Цинк металл или нет

Обновлено: 02.07.2024

Цинк — металл, давно известный человеку. Древние египтяне лечили цинковой мазью раны. Португальские купцы в XV и XVI веках привозили в Европу металл, но называли его «индийским оловом».

Обходились без чистого цинка

Цинк — это удивительный металл. Сплав его с медью был известен в древности во многих странах. Латунь описывал еще Аристотель, алхимики прокаливали карбонат цинка с углем, получая «философскую шерсть». А вот чистого металла люди еще не знали. Но не везде. В индийском Раджастане нашли остатки плавильного оборудования, и остатки соединений цинка.

Совсем непонятна находка цинковой статуэтки на землях древней Дакии. Статуэтка датируется доримской эпохой. В журнале «Химия и жизнь» рассказали о находке цинковой сережки на Северном Кавказе. Возраст — более 5000 лет! Скорее всего, люди не раз находили и утрачивали секрет выплавки цинка.

Белый налет или бельмо?

Слово «цинк» первым использовал Парацельс.

Лингвистам бывает сложно отследить происхождение названий. Имя (название) нашего нынешнего героя возводят к персидскому слову «ченг» (Tschang); древнегерманское «цинко» означало бельмо на глазу (вполне соотносится с цветом металла), или Zinke — «зубец».

В разные времена и в разных странах имя металла менялось. Это были «шпиаутер», «спелтер», «тутия» (Tutia). Нынешнее имя металл получил в начале прошлого века.

Свойства металла

Наш хрупкий герой — переходный металл синевато-белого цвета. На воздухе быстро окисляется, темнеет от пленки оксида.

В таблице Менделеева этот химический элемент находится в 12 группе (по старой классификации во II группе четвертого периода).

атомный номер 30;
атомная масса 65,38 г/моль;
металлический блеск;
непрозрачность;
плотность 7,14 г/см3;
структура кристаллической решетки гексагональная.

Химические свойства цинка обусловлены его «темпераментом». До щелочноземельных металлов ему далековато, но в реакции он вступает охотно. В реакциях проявляет степени окисления 0; +2.

Цинк хороший восстановитель и активный металл.
Наш герой охотно реагирует с разбавленной азотной кислотой, с концентрированными серной и азотной кислотами.
С галогенами в присутствии паров воды может воспламениться.
С растворами щелочей образует гидрокомплексы.
При температуре красного каления (550-600°С) вступает в реакцию с водой, с сероводородом. При реакции выделяется водород.

Взаимодействие с металлами происходит в расплавленном состоянии, но это мало касается химических реакций.

Физические свойства цинка:

Температуры плавления и кипения равны соответственно 427 и 907 ºС.
Нагрев до 100-150 градусов дает возможность прокатки и вытягивания металла; чем больше примесей в металле, тем более хрупким он становится.
Хотите услышать «оловянный крик» — сгибайте и разгибайте пруток или металлическую пластинку. Правда, на крик это мало похоже, скорее треск или скрип. Но для незамысловатого фокуса на вечеринке сойдет.

В природе металл состоит из пяти изотопов:

Смесь металлов — это сплав

Сплавы для промышленного использования содержат Zn-Al и Zn-Al-Cu. Почти всегда в состав добавляется магний (не более 0,1%). Сплавы цинка делятся на антифрикционные и литейные.

Марки антифрикционных сплавов: ЦАМ9-1,5; ЦАМ10-5.
Литейные марки: ЦА4, ЦА4М1, ЦА30М5.

Месторождения и руды

Нахождение в природе минералов, содержащих цинк, приурочено к терригенным и карбонатно-терригенным, вулканогенных формациям, известнякам и скарнам.

Происхождение металл берет в медно-цинковых, свинцово-цинковых, сульфидных рудах.

Самородный цинк существует, но встречается настолько редко, что его нельзя принимать в качестве металлургического сырья.

Извлекают руды в основном шахтным способом.

Интересно: самый большая в мире шахта, где добывают цинк — Rampura Agucha Mine — находится в штате Раджастан (Индия).

Основные руды на цинк:

Где искать цинк

Месторождения в мире (разведанные и подтвержденные) обещают, что цинком человечество обеспечено на 40 лет вперед.

Запасы в природе (в порядке уменьшения) распределены следующим образом:

Россия;
Австралия;
Китай;
Перу;
Мексика;
Казахстан;
США;
Индия.

Данные могут отличаться по разным статистическим источникам.

Мелкие месторождения имеют около 70 стран, но далеко не везде металл добывают.

