Происхождение названия элемента неясно, однако кажется правдоподобным, что оно произведено от Zinke (по-немецки «острие», или «зуб»), благодаря внешнему виду металла.
Цинк представляет собой синевато — белый металл, плавящийся при 419 С, а при 913 С превращающийся в пар; плотность его равна 7,14 г/см3. При обыкновенной температуре цинк довольно хрупок, но при 100-110 С 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
Цинк против ржавчины на кузове автомобиля! Защитит ли от коррозии холодное цинкование своими руками?
При нагревании цинк взаимодействуют с неметаллами (кроме водорода, углерода и азота). Активно реагирует с кислотами:
Zn + H2SO4 (разб.) = ZnSO4 + H2
Цинк – единственный элемент группы, который растворяется в водных растворах щелочей с образованием ионов [Zn(OH)4] (гидроксоцинкатов):
Zn + 2OH + 2H2O = [Zn(OH)4] + H2
Физические свойства Цинка. Цинк — металл средней твердости. В холодном состоянии хрупок, а при 100-150 °С весьма пластичен и легко прокатывается в листы и фольгу толщиной около сотых долей миллиметра. При 250 °С вновь становится хрупким. Полиморфных модификаций не имеет. Кристаллизуется в гексагональной решетке с параметрами а = 2,6594Å, с = 4,9370Å.
Атомный радиус 1,37Å; ионный Zn2+ -0,83Å. Плотность твердого Цинка 7,133 г/см3 (20 °С), жидкого 6,66 г/см3 (419,5 °С); tпл 419,5 °С; tкип 906 °С. Температурный коэффициент линейного расширения 39,7·10-3 (20-250 °С), коэффициент теплопроводности 110,950 вт/(м ·К) 0,265 кал/см·сек·°С (20 °С), удельное электросопротивление 5,9·10-6 ом·см (20 °С), удельная теплоемкость Цинка 25,433 кдж/(кг·К.) [6,07 кал/(г·°С)]. Предел прочности при растяжении 200-250 Мн/м2 (2000-2500 кгс/см2), относительное удлинение 40-50%, твердость по Бринеллю 400-500 Мн/м2(4000-5000 кгс/см2). Цинк диамагнитен, его удельная магнитная восприимчивость -0,175·10-6.
Химические свойства Цинка. Внешняя электронная конфигурация атома Zn 3d104s2. Степень окисления в соединениях +2. Стандартный электродный потенциал равный -0,76 В характеризует Цинк как активный металл и энергичный восстановитель. На воздухе при температуре до 100 °С Цинк быстро тускнеет, покрываясь поверхностной пленкой основных карбонатов.
Во влажном воздухе, особенно в присутствии СО2, происходит разрушение металла даже при обычных температурах. При сильном нагревании на воздухе или в кислороде Цинк интенсивно сгорает голубоватым пламенем с образованием белого дыма оксида цинка ZnO.
Свойства цинка, применение цинка и биологическая роль цинка. Получение водорода
Сухие фтор, хлор и бром не взаимодействуют с Цинком на холоду, но в присутствии паров воды металл может воспламениться, образуя, например, ZnCl2. Нагретая смесь порошка Цинка с серой дает сульфид Цинк ZnS. Сульфид Цинк выпадает в осадок при действии сероводорода на слабокислые или аммиачные водные растворы солей Zn.
Гидрид ZnH2 получается при взаимодействии LiАlН4 с Zn(CH3)2 и других соединениями Цинка; металлоподобное вещество, разлагающееся при нагревании на элементы. Нитрид Zn3N2 — черный порошок, образуется при нагревании до 600 °С в токе аммиака; на воздухе устойчив до 750 °С, вода его разлагает. Карбид Цинка ZnC2 получен при нагревании Цинка в токе ацетилена.
