Цинк

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
30 МедьЦинкГаллий
Zn

Cd
Водород Гелий Литий Бериллий Бор Углерод Азот Кислород Фтор Неон Натрий Магний Алюминий Кремний Фосфор Сера Хлор Аргон Калий Кальций Скандий Титан Ванадий Хром Марганец Железо Кобальт Никель Медь Цинк Галлий Германий Мышьяк Селен Бром Криптон Рубидий Стронций Иттрий Цирконий Ниобий Молибден Технеций Рутений Родий Палладий Серебро Кадмий Индий Олово Сурьма Теллур Иод Ксенон Цезий Барий Лантан Церий Празеодим Неодим Прометий Самарий Европий Гадолиний Тербий Диспрозий Гольмий Эрбий Тулий Иттербий Лютеций Гафний Тантал Вольфрам Рений Осмий Иридий Платина Золото Ртуть Таллий Свинец Висмут Полоний Астат Радон Франций Радий Актиний Торий Протактиний Уран Нептуний Плутоний Америций Кюрий Берклий Калифорний Эйнштейний Фермий Менделевий Нобелий Лоуренсий Резерфордий Дубний Сиборгий Борий Хассий Мейтнерий Дармштадтий Рентгений Коперниций Унунтрий Флеровий Унунпентий Ливерморий Унунсептий УнуноктийПериодическая система элементов
30Zn
Hexagonal.svg
Electron shell 030 Zinc.svg
Внешний вид простого вещества
Zinc fragment sublimed and 1cm3 cube.jpg
Хрупкий металл голубовато-белого цвета
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

+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)

30
Цинк
Zn
65,39
3d104s2

Цинк — элемент побочной подгруппы второй группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 30. Обозначается символом Zn (лат. Zincum). Простое вещество цинк (CAS-номер: 7440-66-6) при нормальных условиях — хрупкий переходный металл голубовато-белого цвета (тускнеет на воздухе, покрываясь тонким слоем оксида цинка).

История[править | править вики-текст]

Сплав цинка с медью — латунь — был известен ещё в Древней Греции, Древнем Египте, Индии (VII в.), Китае (XI в.). Долгое время не удавалось выделить чистый цинк. В 1738 году в Англии Уильямом Чемпионом[en] был запатентован дистилляционный способ получения цинка[3]. В промышленном масштабе выплавка цинка началась также в XVIII в.: в 1743 году в Бристоле вступил в строй первый цинковый завод, основанный Уильямом Чемпионом, где получение цинка проводилось дистилляционным способом[4][5]:15. В 1746 А. С. Маргграф в Германии разработал похожий на способ Чемпиона дистилляционный способ получения чистого цинка путём прокаливания смеси его окиси с углём без доступа воздуха в глиняных огнеупорных ретортах с последующей конденсацией паров цинка в холодильниках. Маргграф описал свой метод во всех деталях и этим заложил основы теории производства цинка. Поэтому его часто называют первооткрывателем цинка[4].

В 1805 году Чарльз Гобсон и Чарльз Сильвестр из Шеффилда запатентовали способ обработки цинка — прокатка при 100—150 градусах[5]:28. Первый в России цинк был получен на заводе «Алагир» 1 января 1905 года[5]:86. Первые заводы, где цинк получали электролитическим способом появились в 1915 году в Канаде и США[5]:82.

Происхождение названия[править | править вики-текст]

Слово «цинк» впервые встречается в трудах Парацельса, который назвал этот металл словом «zincum» или «zinken» в книге Liber Mineralium II[6]. Это слово, вероятно, восходит к нем. Zinke, означающее «зубец» (кристаллиты металлического цинка похожи на иглы)[7].

