Взаимодействие оксида цинка с водородом. Цинк — общая характеристика элемента, химические свойства цинка и его соединений. Реакция серной кислоты с цинком и получение водорода

Физические свойства Цинка. Цинк - металл средней твердости. В холодном состоянии хрупок, а при 100-150 °С весьма пластичен и легко прокатывается в листы и фольгу толщиной около сотых долей миллиметра. При 250 °С вновь становится хрупким. Полиморфных модификаций не имеет. Кристаллизуется в гексагональной решетке с параметрами а = 2,6594Е, с = 4,9370Е. Атомный радиус 1,37Е; ионный Zn2+ -0,83Е. Плотность твердого Цинка 7,133 г/см3 (20 °С), жидкого 6,66 г/см3 (419,5 °С); tпл 419,5 °С; tкип 906 °С. Температурный коэффициент линейного расширения 39,7·10-3 (20-250 °С), коэффициент теплопроводности 110,950 вт/(м ·К) 0,265 кал/см·сек·°С (20 °С), удельное электросопротивление 5,9·10-6 ом·см (20 °С), удельная теплоемкость Цинка 25,433 кдж/(кг·К.) . Предел прочности при растяжении 200-250 Мн/м2 (2000-2500 кгс/см2), относительное удлинение 40-50%, твердость по Бринеллю 400-500 Мн/м2(4000-5000 кгс/см2). Цинк диамагнитен, его удельная магнитная восприимчивость -0,175·10-6.

Химические свойства Цинка. Внешняя электронная конфигурация атома Zn 3d104s2. Степень окисления в соединениях +2. Стандартный электродный потенциал равный -0,76 В характеризует Цинк как активный металл и энергичный восстановитель. На воздухе при температуре до 100 °С Цинк быстро тускнеет, покрываясь поверхностной пленкой основных карбонатов. Во влажном воздухе, особенно в присутствии СО2, происходит разрушение металла даже при обычных температурах. При сильном нагревании на воздухе или в кислороде Цинк интенсивно сгорает голубоватым пламенем с образованием белого дыма оксида цинка ZnO. Сухие фтор, хлор и бром не взаимодействуют с Цинком на холоду, но в присутствии паров воды металл может воспламениться, образуя, например, ZnCl2. Нагретая смесь порошка Цинка с серой дает сульфид Цинк ZnS. Сульфид Цинк выпадает в осадок при действии сероводорода на слабокислые или аммиачные водные растворы солей Zn. Гидрид ZnH2 получается при взаимодействии LiАlН4 с Zn(CH3)2 и других соединениями Цинка; металлоподобное вещество, разлагающееся при нагревании на элементы. Нитрид Zn3N2 - черный порошок, образуется при нагревании до 600 °С в токе аммиака; на воздухе устойчив до 750 °С, вода его разлагает. Карбид Цинка ZnC2 получен при нагревании Цинка в токе ацетилена. Сильные минеральные кислоты энергично растворяют Цинк, особенно при нагревании, с образованием соответствующих солей. При взаимодействии с разбавленной НCl и H2SO4 выделяется Н2, а с НNО3 - кроме того, NO, NO2, NH3. С концентрированной НCl, H2SO4 и HNO3 Цинк реагирует, выделяя соответственно Н2, SO2, NO и NO2. Растворы и расплавы щелочей окисляют Цинк с выделением Н2 и образованием растворимых в воде цинкитов. Интенсивность действия кислот и щелочей на Цинк зависит от наличия в нем примесей. Чистый Цинк менее реакционно способен по отношению к этим реагентам из-за высокого перенапряжения на нем водорода. В воде соли Цинка при нагревании гидролизуются, выделяя белый осадок гидрооксида

a) взаимодействие цинка с разбавленными кислотами

Zn(OH)2. H2SO4 + Zn = Zn SO4 + H2 ^

Цинк, как активный металл, может образовывать с концентрированной серной кислотой сернистый газ, элементарную серу, и даже сероводород.