Сильные минеральные кислоты энергично растворяют Цинк, особенно при нагревании, с образованием соответствующих солей. При взаимодействии с разбавленной НCl и H2SO4 выделяется Н2, а с НNО3 — кроме того, NO, NO2, NH3. С концентрированной НCl, H2SO4 и HNO3 Цинк реагирует, выделяя соответственно Н2, SO2, NO и NO2.
Растворы и расплавы щелочей окисляют Цинк с выделением Н2 и образованием растворимых в воде цинкитов. Интенсивность действия кислот и щелочей на Цинк зависит от наличия в нем примесей. Чистый Цинк менее реакционно способен по отношению к этим реагентам из-за высокого перенапряжения на нем водорода. В воде соли Цинка при нагревании гидролизуются, выделяя белый осадок гидрооксида
a) взаимодействие цинка с разбавленными кислотами
Zn(OH)2. H2SO4 + Zn = Zn SO4 + H2 ↑
Цинк, как активный металл, может образовывать с концентрированной серной кислотой сернистый газ, элементарную серу, и даже сероводород.
2H2SO4 + Zn = SO2 ↑+ZnSO4 + 2H2O
При взаимодействии цинка с очень разбавленной азотной кислотой выделяется аммиак, который реагирует с избытком кислоты с образованием нитрата аммония.
Цинк в природе как самородный метал не проявляется. Цинк добывают двумя способами :
1) пирометаллургический метод
2) гидрометаллургический метод 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. От ZnO к Zn идут двумя путями.
1) По пирометаллургическому (дистилляционному) способу, существующему издавна, обожженный концентрат подвергают спеканию для придания зернистости и газопроницаемости, а затем восстанавливают углем или коксом при 1200 — 1300 °С:
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). Обожженные 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.
2) Гидрометаллургический способ переработки обожженных цинковых концентратов заключается в растворении окиси цинка водным раствором серной кислоты и в последующем осаждении цинка электролизом. Поэтому гидрометаллургический способ называют иногда электролитическим. При производстве цинка электролизом цинковый концентрат предварительно подвергают окислительному обжигу.
ZnSO4→ Zn 2+ + SO4 2-
2+ (–) катод Zn , Н2О (+) анод: SO42–, Н2О
Zn + 2e Zn 2H2O – 4e O2 + 4H+
2H2O + 2e H2 + 2HO
ZnSO4 + 2H2O Zn + H2 + O2 + H2SO4.
Полученный огарок выщелачивают отработанным электролитом, содержащим серную кислоту. Получаемый раствор сернокислого цинка очищают от вредных примесей и направляют на электролиз. При этом цинк осаждается на катоде, а в растворе регенерируется серная кислота, возвращаемая вновь на выщелачивание
Если обжиг цинкового концентрата предшествует выщелачиванию, то целью его является возможно более полный перевод сернистого цинка в оксид цинка, растворимую в разбавленных растворах серной кислоты.
Выщелачивание огарка осуществляется отработанным электролитом, содержащим серную кислоту и получаемым при электролизе раствора цинка. В процессе передела неизбежны потери серной кислоты (как механические, происходящие вследствие потери раствора, так и химические, вызванные тем, что серная кислота непроизводительно затрачивается на растворение примесей). Эти потери пополняют тем, что получают в огарке некоторое количество сульфата цинка, легко растворяющегося в воде. Для этой цели достаточно бывает иметь в обожженном концентрате около 2-4% сульфатной серы.
Этим способом получают около 70% всего мирового производства цинка. Объясняется это тем, что электролитическим способом при хорошей механизации трудоемких процессов и высоком проценте извлечения получают цинк более чистый, чем дистилляционным. Кроме того, облегчается возможность комплексного использования ценных составляющих концентрата. Для выделения цинка полученный после обогащения концентрат ZnS подвергают обжигу:
4Zn + 10HNO3 = 4Zn(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O
Zn + HNO3 = Zn(NO3)2 +NO +H2O
b)Взаимодействие растворимых солей цинка с щелочами:
ZnCl2 +2NaOH= ZnOH2↓+2NaCl
Zn(NO3)2+2KOH = ZnOH2↓ +2KNO3
Источник: studfile.net
Металлический цинк
Когда впервые был выплавлен металлический цинк, точно не установлено. Известно, что в Индии его получали еще в V в. до н.э. Получение металлического цинка (под названием тутии или фальшивого серебра) описано у римского историка Страбона (60-20 годы до н.э.). Позже, однако, искусство выплавки цинка в Европе было утрачено. Правда, цинк ввозили из стран Востока, но в очень небольших количествах, и до середины XVIII в. он оставался редкостью.
