Химические свойства цинка и его соединений. Цинк металл. Свойства, добыча и применение цинка Цинк химические свойства реакции

• Обозначение - Zn (Zincum);
• Период - IV;
• Группа - 12 (IIb);
• Атомная масса - 65,39;
• Атомный номер - 30;
• Радиус атома = 138 пм;
• Ковалентный радиус = 125 пм;
• Распределение электронов - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 ;
• t плавления = 419,88°C;
• t кипения = 907°C;
• Электроотрицательность (по Полингу/по Алпреду и Рохову) = 1,65/1,66;
• Степень окисления: +2, 0;
• Плотность (н. у.) = 7,13 г/см 3 ;
• Молярный объем = 9,2 см 3 /моль.

Цинк люди использовали еще до нашей эры в виде его сплава с медью - латуни. Впервые чистый цинк удалось выделить англичанину Уильяму Чемпиону в 18 веке.

В земной коре цинка содержится 8,3·10 -3 % по массе. Много цинка содержится в термальных источниках, из которых происходит осаждение сульфидов цинка, имеющих важное промышленное значение. Цинк играет активную роль в жизни животных и растений, являясь важным биогенным микроэлементом.

Рис. Строение атома цинка .

Электронная конфигурация атома цинка - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 (см. Электронная структура атомов). Предпоследний электронный слой атома цинка полностью заполнен, а на внешнем слое находится два s-электрона, которые и взаимодействуют с другими элементами, поэтому в соединениях цинк проявляется степень окисления +2. (см. Валентность). Цинк обладает высокой химической активностью.

Физические свойства цинка:

• голубовато-белый металл;
• хрупкий при н. у.;
• при нагревании более 100°C хорошо куется и прокатывается;
• обладает хорошей тепло- и электропроводностью.

Химические свойства цинка:

• на воздухе быстро окисляется, покрываясь тонкой пленкой оксида цинка, предохраняющей металл от дальнейшей реакции;
• при нагревании реагирует с кислородом, хлором, серой, образуя оксиды, хлориды, сульфиды соответственно:
  2Zn + O 2 = 2ZnO; Zn + Cl 2 = ZnCl 2 ; Zn + S = ZnS.
• реагирует с разбавленной серной кислотой и растворами кислот неокислителей, вытесняя из них водород:
  Zn + H 2 SO 4(рзб.) = ZnSO 4 + H 2 ; Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2 ;
• реагирует с азотной и концентрированной серной кислотой, восстанавливая азот или серу соответственно:
  Zn + H 2 SO 4(кнц.) = ZnSO 4 + SO 2 + 2H 2 O;
• реагирует при нагревании с растворами щелочей, образуя гидроцинкаты: Zn + 2NaOH + 2H 2 O = Na 2 + H 2 ;
• вытесняет менее активные металлы (см. электрохимический ряд напряжений металлов) из растворов их солей: Zn + CuCl 2 = ZnCl 2 + Cu.

Получение цинка:

• чистый цинк получают электролизом его солей;
• промышленным способом цинк получают из сульфидных руд:
  • на первом этапе получают оксид цинка, подвергая руду окислительному обжигу: 2ZnS + 3O 2 = 2ZnO + 2SO 2 ;
  • на втором этапе оксид цинка восстанавливают углем при высокой температуре: ZnO + C = Zn + CO.

Применение цинка:

• в качестве антикоррозионного покрытия металлических изделий (цинкование);
• для изготовления сплавов, широко применяющихся в машиностроении;
• в АКБ и сухих элементах;
• в лакокрасочной промышленности (изготовление цинковых белил);
• как восстановитель в реакциях органического синтеза.

Элемент цинк (Zn) в таблице Менделеева имеет порядковый номер 30. Он находится в четвертом периоде второй группы. Атомный вес - 65,37. Распределение электронов по слоям 2-8-18-2

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

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 (гидроксоцинкатов):

Zn + 2OH + 2H2O = + 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.) . 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. 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:

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.

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

Суммарное уравнение

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:

2ZnS+3O2→ 2ZnO+2SO2

В общем виде:

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

Роль цинка в организме человека

Среднее содержание цинка – 2-3 грамма. Часть его накапливается в мышечной и костной ткани, 20% - в кожных покровах. Этот микроэлемент содержится в лейкоцитах, эритроцитах, сперме, в предстательной и поджелудочной железе и печени. Входит в состав порядка 400 ферментов, самый изученный – карбоангидраза. Белок, содержащий цинк, находится в эритроцитах. Он расщепляет углекислоту на угольную кислоту и гидрокарбонат с целью утилизации из организма. Чистый углекислый газ в кровяном русле образует газовые пробки, а вот его производная – угольная кислота, водорастворима и легко разлагается под воздействием фермента.

