствам, является цинк. Его физические и химические свойства позволяют применять материал в самых разных отраслях техники и быта. Он оказывает существенное влияние и на здоровье человека.

Краткая история открытия элемента

Что такое цинк, люди знали еще до нашей эры. Ведь именно тогда научились применять сплавы, содержащие этот металл. Египтяне использовали руды, содержащие медь и цинк, сплавляли их и получали очень прочный, устойчивый к окислению материал. Были найдены предметы быта, посуда, выполненные из этого материала.

Название zinc встречается в трудах врача Парацельса в XVI веке нашей эры. В этот же период металл активно начинают использовать китайцы, отливая из него монеты. Постепенно знания об этом веществе и его хороших технических свойствах переходят в Европу. Тогда и в Германии, Англии также узнали, что такое цинк и где его можно использовать.

Латунь была одним из первых и самых известных сплавов, используемых еще с древних веков на Кипре, а позже в Германии и других странах.

Название происходит от латинского zincum, однако этимология не совсем ясна. Есть несколько версий.

  1. От немецкого zinke, что переводится как "острие".
  2. От латинского zincum, что означает "белый налет".
  3. Персидский "ченг", то есть камень.
  4. Древнегерманский zinco, что переводится, как "налет", "бельмо на глазу".

Сегодняшнее название элемент получил только в начале XX века. О значении ионов цинка в организме человека также стало известно лишь сравнительно недавно (XX век). До этого никакие недуги с этим элементом не связывали.

Однако известно, что уже в древности многие народы использовали супы из мяса молодого барашка как средство восстановления после болезни и для скорейшей поправки. Сегодня можно сказать, что эффект достигался за счет ионов цинка, которых в этом блюде содержится достаточно много. Он помогал восстановлению кровообращения, снятию усталости и активизировал мозговую деятельность.


Элемент Цинк: характеристика

Данный элемент располагается в периодической системе во второй группе, побочной подгруппе. Порядковый номер 30, масса Цинка - 65,37. Единственная и постоянная степень окисления +2. Электронная конфигурация внешнего слоя атома 4s 2 .

В таблице Цинк, Медь, Кадмий, Хром, Марганец и многие другие - это переходные металлы. К ним относятся все те, у которых электроны заполняют внешний и предвнешний d и f энергетические подуровни.

Переходные металлы включают в себя и группу платиновых (Золото, Иридий, Палладий, Платина, Осмий и другие). Для всех них характерно образование комплексных соединений, в которых они выступают в качестве комплексообразователя с разными координационными числами. Все это характерно и для рассматриваемого нами элемента.

Существует 5 устойчивых в природе изотопов с массовыми числами от 64 до 70. 65 Zn - радиоактивный, с периодом полураспада 244 дня.

Цинк как простое вещество

Что такое цинк в обычном виде? Это - металл, серебристо-голубой, быстро покрывающийся защитной оксидной пленкой на воздухе. Из-за этого кажется, что он не очень блестящий. Однако стоит пленку удалить, как цинк проявляет свойства всех металлов - красивый характерный блеск и сияние.

В природе содержится в составе многих минералов и руд. Так, самыми распространенными из них являются:

  • цинковая обманка, или сфалерит;
  • клейофан;
  • марматит;
  • вюртцит;
  • смитсонит;
  • каламин;
  • цинкит;
  • виллемит;
  • франкленит и другие.

В составе смешанных руд Цинк обычно встречается вместе со своими постоянными спутниками, такими как:

  • Таллий;
  • Германий;
  • Индий;
  • Галлий;
  • Кадмий.

Всего в земной коре на долю этого металла приходится 0,076%. Это чуть больше, чем на медь. Также 0,07 мг/л этого вещества содержится в морской воде.

Формула цинка как простого вещества - Zn. Кристаллическая решетка гексагональная, плотная. Тип - металлическая.


Физические свойства

Можно обозначить несколько характеристик.