Добыча в России возможна в Крыму, на Дальнем Востоке, Кольском полуострове, на Камчатке. Несмотря на огромный потенциал в запасах, Россия имеет не более 3% мировой добычи, да и потребляет металла мало. В основном он идет на экспорт.

Важно: запасы и добыча — две большие разницы. Лидирует в добыче Китай, Австралия сильно уменьшила добычу. В мировой добыче цинка доля нашей страны занимает всего 2%.

Производство металла

Невысокая температура кипения замедлила развитие промышленного производства металла. Обычные способы производства (нагревом смеси руды и угля) не проходили. Цинк испарялся и в виде паров уходил из печи с дымовыми газами. Когда научились конденсировать пары, появился дистилляционный метод выплавки, а производство металла увеличилось.

Сейчас в металлургии цинковые концентраты перерабатывают двумя методами — гидро- и пирометаллургическим.

В обоих случаях вначале происходит выплавка (обжиг) обогащенной руды в печи.

С помощью огненной металлургии цинк начали получать уже давно. Способ морально устарел; сейчас с его помощью выплавляют около 20% металла.

Остальные 80% получают гидрометаллургическим (электролитическим) методом.

Процесс высокомеханизирован.
Кроме нашего героя извлекаются сопутствующие ценные элементы.
Получение чистого цинка высокого качества.

Он нужен человеку

Сферы применения нашего героя очень широки, будь то чистый металл, его соединения или сплавы.

В порошкообразном состоянии он используется в качестве восстановителя во многих химических процессах. Это очистка растворов цинкового купороса, осаждение золота из растворов.

Цветное телевидение использует соединения металла в качестве люминофоров; основные цвета на экране (синий, красный, зеленый) дают ZnS·Ag, ZnSe·Ag, Zn3(PO4)2·Mn.

Сульфид цинка, активированный серебром, применяют в радиолокации.

Головной болью потребителей изделий из металлов (особенно черных) является ржавчина. Тут отлично помогает покрытие защитным металлом.

Способы оцинкования метизов и крепежа:

Плюсы метода: защитный слой образуется даже в труднодоступных местах.

Минус — ограничение температуры эксплуатации изделия (не более 370 градусов).

Познавательно: водопровод в Австралии был защищен от ржавчины холодным цинкованием в 50-х годах прошлого века. До сих пор покрытие не обновлялось — нужды не было.

Применение металла в строительстве естественно. Нержавеющие прочные крыши всегда «в тренде».

Батарейки, аккумуляторы содержат цинк. Многие химические источники тока содержат металл в отрицательном электроде.

Соединения металла пользуются спросом. Хлорид цинка применяют в производстве фибры, как флюс для пайки. Полиграфия стала использовать для литер сплав, содержащий почти 95% цинка (остальное алюминий и магний). В позапрошлом веке начали использовать цинкографию для иллюстраций печатных книг. Книги с картинками всегда интереснее, правда?

Он нужен всем

Цинк как микроэлемент необходим организму человека. Это естественный иммуномодулятор, регулятор функций центральной нервной системы, антиоксидант.

Наш организм — это большая совершенная лаборатория, где ежеминутно проходят множество реакций. Наш герой участвует в десятках из них: синтез белков, выработка пищеварительных ферментов, правильный метаболизм кислот. Мало цинка — получайте массу проблем в разных «точках» тела. А решить их просто, всего-то дать себе, любимому, нужное количество нужного микроэлемента.

Беременным в первом триместре необходимы препараты нашего героя, иначе не избежать токсикоза и всех связанных с ним «прелестей жизни».

Важно: исследователи полагают, что некоторые виды шизофрении вызываются недостатком цинка, марганца и витамина В6.

Мужчины, это ваш металл

Журнал Men’s Health назвал цинк «основным микроэлементом для мужского полового здоровья». Роль недостатка металла в развитии половых дисфункций доказана.

Подросткам для правильного развития половых органов цинк необходим. Недостаток может привести к замедлению роста, росту молочных желез, изменению голоса.

Сексуально активные мужчины теряют со спермой значительный запас цинка, поэтому им необходимо пополнять запас металла.

Ученые считают, что цинк предотвращает развитие аденомы простаты.

Не забывайте, что алкоголь «вымывает» полезный микроэлемент из организма. Может, отсюда мудрая поговорка «рожденный пить … любить не может».

Цена вопроса

Стоимость цинка — 2001 USD/тонна (на 13.05.2020); с чистотой 99,995 % он известен под аббревиатурой SHG.

