Цинк — металл, давно известный человеку. Древние египтяне лечили цинковой мазью раны. Португальские купцы в XV и XVI веках привозили в Европу металл, но называли его «индийским оловом».
Содержание
Обходились без чистого цинка
Цинк — это удивительный металл. Сплав его с медью был известен в древности во многих странах. Латунь описывал еще Аристотель, алхимики прокаливали карбонат цинка с углем, получая «философскую шерсть». А вот чистого металла люди еще не знали. Но не везде. В индийском Раджастане нашли остатки плавильного оборудования, и остатки соединений цинка.
Совсем непонятна находка цинковой статуэтки на землях древней Дакии. Статуэтка датируется доримской эпохой. В журнале «Химия и жизнь» рассказали о находке цинковой сережки на Северном Кавказе. Возраст — более 5000 лет! Скорее всего, люди не раз находили и утрачивали секрет выплавки цинка.
Белый налет или бельмо?
Слово «цинк» первым использовал Парацельс.
Лингвистам бывает сложно отследить происхождение названий. Имя (название) нашего нынешнего героя возводят к персидскому слову «ченг» (Tschang); древнегерманское «цинко» означало бельмо на глазу (вполне соотносится с цветом металла), или Zinke — «зубец».
В разные времена и в разных странах имя металла менялось. Это были «шпиаутер», «спелтер», «тутия» (Tutia). Нынешнее имя металл получил в начале прошлого века.
Свойства металла
Наш хрупкий герой — переходный металл синевато-белого цвета. На воздухе быстро окисляется, темнеет от пленки оксида.
В таблице Менделеева этот химический элемент находится в 12 группе (по старой классификации во II группе четвертого периода).
Особенности цинка:
- атомный номер 30;
- атомная масса 65,38 г/моль;
- металлический блеск;
- непрозрачность;
- плотность 7,14 г/см3;
- структура кристаллической решетки гексагональная.
Химические свойства цинка обусловлены его «темпераментом». До щелочноземельных металлов ему далековато, но в реакции он вступает охотно. В реакциях проявляет степени окисления 0; +2.
- Цинк хороший восстановитель и активный металл.
- Наш герой охотно реагирует с разбавленной азотной кислотой, с концентрированными серной и азотной кислотами.
- С галогенами в присутствии паров воды может воспламениться.
- С растворами щелочей образует гидрокомплексы.
- При температуре красного каления (550-600°С) вступает в реакцию с водой, с сероводородом. При реакции выделяется водород.
Взаимодействие с металлами происходит в расплавленном состоянии, но это мало касается химических реакций.
| Свойства атома | |
|---|---|
| Название, символ, номер | Цинк / Zincum (Zn), 30 |
| Атомная масса (молярная масса) |
65,38(2)[1] 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[2] 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 |
Физические свойства цинка:
- Температуры плавления и кипения равны соответственно 427 и 907 ºС.
- Нагрев до 100-150 градусов дает возможность прокатки и вытягивания металла; чем больше примесей в металле, тем более хрупким он становится.
- Хотите услышать «оловянный крик» — сгибайте и разгибайте пруток или металлическую пластинку. Правда, на крик это мало похоже, скорее треск или скрип. Но для незамысловатого фокуса на вечеринке сойдет.
В природе металл состоит из пяти изотопов:
- Zn64;
- Zn66;
- Zn67;
- Zn68;
- Zn70.
Смесь металлов — это сплав
Сплавы для промышленного использования содержат Zn-Al и Zn-Al-Cu. Почти всегда в состав добавляется магний (не более 0,1%). Сплавы цинка делятся на антифрикционные и литейные.
- Марки антифрикционных сплавов: ЦАМ9-1,5; ЦАМ10-5.
- Литейные марки: ЦА4, ЦА4М1, ЦА30М5.
Месторождения и руды
Нахождение в природе минералов, содержащих цинк, приурочено к терригенным и карбонатно-терригенным, вулканогенных формациям, известнякам и скарнам.
Происхождение металл берет в медно-цинковых, свинцово-цинковых, сульфидных рудах.
Самородный цинк существует, но встречается настолько редко, что его нельзя принимать в качестве металлургического сырья.
Извлекают руды в основном шахтным способом.
Основные руды на цинк:
- сфалерит (цинковая обманка);
Сфалерит - каламин;
- смитсонит;
- цинкит.
Где искать цинк
Месторождения в мире (разведанные и подтвержденные) обещают, что цинком человечество обеспечено на 40 лет вперед.
Запасы в природе (в порядке уменьшения) распределены следующим образом:
- Россия;
- Австралия;
- Китай;
- Перу;
- Мексика;
- Казахстан;
- США;
- Индия.
Данные могут отличаться по разным статистическим источникам.
Мелкие месторождения имеют около 70 стран, но далеко не везде металл добывают.