2H2SO4 + Zn = SO2 ^+ZnSO4 + 2H2O

При взаимодействии цинка с очень разбавленной азотной кислотой выделяется аммиак, который реагирует с избытком кислоты с образованием нитрата аммония.

В общем виде:

4Zn + 10HNO3 = 4Zn(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O

Zn + HNO3 = Zn(NO3)2 +NO +H2O

b)Взаимодействие растворимых солей цинка с щелочами:

ZnCl2 +2NaOH= ZnOH2v+2NaCl

Zn(NO3)2+2KOH = ZnOH2v +2KNO3

Область применения цинка

Металлический цинк используется для восстановления благородных металлов добываемых подземным выщелачиванием (золото, серебро). Кроме того, цинк используется для извлечения серебра, золота и др. Из чернового свинца в виде так называемой «серебристой пены» интерметаллидов цинка с серебром и золотом, и обрабатываемых обычными методами аффинажа.

Применяется для защиты стали от коррозии (оцинковка, которая хорошо известна всем, кто видел оцинкованное ведро). Также используется в качестве материала для отрицательного электрода в химических источниках тока, то есть в батарейках и аккумуляторах.

Очень важна роль цинка в цинк-воздушных аккумуляторах, в последние годы интенсивно разрабатываются на основе системы цинк-воздух аккумуляторы для компьютеров (ноутбуки) и в этой области достигнут значительный успех (большая, чем у литиевых батарей энергия, ресурс и они дешевле в 3 раза), так же эта система очень перспективна для пуска двигателей (свинцовый аккумулятор -- 55 Вт·ч/кг, цинк-воздух -- 220--300 Вт·ч/кг) и для электромобилей (пробег до 900 км). Входит в состав многих твёрдых припоев для снижения их температуры плавления.

Сложный химический и минералогический состав руд, содержащих цинк, был одной из причин, по которым цинковое производство рождалось долго и трудно. При резком охлаждении пары цинка сразу же, минуя жидкое состояние, превращаются в твердую пыль. Это несколько осложняет производство, хотя элементарный цинк считается нетоксичным. Часто бывает нужно сохранить цинк именно в виде пыли, а не переплавлять его в слитки.

В пиротехнике цинковую пыль применяют, чтобы получить голубое пламя. Цинковая пыль используется в производстве редких и благородных металлов. В частности, таким цинком вытесняют золото и серебро из цианистых растворов. Как ни парадоксально, но при получении самого цинка (и кадмия) гидрометаллургическим способом применяется цинковая пыль - для очистки раствора сульфата меди и кадмия.

Главная составная часть применяемой во всех этих случаях краски - все та же цинковая пыль. Смешанная с окисью цинка и льняным маслом, она превращается в краску, которая отлично предохраняет от коррозии. Эта краска к тому же дешева, пластична, хорошо прилипает к поверхности металла и не отслаивается при температурных перепадах. Мышиный цвет скорее достоинство, чем недостаток. Изделия, которые покрывают такой краской, должны быть не марки и в то же время опрятны. На свойствах цинка сильно сказывается степень его чистоты. При 99,9 и 99,99% чистоты цинк хорошо растворяется в кислотах. Но стоит "прибавить" еще одну девятку (99,999%), и цинк становится нерастворимым в кислотах даже при сильном нагревании. Цинк такой чистоты отличается и большой пластичностью, его можно вытягивать в тонкие нити. А обычный цинк можно прокатить в тонкие листы, лишь нагрев его до 100-150 С. Нагретый до 250 С и выше, вплоть до точки плавления, цинк опять становится хрупким - происходит очередная перестройка его кристаллической структуры.

Листовой цинк широко применяют в производстве гальванических элементов. Первый "вольтов столб" состоял из кружочков цинка и меди. И в современных химических источниках тока отрицательный электрод чаще всего делается из цинка.