  1. Цвет - сребристо-голубой.
  2. Плотность - 7,13 г/см 3 .
  3. Температура плавления - 420 о С (относится к группе легкоплавких металлов).
  4. При обычных условиях - хрупкое вещество.
  5. Температура кипения - 906 о С.
  6. При нагревании до 100-150 о С повышается ковкость и пластичность, возможно изготовление проволоки и прокатка в фольгу.
  7. Свыше 200 о С легко растирается в серый порошок, теряя пластичность.
  8. Является отличным проводником.
  9. Теплопроводность хорошая, так же как и теплоемкость.

Такие физические параметры позволяют использовать металл в соединениях с другими элементами. Например, широко известен сплав цинка - латунь.

Химические свойства

При обычных условиях поверхность куска металла мгновенно покрывается серо-белым тусклым налетом - оксидом цинка. Это происходит от того, что кислород воздуха мгновенно окисляет чистое вещество.

Если же долгое время хранить чистый металл на открытом влажном воздухе, то произойдет его разрушение под действием углекислого газа. Как простое вещество цинк реагирует с:

  • галогенами;
  • халькогенами;
  • кислородом;
  • кислотами;
  • щелочами;
  • аммиаком и аммонием (его солями);
  • более слабыми металлами.

Не вступает в реакции с азотом. Если же взять химически абсолютно чистый цинк, то он не реагирует ни с чем из перечисленных веществ.

Очевидно, что цинк - металл амфотерный. При реакциях со щелочами образует комплексные соединения - гидроксоцинкаты.


Соединения цинка

Таковых можно назвать несколько основных категорий:

  1. Силицид цинка.
  2. Карбид тройного вида - Ni 3 ZnC.
  3. Галогениды цинка (хлорид, фторид, йодид, бромид).
  4. Сульфид, селенид, арсенид цинка.
  5. Фосфид и борид.
  6. Аммиакатные комплексы, формирующиеся при взаимодействии металла с раствором аммиака.
  7. Цианиды, тиосульфаты и тиоцианаты существуют в виде соответствующих комплексов в водном растворе.
  8. Оксид и - амфотерные соединения, используемые для получения комплексов гидроксоцинкатов.

Большинство соединений рассматриваемого элемента используются в химической промышленности или других отраслях (технике, бытовых синтезах, лакокрасочной промышленности).

Оксид цинка находит широкое применение в медицине. Он обладает хорошим противовоспалительным действием, слегка подсушивает и убивает бактерии. Поэтому его используют в косметических средствах для лечения прыщей, камедонов, угрей и других

Соли цинка

Практически все соли, которые не являются двойными и комплексными, то есть не содержат посторонних окрашенных ионов, - это бесцветные Самыми популярными в плане использования человеком являются следующие из них.

  1. Хлорид цинка - ZnCL 2. Другое название соединения - паяльная кислота. Внешне представляет собой белые кристаллики, хорошо впитывающие влагу воздуха. Используется для очищения поверхности металлов перед пайкой, получения фибры, в батарейках, для пропитки дерева перед обработкой в качестве дезинфектора.
  2. Сульфид цинка. Белый порошок, быстро желтеющий при нагревании. Имеет высокую температуру плавления, в отличие от чистого металла. Используется при производстве люминесцирующих составов, наносимых на экраны, панели и прочие предметы. Является полупроводником.
  3. Фосфид цинка - распространенная отрава, применяемая для избавления от грызущих животных (мышей, крыс).
  4. Смитсонит, или карбонат цинка - ZnCO 3 . Бесцветное кристаллическое соединение, нерастворимое в воде. Применяется в нефтехимическом производстве, а также в реакциях получения шелка. Является катализатором в органических синтезах, используется в качестве удобрения для почв.
  5. Ацетат цинка - (CH 3 COO) 2 Zn. Бесцветные кристаллы, хорошо растворимые во всех растворителях любой природы. Находит широкое применение как в химической, так и в медицинской и пищевой промышленности. Используется для лечения нозафарингита. Применяется в качестве пищевой добавки Е650 - освежает дыхание, предупреждает появление налета на зубах, когда входит в состав жвачки. Его же используют для протравливания красителей, консервации древесины, производства пластмасс и прочих органических синтезах. Практически везде играет роль ингибитора.
  6. Йодид цинка - белые кристаллы, используемые в рентгенографии, в качестве электролита в аккумуляторах, как краситель для электронных микроисследований.
  7. Черные или темно-зеленые кристаллы, которые невозможно получить прямым синтезом, так как цинк с азотом не реагирует. Образуются из аммиаката металла. При высоких температурах разлагается с высвобождением цинка, поэтому применяется для его получения.
  8. Нитрат цинка. Бесцветные гигроскопичные кристаллы. Применение цинка в таком виде осуществляется в текстильной и кожевенной промышленностях для протравки тканей.