Мне 42 года и я специалист в области минералогии. Здесь на сайте я делюсь информацией про камни и их свойства — задавайте вопросы и пишите комментарии!

Цинк металл или нет

Цинк — хрупкий переходный металл голубовато-белого цвета (тускнеет на воздухе, покрываясь тонким слоем оксида цинка). Эссенциальный (незаменимый) микроэлемент тканей человека. По количественному соотношению в организме занимает второе, после железа, место. Ему принадлежит ключевая роль в регенерации поврежденных тканей, так как без цинка нарушается синтез нуклеиновых кислот и белка.

Смотрите так же:

СТРУКТУРА

Кристаллы цинка имеют гексагональную упаковку атомов. Но в отличие от плотнейшей гексагональной упаковки сферических атомов решетки цинка вытянуты в одном направлении. Каждый атом окружен шестью другими атомами, лежащими в одной плоскости или слое. Расстояние между центрами соседних атомов в этом плоском слое а равно 0,26649 нм. Внешняя электронная конфигурация атома 3d 10 4s 2 . Не полиморфен.

СВОЙСТВА

При комнатной температуре хрупок, при сгибании пластинки слышен треск от трения кристаллитов (обычно сильнее, чем «крик олова»). Имеет низкую температуру плавления. Объем металла при плавлении увеличивается в соответствии со снижением плотности. С повышением температуры уменьшается кинетическая вязкость и электропроводность цинка и возрастает его удельное электрическое сопротивление. При 100—150 °C цинк пластичен. Примеси, даже незначительные, резко увеличивают хрупкость цинка. Является диамагнетиком.

ЗАПАСЫ И ДОБЫЧА

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.

Месторождения цинка известны в Иране, Австралии, Боливии, Казахстане. В России крупнейшим производителем свинцово-цинковых концентратов является ОАО «ГМК Дальполиметалл»

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.
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.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Цинк в природе как самородный металл не встречается. 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.

ПРИМЕНЕНИЕ

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.

Пластины цинка широко используются 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.

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.

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.

Цинк – польза и ограничения для человека

Цинк прочно прописался в жизни людей. Это и оцинкованная посуда, и сетка-рабица, и компонент витаминно-минеральных аптечных комплексов. Но металл коварен, взаимодействие с ним требует осмотрительности.

Что представляет собой

Цинк – это химический элемент, простое по составу вещество. При обычных условиях – хрупкий блестящий белый металл с голубоватостью.

По классификации цветных металлов причислен к «тяжелой» группе.

Международное обозначение – Zn (Zincum).

История

В древнем мире знали латунь (медно-цинковый сплав). Получить цинк как металл удалось к XVIII веку англичанину Вильяму Чемпиону. Он же основал первый завод. Позже его соотечественники разработали способ прокатки металла.

Однако первооткрывателем в историю вошел немец Андреас Маргграф. Он отработал схожий метод, детально прописав технологию.

В России пробную партию цинка получили к 1905 году.

Через десять лет в Северной Америке цинк добыли электролитическим способом.

Термины zincum, zinken первым применил химик и лекарь Средневековья Парацельс. Оно созвучно немецкому слову «зубец». Так выглядят фрагменты металлического цинка.

Физико-химические характеристики

На воздухе блестящий металл покрывается пленкой-оксидом. Из-за такого химического свойства выглядит тусклым.

Взаимодействие с металлами начинается при 450°С.

Главный минус металла: увеличение хрупкости в разы от малой толики примесей.

Сгибая цинковую пластинку, можно услышать треск. Его порождает структура решетки.

Нахождение в природе

Нахождение в природе самородного цинка не зафиксировано, только почти семь десятков минералов.

Самый «раскрученный» – сфалерит. Это сульфид цинка плюс примеси, придающие разноцветность.

Сфалерит

Второе название – цинковая обманка – обусловлено трудностью определения элемента (от древнегреческого σφαλερός – обманщик). Он классифицируется как первичный, «родитель» других минералов: смитсонита, цинкита, каламина. А также «бурундучной» руды. Так окрестили жители Алтая пестрый конгломерат цинковой обманки с бурым шпатом.

Запасы

Маркеры при добыче цинка – кислые либо основные породы вулканического происхождения.

Среднее содержание металла в коре планеты – 8,3х10-3%.

Это подвижный активный элемент: реки, термальные, грунтовые воды переносят его со свинцом, сероводородом, глинами. В результате формируется осадок из сульфидов цинка.