Нахождение в природе[править | править вики-текст]

Известно 66 минералов цинка, в частности цинкит, сфалерит, виллемит, каламин, смитсонит, франклинит. Наиболее распространенный минерал — сфалерит, или цинковая обманка. Основной компонент минерала — сульфид цинка ZnS, а разнообразные примеси придают этому веществу всевозможные цвета. Из-за трудности определения этого минерала его называют обманкой (др.-греч. σφαλερός — обманчивый). Цинковую обманку считают первичным минералом, из которого образовались другие минералы элемента № 30: смитсонит ZnCO3, цинкит ZnO, каламин 2ZnO · SiO2 · Н2O. На Алтае нередко можно встретить полосатую «бурундучную» руду — смесь цинковой обманки и бурого шпата. Кусок такой руды издали действительно похож на затаившегося полосатого зверька.

Сфалерит

Среднее содержание цинка в земной коре — 8,3·10-3%, в основных извержённых породах его несколько больше (1,3·10-2%), чем в кислых (6·10-3%). Цинк — энергичный водный мигрант, особенно характерна его миграция в термальных водах вместе со свинцом. Из этих вод осаждаются сульфиды цинка, имеющие важное промышленное значение. Цинк также энергично мигрирует в поверхностных и подземных водах, главным осадителем для него является сероводород, меньшую роль играет сорбция глинами и другие процессы.

Цинк — важный биогенный элемент, в живых организмах содержится в среднем 5·10-4% цинка. Но есть и исключения — так называемые организмы-концентраторы (например, некоторые фиалки).

Месторождения[править | править вики-текст]

Месторождения цинка известны в Иране, Австралии, Боливии, Казахстане[8]. В России крупнейшим производителем свинцово-цинковых концентратов является ОАО «ГМК Дальполиметалл»[9][неавторитетный источник? 802 дня].

Получение[править | править вики-текст]

Цинк в природе как самородный металл не встречается.

Цинк добывают из полиметаллических руд, содержащих 1-4 % Zn в виде сульфида, а также Cu, Pb, Ag, Au, Cd, Bi. Руды обогащают селективной флотацией, получая цинковые концентраты (50-60 % Zn) и одновременно свинцовые, медные, а иногда также пиритные концентраты. Цинковые концентраты обжигают в печах в кипящем слое, переводя сульфид цинка в оксид ZnO; образующийся при этом сернистый газ SO2 расходуется на производство серной кислоты. Чистый цинк из оксида ZnO получают двумя способами. По пирометаллургическому (дистилляционному) способу, существующему издавна, обожженный концентрат подвергают спеканию для придания зернистости и газопроницаемости, а затем восстанавливают углем или коксом при 1200—1300 °C: ZnO + С = Zn + CO. Образующиеся при этом пары металла конденсируют и разливают в изложницы. Сначала восстановление проводили только в ретортах из обожженной глины, обслуживаемых вручную, позднее стали применять вертикальные механизированные реторты из карборунда, затем — шахтные и дуговые электропечи; из свинцово-цинковых концентратов цинк получают в шахтных печах с дутьем. Производительность постепенно повышалась, но цинк содержал до 3 % примесей, в том числе ценный кадмий. Дистилляционный цинк очищают ликвацией (то есть отстаиванием жидкого металла от железа и части свинца при 500 °C), достигая чистоты 98,7 %. Применяющаяся иногда более сложная и дорогая очистка ректификацией дает металл чистотой 99,995 % и позволяет извлекать кадмий.

Основной способ получения цинка — электролитический (гидрометаллургический). Обожжённые концентраты обрабатывают серной кислотой; получаемый сульфатный раствор очищают от примесей (осаждением их цинковой пылью) и подвергают электролизу в ваннах, плотно выложенных внутри свинцом или винипластом. Цинк осаждается на алюминиевых катодах, с которых его ежесуточно удаляют (сдирают) и плавят в индукционных печах. Обычно чистота электролитного цинка 99,95 %, полнота извлечения его из концентрата (при учете переработки отходов) 93-94 %. Из отходов производства получают цинковый купорос, Pb, Cu, Cd, Au, Ag; иногда также In, Ga, Ge, Tl.