Сплавы цинка

Как уже упоминалось выше, существует самый распространенный сплав цинка - латунь. Именно он известен с самой древности и активно используется людьми до сих пор. Что же он собой представляет?

Латунь - это медь и цинк, которые гармонично сочетаются с несколькими другими металлами, придающими дополнительный блеск, прочность и тугоплавкость сплаву. Цинк в составе как легирующий элемент, медь - как основной. Цвет материала желтый, блестящий, однако на открытом воздухе во влажной среде способен чернеть. Температура плавления около 950 о С, может варьироваться в зависимости от содержания цинка (чем больше его, тем температура ниже).

Материал хорошо прокатывается в листы, трубы, сваривается контактным способом. Имеет хорошие технические характеристики, поэтому из него изготавливаются следующие элементы:.

  1. Детали машин и различные технические приборы.
  2. Гильзы и штампованные изделия.
  3. Гайки, болты, патрубки.
  4. Арматуры, втулки, антикоррозийные детали разных видов транспорта.
  5. Детали часов.

Большая часть добываемого в мире рассматриваемого нами металла уходит именно на изготовление данного сплава.

Еще один вид интерметаллического соединения - антимонид цинка. Формула его Zn 4 Sb 3. Это также сплав, который используется как полупроводник в транзисторах, тепловизорах, магниторезистивных устройствах.

Очевидно, что применение цинка и его соединений очень широко и практически повсеместно. Данный металл так же популярен, как медь и алюминий, серебро и золото, марганец и железо. Особенно велико его значение в технических целях как антикоррозионного материала. Ведь именно цинком покрываются разные сплавы и изделия для защиты от этого разрушающего природного процесса.


Биологическая роль

Что такое цинк с точки зрения медицины и биологии? Имеет ли он значение для жизни организмов и насколько оно велико? Оказывается, ионы цинка просто обязательно должны присутствовать в живых существах. Иначе дефицит приведет к следующим последствиям:

  • анемии;
  • снижению инсулина;
  • аллергии;
  • потере веса и памяти;
  • утомляемости;
  • депрессии;
  • ухудшению зрения;
  • раздражительности и другим.

Основные места концентрации ионов цинка в организме человека - это печень и мышцы. Также именно этот металл входит в состав большинства ферментов (например, карбоангидраза). Поэтому большинство реакций катализа происходит при участии цинка.

Что именно делают ионы?

  1. Участвуют в синтезе мужских гормонов и семенной жидкости.
  2. Способствуют усвоению витамина Е.
  3. Участвуют в расщеплении молекул алкоголя в организме.
  4. Являются непосредственными участниками синтеза многих гормонов (инсулина, гормона роста, тестостерона и других).
  5. Принимает участие в кроветворении и заживлении поврежденных тканей.
  6. Регулирует секрецию сальных желез, поддерживает нормальный рост волос и ногтей, способствует регенерационным процессам в коже.
  7. Обладает способностью устранять из организма токсины и укреплять иммунитет.
  8. Влияет на формирование вкусовых ощущений, а также обоняния.
  9. Принимает участие в процессах транскрипции, обмене витамина А, нуклеиновых синтезах и распадах.
  10. Является участником всех стадий роста и развития клетки, а также сопровождает процесс экспрессии гена.

