Без «защиты» их съедает коррозия. Спасает именно цинк . Бело -голубой металл наносят на основу тонкой пленкой.
На слуху прилагательное «оцинкованный
». Его часто подставляют к словам: — ведра, покрытия для крыш, проволока. В таблице химических элементов цинк находится перед .
Это значит, что он более активен, то есть первым вступает в реакции с воздухом.
Коррозия, как известно, вызывается именно соприкосновением влаги из атмосферы с металлом.
Металл цинк первый берет на себя удар, спасая металл, расположенный под ним. Поэтому, ведра именно оцинковывают, а не , покрывают или .
Эти элементы в расположены после железа. Они дождутся, пока этот металл разрушится и, уже потом начнут распадаться сами.
Атомный номер цинка – 30. Это цифра 2-ой группы 4-го периода таблицы химических веществ. Обозначение металла – Zn.
Он составная часть горных руд, минералов, переносится водой и, даже содержится в живых тканях.
Так, к примеру, металл активно накапливают некоторые разновидности фиалок. Но, выделить чистый цинк
удалось лишь в 18-ом столетии.
Сделал это немец Андреас Сигизмунд Маргграф. Он прокалил смесь оксида цинка с .
Опыт удался, потому что проводился без доступа воздуха, то есть кислорода. Резервуаром для реакции стал огнеупорный сосуд из .
Полученные металлические пары химик поместил в холодильник. Под воздействием низких температур частицы цинка осели на его стенки.
Месторождения и добыча цинка
Теперь же каждый год в мире добывают около 10-ти миллионов тонн голубоватого металла в чистом виде. Его содержание в земной коре 6-9%.
Проценты эти распределили между собой 50 стран. В лидерах Перу, США, Канада, Узбекистан, , но больше всего месторождений цинка в Австралии и .
На каждую из этих стран приходится примерно 3 десятка миллионов тонн металла с порядковым номером 30.
Однако, в будущем на первое место в рейтинге может встать океан. Основные запасы цинка сосредоточенны в его водах, на его дне.
Разрабатывать, правда, морское месторождение еще не научились. Технологии есть, но они слишком дорогостоящие.
Поэтому практически 3 миллиона тонн цинка так и лежат на дне Красного моря, не говоря уже о запасах Карибского бассейна и Срединно-Атлантического хребта.
Применение цинка
Цинк нужен . Металл добавляют в на основе . Минимальные дозы цинка делают их тягучими, легко поддающимися , послушными в руках мастера.
30-ый элемент также осветляет изделие, поэтому часто используется для создания, так называемого, .
Однако, с цинком главное не переборщить. Даже 3 десятых содержания металла в сделает непрочным, хрупким.
Снижает металл и температуру плавления сплава. Соединения меди с цинком, открытые, еще в древнем Египте, применяют в производстве . Сплав дешевый, легко поддается обработке, привлекательно выглядит.
Из-за невысокой температуры плавления цинк стал «героем» микросхем и всевозможных .
Он, как и олово, легко и прочно соединяет мелкие детали между собой. При низких температурах металл хрупок, но уже при 100-150 градусах становится тягучим, податливым.
Этим физическим свойством цинка и пользуются промышленники и мастера кустарного производства.
Интересно, что при еще большем накале, к примеру, до 500-та градусов, элемент снова превращается в ломкий и ненадежный.
Низкая планка плавления финансово выгодна промышленникам. Топлива надо меньше, переплачивать за дорогостоящее оборудование нет необходимости.
Экономят и на обработке полученных «отливок» из цинка. Их поверхность зачастую даже не требует дополнительной полировки.
Металл активно используют в автомобильной отрасли. Сплавы на основе цинка идут на ручки дверей, кронштейны, декор салона, замки, оформление зеркал, корпуса стеклоочистителей.
В автомобильном сплаве цинка высок процент . Последний, делает соединение более износостойким и прочным.