Физические свойства[править | править вики-текст]

В чистом виде — довольно пластичный серебристо-белый металл. Обладает гексагональной решеткой с параметрами а = 0,26649 нм, с = 0,49431 нм, пространственная группа P 63/mmc, Z = 2. При комнатной температуре хрупок, при сгибании пластинки слышен треск от трения кристаллитов (обычно сильнее, чем «крик олова»). При 100—150 °C цинк пластичен. Примеси, даже незначительные, резко увеличивают хрупкость цинка. Собственная концентрация носителей заряда в цинке 13,1·1028 м−3.

Химические свойства[править | править вики-текст]

Типичный пример металла, образующего амфотерные соединения. Амфотерными являются соединения цинка ZnO и Zn(OH)2. Стандартный электродный потенциал −0,76 В, в ряду стандартных потенциалов расположен до железа.

На воздухе цинк покрывается тонкой пленкой оксида ZnO. При сильном нагревании сгорает с образованием амфотерного белого оксида ZnO:

\mathsf{2Zn + O_2 \rightarrow 2ZnO}

Оксид цинка реагирует как с растворами кислот:

\mathsf{ZnO + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2O}

так и щелочами:

\mathsf{ZnO + 2NaOH + H_2O \rightarrow Na_2[Zn(OH)_4]}

Цинк обычной чистоты активно реагирует с растворами кислот:

\mathsf{Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2\uparrow}

и растворами щелочей:

\mathsf{Zn + 2NaOH + 2H_2O \rightarrow Na_2[Zn(OH)_4] + H_2\uparrow}

образуя гидроксоцинкаты. С растворами кислот и щелочей очень чистый цинк не реагирует. Взаимодействие начинается при добавлении нескольких капель раствора сульфата меди CuSO4.

При нагревании цинк реагирует с галогенами с образованием галогенидов ZnHal2. С фосфором цинк образует фосфиды Zn3P2 и ZnP2. С серой и её аналогами — селеном и теллуром — различные халькогениды, ZnS, ZnSe, ZnSe2 и ZnTe.

С водородом, азотом, углеродом, кремнием и бором цинк непосредственно не реагирует. Нитрид Zn3N2 получают реакцией цинка с аммиаком при 550—600 °C.

В водных растворах ионы цинка Zn2+ образуют аквакомплексы [Zn(H2O)4]2+ и [Zn(H2O)6]2+.

Применение[править | править вики-текст]

Чистый металлический цинк используется для восстановления благородных металлов, добываемых подземным выщелачиванием (золото, серебро). Кроме того, цинк используется для извлечения серебра, золота (и других металлов) из чернового свинца в виде интерметаллидов цинка с серебром и золотом (так называемой «серебристой пены»), обрабатываемых затем обычными методами аффинажа.

Применяется для защиты стали от коррозии (оцинковка поверхностей, не подверженных механическим воздействиям, или металлизация — для мостов, емкостей, металлоконструкций).

Цинк используется в качестве материала для отрицательного электрода в химических источниках тока, то есть в батарейках и аккумуляторах, например: марганцево-цинковый элемент, серебряно-цинковый аккумулятор (ЭДС 1,85 В, 150 Вт·ч/кг, 650 Вт·ч/дм³, малое сопротивление и колоссальные разрядные токи), ртутно-цинковый элемент (ЭДС 1,35 В, 135 Вт·ч/кг, 550—650 Вт·ч/дм³), диоксисульфатно-ртутный элемент, иодатно-цинковый элемент, медно-окисный гальванический элемент (ЭДС 0,7—1,6 Вольт, 84—127 Вт·ч/кг, 410—570 Вт·ч/дм³), хром-цинковый элемент, цинк-хлоросеребряный элемент, никель-цинковый аккумулятор (ЭДС 1,82 Вольт, 95—118 Вт·ч/кг, 230—295 Вт·ч/дм³), свинцово-цинковый элемент, цинк-хлорный аккумулятор, цинк-бромный аккумулятор и др.

Очень важна роль цинка в цинк-воздушных аккумуляторах, которые отличаются весьма высокой удельной энергоёмкостью. Они перспективны для пуска двигателей (свинцовый аккумулятор — 55 Вт·ч/кг, цинк-воздух — 220—300 Вт·ч/кг) и для электромобилей (пробег до 900 км).