Лишь в 1743 г. в Бристоле заработал первый в Европе цинковый завод. А ведь еще в конце XIII в. Марко Поло описывал, как получают этот металл в Персии. Крупнейшие ученые XVI в. Парацельс и Агрикола в своих трудах уделяли место выплавке цинка. В том же XVI в. были предприняты первые попытки выплавлять его в заводских условиях.
Но производство «не пошло», технологические трудности оказались непреодолимыми. Цинк пытались получать точно так же, как и другие металлы. Руду обжигали, превращая цинк в окись, затем эту окись восстанавливали углем.
Цинк, естественно, восстанавливался, взаимодействуя с углем, но. не выплавлялся. Не выплавлялся потому, что этот металл уже в плавильной печи испарялся — температура его кипения всего 906°С. А в печи был воздух. Встречая его, пары активного цинка реагировали с кислородом, и вновь образовывался исходный продукт — окись цинка.
Наладить цинковое производство в Европе удалось лишь после того, как руду стали восстанавливать в закрытых ретортах без доступа воздуха. Примерно так же «черновой» цинк получают и сейчас, а очищают его рафинированием. Пирометаллургическим способом сейчас получают примерно половину производимого в мире цинка, а другую половину — гидрометаллургическим.
Следует иметь в виду, что чисто цинковые руды в природе почти не встречаются. Соединения цинка (обычно 1-5% в пересчете на металл) входят в состав полиметаллических руд. Полученные при обогащении руды цинковые концентраты содержат 48-65% Zn, до 2% меди, до 2% свинца, до 12% железа. И плюс доли процента рассеянных и редких металлов.
Сложный химический и минералогический состав руд, содержащих цинк, был одной из причин, по которым цинковое производство рождалось долго и трудно. В переработке полиметаллических руд и сейчас еще есть нерешенные проблемы. Но вернемся к пирометаллургии элемента № 30 — в этом процессе проявляются сугубо индивидуальные особенности этого элемента.
При резком охлаждении пары цинка сразу же, минуя жидкое состояние, превращаются в твердую пыль. Это несколько осложняет производство, хотя элементный цинк считается нетоксичным. Часто бывает нужно сохранить цинк именно в виде пыли, а не переплавлять его в слитки.
В пиротехнике цинковую пыль применяют, чтобы получить голубое пламя. Цинковая пыль используется в производстве редких и благородных металлов. В частности, таким цинком вытесняют золото и серебро из цианистых растворов.
Как ни парадоксально, но и при получении самого цинка (и кадмия) гидрометаллургическим способом применяется цинковая пыль — для очистки раствора сульфата цинка от меди и кадмия. Но это еще не все. Вы никогда не задумывались, почему металлические мосты, пролеты заводских цехов и другие крупногабаритные изделия из металла чаще всего окрашивают в серый цвет?
Главная составная часть применяемой во всех этих случаях краски — все та же цинковая пыль. Смешанная с окисью цинка и льняным маслом, она превращается в краску, которая отлично предохраняет от коррозии. Эта краска к тому же дешева, эластична, хорошо прилипает к поверхности металла и не отслаивается при температурных перепадах. Мышиный цвет тоже скорее достоинство, чем недостаток. Изделия, которые покрывают такой краской, должны быть немарки и в то же время опрятны.