Крупными запасами располагают Австралия, Боливия, Казахстан, Иран.

У России это Таймыр, Красноярский край. Запасы оцениваются полумиллионом тонн.

Технология получения

Благодаря химическим и физическим свойствам металл – четвертый в мире по востребованности (впереди только железо, алюминий, медь). Мировое производство исчисляется миллионами тонн ежегодно.

Его добывают из полиметаллических руд (0,9-3,9% цинка). Руды обогащают методом разделительной флотации. Получаются концентраты: цинковые (52-61%), свинцовые, медные.

Электролитический (гидрометаллургический) метод

Главный метод получения чистого цинка:

Концентраты обжигают, воздействуют серной кислотой.
Получается растворенный сульфат, который избавляют от примесей, осаждая цинковой пылью.
Продуктом загружают ванны с внутренним свинцовым либо пластиковым покрытием.
Запускают ток (процесс электролиза).
Цинк аккумулируют на себе катоды.

Оттуда его соскребают, отправляют на выплавку в печи.

Пирометаллургический (дистилляционный) метод

Концентрат обжигают, спекают, после чего восстанавливают коксом либо углем. Образующиеся пары металла превращают в конденсат, разливают по изложницам.

Жидкий металл очищают от железа, свинца отстаиванием при 500°C. Примесей остается 1,3%. Чистоты 99,994% (плюс извлечение кадмия) добиваются ректификацией.

Способы оцинкования

Металлы ржавеют в воде, влажном воздухе. Для решения этой проблемы их покрывают защитным слоем. Самый распространенный материал – цинк. Попутно обеспечивается защита от воздействия тока и химикалий.

Различные способы оцинкования металла создают покрытие толщиной 0,005 – 1,5 мм.

Слой металла наносят несколькими способами.

Холодный

Применяется на любых материалах, кроме сплавов магния и высокопрочной стали.

Поверхность очищают от пыли, грязи, ржавчины, окалины. Наносят состав для холодной цинковки.

Холодное оцинкование – единственный из методов, который возможно проводить в домашней мастерской.

Горячий

Образец очищается, моется, протравливается, погружается в ванну с расплавленным цинком. На поверхности формируется покрытие в 0,035-0,097 мм.

Горячий способ оцинкования оптимален по соотношению цена – надежность – универсальность.

Гальванический

На очищенную поверхность способом электролиза наносится слой цинка. Электролитом служит водно-цинковая среда.

Воздействие постоянного тока на поверхность заготовки (катод) осаждает ионы цинка (выделяются электролитом). Анодом выбирают цинковый материал.

Технология позволяет создавать слой 0,005 – 0,5 мм.

Высокая производительность.
Низкая себестоимость.
Равномерность покрытия.
Работа с формами любой структуры, включая пористую.
Создание декоративной оцинковки.

Эти характеристики сделали метод самым востребованным.

Минусы: губительность для экологии, хрупкость изделия при нарушении технологии.

Газотермический

Струя цинковой взвеси напыляется на поверхность изделия под углом.

Неравномерность толщины слоя.
Сложность контроля процесса.
Дороговизна (втрое-вчетверо) по сравнению с другими способами.

Плюс: годится для обработки изделий любых форм, габаритов. Термодиффузионный

Реторту с шихтой и образцами помещают в камеру, снабженную индуктором. Тепло от реторты, изделий нагревает шихту.

В магнитном поле индуктора в изделиях образуются токи, нагревающие их за полчаса до 500-800°C.

Результат: 98% верхнего слоя покрытия – чистый цинк.

Толщина металлического слоя при термодиффузионном способе определяется параметрами изделий, шихты, временем прогрева, температурой.

Где применяется

Свойства металла, его сплавов, соединений обусловили их использование в металлургии, электротехнике, медицине.

Чистый металл

Отрицательный электрод батареек, аккумуляторов.
Восстановитель благородных металлов.
Защитное покрытие стали от коррозии.
Компонент твердых припоев для повышения легкоплавкости.
Извлекатель металлов из чернового свинца.

До середины XX века популярной сферой применения цинка была полиграфия. Для создания черно-белых иллюстраций в газетах или книгах использовался метод цинкографии. На цинковой пластине кислотой вытравливалось изображение. Затем с нее на печатной машине делались оттиски.

Слитки цинка

Сплавы

Цинк востребован как компонент сплавов с металлами. Например, латуни.

Она используется машиностроителями для точного литья:

Автомобильная фурнитура.
Оболочка карбюраторной коробки.
Затворы травматических пистолетов.