Значительна роль этого элемента в полиграфии. Из цинка делают клише, позволяющие воспроизвести в печати рисунки и фотографии. Специально приготовленный и обработанный типографский цинк воспринимает фотоизображение. Это изображение в нужных местах защищают краской, и будущее клише протравливают кислотой. Изображение приобретает рельефность, опытные граверы подчищают его, делают оттиски, а потом эти клише идут в печатные машины. К полиграфическому цинку предъявляют особые требования: прежде всего он должен иметь мелкокристаллическую структуру, особенно на поверхности слитка. Поэтому цинк, предназначенный для полиграфии, всегда отливают в закрытые формы. Для "выравнивания" структуры применяют отжиг при 375 С с последующим медленным охлаждением и горячей прокаткой. Строго лимитируют и присутствие в таком металле примесей, особенно свинца. Если его много, то нельзя будет вытравить клише так, как это нужно. Если же свинца меньше 0,4%, то трудно получить нужную мелкокристаллическую структуру. Вот по этой кромке и "ходят" металлурги, стремясь удовлетворить запросы полиграфии.

Также широко в промышленности нашли применения соединения и сплавы цинка.

Оксид цинка применяется в качестве белого пигмента красок, является активатором вулканизации и наполнителем в резиновой промышленности, используется в косметической промышленности и в медицине, как антисептическое и противовоспалительное средство.

Хлорид цинка используется в медицине в качестве антисептика и в виде растворов в соляной кислоте при паянии.

Сульфид цинка применяется в качестве люминофоров в электронно-лучевых трубках.

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 %

Располагается во второй группе, побочной подгруппе периодической системы Менделеева и является переходным металлом. Порядковый номер элемента - 30, масса - 65,37. Электронная конфигурация внешнего слоя атома - 4s2. Единственная и постоянная равна «+2». Для переходных металлов характерно образование комплексных соединений, в которых они выступают в качестве комплексообразователя с разными координационными числами. Это относится и к цинку. Существует 5 устойчивых в природе изотопов с массовыми числами от 64 до 70. При этом изотоп 65Zn является радиоактивным, период его полураспада составляет 244 дня.

Цинк - это серебристо-голубой металл, который на воздухе быстро покрывается защитной оксидной пленкой, скрывающей его блеск. При удалении оксидной пленки цинк проявляет свойства металлов - сияние и характерный яркий блеск. В природе цинк содержится в составе многих минералов и руд. Самые распространенные: клейофан, цинковая обманка (сфалерит), вюрцит, марматит, каламин, смитсонит, виллемит, цинкит, франклинит.

В составе смешанных руд цинк встречается со своими постоянными спутниками: таллием, германием, индием, галлием, кадмием. В земной коре содержится 0,0076% цинка, а 0,07 мг/л этого металла содержится в морской воде в виде солей. Формула цинка как простого вещества - Zn, химическая связь - металлическая. У цинка гексагональная плотная кристаллическая решетка.

Физические и химические свойства цинка

Температура плавления цинка - 420 °С. При нормальных условиях это хрупкий металл. При нагревании до 100-150 °С ковкость и пластичность цинка повышается, возможно изготовление из металла проволоки и прокатка фольги. Температура кипения цинка - 906 °С. Этот металл - отличный проводник. Начиная от 200 °С, цинк легко растирается в серый порошок и теряет пластичность. У металла хорошая теплопроводность и теплоемкость. Описанные физические параметры позволяют использовать цинк в соединениях с другими элементами. Латунь - наиболее известный сплав цинка.

При обычных условиях поверхность цинка мгновенно покрывается оксидом в виде серо-белого тусклого налета. Он образуется из-за того, что кислород воздуха окисляет чистое вещество. Цинк как простое вещество реагирует с халькогенами, галогенами, кислородом, щелочами, кислотами, аммонием (его солями), . Цинк не взаимодействует с азотом, водородом, бором, углеродом и кремнием. Химически чистый цинк не реагирует с растворами кислот и щелочей. - металл амфотерный, и при реакциях со щелочами образует комплексные соединения - гидроксоцинкаты. Нажмите , чтобы узнать, какие опыты на изучение свойств цинка можно провести дома.

Реакция серной кислоты с цинком и получение водорода

Взаимодействие разбавленной серной кислоты с цинком - основной лабораторный способ получения водорода. Для этого используется чистый зерненый (гранулированный) цинк либо технический цинк в виде обрезков и стружек.