Функции цинка в организме:

• Участвует в расщеплении и синтезе углеводов, белков и жиров.
• Входит в состав гормонов, антител, лейкоцитов, повышает иммунитет.
• Повышает регенеративные способности организма.
• Осуществляет детоксикацию двуокиси углерода из организма.
• Влияет на формирование мужских половых гормонов, поддерживает здоровье простаты.
• Участвует в обменных процессах щитовидной железы, надпочечников, яичников и гипофизе. Защищает от повреждений поджелудочную железу, нужен для секреции инсулина.
• Способствует лучшему усвоению витамина Е , способствует обмену витамина А .
• Благотворно влияет на здоровье зубов: цинк содержится в ферментах и клетках костной ткани.
• Снимает воспаление, улучшает состояние кожи.
• Способствует нормализации структуры рибосом, рибонуклеиновой и дезоксирибонуклеиновой кислот (РНК и ДНК), участвует в делении клеток.
• В период беременности поступление в организм матери цинка влияет на формирование костной, сердечно-сосудистой, дыхательной, мочеполовой системы. При недостатке цинка повышается риск преждевременных родов или прерывания беременности.
• Цинк необходим для нормального функционирования нервной системы и головного мозга. При нарушении обмена цинка повышается риск заболеть болезнью Альцгеймера.
• Нормализует работу печени.
• Поддерживает обонятельные и вкусовые рецепторы, благотворно влияет на органы зрения.
• Участвует в образовании соляной кислоты в ЖКТ (желудочно-кишечный тракт), поддерживает кислотно-щелочной баланс.

Серьезная нехватка цинка чревата нарушениями работы внутренних желез, обменных процессов, увеличивается риск новообразований. У беременных могут наступить преждевременные роды, появиться атонические кровотечения, долго будет сокращаться маточная мускулатура. Цинк активно используют для лечения заболеваний нервной, мочеполовой и кровеносной системы.

Животные и растительные источники цинка

Растительные источники (табл. 1):

• Овощи: брокколи, морковь, цветная капуста, редис, салат, шпинат. А также кукуруза, лук зеленый, спаржа, картофель и помидоры.
• Фрукты и ягоды: цитрусовые, яблоки, смородина, черника. А также малина, слива, вишня, груша, персик и др.
• Орехи (грецкие, арахис, кедровые, кешью, кокос).
• Сухофрукты (инжир, чернослив, финики, курага).
• Крупы: коричневый рис, ячмень, отруби пшеничные, гречка, овсянка.
• Семена подсолнечника и тыквы.
• Грибы.
• Зеленый чай, какао.
• Бобовые (горох, фасоль, чечевица).
• Дрожжи.

Животные источники (табл.1):

• Мясо курицы, кролика, молодая баранина и телятина.
• Рыба (хек, камбала, треска, тунец и др.). Морепродукты (устрицы, креветки, мидии).
• Молоко, твердый сыр, творог.
• Яйца.
• Субпродукты (сердце, говяжий язык, печень).

Таблица 1. Содержание цинка в продуктах

Совет специалиста. Крупы лучше употреблять необработанные. После шлифовки риса, к примеру, содержание в нем цинка снижается на 80%. Не забывайте разнообразить свой рацион животными продуктами, они усваиваются лучше

• Кулинарная обработка также ведет к потере этого ценного минерала. Старайтесь употреблять больше овощей и фруктов в свежем виде.
• Мясные продукты стоит тушить или готовить на пару, не жарить и не переваривать.
• Если не любите овощи и фрукты, пейте свежеотжатые соки. В них концентрация цинка выше.
• Забудьте о кашах быстрого приготовления, все полезное из них было уничтожено во время обработки. Суточная норма употребления цинка подана в таблице 2.

Таблица 2. Суточная норма цинка

Взаимодействие с другими элементами

Органический цинк накапливается в небольших дозах. Адсорбция происходит в ЖКТ, преимущественно в тонком кишечнике. Интересен тот факт, что из продуктов животного происхождения цинк усваивается быстрее, чем из фруктов и овощей. В последнем случае ему мешает фитиновая кислота, которая с цинком образует нерастворимые солевые соединения.

