Цинк

Цинк
Атомный номер	30
Внешний вид простого вещества	хрупкий металл голубовато-белого цвета
Свойства атома
Атомная масса (молярная масса)	65,39 а. е. м. (г/моль)
Радиус атома	138 пм
Энергия ионизации (первый электрон)	905,8(9,39) кДж/моль (эВ)
Электронная конфигурация	[Ar] 3d10 4s2
Химические свойства
Ковалентный радиус	125 пм
Радиус иона	(+2e) 74 пм
Электроотрицательность (по Полингу)	1,65
Электродный потенциал	-0,763
Степени окисления	2
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность	7,133 г/см³
Молярная теплоёмкость	25,4[1] Дж/(K·моль)
Теплопроводность	116 Вт/(м·K)
Температура плавления	692,73 K
Теплота плавления	7,28 кДж/моль
Температура кипения	1180 K
Теплота испарения	114,8 кДж/моль
Молярный объём	9,2 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	гексагональная
Параметры решётки	a=2,665 c=4,947 Å
Отношение c/a	1,856
Температура Дебая	234 K

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

Схема атома цинка

Латинское zincum переводится как «белый налет». Происхождение этого слова точно не установлено. Предположительно, оно идет от персидского «ченг», хотя это название относится не к цинку, а вообще к камням. Слово «цинк» встречается в трудах Парацельса и других исследователей 16—17 вв. и восходит, возможно, к древнегерманскому «цинко» — налет, бельмо на глазу. Общеупотребительным название «цинк» стало только в 1920-х гг.

Нахождение в природе

Наиболее распространенный минерал цинка — сфалерит, или цинковая обманка. Основной компонент минерала — сульфид цинка ZnS, а разнообразные примеси придают этому веществу всевозможные цвета. Видимо, за это минерал и называют обманкой. 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.

Получение

Цинк в природе как самородный метал не проявляется. 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.

От ZnO к Zn идут двумя путями. 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: 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). 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.

Физические свойства

В чистом виде — довольно пластичный серебристо-белый металл. Обладает гексагональной решеткой с параметрами а = 0,26649 нм, с = 0,49468 нм. 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.

Химические свойства

Типичный амфотерный металл. 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:

2Zn + O₂ = 2ZnO.

Оксид цинка реагирует как с растворами кислот:

ZnO + 2HNO₃ = Zn(NO₃)₂ + H₂O

так и щелочами:

ZnO + 2NaOH = Na₂ZnO₂ + Н₂О,

Цинк обычной чистоты активно реагирует с растворами кислот:

Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂↑,

Zn + H₂SO₄(разб.) = ZnSO₄ + H₂↑

и растворами щелочей:

Zn + 2NaOH + 2H₂O = Na₂[Zn(OH)₄] + H₂↑,

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 ее 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

• Цинкование — 45-60%
• В медицине (оксид цинка как антисептик) — 10%
• Производство сплавов — 10%
• Производство резиновых шин — 10%
• Масляные краски — 10%

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). Также 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, йодатно-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, в последние годы интенсивно разрабатываются на основе системы цинк-воздух — аккумуляторы для компьютеров (ноутбуки) и в этой области достигнут значительный успех (большие, чем у литиевых батарей, ёмкость и ресурс, меньшая в 3 раза стоимость), так же эта система очень перспективна для пуска двигателей (свинцовый аккумулятор — 55 Вт·ч/кг, цинк-воздух — 220—300 Вт·ч/кг) и для электромобилей (пробег до 900 км). Входит в состав многих твёрдых припоев для снижения их температуры плавления. Цинк — важный компонент латуни. Окись цинка широко используется в медицине как антисептическое и противовоспалительное средство. Также окись цинка используется для производства краски — цинковых белил.

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

Теллурид, селенид, фосфид, сульфид цинка — широко применяемые полупроводники.

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

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

Список стран по производству цинка
Место	Страна	Производительность (тонн)
—	Весь мир	10,000,000
1	Китай	2,600,000
2	Австралия	1,380,000
3	Перу	1,201,794
4	США	727,000
5	Канада	710,000
6	Мексика	480,000
7	Ирландия	425,700
8	Индия	420,800
9	Казахстан	400,000
10	Швеция	192,400
11	Россия	190,000
12	Бразилия	176,000
13	Боливия	175,000
14	Польша	135,600
15	Иран	130,000
16	Марокко	73,000
17	Намибия	68,000
18	Северная Корея	67,000
19	Турция	50,000
20	Вьетнам	48,000
21	Таиланд	45,000
22	Гондурас	37,646
23	Финляндия	35,700
24	ЮАР	34,444
25	Чили	31,725
26	Аргентина	30,300
27	Болгария	17,300
28	Румыния	9,600
29	Япония	7,169
30	Алжир	5,000
31	Саудовская Аравия	1,500
32	Грузия	400
33	Босния и Герцеговина	300
34	Мьянма	100

Биологическая роль

Цинк:

• необходим для продукции спермы и мужских гормонов.
• необходим для метаболизма витамина E, который является предшественником половых гормонов и включается в продукцию тестостерона.
• важен для нормальной деятельности простаты.
• участвует в синтезе разных анаболических гормонов в организме, включая инсулин, тестостерон и гормон роста.

Содержание в продуктах питания

Среди продуктов, употребляемых в пищу человеком, наибольшее содержание цинка — в устрицах. Однако в тыквенных семечках содержится всего на 26 % меньше цинка, чем в устрицах. Например, съев 45 грамм устриц, человек получит столько же цинка, сколько содержится в 60 граммах тыквенных семечек.

Содержание цинка:

• ~0,25 мг/кг — яблоки, апельсины, лимоны, инжир, грейпфруты, все мясистые фрукты, зеленые овощи, минеральная вода.
• ~0,31 мг/кг — мёд.
• ~2—8 мг/кг — малина, черная смородина, финики, большая часть овощей, большинство морских рыб, постная говядина, молоко, очищенный рис, свекла обычная и сахарная, спаржа, сельдерей, помидоры, картофель, редька, хлеб.
• ~8—20 мг/кг — некоторые зерновые, дрожжи, лук, чеснок, неочищенный рис, яйца.
• ~20—50 мг/кг — овсяная и ячменная мука, какао, патока, яичный желток, мясо кроликов и цыплят, орехи, горох, фасоль, чечевица, зеленый чай, сушёные дрожжи, кальмары.
• ~30—85 мг/кг — говяжья печень, некоторые виды рыб.
• ~130—202 мг/кг — отруби из пшеницы, проросшие зерна пшеницы, тыквенные семечки, семечки подсолнечника.

Токсичность

Ионы Zn²⁺ токсичны.

Дополнительная информация

Категория:Соединения цинка