Все это еще раз доказывает, насколько важным элементом является данный металл. Роль его в биологических системах была выяснена только в XX веке. Многих неприятностей и недугов в прошлом можно было бы избежать, если бы люди знали о лечении при помощи препаратов на основе цинка.

Каким же образом можно поддерживать нужное количество этого элемента в организме? Ответ очевиден. Необходимо употреблять продукты, содержащие цинк. Список может быть длинным, поэтому укажем только те, в которых максимальное количество рассматриваемого элемента:

  • орехи и семечки;
  • бобовые;
  • мясо;
  • морепродукты, особенно, устрицы;
  • злаки и хлеб;
  • молочная продукция;
  • зелень, овощи и фрукты.


Использование человеком

Мы уже в целом обозначали, в каких отраслях и областях промышленности используется цинк. Цена на этот металл и его сплавы достаточно высока. Например, лист латуни размером 0,6 х 1,5 приблизительно оценивают в 260 рублей. И это вполне оправданно, ведь качество материала достаточно высокое.

Итак, металлический цинк, то есть как простое вещество, используется:

  • для покрытия против коррозии на железных и стальных изделиях;
  • в аккумуляторах;
  • типографии;
  • в качестве восстановителя и катализатора в органических синтезах;
  • в металлургии для выделения других металлов из их растворов.

Используется не только в косметических целях, о которых мы уже упоминали, но и в качестве наполнителя при производстве резины, как белый пигмент в красках.

О том, где используются различные соли цинка, мы говорили при рассмотрении этих соединений. Очевидно, что в целом цинк и его вещества - это важные и значимые в промышленности, медицине и других отраслях компоненты, без которых многие процессы оказались бы невозможными или сильно затрудненными.

Элемент цинк (Zn) в таблице Менделеева имеет порядковый номер 30. Он находится в четвертом периоде второй группы. Атомный вес - 65,37. Распределение электронов по слоям 2-8-18-2.

30 элемент таблицы Менделеева Цинк представляет собой синевато - белый металл, плавящийся при 419(С, а при 913 (С превращающийся в пар; плотность его равна 7,14 г/см3. При обыкновенной температуре цинк довольно хрупок, но при 100-110(С он хорошо гнется и прокатывается в листы. На воздухе цинк покрывается тонким слоем окиси или основного карбоната, предохраняющим его от дальнейшего окисления. Вода почти не действует на цинк, хотя он и стоит в ряду напряжений значительно левее водорода. Это объясняется тем, что образующаяся на поверхности цинка при взаимодействии его с водой гидроокись практически нерастворима и препятствует дальнейшему течению реакции. В разбавленных же кислотах цинк легко растворяется с образованием соответствующих солей. Кроме того, цинк подобно бериллию и другим металлам, образующим амфотерные гидроокиси, растворяется в щелочах. Если нагреть цинк на воздухе до температуры кипения, то пары его воспламеняются и сгорают зеленовато-белым пламенем, образуя окись цинка.

Среднее содержание цинка в земной коре — 8,3·10-3%, в основных извержённых породах его несколько больше (1,3·10-2%), чем в кислых (6·10-3%). Цинк — энергичный водный мигрант, особенно характерна его миграция в термальных водах вместе со свинцом. Из этих вод осаждаются сульфиды цинка, имеющие важное промышленное значение. Цинк также энергично мигрирует в поверхностных и подземных водах, главным осадителем для него является сероводород, меньшую роль играет сорбция глинами и другие процессы.
Цинк — важный биогенный элемент, в живых организмах содержится в среднем 5·10-4% цинка. Но есть и исключения — так называемые организмы-концентраторы (например, некоторые фиалки).