Особенности совместимости цинка:

• Хорошо совместим с витамином А , он улучшает усвояемость и биологическую доступность цинка.
• Повышают свойства цинка ионы фосфора , лития и кальция (в небольших дозах).
• Цинк не совместим с медью , поскольку они всасываются через одни каналы.
• Тяжелые металлы (свинец, кадмий) вытесняют цинк из организма.
• Цинк нельзя принимать одновременно с железом , оловом и марганцем, тогда он усваивается хуже.
• Работает в тандеме с витамином Е . Чаще всего дефицит цинка и витамина Е диагностируется одновременно.
• Препараты тетрациклиновой группы также вытесняют цинк из организма.
• Дополнительный прием фолиевой кислоты замедляет усвоение микроэлемента.
• Цинк несовместим с Аспирином.
• Гистидин и цистеин – аминокислоты, которые содержатся в продуктах животного происхождения. Они улучшают всасывание цинка.

Дефицит цинка

Существует 3 формы дефицита цинка: острая, подострая и хроническая. Последний вариант также связывают с врожденным энтеропатическим акродерматитом.

Нехватка цинка проявляется следующими симптомами:

• Быстрая утомляемость, снижение концентрации, бессонница, нервные расстройства.
• Ухудшение зрения, утрата вкусовых ощущений.
• Потеря аппетита, похудение.
• Расстройство желудка.
• Малокровие.
• Проблемы с кожей: появление аллергических высыпаний, язв, экзем, дерматитов. Ногти расслаиваются, на них заметны пятнышки белого цвета.
• Тусклые и безжизненные волосы, перхоть, очаговое облысение.
• Понижение инсулина в крови, повышается риск заболеть сахарным диабетом.
• У детей гипогонадизм, нарушение полового созревания.
• У мужчин возможны проблемы с сексуальной активностью, нарушение работы предстательной железы, у женщин – бесплодие.
• Снижение иммунитета.
• Для беременных дефицит цинка чреват преждевременными родами.

Дефицит цинка появляется, если человек получает из еды менее 7 мг. Прежде всего, нужно скорректировать рацион, добавив в него мясо, рыбу и морепродукты. Не забывайте о свежих овощах и фруктах. Принимать минеральные комплексы нужно только по назначению врача и в прописанной им дозировке

Избыток цинка в организме

Причины избытка цинка:

• Работа на вредном производстве с соединениями цинка.
• Неконтролируемый прием препаратов, содержащих этот микроэлемент.
• Нарушения цинкового обмена.

Важно! Продолжительный прием цинкосодержащих препаратов (более 100 мг в день) чревато появлениями эрозий, язв и снижением иммунитета. Доза в 200 мг – сильное рвотное средство

Симптоматика избытка цинка:

• Ухудшение иммунитета.
• Патологии волос, ногтей и кожи.
• Частая тошнота, боли в желудке, расстройство стула.
• Понижение уровня меди, кадмия и железа в организме.
• Нарушение функций печени, простаты, поджелудочной железы.
• Сладковатый привкус во рту, частая жажда.

Если отравление произошло вследствие контакта с испарениями цинка, это проявляется падением давления, судорогами, одышкой, тошнотой, болезненностью печени. Если вы заметили характерные симптомы, обратитесь к эндокринологу и сдайте анализы. В случае хронического или острого избытка микроэлемента медицинская помощь необходима. Детоксикация проводится препаратами Ацетилсалициловой кислоты, Унитиолом, Тиосульфатом.

Препараты с цинком

При выборе препарата обращайте внимание на то, какая форма вещества в него включена. В самых бюджетных сериях используются сульфаты, но они хуже воспринимаются организмом, чем хелат, ацетат, пиколинат или глицерат. Препараты выпускаются в разных формах:

• Суппозитории.
• Мази.
• Капли.
• Жевательные таблетки и пастилки.
• Капсулы.
• Таблетки в оболочке и без.
• Шипучие таблетки.

Часто производители производят витаминные комплексы для отдельных групп:

• Для мужчин: КомпливитСелмевит, Дуовит для мужчин, Цинк Хелат, Цинктерал и др.
• Для женщин: ВитрумБьюти, Компливит сияние, Дуовит для женщин и др.
• Для детей: Кальций+глюконат цинка, Витажуйки, Витамишки, Дуовит для детей, Витрум Юниор и др.

Принимать желательно за час до приема пищи или через 2 часа после. Не рекомендуется пить одновременно с антибиотиками, контрацептивами и прочими препаратами.

Цинк активно используется в ряде препаратов:

• В ректальных свечах от геморроя (Релиф Ультра, Анузол).
• В офтальмологических каплях (Офтальмол, Окуметил, Цинка сульфат).
• В монопрепаратах (Фенюльс цинк, Цинктерал, Цинкозак, Цинк Пиколинат и др.).
• В мазях (цинковая мазь и ее аналоги).