Если взяты очень чистые цинк и серная кислота, то водород выделяется медленно, особенно в начале реакции. Поэтому к остывшему после разбавления раствору иногда добавляют немного раствора медного купороса. Осевшая на поверхности цинка металлическая медь ускоряет реакцию. Оптимальный способ разбавить кислоту для получения водорода - разбавить водой концентрированную серную кислоту плотностью 1,19 в соотношении 1:1.

Реакция концентрированной серной кислоты с цинком

В концентрированной серной кислоте окислителем является не катион водорода, а более сильный окислитель - сульфат-ион. Он не проявляет себя как окислитель в разбавленной серной кислоте из-за сильной гидратации, и, как следствие, малоподвижности.

То, как концентрированная серная кислота будет реагировать с цинком, зависит от температуры и концентрации. Уравнения реакций:

Zn + 2H₂­SO₄ = Zn­SO₄ + SO₂ + 2H₂O

3Zn + 4H₂­SO₄ = 3Zn­SO₄ + S + 4H₂O

4Zn + 5H₂­SO₄ = 4Zn­SO₄ + H₂S + 4H₂O

Концентрированная серная кислота является сильным окислителем благодаря степени окисления серы (S⁺⁶). Она взаимодействует даже с малоактивными металлами, то есть с металлами до и после водорода, и, в отличие от разбавленной кислоты, никогда не выделяет водород при этих реакциях. В реакциях концентрированной серной кислоты с металлами всегда образуются три продукта: соль, вода и продукт восстановления серы. Концентрированная серная кислота - это такой сильный окислитель, что окисляет даже некоторые неметаллы (уголь, серу, фосфор).

Цинк – это металл, стоящий в таблице Менделеева, под номером 30 и имеет обозначение Zn. Плавится при температуре 419 °С градусов, если же температура кипения 913 °С – начинает превращаться в пар. При температурном обычном режиме, состояние хрупкое, а при ста градусах начинает гнуться.

Цвет цинка сине-белый. При воздействии кислорода появляется окисление, а также покрытие карбоната, предохраняющего металл от дальнейшей реакции окисления. Появление на цинке гидроокиси обозначает то, что вода на химический элемент не действует.

Цинк — химический элемент, имеет свои отличительные свойства, преимущества и недостатки. Он широко применяется в повседневной жизни человека, в фармацевтике и металлургии.

Особенности цинка

Металл является необходимым и широко применяемым практически во всех отраслях повседневной жизни человека.

Добыча в основном, производится в Иране, Казахстане, Австралии, Боливии. В России изготовителем является ОАО «ГМК Дальполиметалл».

Это переходной металл, имеет степень окисления +2, радиоактивный изотоп, период полураспада 244 дня.

В чистом виде элемент не добывается. Содержится в рудах и минералах: клейофане, марматите, вюртците, цинките. Обязательно присутствует в сплаве с алюминием, медью, оловом, никелем.

Химические, физические свойства и характеристики цинка

Цинк – металл, обладает рядом свойств и характеристик, отличающих его от иных элементов периодической таблицы.

К физическим свойствам цинка относится его состояние. Основным фактором выступает температурный режим. Если при комнатной температуре это хрупкий материал, плотность цинка 7130 кг/м 3 (˃ плотности стали), который практически не гнётся, то при повышении он легко изгибается и прокатывается в листах на заводах. Если взять более высокий температурный режим – материал приобретает жидкое состояние, а если еще поднять температуру на 400-450 °С градусов, тогда он просто испарится. В этом уникальность – менять своё состояние. Если же подействовать кислотами и щелочами, он может рассыпаться, взорваться, расплавиться.

Формула цинка Zn – zincum. Атомная масса цинка 65.382 а.е.м.

Электронная формула: ядро атома металла содержит 30 протон, 35 нейтрон. В атоме 4 энергетических уровня – 30 электронов. (рис. строение атома цинка)1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 .

Кристаллическая решётка цинка – шестиугольная кристаллическая система с плотно прижатыми атомами. Данные решётки: A=2.66У, С=4.94.