Пятая часть сырья идет на производство автошин и масляных красок.

Соединения

Применение нашли соединения металла, созданные природой или человеком:

Хлорид – паяние металлов, изготовление фибры.
Теллурид, селенид, фосфит – полупроводники.
Селенид задействован при изготовлении специальных сортов стекла для лазеров.
Окись – исходник для цинковых белил.
Сульфид – компонент люминофоров (гибкие панели, экраны).

Фосфитом металла изничтожают грызунов.

Значение для человека

Цинк – незаменимый компонент тканей тела. Второй по количеству после железа микроэлемент. Без него не синтезируются белок, нуклеиновые кислоты.

Жизненные процессы

Металл задействован при следующих процессах:

Регенерация тканей.
Метаболизм витамина Е.
Синтез тестостерона, инсулина, гормонов роста, других.
Расщепление алкоголя.
Функционирование простаты, продуцирование спермы.

Организм человека средней комплекции содержит до 2 г соединений цинка.

Места аккумуляции металла – мышечная ткань, печень, поджелудочная железа, простата.

Питание

Суточный «норматив» цинка для женщин/мужчин – 9/12 мг.

Семечки тыквы, подсолнечника.
Мясо.
Твердые сорта сыра.
Устрицы.
Овсянка.
Горох, фасоль, нут, маш.
Горький шоколад.

Дефицит цинка порождает раздражительность, депрессию. На физическом плане – анемичность, немотивированное истощение, амнезию, ослабление зрения, аллергию.

Применение металла медициной – окись цинка (цинковая мазь). Это популярный антисептик, противовоспалительное средство.

Предостережение

Неконтролируемое поступление металла в организм вызывает отравление. Его порождают сульфаты или хлориды. Они могут образоваться при хранении пищи в оцинкованной посуде.

Симптомы отравления парами цинка:

Сильная жажда.
Сладковатый привкус во рту.
Утрата либо снижение аппетита.
Сухой кашель.

Человек чувствует себя разбитым, усталым. Ощущает сонливость, боль в груди.

Для тяжелой формы отравления достаточно 1 грамма сульфата цинка.

Выводить токсины нужно немедленно. Их присутствие провоцирует малокровие, торможение роста, бесплодие.

Стоимость цинка определяется Лондонской биржей металлов. В конце января 2021 года за тонну выкладывали $2800.

Цинк

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 при нормальных условиях — хрупкий переходный металл голубовато-белого цвета (тускнеет на воздухе, покрываясь тонким слоем оксида цинка). Название на английском - Zinc.

Хрупкий металл голубовато-белого цвета

Содержание

1 История
2 Происхождение названия
3 Нахождение в природе
- 3.1 Месторождения
- 7.1 Мировое производство
- 8.1 Содержание в продуктах питания
- 8.2 Основные проявления дефицита цинка
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 был запатентован дистилляционный способ получения цинка. 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. В 1746 А. С. Маргграф в Германии разработал похожий способ получения чистого цинка путём прокаливания смеси его оксида 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.

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

Происхождение названия

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

Известно 66 минералов цинка, в частности цинкит, сфалерит, виллемит, каламин, смитсонит, франклинит. Наиболее распространённый 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.

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

Месторождения цинка известны в Иране, Австралии, Боливии, Казахстане. В России крупнейшим производителем свинцово-цинковых концентратов является ОАО «ГМК Дальполиметалл».

Получение

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, обожжённый концентрат подвергают спеканию для придания зернистости и газопроницаемости, а затем восстанавливают углём 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 обожжённой 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 дутьём. 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 учёте 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 = 0,49431 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⋅10 28 м −3 .

Химические свойства

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:

Оксид цинка реагирует как с растворами кислот:

Цинк обычной чистоты активно реагирует с растворами кислот:

и растворами щелочей:

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 Zn 2+ образуют аквакомплексы [Zn(H₂O)₄] 2+ и [Zn(H₂O)₆] 2+ .

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, 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, 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).

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.

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

Цинк — четвёртый по использованию металл в мире после железа, алюминия и меди, и третий среди цветных металлов. Производство цинка в мире за 2009 год составило 11,277 млн т, что на 3,2 % меньше, чем в 2008 г.