На свойствах цинка сильно сказывается степень его чистоты. При 99,9 и 99,99% чистоты цинк хорошо растворяется в кислотах. Но стоит «прибавить» еще одну девятку (99,999%), и цинк становится нерастворимым в кислотах даже при сильном нагревании. Цинк такой чистоты отличается и большой пластичностью: его можно вытягивать в тонкие нити.
А обычный цинк можно прокатать в тонкие листы, лишь нагрев его до 100-150°С. Нагретый до 250°С и выше, вплоть до точки плавления, цинк опять становится хрупким — происходит очередная перестройка его кристаллической структуры.
Применение цинка
Листовой цинк широко применяют в производстве гальванических элементов. Первый «вольтов столб» состоял из кружочков цинка и меди. И в современных химических источниках тока отрицательный электрод чаще всего делается из элемента № 30.
Значительна роль этого элемента в полиграфии. Мы уже упоминали о типографских сплавах на основе цинка, но главное в другом. Из цинка делают клише, позволяющие воспроизвести в печати рисунки и фотографии. Специально приготовленный и обработанный типографский цинк воспринимает фотоизображение.
Это изображение в нужных местах защищают краской, и будущее клише протравливают кислотой. Изображение приобретает рельефность, опытные граверы подчищают его, делают пробные оттиски, а потом эти клише идут в печатные машины.
К полиграфическому цинку предъявляют особые требования: прежде всего он должен иметь мелкокристаллическую структуру, особенно на поверхности слитка. Поэтому цинк, предназначенный для полиграфии, всегда отливают в закрытые формы. Для «выравнивания» структуры применяют отжиг при 375°С с последующим медленным охлаждением и горячей прокаткой.
Строго лимитируют и присутствие в таком металле примесей, особенно свинца. Если его много, то нельзя будет вытравить клише так, как это нужно. Если же свинца меньше 0,4%, то трудно получить нужную мелкокристаллическую структуру. Вот по этой кромке и «ходят» металлурги, стремясь удовлетворить запросы полиграфии.
Источник: natural-museum.ru
Цинк характеристика свойства особенности металла
Нержавеющие кровельные покрытия, вполне эффективная борьба с простудой, технология хранения электричества внутри аккумуляторной батареи и ещё ряд применений. Всё это цинк – химический элемент, конечно же, далёкий от ценностей платины или золота, не такой эффектный как серебро или медь, тем не менее, вполне привлекательный и популярный. Металл голубовато-белого цвета занимает 24 место по распространённости среди 92 элементов земной коры. Однако для добычи 65 граммов металла потребуется обработать не менее одной тонны породы в зоне залежей этого химического элемента.
- 1 Природное образование и конечное формирование
- 2 Свойства, особенности, характеристики цинка
- 3 Изготовление и применение чистого металла
- 4 Цинк — история появления и статус элемента
Природное образование и конечное формирование
Аналогично многим другим металлам, цинк в природе не встречается в чистом виде. Как правило, этот химический элемент присутствует в минералах, сочетаясь с другими элементами, и присутствует как:
Можно сказать, это традиционная цинковая составляющая. Поэтому, чтобы воспроизвести чистый металл, придётся прибегнуть к переработке сырья цинксодержащего минерала, процедуре, которая предполагает многоступенчатый процесс очистки (включающий несколько отдельных физических и химических этапов).
Например, для переработки сульфида цинка необходимо измельчить сырьё в порошок, и тщательно промыть, чтобы избавиться от сульфидов других металлов, присутствующих в виде примесей. В конечном итоге получается оксид цинка (ZnO). Выщелачиванием (реакция с серной кислотой) получают раствор сульфата.
Затем используется электролиз (электрохимический процесс) для отделения чистого химического элемента. Также допустимо воспроизводить металл из минерального сырья путём плавки (нагревания углеродом), что традиционно и применяется в промышленном секторе.