Структура и состав цинка

Добытый и не переработанный материал имеет изотопы 64, 66, 67, электроны 2-8-18-2.

По применению среди всех элементов периодической таблицы металл стоит на 23 месте. В природе элемент выступает в виде сульфида с примесями свинца Pb, кадмия Cd, железа Fe, меди Cu, серебра Ag.

В зависимости от того, какое количество примесей, металл имеет маркировку.

Производство цинка

Как было сказано выше, чистого вида данного элемента в природе нет. Он добывается из иных пород, таких как руда – кадмий, галлий, минералы – сфалерит.

Металл получают на заводе. Каждый завод имеет свои отличительные особенности производства, поэтому оборудование для получения чистого материала различно. Оно может быть таким:

• Роторы, расположенные вертикально, электролитные.
• Специальные печи с достаточно высокой температурой для обжига, а также специальные электропечи.
• Транспортёры и ванны для электролиза.

В зависимости от принимаемого метода добычи металла, задействовано соответствующее оборудование.

Получение чистого цинка

Как упоминалось выше – в природе чистого вида нет. В основном добыча производится из руд, в которых он идет с различными элементами.

Для получения чистого материала задействован специальный флотационный процесс с избирательностью (селективностью). После проведения процесса руда распадается на элементы: цинк, свинец, медь и так далее.

Добытый таким методом чистый металл обжигается в специальной печи. Там при определенных температурах сульфидное состояние материала переходит в оксидное. При обжиге выделяется газ с содержанием серы, направляемый для получения серной кислоты.

Есть 2 способа получения металла:

1. Пирометаллургический – идет процесс обжигания, после — полученная масса восстанавливается с помощью чёрного угля и кокса. Конечным процессом является отстаивание.
2. Электролитический – добытая масса обрабатывается серной кислотой. Полученный раствор подвергают электролизу, при этом металл оседает, его плавят в печах.

Выплавка цинка в печи

Температура плавления цинка в печи 419-480 °С градусов. Если же температурный режим превышен, тогда материал начинает испаряться. При данной температуре допускается примесь железа 0.05%.

При процентной ставке 0.2 железа, лист невозможно будет прокатать.

Применяются различные способы выплавки чистого металла, вплоть до получения цинковых паров, которые направляются в специальные резервуары и там вещество опадает вниз.

Применение металла

Свойства цинка позволяют его применение во многих сферах. В процентном соотношении:

1. Цинкование – до 60%.
2. Медицина – 10%.
3. Различные сплавы, содержащие данный металл 10%.
4. Выпуск шин 10%.
5. Производство красок – 10%.

А также применение цинка необходимо для восстановления таких металлов, как золото, серебро, платина.

Цинк в металлургии

Металлургическая промышленность задействует данный элемент периодической таблицы как основной для достижения определенных целей. Выплавка чугуна, стали является главной во всей металлургии страны. Но, данные металлы подвержены негативному влиянию окружающей среды. Без определенной обработки идет быстрое окисление металлов, что приводит к их порче. Наилучшей защитой служит оцинкование.

Нанесение защитной плёнки на чугун и сталь является лучшим средством от коррозии. На оцинкование уходит около 40% всего производства чистого материала.

Способы оцинкования

Металлургические заводы отличительны не только своим оборудованием, но и применяемыми методами производства. Это зависит от ценовой политики, и месторасположения (природных ресурсов, используемых для металлургической промышленности). Есть несколько методов оцинкования, которые рассматриваются ниже.

Горячий способ оцинкования

Данный способ заключается в обмакивании металлической детали в жидком растворе. Происходит это так:

1. Деталь или изделие обезжиривается, очищается, промывается и сушится.
2. Далее, цинк расплавляется до жидкого состояния при температуре до 480 °С.
3. В жидкий раствор опускается подготовленное изделие. При этом оно хорошо смачивается в растворе и образуется покрытие толщиной до 450 мкм. Это является 100% защитой от воздействия внешних факторов на изделие (влага, прямые солнечные лучи, вода с химическими примесями).

