Цинк химический элемент

Что такое цинк

(Zincum; от нем. Zink), Zn — химический элемент 12-й группы (устаревшая классификация: IIВ группы периодической системы элементов) атомный номер 30, атомная масса 65,38.

Металл серебристо-голубоватого цвета. В соединениях проявляет степень окисления +2.

Содержание цинка в литосфере 1,5 • 10^-3 масс.%, он встречается в виде минералов галмея ZnCO₃ и цинковой обманки (сфалерита) ZnS , входит в состав полимерных руд.

Был известен еще в глубокой древности. Около 2500 лет тому назад его получали в Индии, а затем в Китае.

Содержание цинка в земной коре 2,0 • 10^-2%.

Важнейший минерал Zn — сфалерит (цинковая обманка).

В виде соединений цинк находится в полиметаллических рудах, содержащих свинец, медь и железо.

Физические свойства

Синевато — белый, пластичный и тягучий металл, но выше температуры 200°C он становится хрупким.

Кристаллическая решетка гексагональная плотноупакованная с периодами а = 2,664 А и с = 4,946 А.

Плотность литого Zn (т-ра 20° С) 7,132 г/см³, после прокатки увеличивается , до 7,14, при т-ре 419° С составляет 6,92; t_пл 419,5° С; t_кип 906°С.

Теплота плавления 1650 кал/моль, теплота испарения (т-ра 9079 С) 27 500 кал/моль; температурный коэфф. объемного расширения 9,35•10^-5 (т-ра 20—100° С) и 9,81•10^-5 град-1 (т-ра 200—410° С).

Коэфф. теплопроводности (т-ра 20° С) 0,265 кал/см • сек град, атомная теплоемкость 6,26 (т-ра 100°С) И 6,5 кал/г-атом град (т-ра 200° С).

Электрическое сопротивление (мком•см): 1,39 (т-ра 200° С), 5,75 (т-ра 0° С), 7,95 (т-ра 100° С) и 13,25 (т-ра 300° С).

Температурный коэфф. электр. сопротивления в интервале т-р от — 170   до 25° С равен 0,004058 градг.

Упругость пара  (мм рт.ст.): 1,13 X 10^-14 (т-ра 25° С), 1,26 • 10^-3 (т-ра 300° С),   1,27   (т-ра  500° С),   59,87 (т-ра 700° С) и 760 (т-ра 905,4° С).

Zn высокой чистоты (99,999%) пластичен, легко может быть протянут в тонкую проволоку.

Чистотой 99,9% при обычной т-ре хрупок, при т-ре 100—150° С его можно прокатывать в листы, с повышением т-ры до 200° С он легко превращается в порошок.

Твердость литого 30,1— 32,7 кгс/мм²; твердость по минералогической шкале 2,5.

Химические свойства

При хранении на воздухе тускнеет, покрываясь тонким слоем окисла, к-рый предохраняет металл от дальнейшего окисления.

Во влажной среде он покрывается защитной плёнкой основной соли ZnCО₃ • 3Zn(OH)₂.

Растворяется в разбавленных кислотах (серная кислота):

Zn+ H₂SO₄ = ZnSO₄ + H₂↑

В щелочах образует тетрагидроксоцинкатов:

Zn + 2NaOH + 2H₂O = Na₂[Zn(OH)₄] + H₂

При высоких температурах соединяется с галогенами, серой и фосфором, разлагает воду.

Оксид цинка (II) ZnO — рыхлый белый порошок, используемый для изготовления краски — цинковых белил.

Он также амфотерен, растворяется в кислотах:

ZnO + 2HCl = ZnCl₂ + H₂O

и в щелочах:

ZnO + 2NaOH + H₂O = Na2[Zn(OH)₄]

В технике оксид цинка (II) ZnO применяют как наполнитель каучука, пластмасс, целлюлозы.

Гидроксид цинка Zn(OH)₂ получают , действуя щелочами на растворы солей цинка:

ZnSO₄ + 2NaOH = Zn(OH)₂↓ + Na₂SO₄

Это белое аморфное вещество мало растворим в воде . Гидроксид цинка ведёт себя как основание:

Zn(OH)₂ + 2HCl = ZnCl₂ + 2H₂O

или как кислота:

Zn(OH)₂ + 2NaOH = Na₂[Zn(OH)₄]

В зависимости от концентрации щёлочи помимо тетрагидроксоцинкатов могут получатся гексагидроксоцинкаты Ba₂[Zn(OH)₆] и т.п.

Гидроксид цинка растворяется также в водном аммиаке с образованием комплексного соединения — гидроксида гексаамминцинка (II):

Zn(OH)₂ + 6NH₃ = [Zn(NH₃)₆](OH)₂

В среде влажного воздуха, особенно при наличии углекислого газа или сернистого ангидрида, разрушается уже при комнатной т-ре.

При нагревании на воздухе сгорает, образуя окисел белого цвета.

Сухие фтор, хлор и бром не взаимодействуют с ним на холоду, но при наличии паров воды может воспламениться с образованием соответствующего галогенида.

С серой образует сульфид ZnS.

Неорганические и органические к-ты образуют с Zn соответствующие соли:

1. Нитраты.
2. Сульфаты.
3. Ацетаты и др.

Соединения отличаются амфотерными св-вами. Они растворяются в избытке щелочи, образуя цинкаты.

