Цинк является химическим элементом периодической таблицы Д.И. Менделеева с атомным номером 30 и условным обозначением Zn. Цинк в свободном виде при нормальных условиях после удаления окисления представляет собой блестяще серый хрупкий металл.
Открытие
История цинка в процессе эволюции человечества начинается задолго до наступления Нашей Эры. Археологи продолжают делать потрясающие находки в разных регионах по всему миру. Сегодня предполагается, что производство латуни было освоено в Древней Греции как минимум в VII веке до Нашей Эры, а цинк является основным легирующим элементом для данного сплава. В данном регионе обнаруживались украшения из сплавов содержащие 85-90% цинка, которые были произведены приблизительно во втором тысячелетии до Нашей Эры.
Цинк впервые был задокументирован как металл в медицинском трактате индуистского царя Маданапале из династии Така, который предположительно написал его около 1374 года Нашей Эры и назвал его «ясада». Плавка и извлечение неочищенного цинка путем восстановления каламина шерстью и другими органическими веществами так же предположительно были впервые осуществлены в Индии около 13 века.
Само название «цинк» было впервые задокументировано известным алхимиком немецкого происхождения Парацельсом в своей книге Liber Mineralium II в 16 веке. Слово произошло от немецкого zinke и предположительно означало «зубовидный, заостренный или неровный», так как кристаллы металлического цинка имеют игольчатый вид. Фламандский металлург и алхимик П. М. де Респур сообщил, что в 1668 году он извлек металлический цинк из оксида цинка, но доказательств эксперимента предоставлено не было.
Немецкий химик Андреас Маргграф в мировом научном сообществе обычно отмечается как первый человек выделивший чистый металлически цинк, но шведский химик Антон фон Шваб перегнал цинк из каламина четырьмя годами ранее. В своем эксперименте 1746 года Маргграф нагревал смесь каламина и древесного угля в закрытом сосуде без меди, чтобы получить металл и эта процедура стала коммерчески практичной к 1752 году. Впоследствие начали появляться первые производственные площадки по извлечению цинка, которые начали распространяться по всему миру. Первый очищенный кусок цинка в России был получен на заводе «Алагир» 1 января 1905 года.
Интересное:
Характеристики
| Физические характеристики | |
|---|---|
| Состояние при Н.У. | Твердое |
| Температура плавления | 419,53 °С |
| Точка кипения | 907 °С |
| Плотность при Н.У. | 7,14 г/см 3 |
| Твердость по шкале Мооса | 2.5 |
| Критическая точка | — |
| Мол. теплота плавления | 7,28 кДж/моль |
| Мол. теплота испарения | 115 кДж/моль |
| Мол. теплоемкость | 25,4 Дж/(моль·К) |
| Молярный объем | 9.2 см 3 ·моль -1 |
| Химические характеристики | |
|---|---|
| Атомный номер(Z) | 30 |
| Атомная масса | 65.38 |
| Электронная конфигурация | 3d104s2 |
| Радиус атома | 138 пм |
| Ковалентный радиус | 125 пм |
| Степени окисления | 0, +2 |
| Радиус иона | 74 пм |
| Электроотрицательность | 1.65 (шкала Полинга) |
| Энергия ионизации | 905.8 кДж/моль |
| Изотопы | ⁶⁴Zn; ⁶⁵Zn; ⁶⁶Zn; ⁶⁷Zn; ⁶⁸Zn; ⁶⁹Zn; ⁷⁰Zn; |
Интересное:
Добыча и производство
Цинк является относительно распространенным минералом на планете Земля. Его концентрация в земной коре оценивается в 76 частей на миллион(ppt) и является более часто встречающимся чем медь или свинец.
Цинк преимущественно содержится в рудах в связанном виде . Наиболее распространенными и наиболее важными для добычи цинка рудами являются сульфиды. Они встречаются в природе в виде сфалерита или вюрцита и содержат около 65% цинка. Другая цинковая руда — каламин, который относится как к смитсониту (также цинковому шпату ) ZnCO 3 (ок. 52% цинка), так и к виллемиту Zn2[SiO4]. Существуют также еще более редкие минералы цинка, такие как цинкит (также красная цинковая свеча ), ZnO (около 73% цинка), гемиморфит Zn4(OH)2[Si2O7] (54% цинка), адамин Zn2(AsO4)(OH) (ок. 45 % цинка), минрекордит CaZn[CO3]2(ок. 29 % цинка) и франклинит (Zn,Fe,Mn)(Fe2Mn2)O4(16 % цинка) ).