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

Биологическая роль

В организме взрослого человека содержится в среднем около 2 г цинка, в виде его соединений, 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 Zn 2+ в составе ферментов вызывают поляризацию молекул воды и органических веществ, содействуя их депротонированию по реакции:

Zn 2+ + 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 CO₂ 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 CO₂ превращается в гидрокарбонат-анион, который покидает активный центр фермента, замещаясь на молекулу воды. Фермент ускоряет эту реакцию гидролиза в 10 миллионов раз.
- необходим для продукции спермы и мужских гормонов
- необходим для метаболизма витамина E.
- важен для нормальной деятельности простаты.
- участвует в синтезе разных анаболических гормонов в организме, включая инсулин, тестостерон и гормон роста.
- необходим для расщепления алкоголя в организме, так как входит в состав алкогольдегидрогеназы.
Содержание в продуктах питания

Рекомендуемая дневная норма цинка в рационе — 11 мг для мужчин и 8 мг для женщин. 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:
- Орехи и семечки: тыквенные семечки — 10 мг, кунжут — 7 мг, семена подсолнечника — 5,3 мг, миндаль — 3 мг, грецкие орехи — 3 мг.
- Мясо: говяжья печень — 4 мг, говядина — 3—8,4 мг, баранина — 2—6 мг, курица — 0,8—3,5 мг, свинина — 0,8—3,5 мг.
- Бобовые: чечевица — 4,78 мг, арахис — 4 мг, горох — 1,2 мг, соевые бобы — 3 мг.
- Молочные продукты: твёрдый сыр — 3—4 мг, мороженое, йогурт — 0,7—0,8 мг, молоко — 0,4 мг.
- Злаки и хлеб: овёс — 3,97, пшеница — 3,46 мг, рожь — 2,65 мг, рис — 1 мг, хлеб — 0,7—1,5 мг, печенье — 0,5—1 мг, мука пшеничная — 0,8 мг.
- Рыба и морепродукты: устрицы — 16—40 мг, анчоусы — 1,72 мг, осьминог — 1,68 мг, карп — 1,48 мг, икра — 1 мг, сельдь — 0,99 мг.
- Овощи и фрукты: зелёный горошек — 1,24 мг, ростки бамбука — 1,10 мг, кукуруза (варёная, консервированная) — 0,5—0,6 мг, финики — 0,44 мг, малина — 0,42 мг, брокколи — 0,41 мг, свёкла — 0,35 мг, картофель — 0,29 мг, чёрная смородина — 0,27 мг, инжир, бананы — 0,15 мг, апельсины — 0,07 мг, грейпфрут — 0,07 мг, лимоны — 0,06 мг, яблоки — 0,04 мг.
- Сладости: какао-порошок (неподслащенный) — 6,81 мг, шоколад — 2,3 мг, шоколадные конфеты — 1—2 мг, мёд — 0,22 мг.
Также цинк может присутствовать в минеральной воде.

Основные проявления дефицита цинка

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.

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

Токсичность

При длительном поступлении в организм в больших количествах все соли цинка, особенно сульфаты и хлориды, могут вызывать отравление из-за токсичности ионов Zn 2+ . 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.

Цинк: производство и применение

Цинк – это металл, стоящий в таблице Менделеева, под номером 30 и имеет обозначение Zn. Плавится при температуре 419 °С градусов, если же температура кипения 913 °С – начинает превращаться в пар. При температурном обычном режиме, состояние хрупкое, а при ста градусах начинает гнуться.

Цвет цинка сине-белый. При воздействии кислорода появляется окисление, а также покрытие карбоната, предохраняющего металл от дальнейшей реакции окисления. Появление на цинке гидроокиси обозначает то, что вода на химический элемент не действует.

Цинк — химический элемент, имеет свои отличительные свойства, преимущества и недостатки. Он широко применяется в повседневной жизни человека, в фармацевтике и металлургии.

Особенности цинка

Металл является необходимым и широко применяемым практически во всех отраслях повседневной жизни человека.

Добыча в основном, производится в Иране, Казахстане, Австралии, Боливии. В России изготовителем является ОАО «ГМК Дальполиметалл».

Это переходной металл, имеет степень окисления +2, радиоактивный изотоп, период полураспада 244 дня.

Водный арсенат кадмия, цинка и меди

В чистом виде элемент не добывается. Содержится в рудах и минералах: клейофане, марматите, вюртците, цинките. Обязательно присутствует в сплаве с алюминием, медью, оловом, никелем.

Химические, физические свойства и характеристики цинка

Цинк – металл, обладает рядом свойств и характеристик, отличающих его от иных элементов периодической таблицы.