Цинк – удивительный и незаменимый элемент: смотрите видео ниже.

Цинк является типичным представителем группы металлических элементов и обладает всем спектром их характеристик: металлическим блеском, пластичностью, электро- и теплопроводностью. Однако химические свойства цинка несколько отличаются от основных реакций, присущих большинству металлов. Элемент при определенных условиях может вести себя как неметалл, например, реагировать со щелочами. Такое явление называется амфотерностью. В нашей статье мы изучим физические свойства цинка, а также рассмотрим типичные реакции, характерные для металла и его соединений.

Положение элемента в периодической системе и распространение в природе

Металл располагается в побочной подгруппе второй группы периодической системы. В нее, кроме цинка, входят кадмий и ртуть. Цинк относится к d-элементам и находится в четвертом периоде. В химических реакциях его атомы всегда отдают электроны последнего энергетического уровня, поэтому в таких соединениях элемента, как оксид, средние соли и гидроксид, металл проявляет степень окисления +2. Строением атома объясняются все физико-химические свойства цинка и его соединений. Общее содержание металла в почве составляет примерно 0,01вес. %. Он входит в состав минералов, например, таких как галмей и цинковая обманка. Так как содержание цинка в них невысокое, сначала горные породы подвергаются обогащению, которое проводится в шахтных печах. Большинство цинксодержащих минералов представляют собой сульфиды, карбонаты и сульфаты. Это соли цинка, химические свойства которых лежат в основе процессов их переработки, например, таких как обжиг.

Получение металла

Реакция жесткого окисления карбоната или сульфида цинка приводит к получениюего оксида. Процесс происходит в кипящем слое. Это специальный метод, основанный на тесном контакте мелкоизмельченного минерала и струи горячего воздуха, движущейся с большой скоростью. Далее оксид цинка ZnO восстанавливают коксом и удаляют образовавшиеся пары металла из сферы реакции. Еще один способ получения металла, основанный на химических свойствах цинка и его соединений - это электролиз раствора сульфата цинка. Он представляет собой окислительно-восстановительную реакцию, проходящую под действием электрического тока. Металл высокой чистоты при этом осаждается на электроде.

Физическая характеристика

Голубовато-серебристый, при обычных условиях хрупкий металл. В интервале температур от 100° до 150° цинк становится гибким и его можно прокатывать в листы. При нагревании выше 200° металл становится необычайно хрупким. Под действием кислорода воздуха куски цинка покрываются тонким слоем оксида, а при дальнейшем окислении он превращается в гидроксокарбонат, который играет роль протектора и препятствует дальнейшему взаимодействию металла с кислородом воздуха. Физические и химические свойства цинка взаимосвязаны. Рассмотрим это на примере взаимодействия металла с водой и кислородом.

Жесткое окисление и реакция с водой

При сильном нагревании на воздухе цинковые стружки сгорают голубым пламенем, при этом образуется оксид цинка.

Он проявляет амфотерные свойства. В парах воды, разогретых до температуры красного каления, металл вытесняет водород из молекул Н 2 О, кроме этого, образуется оксид цинка. Химические свойства вещества доказывают его способность взаимодействовать как с кислотами, так и со щелочами.

Окислительно-восстановительные реакции с участием цинка

Так как элемент в ряду активности металлов стоит перед водородом, он способен вытеснять его из молекул кислот.

Продукты реакции между цинком и кислотами будут зависеть от двух факторов:

• вида кислоты
• ее концентрации

Оксид цинка

Белый пористый порошок, желтеющий при нагревании и возвращающий свой первоначальный цвет при охлаждении - это окись металла. Химические свойства оксида цинка, уравнения реакций его взаимодействия с кислотами и щелочами подтверждают амфотерный характер соединения. Так, вещество не может реагировать с водой, но взаимодействует как с кислотами, так и со щелочами. Продуктами реакций будут средние соли (в случае взаимодействия с кислотами) или комплексные соединения - тетрагидроксоцинкаты.

Оксид цинка применяют в производстве белой краски, которую называют цинковыми белилами. В дерматологии вещество входит в состав мазей, присыпок и паст, оказывающих на кожу противовоспалительное и подсушивающее действие. Большая же часть производимого оксида цинка применяется в качестве наполнителя для резины. Продолжая изучать химические свойства цинка и его соединений, рассмотрим гидроксид Zn(OH) 2 .

