Меню
Главная
Случайная статья
Настройки
|
Цинк (химический символ — Zn, от лат. Zincum) — химический элемент 12-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы второй группы, IIB) четвертого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 30.
Цинк представляет собой голубовато-белый переходный металл, покрывающийся на воздухе оксидом цинка.
Металл был известен еще с древности, так как использовался при производстве латуни. Впервые был открыт в Индии в XIII веке, а затем переоткрыт в Европе в 1726-м году.
Цинк — типичный амфотерный металл, реагирующий и с кислотами, и с щелочами.
Содержание
История
История цинка начинается еще в древности: его соединения применялись для лечения ран и изготовления латуни более 2500 лет назад. Несмотря на широкое использование цинковых руд в производстве сплавов, сам металл долго оставался неизвестным[16]. Уже в античности цинковые соединения, такие как каламин, упоминались в трудах римских авторов, но металл воспринимался как разновидность руды[17].
Самым известным цинковым минералом был галмей, или каламин (ZnCO3). При прокаливании карбоната получался оксид, который имел довольно широкое применение, например, при лечении болезней, связанных с глазами. Хотя сам оксид легко восстанавливается до металла углем, получить чистый цинк удалось намного позже, чем были получены такие металлы, как медь, железо, олово и свинец, потому что для этой манипуляции требуется довольно высокие температуры (около 1100 °С)[18].
В XIII веке в Индии был впервые получен металлический цинк путем восстановления каламина с помощью органических веществ[16]. В Европе металлический цинк был повторно открыт Андреасом Маргграфом в 1746 году[16][19].
Первые эксперименты по горячему цинкованию стали были проведены Полем-Жаком Малуэном в 1742 году, который погружал металлические пластины в расплавленный цинк, получая устойчивое к коррозии покрытие. В 1802 году Карл Фридрих Бушендорф предложил технологию предварительного травления железных листов в хлориде аммония, что значительно повысило качество цинкового покрытия. В отличие от олова, цинк обеспечивает не только барьерную, но и активную гальваническую защиту железа при повреждении покрытия.
Понимание механизмов электрохимической защиты развивалось в XVIII–XIX веках: Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта выявили зависимость между разнородными металлами и электрическими процессами. Их открытия привели к созданию шкалы стандартных электродных потенциалов, которая объясняла, почему цинк может «жертвовать собой», защищая железо. Сэр Хамфри Дэви и Майкл Фарадей подтвердили это явление и ввели концепцию катодной защиты[20].
Промышленное производство цинка было налажено в Европе XVII в. Металлургия цинка была разработана в 1721 г. немецким сталлургом И. Генкелем. В 1743 г. в Бристоле был открыт первый завод для получения цинка[21].
Происхождение названия
Исконно славянское образование слова «цинк» сомнительно[22]. Название ввел в русский язык Ломоносов, который произвел его от нем. Zink[23]. В свою очередь, это слово возможно родственно нем. Zinke — «штырь», «острие». Считается, что впервые его использовал Парацельс, подметив аналогию с тем, какую форму имеют кристаллы цинка после выплавки[24].
По другой версии, нем. Zinc (первое употребление в современном значении зафиксировано в 1651 году[25]) произошло от нем. Zinn — «олово». Последнее слово было заимствовано славянским языком и было расширено слав. суффиксом k, а затем перешло в немецкий язык (отсюда фр. Zinc)[26].
Изотопы
Цинк имеет пять стабильных природных изотопов: 64Zn (в природе 48,6 %), 66Zn (27,9 %), 67Zn (4,1 %), 68Zn (18,8 %) и 70Zn (0,6 %)[27].