Месторождения цинка

Месторождения цинка известны в Иране, Австралии, Боливии, Казахстане. В России крупнейшим производителем свинцово-цинковых концентратов является ОАО «ГМК Дальполиметалл»

Получение цинка

Цинк в природе как самородный металл не встречается.
Цинк добывают из полиметаллических руд, содержащих 1-4 % Zn в виде сульфида, а также Cu, Pb, Ag, Au, Cd, Bi. Руды обогащают селективной флотацией, получая цинковые концентраты (50-60 % Zn) и одновременно свинцовые, медные, а иногда также пиритные концентраты. Цинковые концентраты обжигают в печах в кипящем слое, переводя сульфид цинка в оксид ZnO; образующийся при этом сернистый газ SO2 расходуется на производство серной кислоты. Чистый цинк из оксида ZnO получают двумя способами. По пирометаллургическому (дистилляционному) способу, существующему издавна, обожженный концентрат подвергают спеканию для придания зернистости и газопроницаемости, а затем восстанавливают углем или коксом при 1200—1300 °C: ZnO + С = Zn + CO. Образующиеся при этом пары металла конденсируют и разливают в изложницы. Сначала восстановление проводили только в ретортах из обожженной глины, обслуживаемых вручную, позднее стали применять вертикальные механизированные реторты из карборунда, затем — шахтные и дуговые электропечи; из свинцово-цинковых концентратов цинк получают в шахтных печах с дутьем. Производительность постепенно повышалась, но цинк содержал до 3 % примесей, в том числе ценный кадмий. Дистилляционный цинк очищают ликвацией (то есть отстаиванием жидкого металла от железа и части свинца при 500 °C), достигая чистоты 98,7 %. Применяющаяся иногда более сложная и дорогая очистка ректификацией дает металл чистотой 99,995 % и позволяет извлекать кадмий.

Основной способ получения цинка — электролитический (гидрометаллургический). Обожжённые концентраты обрабатывают серной кислотой; получаемый сульфатный раствор очищают от примесей (осаждением их цинковой пылью) и подвергают электролизу в ваннах, плотно выложенных внутри свинцом или винипластом. Цинк осаждается на алюминиевых катодах, с которых его ежесуточно удаляют (сдирают) и плавят в индукционных печах. Обычно чистота электролитного цинка 99,95 %, полнота извлечения его из концентрата (при учете переработки отходов) 93-94 %. Из отходов производства получают цинковый купорос, Pb, Cu, Cd, Au, Ag; иногда также In, Ga, Ge, Tl.

Биологическая роль

В организме взрослого человека содержится в среднем около 2г цинка, который концентрируется преимущественно в мышцах, печени и поджелудочной железе. Более 400 ферментов содержат цинк. Среди них ферменты, катализирующие гидролиз пептидов, белков и сложных эфиров, образование альдегидов, полимеризацию ДНК и РНК. Ионы Zn2+ в составе ферментов вызывают поляризацию молекул воды и органических веществ, содействуя их депротонированию по реакции:

Zn2+ + H2O = ZnOH+ + H+
Наиболее изучен фермент карбоангидраза - белок, содержащий цинк и состоящий примерно из 260 аминокислотных остатков. Этот фермент содержится в эритроцитах крови и способствует превращению углекислого газа, образующегося в тканях в процессе их жизнедеятельности, в гидрокарбонат-ионы и угольную кислоту, которая кровью переносится в легкие, где выводится из организма в виде углекислого газа. В отсутствие фермента превращение СО2 в анион HCO3- протекает с очень низкой скоростью. В молекуле карбоангидразы атом цинка связан с тремя имидазольными группами остатков аминокислоты гистидина и молекулой воды, которая легко депротонируется, превращаясь в координированный гидроксид. Атом углерода молекулы углекислого газа, на котором находится частичный положительный заряд, вступает во взаимодействие с атомом кислорода гидроксильной группы. Таким образом, координированная молекула СО2 превращается в гидрокарбонат-анион, который покидает активный центр фермента, замещаясь на молекулу воды. Фермент ускоряет эту реакцию гидролиза в 10 миллионов раз.