Но, данный метод имеет ряд недостатков:

• Цинковая пленка на изделии получается неравномерного слоя.
• Нельзя использовать данный метод для деталей, отвечающих точным стандартам по ГОСТу. Где каждый миллиметр считается браком.
• После горячего оцинкования, не каждая деталь останется прочной и износостойкой, поскольку после прохождения высокой температуры появляется хрупкость.

А также данный метод не подходит для изделий, покрытых лакокрасочными материалами.

Холодное оцинкование

Этот метод носит 2 названия: гальванический и электролитический. Методика покрытия изделия защитой от коррозии такова:

1. Металлическая деталь, изделие подготавливается (обезжиривается, очищается).
2. После этого проводится «метод окрашивания» — применяется специальный состав, имеющий главный компонент – цинк.
3. Деталь покрывается данным составом методом распыления.

Благодаря этому методу защитой покрываются детали с точным допуском, изделия, покрытые лакокрасочными материалами. Повышается стойкость к внешним факторам, приводящим к коррозии.

Недостатки данного метода: тонкий защитный слой – до 35 мкм. Это приводит к меньшей защите и небольшим срокам защиты.

Термодиффузионный способ

Данный метод делает покрытие, которое является электродом с положительной полярностью, в то время как металл изделия (сталь) становится отрицательной полярности. Появляется электрохимический защитный слой.

Метод применим только в случае, если детали произведены из углеродистой стали, чугуна, стали с примесями. Цинк используется таким образом:

1. При температуре от 290 °С до 450 °С в порошковой среде, поверхность детали насыщается Zn. Здесь маркировка стали, а также тип изделия имеют значение – выбирается соответствующая температура.
2. Толщина защитного слоя достигает 110 мкм.
3. В закрытый резервуар помещается изделие из стали, чугуна.
4. Добавляется туда специальная смесь.
5. Последним шагом является специальная обработка изделия от появления белых высолов от солёной воды.

В основном данным методом пользуются в случае, если требуется покрыть детали, имеющие сложную форму: резьбу, мелкие штрихи. Образование равномерного защитного слоя является важным, поскольку данные детали претерпевают множественное воздействие внешней агрессивной среды (постоянная влага).

Данный метод дает самый большой процент защиты изделия от коррозии. Оцинкованное напыление является износостойким и практически нестираемым, что очень важно для деталей, которые время о времени крутятся и разбираются.

Иные сферы применения цинка

Помимо оцинкования, металл применяется и в других сферах промышленности.

1. Цинковые листы. Для производства листа выполняется прокатка, в которой важна пластичность. Это зависит от температурного режима. Температура в 25 °С дает пластичность только в одной плоскости, что создает определенные свойства металла. Тут главное для чего изготавливается лист. Чем выше температура, тем тоньше получается металл. В зависимости от этого идет маркировка изделия Ц1, Ц2, Ц3. После этого из листов создаются различные изделия для автомобилей, профиля для строительства и ремонта, для полиграфии и так далее.
2. Цинковые сплавы. Для улучшенных свойств металлических изделий, добавляется цинк. Данные сплавы создаются при высоких температурах в специальных печах. Чаще всего производятся сплавы из меди, алюминия. Данные сплавы применяются для производства подшипников, различных втулок, которые применимы в машиностроении, судостроении и авиации.

В домашнем обиходе оцинкованное ведро, корыто, листы на крыше – это норма. Применяется цинк, а не хром или никель. И дело не только в том, что оцинкование дешевле, чем покрытие другими материалами. Это наиболее надёжный и продолжительный по службе эксплуатации защитный материал нежели, хром или другие применяемые материалы.

В итоге – цинк наиболее распространенный металл, применяемый широко в металлургии. В машиностроении, строительстве, медицине – материал применим не только как защита от коррозии, но и для увеличения прочности, продолжительного срока эксплуатации. В частных домах оцинкованные листы защищают крышу от осадков, в зданиях выравниваются стены и потолки гипсокартонными листами на основе оцинкованных профилей.

Практически у каждой хозяйки в доме есть оцинкованное ведро, корыто, которым она пользуется длительное время.

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» .

Историческая справка

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.