Пластины цинка широко используется в полиграфии, в частности, для печати иллюстраций в многотиражных изданиях. Для этого с XIX века применяется цинкография — изготовление клише на цинковой пластине при помощи вытравливания кислотой рисунка в ней. Примеси, за исключением небольшого количества свинца, ухудшают процесс травления. Перед травлением цинковую пластину подвергают отжигу и прокатывают в нагретом состоянии[5]:30-31.

Цинк вводится в состав многих твёрдых припоев для снижения их температуры плавления.

Окись цинка широко используется в медицине как антисептическое и противовоспалительное средство. Также окись цинка используется для производства краски — цинковых белил.

Цинк — важный компонент латуни. Сплавы цинка с алюминием и магнием (ЦАМ, ZAMAK) благодаря сравнительно высоким механическим и очень высоким литейным качествам очень широко используются в машиностроении для точного литья. В частности, в оружейном деле из сплава ZAMAK (-3, −5) иногда отливают затворы пистолетов, особенно рассчитанных на использование слабых или травматических патронов. Также из цинковых сплавов отливают всевозможную техническую фурнитуру, вроде автомобильных ручек, корпусы карбюраторов, масштабные модели и всевозможные миниатюры, а также любые другие изделия, требующие точного литья при приемлемой прочности.

Хлорид цинка — важный флюс для пайки металлов и компонент при производстве фибры.

Сульфид цинка используется при изготовлении люминофоров краткого послесвечения и других люминесцирующих составов, обычно, это смеси ZnS и CdS, активированные ионами других металлов. Люминофоры на базе сульфидов цинка и кадмия, также применяются в электронной промышленности для изготовления светящихся гибких панелей и экранов в качестве электролюминофоров и составов с коротким временем высвечивания.

Теллурид, селенид, фосфид, сульфид цинка — широко применяемые полупроводники. Сульфид цинка — составная часть многих люминофоров. Фосфид цинка используется в качестве отравы для грызунов.

Селенид цинка используется для изготовления оптических стёкол с очень низким коэффициентом поглощения в среднем инфракрасном диапазоне, например, в углекислотных лазерах.

На разные применения цинка приходится:

  • цинкование — 45-60 %
  • медицина (оксид цинка как антисептик) — 10 %
  • производство сплавов — 10 %
  • производство резиновых шин — 10 %
  • масляные краски — 10 %

Мировое производство[править | править вики-текст]

Производство цинка в мире за 2009 год составило 11,277 млн т, что на 3,2 % меньше чем в 2008 г.[10]

Список стран по производству цинка в 2006 году (на основе «Геологического обзора Соединенных Штатов»)[11]:

Биологическая роль[править | править вики-текст]

В организме взрослого человека содержится в среднем около 2г цинка, который концентрируется преимущественно в мышцах, печени и поджелудочной железе. Более 400 ферментов содержат цинк. Среди них ферменты, катализирующие гидролиз пептидов, белков и сложных эфиров, образование альдегидов, полимеризацию ДНК и РНК. Ионы Zn2+ в составе ферментов вызывают поляризацию молекул воды и органических веществ, содействуя их депротонированию по реакции:

Zn2+ + H2O = ZnOH+ + H+

Наиболее изучен фермент карбоангидраза - белок, содержащий цинк и состоящий примерно из 260 аминокислотных остатков. Этот фермент содержится в эритроцитах крови и способствует превращению углекислого газа, образующегося в тканях в процессе их жизнедеятельности, в гидрокарбонат-ионы и угольную кислоту, которая кровью переносится в легкие, где выводится из организма в виде углекислого газа. В отсутствие фермента превращение СО2 в анион HCO3- протекает с очень низкой скоростью. В молекуле карбоангидразы атом цинка связан с тремя имидазольными группами остатков аминокислоты гистидина и молекулой воды, которая легко депротонируется, превращаясь в координированный гидроксид. Атом углерода молекулы углекислого газа, на котором находится частичный положительный заряд, вступает во взаимодействие с атомом кислорода гидроксильной группы. Таким образом, координированная молекула СО2 превращается в гидрокарбонат-анион, который покидает активный центр фермента, замещаясь на молекулу воды. Фермент ускоряет эту реакцию гидролиза в 10 миллионов раз.