Добыча в России возможна в Крыму, на Дальнем Востоке, Кольском полуострове, на Камчатке. Несмотря на огромный потенциал в запасах, Россия имеет не более 3% мировой добычи, да и потребляет металла мало. В основном он идет на экспорт.
Производство металла
Невысокая температура кипения замедлила развитие промышленного производства металла. Обычные способы производства (нагревом смеси руды и угля) не проходили. Цинк испарялся и в виде паров уходил из печи с дымовыми газами. Когда научились конденсировать пары, появился дистилляционный метод выплавки, а производство металла увеличилось.
Сейчас в металлургии цинковые концентраты перерабатывают двумя методами — гидро- и пирометаллургическим.
В обоих случаях вначале происходит выплавка (обжиг) обогащенной руды в печи.
С помощью огненной металлургии цинк начали получать уже давно. Способ морально устарел; сейчас с его помощью выплавляют около 20% металла.
Остальные 80% получают гидрометаллургическим (электролитическим) методом.
Выгода гидрометаллургии:
- Процесс высокомеханизирован.
- Кроме нашего героя извлекаются сопутствующие ценные элементы.
- Получение чистого цинка высокого качества.
Он нужен человеку
Сферы применения нашего героя очень широки, будь то чистый металл, его соединения или сплавы.
В порошкообразном состоянии он используется в качестве восстановителя во многих химических процессах. Это очистка растворов цинкового купороса, осаждение золота из растворов.
Сульфид цинка, активированный серебром, применяют в радиолокации.
Головной болью потребителей изделий из металлов (особенно черных) является ржавчина. Тут отлично помогает покрытие защитным металлом.
Способы оцинкования метизов и крепежа:
- Горячий способ оцинкования. Считается самым надежным методом. Подходит для дорожных ограждений, строительных лесов, конструкционных деталей мостов, крепежных изделий. Заключается в очистке, обезжиривании, травлении с последующей промывкой. Затем изделие помещают в ванну с жидким металлом. От времени нахождения в расплаве зависит толщина и прочность покрытия.
- Холодное оцинкование. Просто, удобно, практично. Наносим кисточкой или из краскопульта краску, содержащую до 95% цинка. Можно просто окунуть деталь в краску. Это надежный метод, дает хорошие результаты. Преимущества метода: просто нанести покрытие, легко исправить повреждения, экономичность.
- Термодиффузионный способ. Довольно молодой и самый перспективный (по мнению специалистов) метод оцинкования. Подготовленные метизы помещают в контейнер, заполненный защитной смесью, в печь. Контейнер в печи несколько часов вращают, поворачивают.
Плюсы метода: защитный слой образуется даже в труднодоступных местах.
Минус — ограничение температуры эксплуатации изделия (не более 370 градусов).
Применение металла в строительстве естественно. Нержавеющие прочные крыши всегда «в тренде».
Батарейки, аккумуляторы содержат цинк. Многие химические источники тока содержат металл в отрицательном электроде.
Соединения металла пользуются спросом. Хлорид цинка применяют в производстве фибры, как флюс для пайки. Полиграфия стала использовать для литер сплав, содержащий почти 95% цинка (остальное алюминий и магний). В позапрошлом веке начали использовать цинкографию для иллюстраций печатных книг. Книги с картинками всегда интереснее, правда?
Он нужен всем
Цинк как микроэлемент необходим организму человека. Это естественный иммуномодулятор, регулятор функций центральной нервной системы, антиоксидант.
Наш организм — это большая совершенная лаборатория, где ежеминутно проходят множество реакций. Наш герой участвует в десятках из них: синтез белков, выработка пищеварительных ферментов, правильный метаболизм кислот. Мало цинка — получайте массу проблем в разных «точках» тела. А решить их просто, всего-то дать себе, любимому, нужное количество нужного микроэлемента.
Беременным в первом триместре необходимы препараты нашего героя, иначе не избежать токсикоза и всех связанных с ним «прелестей жизни».
Мужчины, это ваш металл
Журнал Men’s Health назвал цинк «основным микроэлементом для мужского полового здоровья». Роль недостатка металла в развитии половых дисфункций доказана.
Подросткам для правильного развития половых органов цинк необходим. Недостаток может привести к замедлению роста, росту молочных желез, изменению голоса.
Сексуально активные мужчины теряют со спермой значительный запас цинка, поэтому им необходимо пополнять запас металла.
Ученые считают, что цинк предотвращает развитие аденомы простаты.
Не забывайте, что алкоголь «вымывает» полезный микроэлемент из организма. Может, отсюда мудрая поговорка «рожденный пить … любить не может».
Цена вопроса
Стоимость цинка — 2001 USD/тонна (на 13.05.2020); с чистотой 99,995 % он известен под аббревиатурой SHG.
