Цинк прочно прописался в жизни людей. Это и оцинкованная посуда, и сетка-рабица, и компонент витаминно-минеральных аптечных комплексов. Но металл коварен, взаимодействие с ним требует осмотрительности.
- Что представляет собой
- История
- Физико-химические характеристики
- Нахождение в природе
- Запасы
- Технология получения
- Электролитический (гидрометаллургический) метод
- Пирометаллургический (дистилляционный) метод
- Способы оцинкования
- Холодный
- Горячий
- Гальванический
- Газотермический
- Где применяется
- Чистый металл
- Сплавы
- Соединения
- Значение для человека
- Жизненные процессы
- Питание
- Предостережение
- Цены
Что представляет собой
Цинк – это химический элемент, простое по составу вещество. При обычных условиях – хрупкий блестящий белый металл с голубоватостью.
По классификации цветных металлов причислен к «тяжелой» группе.
Международное обозначение – Zn (Zincum).
История
В древнем мире знали латунь (медно-цинковый сплав). Получить цинк как металл удалось к XVIII веку англичанину Вильяму Чемпиону. Он же основал первый завод. Позже его соотечественники разработали способ прокатки металла.
Однако первооткрывателем в историю вошел немец Андреас Маргграф. Он отработал схожий метод, детально прописав технологию.
В России пробную партию цинка получили к 1905 году.
Через десять лет в Северной Америке цинк добыли электролитическим способом.
Термины zincum, zinken первым применил химик и лекарь Средневековья Парацельс. Оно созвучно немецкому слову «зубец». Так выглядят фрагменты металлического цинка.
Физико-химические характеристики
На воздухе блестящий металл покрывается пленкой-оксидом. Из-за такого химического свойства выглядит тусклым.
Свойства атома | |
---|---|
Название, символ, номер | Цинк / Zincum (Zn), 30 |
Атомная масса (молярная масса) |
65,38(2) а. е. м. (г/моль) |
Электронная конфигурация | [Ar] 3d10 4s2 |
Радиус атома | 138 пм |
Химические свойства | |
Ковалентный радиус | 125 пм |
Радиус иона | (+2e) 74 пм |
Электроотрицательность | 1,65 (шкала Полинга) |
Электродный потенциал | -0,76 В |
Степени окисления | 0; +2 |
Энергия ионизации (первый электрон) |
905,8(9,39) кДж/моль (эВ) |
Термодинамические свойства простого вещества | |
Плотность (при н. у.) | 7,133 г/см³ |
Температура плавления | 419,6 °C |
Температура кипения | 906,2 °C |
Уд. теплота плавления | 7,28 кДж/моль |
Уд. теплота испарения | 114,8 кДж/моль |
Молярная теплоёмкость | 25,4 Дж/(K·моль) |
Молярный объём | 9,2 см³/моль |
Кристаллическая решётка простого вещества | |
Структура решётки | гексагональная |
Параметры решётки | a=2,6648 c=4,9468 Å |
Отношение c/a | 1,856 |
Температура Дебая | 234 K |
Прочие характеристики | |
Теплопроводность | (300 K) 116 Вт/(м·К) |
Номер CAS | 7440-66-6 |
Взаимодействие с металлами начинается при 450°С.
Главный минус металла: увеличение хрупкости в разы от малой толики примесей.
Сгибая цинковую пластинку, можно услышать треск. Его порождает структура решетки.
Нахождение в природе
Нахождение в природе самородного цинка не зафиксировано, только почти семь десятков минералов.
Самый «раскрученный» – сфалерит. Это сульфид цинка плюс примеси, придающие разноцветность.
Второе название – цинковая обманка – обусловлено трудностью определения элемента (от древнегреческого σφαλερός – обманщик). Он классифицируется как первичный, «родитель» других минералов: смитсонита, цинкита, каламина. А также «бурундучной» руды. Так окрестили жители Алтая пестрый конгломерат цинковой обманки с бурым шпатом.
Запасы
Маркеры при добыче цинка – кислые либо основные породы вулканического происхождения.
Среднее содержание металла в коре планеты – 8,3х10-3%.
Это подвижный активный элемент: реки, термальные, грунтовые воды переносят его со свинцом, сероводородом, глинами. В результате формируется осадок из сульфидов цинка.
Крупными запасами располагают Австралия, Боливия, Казахстан, Иран.
У России это Таймыр, Красноярский край. Запасы оцениваются полумиллионом тонн.
Технология получения
Благодаря химическим и физическим свойствам металл – четвертый в мире по востребованности (впереди только железо, алюминий, медь). Мировое производство исчисляется миллионами тонн ежегодно.
Его добывают из полиметаллических руд (0,9-3,9% цинка). Руды обогащают методом разделительной флотации. Получаются концентраты: цинковые (52-61%), свинцовые, медные.
Электролитический (гидрометаллургический) метод
Главный метод получения чистого цинка:
- Концентраты обжигают, воздействуют серной кислотой.
- Получается растворенный сульфат, который избавляют от примесей, осаждая цинковой пылью.
- Продуктом загружают ванны с внутренним свинцовым либо пластиковым покрытием.
- Запускают ток (процесс электролиза).
- Цинк аккумулируют на себе катоды.
Оттуда его соскребают, отправляют на выплавку в печи.
Пирометаллургический (дистилляционный) метод
Концентрат обжигают, спекают, после чего восстанавливают коксом либо углем. Образующиеся пары металла превращают в конденсат, разливают по изложницам.
Жидкий металл очищают от железа, свинца отстаиванием при 500°C. Примесей остается 1,3%. Чистоты 99,994% (плюс извлечение кадмия) добиваются ректификацией.