К физическим свойствам цинка относится его состояние. Основным фактором выступает температурный режим. Если при комнатной температуре это хрупкий материал, плотность цинка 7130 кг/м 3 (˃ плотности стали), который практически не гнётся, то при повышении он легко изгибается и прокатывается в листах на заводах. Если взять более высокий температурный режим – материал приобретает жидкое состояние, а если еще поднять температуру на 400-450 °С градусов, тогда он просто испарится. В этом уникальность – менять своё состояние. Если же подействовать кислотами и щелочами, он может рассыпаться, взорваться, расплавиться.

Цинк в жидком состоянии

Формула цинка Zn – zincum. Атомная масса цинка 65.382 а.е.м.

Электронная формула: ядро атома металла содержит 30 протон, 35 нейтрон. В атоме 4 энергетических уровня – 30 электронов. (рис. строение атома цинка)1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 .

Кристаллическая решётка цинка – шестиугольная кристаллическая система с плотно прижатыми атомами. Данные решётки: A=2.66У, С=4.94.

Структура и состав цинка

По применению среди всех элементов периодической таблицы металл стоит на 23 месте. В природе элемент выступает в виде сульфида с примесями свинца Pb, кадмия Cd, железа Fe, меди Cu, серебра Ag.

В зависимости от того, какое количество примесей, металл имеет маркировку.

Производство цинка

Как было сказано выше, чистого вида данного элемента в природе нет. Он добывается из иных пород, таких как руда – кадмий, галлий, минералы – сфалерит.

Металл получают на заводе. Каждый завод имеет свои отличительные особенности производства, поэтому оборудование для получения чистого материала различно. Оно может быть таким:
- Роторы, расположенные вертикально, электролитные.
- Специальные печи с достаточно высокой температурой для обжига, а также специальные электропечи.
- Транспортёры и ванны для электролиза.
В зависимости от принимаемого метода добычи металла, задействовано соответствующее оборудование.

Получение чистого цинка

Как упоминалось выше – в природе чистого вида нет. В основном добыча производится из руд, в которых он идет с различными элементами.

Для получения чистого материала задействован специальный флотационный процесс с избирательностью (селективностью). После проведения процесса руда распадается на элементы: цинк, свинец, медь и так далее.

Добытый таким методом чистый металл обжигается в специальной печи. Там при определенных температурах сульфидное состояние материала переходит в оксидное. При обжиге выделяется газ с содержанием серы, направляемый для получения серной кислоты.

Есть 2 способа получения металла:
1. Пирометаллургический – идет процесс обжигания, после — полученная масса восстанавливается с помощью чёрного угля и кокса. Конечным процессом является отстаивание.
2. Электролитический – добытая масса обрабатывается серной кислотой. Полученный раствор подвергают электролизу, при этом металл оседает, его плавят в печах.
Выплавка цинка в печи

Температура плавления цинка в печи 419-480 °С градусов. Если же температурный режим превышен, тогда материал начинает испаряться. При данной температуре допускается примесь железа 0.05%.

При процентной ставке 0.2 железа, лист невозможно будет прокатать.

Применяются различные способы выплавки чистого металла, вплоть до получения цинковых паров, которые направляются в специальные резервуары и там вещество опадает вниз.

Применение металла

Свойства цинка позволяют его применение во многих сферах. В процентном соотношении:
1. Цинкование – до 60%.
2. Медицина – 10%.
3. Различные сплавы, содержащие данный металл 10%.
4. Выпуск шин 10%.
5. Производство красок – 10%.
А также применение цинка необходимо для восстановления таких металлов, как золото, серебро, платина.

Цинк в металлургии

Металлургическая промышленность задействует данный элемент периодической таблицы как основной для достижения определенных целей. Выплавка чугуна, стали является главной во всей металлургии страны. Но, данные металлы подвержены негативному влиянию окружающей среды. Без определенной обработки идет быстрое окисление металлов, что приводит к их порче. Наилучшей защитой служит оцинкование.

Нанесение защитной плёнки на чугун и сталь является лучшим средством от коррозии. На оцинкование уходит около 40% всего производства чистого материала.

Металлургические заводы отличительны не только своим оборудованием, но и применяемыми методами производства. Это зависит от ценовой политики, и месторасположения (природных ресурсов, используемых для металлургической промышленности). Есть несколько методов оцинкования, которые рассматриваются ниже.