Образует комплексные соединения, например [Zn(NH₃)₂]Cl₂, Na₂[Zn(CN)₄].

Zn чистотой 99,9 — 99,99% легко растворяется  в  к-тах, Zn чистотой 99,999% и выше не растворяется в к-тах даже при нагревании.

Образует сплавы со многими металлами (см. Цинка сплавы).

Изотопы

Природный Zn состоит из стабильных изотопов ⁶⁴Zn (48,89%), ⁶⁶Zn (27,81%), ⁶⁷Zn (4,07%), ⁶⁸Zn (18,61%) и ⁷⁰Zn (0,62 %).

Из девяти радиоактивных изотопов важнейший изотоп ⁶⁵Zn с периодом полураспада 250 дней.

У изотопа   Zn (период полураспада 245 дней) и применялся как радиоактивный индикатор.

Получение

Получают:

1. Пиро.
2. Или   гидрометаллургическим методом.

Цинковый концентрат подвергают обжигу в печах кипящего слоя.

Газы, содержащие сернистый ангидрид, поступают на произ-во серной к-ты.

А обожженный концентрат (по пирометаллургическому методу) — в шахтные печи, где Zn восстанавливается до  металла  углем.

Обогащённую руду обжигают, переводя её в оксид цинка (II):

2ZnS + 3O₂ = 2ZnO + 2SO₂↑

Из оксида цинк восстанавливают углём (водородом):

ZnO + C = Zn + CO↑

Далее пары цинка конденсируют в железных сосудах.

Чистый металл получают электролизом подкислённого раствора сульфата цинка (или других солей).

По гидрометаллургическому методу обожженный концентрат поступает на выщелачивание серной   к-той.

Полученный кек идет на до извлечение, а раствор сернокислого Zn — на очистку от примесей.

Затем очищенный раствор  сернокислого Zn поступает на электролиз в ванны со свинцовыми анодами и алюминиевыми катодами.

Для получения цинка высокой чистоты прибегают к дистилляции, ректификации, электролитическому рафинированию и амальгамному методу.

В металл Zn очищенным ректификацией, содержание примесей 1 • 10^-5 — 1 • 10^-7%.

Чистота предварительно очищенного дистилляцией и последующей 20-кратной зонной плавкой в   токе   азота, 99,999995%.

Применение

Его используют для нанесения покрытий (см. Цинкование), изготовления типографских сплавов, в металлургии — для обессеребрения свинца и очистки растворов сернокислого цинка.

Сплавы с медью (латуни) находят применение в технике в виде листа, ленты, труб и проволоки, сплавы с медью и оловом (бронзы) и сплавы с никелем (мельхиор) прим. в машиностроении.

Изделия, полученные литьем цинковых сплавов под давлением, используют в авиационной, автомобильной и др. отраслях пром-сти.

В среднем один автомобиль содержит около 25 кг цинковых деталей, отлитых под давлением.

Цинковый прокат используют для произ-ва сухих элементов, типографских плит и как конструкционный материал.

Используют для покрытия стартовых конструкций для запуска ракет.

Тепло, выделяющееся при сгорании топлива в ракете, частично поглощается при испарении цинкового покрытия, что предохраняет от разрушения металлические части конструкций.

Краска из сульфида имеет высокие отражательные св-ва и применяется для окраски космических кораблей.

Источниками электр. энергии в космических кораблях служат цинк-серебряные окисные батареи, обладающие высокой удельной мощностью.

Сульфид используется для обнаружения:

1. Альфа-.
2. Бета-.
3. Гамма-радиации.

Антимонид используют в полупроводниковой технике.

Окись цинка применяют для изготовления краски (цинковых белил), в произ-ве резины, для улучшения качества резиновых шин.

Сернокислый используют в произ-ве некоторых пластических масс.

Хлорид цинка ZnCl₂ используется при паянии (так как удаляет оксиды с поверхности металлов), применяют в процессе переработки древесины, а также в производстве фибры и пергамента.

Сульфат цинка (цинковый купорос) ZnSO₄ • 7H₂O — основной компонент растворов для электролитического цинкования.

Все соли цинка и сильных кислот гидролизуются в водных растворах, которые приобретают кислотную реакцию:

2ZnSO₄ + 2H₂O ⇄ (ZnOH)₂SO₄ + H₂SO₄

Сульфид цинка ZnS — малорастворимая в воде соль белого цвета, люминесцирует, используется для изготовления светящихся шкал.

Цинк — один из сельскохозяйственных микроэлементов, при недостатке его в почве у растений нарушается обмен белков и углеводов.

Расстраиваются функции окислительно — восстановительных ферментов, может снижаться содержание хлорофилла.

Подкормка цинковыми микроудобрениями устраняет заболевание растений, благоприятствует их росту.

Соли цинка используют в ветеринарии, оксид цинка входит в состав мазей для лечения ожогов и язв.

Сульфат и хлорит цинка известны как прижигающее, вяжущее и дезинфицирующее средства.

Используется в современных косметических средствах для борьбы с проблемной кожей.

Большое количество металлического цинка расходуется на изготовление оцинкованного железа и сплавов (мельхиора, латуни).

Кроме того, цинк применяется при изготовлении цинково — угольных, марганцово — цинковых и воздушно — цинковых гальванических элементов.

Литература

Лакерник М. М., Паюмова Г. Н. Металлургия цинка и кадмия. М.