Физические свойства
Цинк — голубовато-белый металл[8]. На воздухе цинк тускнеет, покрываясь тонким слоем оксида. При комнатной температуре влажный воздух (особенно в присутствии сернистого или углекислого газа) разрушает цинк[14]. Цинк хрупок на холоде; при 100—150 °С довольно пластичен: при этой температуре он легко прокатывается в фольгу и листы очень маленькой толщины (сотые доли миллиметра). При 250 °С становится снова хрупким[28]. Вследствие удлинения вдоль оси шестого порядка, не обладает совершеной гексагональной упаковкой[29]. Кристаллическая решетка цинка схожа с бериллием и магнием. Имеет относительно низкую температуру кипения и очень легко плавится (благодаря последнему, принадлежит к числу наиболее легко летучих летучих металлов)[30]. Цинк диамагнитен[31] и обладает хорошей электропроводностью[32].
Химические свойства
Химические свойства цинка и кадмия довольно схожи, пока свойства ртути несколько отличаются[33].
Взаимодействие со сложными веществами
Цинк пассивируется в воде[34], но реагирует с парами воды при высоких температурах[35]. Металл проявляет амфотерные свойства, поэтому может быть переведен в раствор под действием водных растворов щелочей (c образованием солей — цинкатов[33])[36]:
При взаимодействии с азотной кислотой в зависимости от ее концентрации цинк образует различные продукты — NH4NO3, NO или NO2, а при взаимодействии с концентрированной серной кислотой, в зависимости от условий, — H2S или SO2[37].
В отличие от алюминия, тоже проявляющего амфотерные свойства, растворяется в аммиачном растворе:
В сильнощелочной среде цинк является очень сильным восстановителем[38]:
Цинк обладает сравнительно высокой реакционной способностью[39]. Реагирует с кислотами-неокислителями (например, 20%-м раствором серной кислоты) в аппарате Киппа, на чем основывается лабораторный способ получения водорода[40]:
При нагревании реагирует с хлористым тионилом, образуя оксид серы(II)[41]:
Взаимодействие с простыми веществами
Цинк реагирует с кислородом, образуя белое кристаллическое вещество, оксид цинка[36]:
С галогенами не реагирует на холоде, но реакция идет при наличии паров воды с образованием галогенидов[37]. Взаимодействует с серой (реакция протекает энергично при нагревании)[42] и с фосфором[43] с образованием фосфидов Zn3P2 и ZnP2. Так как цинк не реагирует ни с водородом, ни с азотом, гидрид цинка ZnH2 и нитрид цинка Zn3N2 получают косвенным путем[44].
Цинк, кадмий и ртуть легко образуют сплавы как друг с другом, так и с другими металлами[45]. Данные соединения называются интерметаллидами. Например, медь и цинк образуют соединения CuZn, CuZn3, Cu2Zn3[46].
Получение
Производство в мире
Цинк занимает четвертое место в мире среди всех металлов по количеству производимых тонн[47]. В 2023 году общий объем производства цинка в мире составил около 12,3 млн тонн[48]. Цинк добывается в 50-ти странах. Ведущими производителями цинка являются: Канада, Россия, Австралия, Перу, США и Китай. Среди популярных месторождений можно назвать шахты Пайн-Пойнт[англ.], Кидд[англ.] и Red Dog[49].
Около 34 % мирового производства цинка приходится на переработанный или вторичный цинк[55].
Способ производства
Для получения концентрата из оксидных руд цинка (в которых обычно находятся примеси карбоната кальция, магния и диоксида кремния) используют флотационный или гравитационный метод. После этого, для переработки полученного концентрата используется либо гидрометаллургический способ, либо пирометаллургический. Последний маршрут не подходит для переработки оксидной руды низкого сорта из-за загрязнения окружающей среды, больших капиталовложений и значительных энергозатрат[56].
Также цинк добывают из полиметаллических руд, содержащих цинк в виде сульфида, а также медь, свинец, серебро и другие металлы[57]. Руду (например, сфалерит) сначала обжигают, получая оксид цинка[58][59]:
Для получения самого металла используют два метода: дисстиляцию и выщелачивание серной кислотой с последующим электролизом (с использованием алюминиевого катода и свинцового анода). При дистиляции обожженный оксид смешивают с избытком углерода или углеродистых материалов (в печи при 1300 °C):
Цинк в виде паров конденсируется и собирается в сосудах, соединенных с ретортой[32].