Окись цинка добавляют в автомобильные покрышки. Без нее резина получается низкого качества.
Ведущую роль в экономике многих стран играют чугун и . Их производство немыслимо без цинка. В латуни его от 30-ти до 50-ти процентов (в зависимости от разновидности сплава).
Латунь идет не только на дверные ручки. Из нее изготавливают и посуду, для , смесителей и высокотехнического оборудования для заводов разных профилей.
Широко используют и цинковые листы . Они – основа печатных форм в полиграфии.
Листы идут на изготовление источников тока, труб, покрытий для крыш и желобов для сточных вод.
Цинк – составная часть многих красителей. Так, окись цинка используют как белую краску. Кстати, именно такое покрытие используют в космонавтике.
Для ракет, спутников необходимы красители отражающие свет, а это лучше всего делают составы на основе цинка.
Он незаменим и в деле борьбы с радиацией. Под ее лучами сульфид металла вспыхивает, выдавая присутствие опасных частиц.
Позарились на элемент цинк и фармацевты. Цинк – антисептик . Его добавляют в мази для новорожденных, заживляющие составы.
Более того, некоторые медики уверены, что цинк, вернее, его недостаток, вызывает шизофрению.
Поэтому, заклинают врачи, обязательно надо употреблять продукты, содержащие металл.
Больше всего цинка в морепродуктах. Не зря же залежи металла хранятся в океанских глубинах.
Цинк (лат. Zincum), Zn, химический элемент II группы периодической системы Менделеева; атомный номер 30, атомная масса 65,38, синевато-белый металл. Известно 5 стабильных изотопов с массовыми числами 64, 66, 67, 68 и 70; наиболее распространен 64 Zn (48,89%). Искусственно получен ряд радиоактивных изотопов, среди которых наиболее долгоживущий 65 Zn с периодом полураспада Т ½ = 245 сут; применяется как изотопный индикатор.
Историческая справка. Сплав Цинка с медью - латунь - был известен еще древним грекам и египтянам. Чистый Цинк долгое время не удавалось выделить. В 1746 году А. С. Маргграф разработал способ получения металла прокаливанием смеси его оксида с углем без доступа воздуха в глиняных огнеупорных ретортах с последующей конденсацией паров Цинка в холодильниках. В промышленном масштабе выплавка Цинка началась в 17 веке.
Распространение Цинка в природе. Среднее содержание Цинк в земной коре (кларк) - 8,3·10 -3 % по массе, в основных изверженных породах его несколько больше (1,3·10 -2 %), чем в кислых (6·10 -3 %). Известно 66 минералов Цинка, важнейшие из них - цинкит, сфалерит, виллемит, каламин, смитсонит, франк-линит ZnFe 2 O 4 . Цинк - энергичный водный мигрант; особенно характерна его миграция в термальных водах вместе с Рb; из этих вод осаждаются сульфиды Цинка, имеющие важное промышленное значение. Цинк также энергично мигрирует в поверхностных и подземных водах; главным осадителем для него является H 2 S, меньшую роль играет сорбция глинами и другие процессы. Цинк - важный биогенный элемент; в живом веществе содержится в среднем 5·10 -4 % Цинка, но имеются и организмы-концентраторы (например, некоторые фиалки).
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 = 2,6594Å, с = 4,9370Å. Атомный радиус 1,37Å; ионный Zn 2+ -0,83Å. Плотность твердого Цинка 7,133 г/см 3 (20 °С), жидкого 6,66 г/см 3 (419,5 °С); t пл 419,5 °С; t кип 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/м 2 (2000-2500 кгс/см 2), относительное удлинение 40-50%, твердость по Бринеллю 400-500 Мн/м 2 (4000-5000 кгс/см 2). Цинк диамагнитен, его удельная магнитная восприимчивость -0,175·10 -6 .