Свойства, особенности, характеристики цинка
Если визуально исследовать кусок цинка, внешне металл, скорее всего, будет выглядеть серовато-белым по окрасу. Однако таким выглядит именно оксид, который образуется в результате реакции чистого металла с кислородом и углекислым газом в условиях влажной среды. Внешний вид чистого цинка несколько иной:
- блестящий,
- голубоватый,
- белесоватый,
- серебристый.
Этот металл не похож на железо и, прежде всего, по причине выраженной хрупкости. Однако стоит лишь нагреть металл до температуры 100–150°C, после чего структура приобретает свойства гибкости и легко обрабатывается.
Благодаря нагреву, материал допустимо превращать в различные формы и даже сворачивать в тонкие листы. Как и другие металлы, цинк представлен кристаллически-твёрдым веществом. Атомы цинка объединяются в гексагональные, плотно упакованные кристаллы.
Большая часть добываемого химического элемента используется для гальванизации. Процесс гальванизация основан на электролизе, который включает в себя покрытие железа (стали) тонким защитным слоем цинка.
Под влиянием окружающего воздуха (кислорода и углекислого газа) чистое покрытие окисляется с последующим формированием карбоната цинка. Таким способом предотвращается фактор ржавления (коррозии) металлов в условиях влажной среды.
Изготовление и применение чистого металла
Многие виды повседневных хозяйственных вещей оцинкованы. Например:
- металлические крыши сооружений,
- водосточные желоба зданий,
- резервуары для воды и т.д.
Достаточно большая доля цинка используется в конструкциях одноразовых цинк-углеродистых не перезаряжаемых аккумуляторов. Процесс изготовления латуни также требует значительных объёмов этого вещества.
Характерной особенностью цинка является образование целого ряда полезных соединений:
- Сульфид (люминофор экранов старых телевизоров, осциллографов, люминесцентные лампы и светящиеся краски);
- Сульфат (защитные средства от сорняков, применение в текстильном производстве);
- Оксид (используется для изготовления резины, способствует улучшению свойств пластмасс, красок, чернила, бетона, косметики).
Многие известные сплавы формируются на цинковой составляющей. Например, латунь, зубная амальгама, бронза и некоторые виды припоев. Оцинковка не только предотвращает ржавление резервуаров для воды. Практически все виды лекарств от кашля и простуды, витаминные таблетки и добавки никак не обходятся без этого вещества.
Дефицит цинка в организме сопровождается различными проблемами по отношению к здоровью организма, приводит к развитию болезней. Правда, в основном эта проблема характерна для развивающихся стран, где отмечаются факторы недоедания населения, недостаток сбалансированного полезного питания.
Цинк — история появления и статус элемента
Точно неизвестно — кому, где и когда удалось впервые обнаружить цинк. Однако археологами обнаруживались цинковые сплавы в местах, относящихся к доисторическим временам. Достоверно известно – древние римляне производили медные монеты, состав которых включал это вещество, правда, с примесями.
Минуло почти тысяча лет, прежде чем люди начали использовать цинк в качестве металла как такового. Историки предполагают — впервые производство металла отметилось в Индии XIII века. Ещё спустя 300 лет, на территории Китая началось производство цинка в крупных масштабах.
Современная история начала производства цинка исчисляется от середины XVIII века. Первым 1737 году разработал и запатентовал процесс производства чистого цинка английский металлург Уильям Чампион. Производство в огромных промышленных масштабах осуществлялось путём плавки каламина древесным углем.
Между тем вещество окончательно было признано химическим элементом в 1746 году, благодаря усилиям немецкого химика по имени Андреас Сигизмунд Маргграф. Немецкий учёный использовал методы, подобные тем, что использовал Чемпион, с целью детального изучения цинка в стенах лаборатории.
КРАТКИЙ БРИФИНГ
Z-Сила — публикации материалов интересных полезных для социума. Новости технологий, исследований, экспериментов мирового масштаба. Социальная мульти-тематическая информация — СМИ .
Источник: zetsila.ru