Применение
Цинк применяется во многих областях производства: от металлических изделий до резины и лекарств[47].
В сплаве с другими металлами является хорошим проводником электричества. Цинк-бромидные, цинк-никелевые элементы питания являются новейшими типами батарей. Более половины потребляемого цинка идет на гальванизацию — процесс нанесения цинка тонким слоем на изделия железа и стали с целью защиты их от ржавчины[49].
Цинк используют как добавку в сплавы, в первую очередь в сплавы меди, и как основу для цинковых сплавов, а также как типографский металл[60].
Существуют два метода оцинкования (гальванизации): горячее и электролитическое. Горячее оцинкование применяется для стального проката, образуя несколько слоёв с разным соотношением цинка и железа, что повышает коррозионные свойства. Производится путём погружения изделий в ванны с расплавленным цинком. Электролитическое оцинкование позволяет контролировать толщину покрытия и качество поверхности, однако такое покрытие менее прочное, чем нанесённое методом горячей оцинковки.
Окись цинка используется в производстве шин, резинотехнической продукции, пигментов и керамической глазури. Цинковые покрытия применяются в автомобильной, судостроительной и строительной промышленности. Хлорид цинка используется в лужении и в качестве флюса, а сульфат — в текстильной и химической промышленности[61]. Сульфид цинка (один из немногих сульфидов, имеющих белый цвет) обладает способностью люминесцировать, эта способность широко используется в науке и технике (люминесцентный анализ)[62]. Фосфид цинка находится в составе препаратов для борьбы с грызунами[63].
Для получения и очистки РЗЭ, титана, галлия и других металлов, а также для получения сплавов с помощью амальгам применяются методы амальгамной металлургии. Извлечение металлов цементацией амальгамой цинка из растворов можно описать следующей схемой[64]:
- Zn0 (в Hg) + Men+ (р) Me0 (в Hg) + Zn2+ (р)
Нахождение в природе
Геохимически цинк похож на железо, медь и кадмий[65]. Цинк является самым распространенным элементом 12-й группы[66]. Широко распространен в природе, преимущественно в форме сульфидов. По распространенности цинк приближен (7,610-3 %) к другим металлам — рубидию и меди[67], при этом, в основных изверженных породах его больше (1,310-2 %), чем в кислых (610-3 %)[68]. Его основными рудами являются сфалерит[~ 3] (и вюртцит) ZnS; ганит, ZnAl2O4; каламин; смитсонит, ZnCO3; франклинит, (Zn, Mn) Fe2O4; и цинкит, ZnO. Содержание в земной коре составляет около 70 мг/кг, а средняя концентрация в морской воде - около 10 мкг/л[32].
Некоторые минералы цинка, используемые в промышленности, содержание в них полезных элементов[69] и твердость по Моосу[70]:
| Минерал |
Формула |
Макс. содержание полезного компонента, % |
Твердость по Моосу
|
| Сфалерит |
ZnS |
Zn 67,1 |
3—4
|
| Вюрцит |
ZnS |
Zn 67,1 |
3,5—4
|
| Цинкит |
ZnO |
Zn 80,3 |
4—4,5
|
| Смитсонит |
ZnCO3 |
Zn 52,0 |
5
|
| Гидроцинкит |
Zn5(CO3)2(OH)6 |
Zn 59,5 |
—
|
| Каламин |
Zn4[Si2O7](OH)2H2O |
ZnO 67,5 |
4,5—5
|
| Виллемит |
Zn2[SiO4] |
ZnO 73,0 |
5—5,5
|
В недрах Российской Федерации заключено 60,7 млн тонн цинка (9 % мировых запасов)[71].
Биологическая роль
|
|