Химические свойства Цинка. Внешняя электронная конфигурация атома Zn 3d 10 4s 2 . Степень окисления в соединениях +2. Нормальный окислительно-восстановительный 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 СО 2 , 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, ZnCl 2 . 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 ZnH 2 получается при взаимодействии LiАlН 4 с Zn(CH 3) 2 и других соединениями Цинка; металлоподобное вещество, разлагающееся при нагревании на элементы. Нитрид Zn 3 N 2 - черный порошок, образуется при нагревании до 600 °С в токе аммиака; на воздухе устойчив до 750 °С, вода его разлагает. Карбид Цинка ZnC 2 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 H 2 SO 4 выделяется Н 2 , а с НNО 3 - кроме того, NO, NO 2 , NH 3 . С концентрированной НCl, H 2 SO 4 и HNO 3 Цинк реагирует, выделяя соответственно Н 2 , SO 2 , NO и NO 2 . Растворы и расплавы щелочей окисляют Цинк с выделением Н 2 и образованием растворимых в воде цинкитов. Интенсивность действия кислот и щелочей на Цинк зависит от наличия в нем примесей. Чистый Цинк менее реакционноспособен по отношению к этим реагентам из-за высокого перенапряжения на нем водорода. В воде соли Цинка при нагревании гидролизуются, выделяя белый осадок гидрооксида Zn(OH) 2 . Известны комплексные соединения, содержащие Цинк, например SО 4 и другие.
Получение Цинка. Цинк добывают из полиметаллических руд, содержащих 1-4% Zn в виде сульфида, а также Cu, Pb, Ag, Аu, 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 SO 2 расходуется на производство серной кислоты. От ZnO к Zn идут двумя путями. По пирометаллургическому (дистилляционному) способу, существующему издавна, обожженный концентрат подвергают спеканию для придания зернистости и газопроницаемости, а затем восстанавливают углем или коксом при 1200-1300 °С: 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 т. ч. ценный кадмий. Дистилляционный Цинк очищают ликвацией (т. е. отстаиванием жидкого металла от железа и части свинца при 500 °С), 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). Обожженные 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.
Применение Цинка. Около половины производимого Цинк расходуется на защиту стали от коррозии (Цинкование). Поскольку Цинк в ряду напряжений стоит до железа, то при попадании оцинкованного железа в коррозионную среду разрушению подвергается Цинк. Благодаря хорошим литейным качествам и низкой температуре плавления из Цинк отливают под давлением различные мелкие детали самолетов и других машин. Сплавы меди с Цинком - латунь, нейзильбер, а также Цинка со свинцом и других металлами широко применяются в технике. Цинк дает с золотом и серебром интерметаллиды (нерастворимые в жидком свинце) и поэтому Цинк применяется для рафинирования свинца от благородных металлов. В виде порошка Цинк служит восстановителем в ряде химико-технологических процессов: в производстве гидросульфита, при осаждении золота из промышленного цианистых растворов, меди и кадмия при очистке растворов цинкового купороса и других. Многие соединения Цинка являются люминофорами, например, три основных цвета на экране кинескопа зависят от ZnS·Ag (синий цвет), ZnSe·Ag (зеленый цвет) и Zn 3 (PO 4) 2 ·Mn (красный цвет). Важными полупроводниковыми материалами служат соединения Цинка типа A II B VI - ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnO. Наиболее распространенные химические источники тока имеют в качестве отрицательного электрода Цинк.
Цинк в организме. Цинк как один из биогенных элементов постоянно присутствует в тканях растений и животных. Среднее содержание Цинка в большинстве наземных и морских организмов - тысячные доли процента. Богаты Цинком грибы, особенно ядовитые, лишайники, хвойные растения и некоторые беспозвоночные морские животные, например, устрицы (0,4% сухой массы). В зонах повышенных содержаний Цинка в горных породах встречаются концентрирующие Цинк так называемых галмейные растения. В организм растений Цинк поступает из почвы и воды, животных - с пищей. Суточная потребность человека в Цинке (5-20 мг) покрывается за счет хлебопродуктов, мяса, молока, овощей; у грудных детей потребность в Цинке (4-6 мг) удовлетворяется за счет грудного молока.