Амфотерный характер гидроксида цинка

Белый осадок, выпадающий под действием щелочи на растворы солей металла - это основание цинка. Соединение быстро растворяется под действием кислот или щелочей. Первый тип реакции заканчивается образованием средних солей, второй - цинкатов. В твердом виде выделены комплексные соли - гидроксоцинкаты. Особенностью гидроксида цинка является его способность растворяться в водном растворе аммиака с образованием гидроксида тетраамминцинка и воды. Основание цинка является слабым электролитом, поэтому как его средние соли, так и цинкаты в водных растворах поддаются гидролизу, то есть их ионы взаимодействуют с водой и образуют молекулы гидроксида цинка. Растворы таких солей металла, как хлорид или нитрат, будут иметь кислую реакцию вследствие накопления избытка ионов водорода.

Характеристика сульфата цинка

Рассмотренные нами ранее химические свойства цинка, в частности, его реакции с разбавленной сульфатной кислотой, подтверждают образование средней соли - сернокислого цинка. Это бесцветные кристаллы, нагревая которые до 600° и выше, можно получить оксосульфаты и трехокись серы. При дальнейшем нагревании сернокислый цинк преобразуется в оксид цинка. Соль растворима в воде и глицерине. Вещество выделяют из раствора при температуре до 39°C в виде кристаллогидрата, формула которого ZnSO 4 ×7H 2 O. В этом виде его называют цинковым купоросом.

В интервале температур 39°-70° получают шестиводную соль, а выше 70° в составе кристаллогидрата остается только одна молекула воды. Физико-химические свойства сульфата цинка позволяют применять его в качестве отбеливателя при изготовлении бумаги, в виде минерального удобрения в растениеводстве, как подкормку в рационе домашних животных и птицы. В текстильной промышленности соединение используют в производстве вискозной ткани, в окрашивании ситца.

Сернокислый цинк входит также в состав раствора электролита, применяемого в процессе гальванического покрытия слоем цинка железных или стальных изделий диффузным способом или методом горячего оцинкования. Слой цинка в течение длительного времени защищает такие конструкции от коррозии. Учитывая химические свойства цинка, нужно отметить, что в условиях высокой солености воды, значительных колебаний температуры и влажности воздуха оцинкование не дает желаемого эффекта. Поэтому в промышленности нашли широкое применение сплавы металла с медью, магнием и алюминием.

Применение сплавов, содержащих цинк

Для транспортировки многих химических веществ, например, аммиака, по трубопроводам, необходимы особые требования к составу металла, из которого изготовлены трубы. Они изготавливаются на основе сплавов железа с магнием, алюминием и цинком и обладают высокой антикоррозионной устойчивостью к действию агрессивной химической среды. Кроме этого, цинк улучшает механические свойства сплавов и нивелирует вредное влияние таких примесей, как никель и медь. В процессах промышленного электролиза широкое применение получили сплавы меди и цинка. Для транспортировки продуктов нефтепереработки используют танкеры. Они построены из алюминиевых сплавов, содержащих, кроме магния, хрома и марганца, большую долю цинка. Материалы такого состава обладают не только высокими антикоррозионными свойствами и повышенной прочностью, но еще и криогенной стойкостью.

Роль цинка в организме человека

Содержание Zn в клетках составляет 0,0003%, поэтому его относят к микроэлементам. Химические свойства, реакции цинка и его соединений играют важную роль в обмене веществ и поддержании нормального уровня гомеостаза, как на уровне клетки, так и всего организма в целом. Ионы металла входят в состав важных ферментов и других биологически активных веществ. Например, известно, о серьезном влиянии цинка на формирование и функции мужской половой системы. Он входит в состав кофермента гормона тестостерона, отвечающего за фертильность семенной жидкости и формирование вторичных половых признаков. Небелковая часть еще одного важнейшего гормона - инсулина, вырабатываемого бета-клетками островков Лангерганса поджелудочной железы, также содержит микроэлемент. Иммунный статус организма тоже напрямую связан с концентрацией в клетках ионов Zn +2 , которые находятся в гормоне тимуса - тимулине и тимопоэтине. Высокая концентрация цинка регистрируется в структурах ядра - хромосомах, содержащих дезоксирибонуклеиновую кислоту и участвующих в передаче наследственной информации клетки.

В нашей статье мы изучили химические функции цинка и его соединений, а также определили его роль в жизнедеятельности организма человека.

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.

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.

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

Добытый и не переработанный материал имеет изотопы 64, 66, 67, электроны 2-8-18-2.

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.

Способы оцинкования

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).

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.