ПОДГРУППА ЦИНКА
| Элемент | Символ | Атомный вес | Порядковый номер | Распределение электронов | по слоям | ||||
| Цинк | Zn | 65,38 | 30 | 2 | 8 | 18 | 2 | ||
| Кадмий | Cd | 112,41 | 48 | 2 | 8 | 18 | 18 | 2 | |
| Ртуть | Hg | 200,61 | 80 | 2 | 8 | 18 | 32 | 18 | 2 |
Элементы этой подгруппы — цинк, кадмий и ртуть — характеризуются наличием двух электронов в наружном слое атома и восемнадцати в предыдущем. Хотя они не обладают способностью к присоединению электронов, металлические свойства их выражены значительно слабее, чем у находящихся в четной подгруппе щелочноземельных металлов. Они менее активны, труднее окисляются, не взаимодействуют с водой при обыкновенной температуре. Гидроокиси их нерастворимы в воде и являются более слабыми основаниями, чем гидроокиси щелочноземельных металлов, а гидроокись цинка даже амфотерна.
Все элементы подгруппы цинка двухвалентны; ртуть, кроме того, образует ряд соединений, в которых она формально одновалентна.
Цинк (Zincum); ат. вес 65,38. Главные природные соединения цинка, из которых он добывается, — минералы галмей ZnCО3 и цинковая обманка ZnS. Общее содержание цинка в земной коре составляет 0,02% ее веса.
Большинство цинковых руд содержит небольшие количества цинка, поэтому их предварительно обогащают. Из полученного цинкового концентрата цинк извлекают либо дестилляционным, либо электролитическим методом.
Первый метод основа на отгонке цинка, получающегося при восстановлений предварительно обожженной цинковой руды углем при температуре 1300—1400°. Образующиеся пары цинка сгущаются в глиняных приемниках. Часть цинка осаждается на стенках приемника в виде металлической пыли, смешанной с окисью цинка («цинковая пыль»); большая же часть цинка собирается в расплавленном виде на дне приемника и оттуда выпускается в отливные формы.
Второй метод заключается в электролитическом выделении цинка из его сульфата. Последний получается путем обработки обожженных цинковых руд или концентратов серной кислотой. Электролитический метод дает более чистый продукт и более рентабелен, чем дестилляционный метод.
В СНГ месторождения цинка имеются в Казахстане, на Урале, Северном Кавказе, в Сибири и на Дальнем Востоке.
Цинк представляет собой синевато-белый металл уд. веса 7,14, плавящийся при 419,5°, а при 907° превращающийся в пар. При обыкновенной температуре цинк довольно хрупок, но при 100—110° 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.
Применение цинка очень разнообразно. Больше половины всего добываемого цинка идет на покрытие железа для предохранения его от ржавления (оцинкованное железо). Цинкрасходуется также в больших количествах для приготовления гальванических элементов и входит в состав многих сплавов (например, латуни).
Выплавка цинка в капиталистических странах составила в 1957 г. 2,4 млн. т. В СССР к началу первой пятилетки выплавлялось лишь незначительное количество цинка (несколько тысяч тонн). За годы довоенных пятилеток выплавка цинка сильно возросла, особенно же большого развития она достигла в послевоенный период.
В 1955 г. выплавка цинка увеличилась по сравнению с выплавкой 1950 г. вдвое. Это было достигнуто как путем ввода в строй новых заводов, так и путем значительной интенсификации действующего оборудования. В 1959—1965 гг. выплавку цинка намечено значительно увеличить. Для успешного выполнения этой задачи большое значение имеет применение в производстве цинка метода обжига концентратов в «кипящем слое».
Обжиг в «кипящем слое». Метод обработки мелкораздробленных твердых материалов в так называемом «кипящем слое» получил в последнее время широкое распространение в различных отраслях промышленности. Этот метод заключается в следующем. Через слой порошкообразного материала, помещенного на решетке, продувают снизу воздух (или какой-либо газ) с такой скоростью, что его струи пронизывают и интенсивно перемешивают материал, приводя его как бы в кипящее состояние. Такое состояние твердого материала часто называют «псевдоожиженным», так как кипеть могут только вещества, находящиеся в жидком состоянии.
Благодаря тесному соприкосновению твердого материала с газом химические реакции в «кипящем слое» протекают с большой скоростью. На цинковых заводах применение обжига в «кипящем слое» дает повышение производительности обжиговых печей в 3—4 раза при более полном извлечении цинка из концентратов.