Биологическая роль Цинк связана с его участием в ферментативных реакциях, протекающих в клетках. Он входит в состав важнейших ферментов: карбоангидразы, различных дегидрогеназ, фосфатаз, связанных с дыханием и другими физиологическими процессами, протеиназ и пептидаз, участвующих в белковом обмене, ферментов нуклеинового обмена (РНК- и ДНК-по-лимераз) и других. Цинк играет существенную роль в синтезе молекул информационной РНК на соответствующих участках ДНК (транскрипция), в стабилизации рибосом и биополимеров (РНК, ДНК, некоторые белки).
В растениях наряду с участием в дыхании, белковом и нуклеиновом обменах Цинк регулирует рост, влияет на образование аминокислоты триптофана, повышает содержание гиббереллинов. Цинк стабилизирует макромолекулы различных биологических мембран и может быть их интегральной частью, влияет на транспорт ионов, участвует в надмолекулярной организации клеточных органелл. В присутствии Цинка в культуре Ustilago sphaerogena формируется большее число митохондрий, при недостатке Цинка у Euglena gracilis исчезают рибосомы. Цинк необходим для развития яйцеклетки и зародыша (в его отсутствии не образуются семена). Он повышает засухо-, жаро- и холодостойкость растений. Недостаток Цинка ведет к нарушению деления клеток, различным функциональным болезням - побелению верхушек кукурузы, розеточности растений и других. У животных, помимо участия в дыхании и нуклеиновом обмене, Цинк повышает деятельность половых желез, влияет на формирование скелета плода. Показано, что недостаток Цинка у грудных крыс уменьшает содержание РНК и синтез белка в мозге, замедляет развитие мозга. Из слюны околоушной железы человека выделен цинксодержащий белок; предполагается, что он стимулирует регенерацию клеток вкусовых луковиц языка и поддерживает их вкусовую функцию. Цинк играет защитную роль в организме при загрязнении среды кадмием.
Дефицит Цинк в организме ведет к карликовости, задержке полового развития; при его избыточном поступлении в организм возможны (по экспериментальным данным) канцерогенное влияние и токсическое действие на сердце, кровь, гонады и др. Производственные вредности могут быть связаны с неблагоприятным воздействием на организм как металлического Цинка, так и его соединений. При плавке цинкосодержащих сплавов возможны случаи литейной лихорадки. Препараты Цинка в виде растворов (сульфат Цинка) и в составе присыпок, паст, мазей, свечей (окись Цинка) применяют в медицине как вяжущие и дезинфицирующие средства.
Цинк - элемент периодической системы 2 подгруппы 4 периода с атомным номером 30 и атомным весом 65,39.
Хрупкий переходный метал цинк.
- Прямое влияние на химические свойства цинка оказывает его отношение к блоку d-элементов. Данная группа образует химические связи только внешними электронами d-орбитали. Поэтому элемент имеет характерную степень окисления +2 и схожесть со свойствами магния.
- Гексагональная решетка цинка была описана еще в Швейцарии в XVI веке и упоминалась как «кристалловидные иглы». Металл переходного типа в своих разновидностях имеет множество изотопов. Самый стабильный из радиоактивных — 65 zn с периодом полураспада в 245 суток.
- Металлический цинк в обычных условиях - это хрупкое вещество. Его плотность составляет 7,13 г/см³. На свету присущий всем металлам блеск отливает голубовато-серым цветом. Температура плавления начинается от 46 °C, а температура кипения - от 906 °C. Проявляя амфотерные свойства, элемент уступает по активности только щелочноземельным металлам. Окислительно-восстановительный потенциал равен 0,76 B.