Применение цинка

Чистый металлический цинк используется для восстановления благородных металлов, добываемых подземным выщелачиванием (золото, серебро). Кроме того, цинк используется для извлечения серебра, золота (и других металлов) из чернового свинца в виде интерметаллидов цинка с серебром и золотом (так называемой «серебристой пены»), обрабатываемых затем обычными методами аффинажа.
Применяется для защиты стали от коррозии (оцинковка поверхностей, не подверженных механическим воздействиям, или металлизация — для мостов, емкостей, металлоконструкций).
Цинк используется в качестве материала для отрицательного электрода в химических источниках тока, то есть в батарейках и аккумуляторах, например: марганцево-цинковый элемент, серебряно-цинковый аккумулятор (ЭДС 1,85 В, 150 Вт·ч/кг, 650 Вт·ч/дм³, малое сопротивление и колоссальные разрядные токи), ртутно-цинковый элемент (ЭДС 1,35 В, 135 Вт·ч/кг, 550—650 Вт·ч/дм³), диоксисульфатно-ртутный элемент, иодатно-цинковый элемент, медно-окисный гальванический элемент (ЭДС 0,7—1,6 Вольт, 84—127 Вт·ч/кг, 410—570 Вт·ч/дм³), хром-цинковый элемент, цинк-хлоросеребряный элемент, никель-цинковый аккумулятор (ЭДС 1,82 Вольт, 95—118 Вт·ч/кг, 230—295 Вт·ч/дм³), свинцово-цинковый элемент, цинк-хлорный аккумулятор, цинк-бромный аккумулятор и др.

Очень важна роль цинка в цинк-воздушных аккумуляторах, которые отличаются весьма высокой удельной энергоёмкостью. Они перспективны для пуска двигателей (свинцовый аккумулятор — 55 Вт·ч/кг, цинк-воздух — 220—300 Вт·ч/кг) и для электромобилей (пробег до 900 км).

Пластины цинка широко используется в полиграфии, в частности, для печати иллюстраций в многотиражных изданиях. Для этого с XIX века применяется цинкография — изготовление клише на цинковой пластине при помощи вытравливания кислотой рисунка в ней. Примеси, за исключением небольшого количества свинца, ухудшают процесс травления. Перед травлением цинковую пластину подвергают отжигу и прокатывают в нагретом состоянии.
Цинк вводится в состав многих твёрдых припоев для снижения их температуры плавления.
Окись цинка широко используется в медицине как антисептическое и противовоспалительное средство. Также окись цинка используется для производства краски — цинковых белил.

Цинк — важный компонент латуни. Сплавы цинка с алюминием и магнием (ЦАМ, ZAMAK) благодаря сравнительно высоким механическим и очень высоким литейным качествам очень широко используются в машиностроении для точного литья. В частности, в оружейном деле из сплава ZAMAK (-3, −5) иногда отливают затворы пистолетов, особенно рассчитанных на использование слабых или травматических патронов. Также из цинковых сплавов отливают всевозможную техническую фурнитуру, вроде автомобильных ручек, корпусы карбюраторов, масштабные модели и всевозможные миниатюры, а также любые другие изделия, требующие точного литья при приемлемой прочности.

Хлорид цинка — важный флюс для пайки металлов и компонент при производстве фибры.
Сульфид цинка используется при изготовлении люминофоров краткого послесвечения и других люминесцирующих составов, обычно, это смеси ZnS и CdS, активированные ионами других металлов. Люминофоры на базе сульфидов цинка и кадмия, также применяются в электронной промышленности для изготовления светящихся гибких панелей и экранов в качестве электролюминофоров и составов с коротким временем высвечивания.
Теллурид, селенид, фосфид, сульфид цинка — широко применяемые полупроводники. Сульфид цинка — составная часть многих люминофоров. Фосфид цинка используется в качестве отравы для грызунов.
Селенид цинка используется для изготовления оптических стёкол с очень низким коэффициентом поглощения в среднем инфракрасном диапазоне, например, в углекислотных лазерах.

На разные применения цинка приходится:

цинкование — 45-60 %
медицина (оксид цинка как антисептик) — 10 %
производство сплавов — 10 %
производство резиновых шин — 10 %
масляные краски — 10 %

Загрузка...