Метод весьма эффективен при обжиге сульфидных руд и концентратов, возгонке легко кипящих металлов, прокаливании, охлаждении, сушке и хлорировании различных веществ.
Окись цинка ZnO — рыхлый белый порошок, желтеющий при нагревании, но при охлаждении снова становящийся белым. Окись цинка применяется для изготовления белой масляной краски (цинковые белила); в медицине и косметике; для приготовления различных мазей; значительная часть получаемой окиси цинка потребляется резиновой промышленностью в качестве наполнителя резины.
Гидрат окиси цинка Zn(OH)2 выпадает в виде белого осадка при действии щелочей на растворы цинковых солей:
Zn•• + 2ОH’=↓Zn(OH)2
Осадок легко растворяется в кислотах с образованием солей цинка (например, ZnCl2), но также и в щелочах с образованием солей цинковой кислоты, называемых цинкатами. Следовательно, гидроокись цинка является амфотерным соединением.
Раньше цинкатам приписывали состав, отвечающий формуле Na2ZnО2. В настоящее время их рассматривают как соли, содержащие комплексный ион [Zn(ОH)3]’. Подобного рода соли называются гидроксисолями в отличие от солей, содержащих такие анионы, как SO4«, СO3«, NO3‘ и др., называемых оксосолями. Гидроксисоли получаются при действии избытка щелочи на соответствующие гидраты окислов вследствие реакции комплексообразования:
Zn(OH)2 + ОН’ = [Zn(OH)3]’
или в молекулярной форме
Zn(OH)2 + NaOH = Na[Zn(OH)3]
Аналогичные гидроксисоли образуются при действии щелочей и на некоторые другие амфотерные гидроокиси.
Растворение металлического цинка в щелочах тоже сопровождается образованием цинкатов. Обычно эту реакцию выражают уравнением
Zn + 2NaOH = Na2ZnO2 + Н2
Однако в действительности реакция, вероятно, протекает несколько иначе. Как мы уже говорили, металлический цинк практически не взаимодействует с водой вследствие образования на его поверхности слоя Zn(OH)2, препятствующего дальнейшему течению реакции. Но в присутствии щелочи гидроокись цинка растворяется, образуя комплексный анион [Zn(OH)3]’, и цинк в соответствии со своим положением в ряду напряжений начинает вытеснять из воды водород. Таким образом, выделение водорода при действии раствора щелочи на цинк происходит вследствие взаимодействия цинка с водородными ионами воды, а не с гидроксильными ионами щелочи; роль же последних заключается в растворении образующейся гидроокиси цинка:
Zn + 2H2O = Zn(OH)2+H2
Zn(OH)2 + ОН’ = [Zn(OH)3]’ Zn + 2H2O + ОН’ = [Zn(OH)3]’ + H2
или в молекулярной форме:
Zn + 2Н2O + NaOH = Na[Zn(OH)3] + Н2
Гидрат окиси цинка растворяется также в водном аммиаке вследствие образование комплексных ионов [Zn(NH3)4]••:
Zn(OH)2 + 4NH3 = [Zn(NH3)4]•• + 2OH’
Из солей цинка наиболее известны следующие: 1. Сульфат цинка, или сернокислый цинк,ZnSO4. Из водного раствора выделяется в виде кристаллогидрата, имеющего составZnSO4• 7Н2O, и в таком виде называется цинковым купоросом. Применяется при крашении и ситцепечатании, при получении металлического цинка электролитическим путем, в меди как вяжущее средство, а также является исходным веществом при получении других соединений цинка.
2. Хлорид цинка, или хлористый цинк, ZnCl2. Раствор его служит для пропитывания железнодорожных шпал, чтобы предохранить их от гниения. Хлористый цинк применяется также при паянии. Он очищает спаиваемые поверхности от окислов и препятствует окислению металла в момент пайки.
Некоторое количество хлористого цинка используется при производстве растительного пергамента. Непроклеенную бумагу обрабатывают концентрированным раствором хлористого цинка, что ведет к частичному разложению поверхностных слоев клетчатки и заполнению пор бумаги продуктами разложения. Затем бумагу тщательно промывают и обрабатывают раствором глицерина для придания ей мягкости и гибкости.
3. Сульфид цинка, или сернистый цинк, ZnS. Это соединение является одним из немногих сернистых металлов, имеющих белый цвет.
Сульфид цинка получается в виде белого осадка при действии сульфидов щелочных металлов на соли цинка:
Zn•• + S» = ↓ZnS
Смесь сульфида цинка с сульфатом бария применяется в качестве белой краски под названием литопон.
Вы читаете, статья на тему Подгруппа цинка