Цинк:

Содержание в продуктах питания[править | править вики-текст]

Рекомендуемая дневная норма цинка в рационе — 11 мг для мужчин и 8 мг для женщин[14]. Среди продуктов, употребляемых в пищу человеком, наибольшее содержание цинка — в устрицах, тыквенных и подсолнечных семечках, кунжуте, мясе, сыре, овсяной крупе, бобовых, шоколаде.

Содержание цинка в продуктах на 100 г[15] :

Также цинк может присутствовать в минеральной воде.

Основные проявления дефицита цинка[править | править вики-текст]

Недостаток цинка в организме приводит к ряду расстройств. Среди них раздражительность, утомляемость, потеря памяти, депрессивные состояния, снижение остроты зрения, уменьшение массы тела, накопление в организме некоторых элементов (железа, меди, кадмия, свинца), снижение уровня инсулина, аллергические заболевания, анемия и другие[16].

Для оценки содержания цинка в организме определяют его содержание в волосах, сыворотке и цельной крови.

Токсичность[править | править вики-текст]

При длительном поступлении в организм в больших количествах все соли цинка, особенно сульфаты и хлориды, могут вызывать отравление из-за токсичности ионов Zn2+. 1 грамма сульфата цинка ZnSO4 достаточно, чтобы вызвать тяжелое отравление. В быту хлориды, сульфаты и оксид цинка могут образовываться при хранении пищевых продуктов в цинковой и оцинкованной посуде.

Отравление ZnSO4 приводит к малокровию, задержке роста, бесплодию.

Отравление оксидом цинка происходит при вдыхании его паров. Оно проявляется в появлении сладковатого вкуса во рту, снижении или полной потере аппетита, сильной жажде. Появляется усталость, чувство разбитости, стеснение и давящая боль в груди, сонливость, сухой кашель.


См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2013. — Т. 85. — № 5. — С. 1047-1078. — DOI:10.1351/PAC-REP-13-03-02
  2. Редкол.:Зефиров Н. С. (гл. ред.) Химическая энциклопедия: в 5 т. — Москва: Большая Российская энциклопедия, 1999. — Т. 5. — С. 378.
  3. Pollard A., Heron C. Archaeological Chemistry. — Royal Society of Chemistry, 2008. — С. 204.
  4. 1 2 Gray L. Zinc. — Marshall Cavendish, 2006. — С. 9.
  5. 1 2 3 4 5 Казаков Б.И. Металл из Атлантиды. (О цинке). — М.: Металлургия, 1984. — 128 с.
  6. Hoover, Herbert Clark (2003), «Georgius Agricola de Re Metallica», Kessinger Publishing, с. 409, ISBN 0766131971 
  7. Gerhartz, Wolfgang (1996), «Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry» (5th ed.), VHC, с. 509, ISBN 3527201009 
  8. Крупнейшие мономинеральные месторождения (рудные районы, бассейны)
  9. Дальполиметалл — Wiki — Dalas
  10. Мир сократил производство и потребление цинка, а Китай — увеличил
  11. Minerals Yearbook 2006
  12. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Ориентировочные данные
  13. 1 2 3 А. В. Скальный. Цинк и здоровье человека. — РИК ГОУ ОГУ, 2003.
  14. Connie W. Bales; Christine Seel Ritchie . Handbook of Clinical Nutrition and Aging. http://books.google.com.ua/books?id=jtsBbP2087wC&pg=PA151&redir_esc=y#v=onepage&q&f=false
  15. Show Nutrients List
  16. Сайт «Центра биотической медицины»

Ссылки[править | править вики-текст]

Логотип Викисловаря
В Викисловаре есть статья «цинк»