Способы оцинкования
Металлы ржавеют в воде, влажном воздухе. Для решения этой проблемы их покрывают защитным слоем. Самый распространенный материал – цинк. Попутно обеспечивается защита от воздействия тока и химикалий.
Различные способы оцинкования металла создают покрытие толщиной 0,005 – 1,5 мм.
Слой металла наносят несколькими способами.
Холодный
Применяется на любых материалах, кроме сплавов магния и высокопрочной стали.
Поверхность очищают от пыли, грязи, ржавчины, окалины. Наносят состав для холодной цинковки.
Холодное оцинкование – единственный из методов, который возможно проводить в домашней мастерской.
Горячий
Образец очищается, моется, протравливается, погружается в ванну с расплавленным цинком. На поверхности формируется покрытие в 0,035-0,097 мм.
Горячий способ оцинкования оптимален по соотношению цена – надежность – универсальность.
Гальванический
На очищенную поверхность способом электролиза наносится слой цинка. Электролитом служит водно-цинковая среда.
Воздействие постоянного тока на поверхность заготовки (катод) осаждает ионы цинка (выделяются электролитом). Анодом выбирают цинковый материал.
Технология позволяет создавать слой 0,005 – 0,5 мм.
Преимущества метода:
- Высокая производительность.
- Низкая себестоимость.
- Равномерность покрытия.
- Работа с формами любой структуры, включая пористую.
- Создание декоративной оцинковки.
Эти характеристики сделали метод самым востребованным.
Минусы: губительность для экологии, хрупкость изделия при нарушении технологии.
Газотермический
Струя цинковой взвеси напыляется на поверхность изделия под углом.
Минусы:
- Неравномерность толщины слоя.
- Сложность контроля процесса.
- Дороговизна (втрое-вчетверо) по сравнению с другими способами.
Плюс: годится для обработки изделий любых форм, габаритов. Термодиффузионный
Реторту с шихтой и образцами помещают в камеру, снабженную индуктором. Тепло от реторты, изделий нагревает шихту.
В магнитном поле индуктора в изделиях образуются токи, нагревающие их за полчаса до 500-800°C.
Результат: 98% верхнего слоя покрытия – чистый цинк.
Толщина металлического слоя при термодиффузионном способе определяется параметрами изделий, шихты, временем прогрева, температурой.
Где применяется
Свойства металла, его сплавов, соединений обусловили их использование в металлургии, электротехнике, медицине.
Чистый металл
Основные направления:
- Отрицательный электрод батареек, аккумуляторов.
- Восстановитель благородных металлов.
- Защитное покрытие стали от коррозии.
- Компонент твердых припоев для повышения легкоплавкости.
- Извлекатель металлов из чернового свинца.
До середины XX века популярной сферой применения цинка была полиграфия. Для создания черно-белых иллюстраций в газетах или книгах использовался метод цинкографии. На цинковой пластине кислотой вытравливалось изображение. Затем с нее на печатной машине делались оттиски.
Сплавы
Цинк востребован как компонент сплавов с металлами. Например, латуни.
Она используется машиностроителями для точного литья:
- Автомобильная фурнитура.
- Оболочка карбюраторной коробки.
- Затворы травматических пистолетов.
Пятая часть сырья идет на производство автошин и масляных красок.
Соединения
Применение нашли соединения металла, созданные природой или человеком:
- Хлорид – паяние металлов, изготовление фибры.
- Теллурид, селенид, фосфит – полупроводники.
- Селенид задействован при изготовлении специальных сортов стекла для лазеров.
- Окись – исходник для цинковых белил.
- Сульфид – компонент люминофоров (гибкие панели, экраны).
Фосфитом металла изничтожают грызунов.
Значение для человека
Цинк – незаменимый компонент тканей тела. Второй по количеству после железа микроэлемент. Без него не синтезируются белок, нуклеиновые кислоты.
Жизненные процессы
Металл задействован при следующих процессах:
- Регенерация тканей.
- Метаболизм витамина Е.
- Синтез тестостерона, инсулина, гормонов роста, других.
- Расщепление алкоголя.
- Функционирование простаты, продуцирование спермы.
Организм человека средней комплекции содержит до 2 г соединений цинка.
Места аккумуляции металла – мышечная ткань, печень, поджелудочная железа, простата.
Питание
Суточный «норматив» цинка для женщин/мужчин – 9/12 мг.
Богаты цинком:
- Семечки тыквы, подсолнечника.
- Мясо.
- Твердые сорта сыра.
- Устрицы.
- Овсянка.
- Горох, фасоль, нут, маш.
- Горький шоколад.
Дефицит цинка порождает раздражительность, депрессию. На физическом плане – анемичность, немотивированное истощение, амнезию, ослабление зрения, аллергию.
Применение металла медициной – окись цинка (цинковая мазь). Это популярный антисептик, противовоспалительное средство.
Предостережение
Неконтролируемое поступление металла в организм вызывает отравление. Его порождают сульфаты или хлориды. Они могут образоваться при хранении пищи в оцинкованной посуде.
Симптомы отравления парами цинка:
- Сильная жажда.
- Сладковатый привкус во рту.
- Утрата либо снижение аппетита.
- Сухой кашель.
Человек чувствует себя разбитым, усталым. Ощущает сонливость, боль в груди.
Для тяжелой формы отравления достаточно 1 грамма сульфата цинка.
Выводить токсины нужно немедленно. Их присутствие провоцирует малокровие, торможение роста, бесплодие.
Цены
Стоимость цинка определяется Лондонской биржей металлов. В конце января 2021 года за тонну выкладывали $2800.