Горячий способ оцинкования

Данный способ заключается в обмакивании металлической детали в жидком растворе. Происходит это так:
1. Деталь или изделие обезжиривается, очищается, промывается и сушится.
2. Далее, цинк расплавляется до жидкого состояния при температуре до 480 °С.
3. В жидкий раствор опускается подготовленное изделие. При этом оно хорошо смачивается в растворе и образуется покрытие толщиной до 450 мкм. Это является 100% защитой от воздействия внешних факторов на изделие (влага, прямые солнечные лучи, вода с химическими примесями).
Горячее цинкование металлоконструкций

Но, данный метод имеет ряд недостатков:
- Цинковая пленка на изделии получается неравномерного слоя.
- Нельзя использовать данный метод для деталей, отвечающих точным стандартам по ГОСТу. Где каждый миллиметр считается браком.
- После горячего оцинкования, не каждая деталь останется прочной и износостойкой, поскольку после прохождения высокой температуры появляется хрупкость.
А также данный метод не подходит для изделий, покрытых лакокрасочными материалами.

Холодное оцинкование

Этот метод носит 2 названия: гальванический и электролитический. Методика покрытия изделия защитой от коррозии такова:
1. Металлическая деталь, изделие подготавливается (обезжиривается, очищается).
2. После этого проводится «метод окрашивания» — применяется специальный состав, имеющий главный компонент – цинк.
3. Деталь покрывается данным составом методом распыления.
Благодаря этому методу защитой покрываются детали с точным допуском, изделия, покрытые лакокрасочными материалами. Повышается стойкость к внешним факторам, приводящим к коррозии.

Недостатки данного метода: тонкий защитный слой – до 35 мкм. Это приводит к меньшей защите и небольшим срокам защиты.

Термодиффузионный способ

Данный метод делает покрытие, которое является электродом с положительной полярностью, в то время как металл изделия (сталь) становится отрицательной полярности. Появляется электрохимический защитный слой.

Метод применим только в случае, если детали произведены из углеродистой стали, чугуна, стали с примесями. Цинк используется таким образом:
1. При температуре от 290 °С до 450 °С в порошковой среде, поверхность детали насыщается Zn. Здесь маркировка стали, а также тип изделия имеют значение – выбирается соответствующая температура.
2. Толщина защитного слоя достигает 110 мкм.
3. В закрытый резервуар помещается изделие из стали, чугуна.
4. Добавляется туда специальная смесь.
5. Последним шагом является специальная обработка изделия от появления белых высолов от солёной воды.
В основном данным методом пользуются в случае, если требуется покрыть детали, имеющие сложную форму: резьбу, мелкие штрихи. Образование равномерного защитного слоя является важным, поскольку данные детали претерпевают множественное воздействие внешней агрессивной среды (постоянная влага).

Данный метод дает самый большой процент защиты изделия от коррозии. Оцинкованное напыление является износостойким и практически нестираемым, что очень важно для деталей, которые время о времени крутятся и разбираются.

Иные сферы применения цинка

Помимо оцинкования, металл применяется и в других сферах промышленности.
1. Цинковые листы. Для производства листа выполняется прокатка, в которой важна пластичность. Это зависит от температурного режима. Температура в 25 °С дает пластичность только в одной плоскости, что создает определенные свойства металла. Тут главное для чего изготавливается лист. Чем выше температура, тем тоньше получается металл. В зависимости от этого идет маркировка изделия Ц1, Ц2, Ц3. После этого из листов создаются различные изделия для автомобилей, профиля для строительства и ремонта, для полиграфии и так далее.
2. Цинковые сплавы. Для улучшенных свойств металлических изделий, добавляется цинк. Данные сплавы создаются при высоких температурах в специальных печах. Чаще всего производятся сплавы из меди, алюминия. Данные сплавы применяются для производства подшипников, различных втулок, которые применимы в машиностроении, судостроении и авиации.
В домашнем обиходе оцинкованное ведро, корыто, листы на крыше – это норма. Применяется цинк, а не хром или никель. И дело не только в том, что оцинкование дешевле, чем покрытие другими материалами. Это наиболее надёжный и продолжительный по службе эксплуатации защитный материал нежели, хром или другие применяемые материалы.

В итоге – цинк наиболее распространенный металл, применяемый широко в металлургии. В машиностроении, строительстве, медицине – материал применим не только как защита от коррозии, но и для увеличения прочности, продолжительного срока эксплуатации. В частных домах оцинкованные листы защищают крышу от осадков, в зданиях выравниваются стены и потолки гипсокартонными листами на основе оцинкованных профилей.

Практически у каждой хозяйки в доме есть оцинкованное ведро, корыто, которым она пользуется длительное время.

Читайте также: