Цинк

Цинк

Химический элемент

Хрупкий металл голубовато-белого цвета

Символ, номер

Zn, 30

Атомная масса

65,38 а.е.м.

Электронная конфигурация

[Ar] 3d¹⁰ 4s²

Электроотрицательность

1,65 по шкале Поллинга

Плотность

7,13 г/см³

Температура плавления

419,6 °C

Температура кипения

906,2 °C

Молярная теплоёмкость

 Дж/(K·моль)

Структура кристаллической решетки

гексагональная

Теплопроводность

(300 K) 116 Вт/(м·К)

Химия 45. Элемент цинк — Академия занимательных наук

Цинк — элемент № 30 таблицы Менделеева, переходный металл 2 группы.

История

Хотя человечество очень давно использовало латунь — сплав меди с цинком, выделение цинка как отдельного элемента произошло сравнительно поздно. Древние римляне получали латунь, нагревая каламин с древесным углем и медью.

Происхождение названия

Считается, что название цинка дал Парацельс, наверное, как производную от слова нем. Zinke — зубчатый (кристаллиты металлического цинка похожи на иглы). По другой версии слово цинк могло быть производным от персидского سنگ (Сенг), что означает «камень».

Описание

Простое вещество. Сплавы цинка (латунь) были известны с глубокой древности (2400—2000 до н. э.). Получение цинка описал Страбон (I в. до н. э.). Промышленное производство цинка в Европе началось в 1743, в Китае на 400 лет раньше. Чистый цинк получен только в XVI в. Пластический ковкий голубовато-серый металл плотностью 7,13 г/см³. t_плав 419,88 °С; t_кип 907 °С. Реагирует с кислотами, щелочами, аммиаком и солями аммония, в присутствии паров воды — с хлором и бромом, при нагревании — с кислородом.

Распространение

Содержание цинка в земной коре — 8,3·10⁻³ масс%. Цинк в природе как самородный металл не встречается. Его добывают из полиметаллических руд, содержащих 1-4 % Zn в виде сульфида, а также Cu, Pb, Ag, Au, Cd, Bi. Из многочисленных минералов цинка наибольшее значение имеют сфалерит ZnS (67 %), содержащий примесь Cd, Ir, Ga и Ge, вюртцит ZnS (63 %), в зоне окисления — смитсонит ZnCO₃ (52 %) и каламин Zn[Si₂O₇](OH)₂ (53,7 %). Главные промышленные минералы свинцово-цинковых руд — галенит и сфалерит.

Изотопы

В природе встречается пять изотопов цинка, среди которых чаще всего встречается ⁶⁴Zn (48,63 % от общего числа). Период полураспада этого изотопа настолько велик, что его радиоактивностью можно пренебречь. Аналогично, обычно не считается радиоактивным ⁷⁰Zn (0,6 %) с периодом полураспада 1,3·10¹⁶ лет. В природе встречаются также ⁶⁶Zn (28 %), ⁶⁷Zn (4 %) и ⁶⁸Zn (19 %).

Зарегистрирован ряд радиоактивных изотопов. ⁶⁵Zn с периодом полураспада 243,66 дней живет дольше из них. За ним следует ⁷²Zn с периодом полураспада 46,5 часов. Существует 10 ядерных изомеров цинка. Среди них наибольший период полураспада имеет ^69mZn — 13,76 часов. Верхний индекс m обозначает, что этот изотоп метастабилен. Ядро метастабильного изотопа находится в возбужденном состоянии, из которого возвращается в основное состояние, излучая фотон, гамма-квант. Изотоп ⁶¹Zn имеет три возбужденных состояния, а изотоп ⁷³Zn — два. Изотопы ⁶⁵Zn, ⁷¹Zn, ⁷⁷Zn и ⁷⁸Zn имеют одно возбужденное состояние.

Обычно радиоизотопы цинка с массовым числом, меньшим чем 66, распадаются с захватом электрона. Продуктом распада в таком случае один из изотопов меди:

• ^NZn + e^— → ^NCu

Для изотопов с массовым числом, больше чем 66, привычным каналом распада является бета-распад (β —), при котором образуются изотопы галлия:

• ^NZn → ^NGa + e^— + ^νE

Образование

Цинк слишком тяжелый, чтобы образовываться внутри звезд, поэтому основным механизмом его нуклеосинтеза является R-процесс, происходящий при взрыве сверхновых звезд.

Получение

В мире ежегодно производится 10 млн тонн цинка. Это четвертый по объему использования металл после железа, алюминия и меди. В основном сырьем служат серные руды, в которых сфалерит смешан с сульфидами других металлов.

Цинк в природе как самородный металл не встречается. Его 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; при этом образуется сернистый газ SO₂, затрачиваемый на производство серной кислоты. От ZnO к Zn идут двумя путями. Пирометаллургическим (дистилляционным) способом, который существует издавна, обожженный концентрат подвергают спеканию для увеличения зернистости и газопроницаемости, а затем восстанавливают углем или коксом при 1200—1300 °С: ZnO + С = Zn + CO. Образовавшуюся при этом пару металла конденсируют и разливают в формы. Сначала восстановление проводили только в ретортах из обожженной глины, обслуживаемых вручную, позднее стали применять вертикальные механизированные реторты с 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 и ценный кадмий. Дистилляционно цинк очищают ликвацией (то есть отстаиванием жидкого металла от железа и части свинца при 500 °C), достигая чистоты 98,7 %. Применяют иногда более сложную и дорогую очистку — ректификацию, она дает металл чистотой 99,995 % и позволяет извлекать из цинка кадмий.