Цинк является коррозиестойким металлом. В интервале водородного показателя кислотности pH 9–11 наблюдается максимальная устойчивость. В атмосферных условиях коррозия не протекает из-за появления на поверхности защитной пленки - оксида цинка. Коррозия будет проходить с применением водородной или кислородной деполяризации.
Роль в металлургии
Гидро- и пирометаллургический процессы - наиболее распространенные способы производства металлического цинка из руды. В своих свойствах ничем не уступает хрому в качестве антикоррозионного покрытия. Половина всего производимого цинка затрачивается именно для нанесения защитного слоя для железа и стали.
Антикоррозийное применение цинка.
За счет низкой температуры плавления цинка и его сплавов с другими металлами появляется проблема чувствительности к перегреву. Поэтому чрезмерный перегрев в производстве вызывает нарушение процесса с последующим окислением сплава. Наиболее распространенными считаются сплавы с медью (латунь), а также со свинцом. Их повсеместно используют в технике, щелочных аккумуляторах, гальванических элементах и сплавах с другими благородными металлами.
Характеристика свойств элемента меняется под влиянием примесей. К примеру: тройная эвтектика сплава свинца и цинка с примесью олова плавится гораздо легче самого цинка и разрушается под горячим давлением. Добавление в состав цинка всего 0,2% железа в несколько раз повышает его хрупкость. Труднорастворимые в элементе висмут и мышьяк вообще отрицательно сказываются на технологических характеристиках получаемого вещества.
В промышленности восстанавливающие свойства элемента имеют важную функцию. Он принимает участие в осаждении золота из растворов, в производстве гидросульфита, добыче из руды меди и кадмия.
Реакции с элементами
Взаимодействие с кислотами
Хорошая реакция цинка с большинством кислот обусловлена его положением по отношению к водороду в электрохимическом ряду активности металлов. Так образуется множество важных цинковых солей. Эти соли преимущественно бесцветные, представляют гигроскопичные кристаллы, растворы которых вследствие гидролиза имеют кислотную среду. В случае с солями других металлов он будет также вытеснять их из раствора, если они стоят в ряду напряжения правее от элемента.
При взаимодействии с кислотами образуются соли цинка.
В растворе элемента с серной кислотой при температуре ниже 38 °C образуется цинковый купорос, научное название которого сульфат ZnSO4. Его используют в производстве вискозы, некоторых отраслях металлургии, в медицине как обеззараживающее средство. Хлорид ZnCl2 получают из раствора соляной кислоты с цинком. Его используют в производстве батареек, антисептической пропитке дерева и бумажной фибры.
Производные соединения
- Цинк и его амфотерные свойства передаются гидроксидам цинка Zn (OH)2. Этим веществам присуще химическое поведение кислот и оснований одновременно. Получить гидроксид в виде белого осадка можно действием щелочи на сульфат. В естественном состоянии гидроксид - это кристалловидное вещество, разлагающееся при температуре свыше 130 °C. Применяется для синтеза солей цинка.
- Эффектным можно назвать старый способ добычи оксида ZnO, именуемый ранее как «французский процесс». В присутствии сильно нагретого воздуха вокруг пластины элемента начнут выделяться пары цинка, которые затем воспламеняются голубоватым светом, образуя оксид. На крупном производстве его добывают из природного минерала цинкита. Кроме того, для производства оксида широко применяют термическое разложение более сложных соединений, как, например, гидроксида.
- Бесцветный белый порошок оксида, не растворяющийся в воде, выражает свою химическую двойственность. При сплавлении оксида цинка со щелочами получают цинкаты. При сплавлении с оксидами - силикаты. Собственная теплопроводность позволяет ему быть полупроводником, ширина запрещенной зоны которого равна 3,36 эВ. Оксид имеет широкий спектр применения в химической промышленности, став наполнителем многих пластмасс. В электронике без него не обходится ни одна лучевая трубка телевизора. Он также входит в состав большинства дерматологических мазей.