Всего известно более 330 минералов цинка по состоянию на 2024 год. Крупные месторождения существуют в России, США, Канаде, Австралии, Иране, Боливии, Китайской Народной Республике и Казахстане.
Металлический цинк получают с помощью экстракционной металлургии. Руда тонко измельчается, затем подвергается пенной флотации для отделения минералов от пустой породы и получения концентрата сульфидной цинковой руды, состоящего примерно из 50% цинка, 32% серы, 13% железа и 5% SiO2. Обжиг преобразует концентрат сульфида цинка в оксид цинка:
2ZnS + 3O2 → 2ZnO + 2SO2
Для дальнейшей обработки используются два основных метода: пирометаллургия или электролиз. Пирометаллургия восстанавливает оксид цинка углеродом или оксидом углерода при 950 °C (1740 °F) в металл, который перегоняется в виде паров, чтобы отделить его от других металлов, которые не летучи при этих температурах. Затем пары цинка собираются в конденсаторе:
ZnO + C -950°C→ Zn + CO
ZnO + CO -950°C→ Zn + CO2
При электролизе цинк выщелачивается из рудного концентрата серной кислотой, а примеси осаждаются:
Zn + H2SO4 → ZnSO4 + H2O
2ZnSO4 + 2H2O → 2Zn + O2 + 2H2SO4
Ежегодное мировое производство цинка оценивается приблизительно в 13 миллионов тонн.
Интересное:
Применение
Применение такого химического элемента как цинк довольно обширное и разнообразное. Основными сферами применения цинка являются оцинковка, производство сплавов, химия, пищевая промышленность, фармакология и другие.
Около половины всего производимого цинка расходуется на защиту металлов(железо и сталь) от коррозии в процессе под названием оцинковка. Этот метод антикоррозийной защиты является наиболее эффективным и распространенным на сегодняшний день. Названия и методология процесса могут различаться, но суть остается неизменной — цинк различными способами наносится на металл, который впоследствие способен защитить от коррозии на десятилетия.
Около 35% от общего количества произведенного цинка тратится на производство различного рода сплавов. Из которых на производство латуни и бронзы уходит плюс минус половина. Вероятно ни для кого не секрет, что на описание применения только латуни и бронзы можно потратить очень много времени. Другими важными цинкосодержащими сплавами являются химические соединения с медью, серебром, алюминием, титаном, кадмием и другими элементами. Все сплавы обладают уникальными свойствами, которые впоследствие реализуются в различного рода применениях.
Сплавы цинка и алюминия могут применяться для изготовления штамповочных штампов для мелкосерийного производства. Другие широко используемые цинковые сплавы включают никелевое серебро, металл для пишущих машинок, мягкий припой и коммерческую бронзу. Сплавы цинка также используется для производства современных музыкальных инструментов, автомобилестроении и изготовления полупроводниковой продукции.
Оксид цинка широко используется в качестве белого пигмента в красках и в качестве катализатора в производстве резины для рассеивания тепла. Оксид цинка используется для защиты резиновых полимеров и пластиков от ультрафиолетового излучения (УФ). Полупроводниковые свойства оксида цинка делают его полезным в варисторах и фотокопировальных продуктах. Цинк является важным химическим элементом в технологическом процессе производства водорода.
Хлорид цинка часто добавляют в древесину в качестве антипирена, а иногда и в качестве консерванта древесины. Он так же используется в производстве других химикатов. Метилцинк (Zn(CH3)2) используется в ряде органических синтезов. Сульфид цинка (ZnS) используется в люминесцентных пигментах, таких как стрелки часов, рентгеновские и телевизионные экраны, а также светящиеся краски. Кристаллы ZnS используются в лазерах, работающих в средней инфракрасной части спектра. Соединения цинка используются в красителях и пигментах для различного рода целей.
Цинковый порошок иногда используется в качестве топлива в моделях ракет. Когда сжатая смесь 70% цинка и 30% серы воспламеняется, происходит бурная химическая реакция. В результате образуется сульфид цинка, а также большое количество горячего газа, тепла и света. Все вышеперечисленные применения составляют лишь малую часть от их общего объеа.
Интересное:
Безопасность
Цинк является необходимым для человеческого организма веществом, который выполняет множество различных функций включая метаболизм сахара, белков и жиров, а так же является компонентом различных ферментов. Сведений об отравляющих свойствах цинка не много и известно, что мелкодисперсный цинк раздражает слизистые оболочки в организме человека и способен вызывать сухость во рту, першение горла, кашель и раздражать слизистые оболочки глаз. О каких-либо серьезных острых эффектах воздействия цинка на данный момент неизвестно.