Основной способ получения цинка — электролитический (гидрометаллургический). Обожженные концентраты обрабатывают серной кислотой; полученный сульфатный раствор очищают от примесей осаждением их цинковой пылью и подвергают электролизу в ваннах, плотно выложенных внутри свинцом или винипластом. Цинк оседает 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 (с учетом переработки отходов) 93-94 %. Из отходов производства получают цинковый купорос, Pb, Cu, Cd, Au, Ag, иногда также In, Ga, Ge, Tl.

Химические свойства

Цинк является малоактивным металлом, проявляет амфотерные свойства. Из-за наличия на своей поверхности оксидной или карбонатного пленки, он практически не подвергается воздействию коррозии (благодаря этому свойству некоторые металлические изделии покрывают тонким слоем цинка). На воздухе цинк окисляется при нагревании выше 225 °C:

• $\mathrm {2Zn+O_{2}\xrightarrow {>225^{o}C} 2ZnO}$

Разогретый цинк активно взаимодействия с водяным паром:

• $\mathrm {Zn+H_{2}O\xrightarrow {600-800^{o}C} ZnO+H_{2}}$

Обычно цинк вступает во взаимодействие только за значительного нагрева. Исключение составляют реакции с агрессивными окислителями, например, с галогенами:

• $\mathrm {Zn+F_{2}\xrightarrow {60^{o}C} ZnF_{2}}$

Без нагрева реагирует с большим количеством кислот. Реакция вытеснения водорода широко используется в лабораторной практике для синтеза технического H₂ (в аппарате Кипа):

• $\mathrm {Zn+2HCl\rightarrow ZnCl_{2}+H_{2}}$
• $\mathrm {Zn+H_{2}SO_{4}\rightarrow ZnSO_{4}+H_{2}}$
• $\mathrm {Zn+4HNO_{3}(conc.)\xrightarrow {t} Zn(NO_{3})_{2}+2NO_{2}+2H_{2}O}$

При высоких температурах взаимодействует с неметаллами и их оксидами (кислотными оксидами):

• $\mathrm {Zn+S\xrightarrow {>130^{o}C} ZnS}$
• $\mathrm {3Zn+2P\xrightarrow {400-650^{o}C} Zn_{3}P_{2}}$
• $\mathrm {Zn+CO_{2}\xrightarrow {800-950^{o}C} ZnO+CO}$

Проявляя амфотерные свойства, цинк реагирует с также с щелочами. В конечных соединениях он выступает в качестве комплексообразователя, координируя вокруг себя четыре лиганды:

• $\mathrm {4Zn+7NaOH+NaNO_{3}(conc.)+6H_{2}O\xrightarrow {boiling} 4Na_{2}[Zn(OH)_{4}]+NH_{3}}$
• $\mathrm {Zn+4NaCN+2H_{2}O\xrightarrow {boiling} Na_{2}[Zn(CN)_{4}]+2NaOH+H_{2}}$

В виде порошка цинк способен восстанавливать или даже вытеснять из солей менее активные металлы:

• $\mathrm {Zn+SnCl_{4}\xrightarrow {t} ZnCl_{2}+SnCl_{2}}$
• $\mathrm {Zn+CdSO_{4}\xrightarrow {t} ZnSO_{4}+Cd}$

Применение

Цинк используется как антикоррозионный материал, им покрывают изделия из стали и железа (цинкования), а также как конструкционный материал для цинкографии анодов, используемых в электролизерах и в гальванических элементах.

Используется также в латуни как сплав цинка с медью.

Биологическая роль

Цинк влияет на активность тропных гормонов гипофиза, участвует в реализации биологических функций инсулина, нормализуя жировой обмен. Цинк участвует в кроветворении, а также необходим для нормального функционирования гипофиза, поджелудочной железы, семенных пузырьков.

Соединения цинка используют в медицине в качестве лекарственных средств. Однако избыток цинка в организме может привести к общей интоксикации и мутации ДНК.

Литература

• Глоссарий терминов по химии // Й.Опейда, О.Швайка. Ин-т физико-органической химии и углехимии им. Л. М. Литвиненко НАН Украины, Донецкий национальный университет — Донецк: «Вебер», 2008. — 758 с. ISBN 978-966-335-206-0
• Малая горная энциклопедия. В 3-х т. / Под ред. В. С. Белецкого. — Донецк: Донбасс, 2004. — ISBN 966-7804-14-3.
• Р. Рипан, И. Чертяну. Неорганическая химия: Химия металлов: В 2 т. — М.: Изд. «Мир», 1971. — Т. 1. — 561 с.
• Химические свойства неорганических веществ: Учеб. пособие для вузов. 3-е изд., Испр. / Р. А. Лидин, В. А. Молочко, Л. Л. Андреева; Под ред. Р. А. Лидин. — М.: Химия, 2000. 480 с .: ил. — ISBN 5-7245-1163-0