Цинк (химический символ — Zn, от ) — химический элемент 12-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы второй группы, IIB) четвертого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 30.
Цинк представляет собой голубовато-белый переходный металл, покрывающийся на воздухе плёнкой оксида цинка.
Металл был известен еще с древности, так как использовался при производстве латуни. Впервые был открыт как индивидуальный металл в Индии в XIII веке, а затем переоткрыт в Европе в 1726 году.
По химическим свойствам цинк — типичный амфотерный металл, реагирующий и с кислотами, и с щелочами.
История Еще в древности, более 2500 лет назад, его соединения применялись для лечения ран и изготовления латуни. Несмотря на широкое использование цинковых руд в производстве сплавов меди, сам металл долго оставался неизвестным.
В античности цинковые соединения, такие как каламин, упоминались в трудах римских авторов, но тогда металл считался разновидностью руды.
Самым известным цинковым минералом был смитсонит (ZnCO3). При прокаливании этого карбоната получался оксид, который имел довольно широкое применение, например, при лечении болезней глаз. Хотя сам оксид цинка легко восстанавливается до металла углем, получить чистый цинк удалось намного позже, чем были получены такие металлы, как медь, железо, олово и свинец, потому что для этого процесса требуется довольно высокие температуры (около .
В XIII веке в Индии был впервые получен металлический цинк путем восстановления каламина с помощью органических веществ. В Европе металлический цинк был впервые открыт Андреасом Маргграфом в 1746 году.
Первые эксперименты по горячему цинкованию стальных изделий погружением металлические пластин в расплавленный цинк для получения устойчивого к коррозии покрытие были проведены Полем-Жаком Малуэном в 1742 году.
В 1802 году Карл Фридрих Бушендорф предложил предварительное травления железных листов в хлориде аммония, что значительно повысило качество цинкового покрытия. В отличие от олова, цинк обеспечивает не только изолирующую, но и активную гальваническую защиту железа при повреждении покрытия.
Изучение механизмов электрохимической защиты продолжалось в XVIII—XIX веках: Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта выявили зависимость электрических процессов при контакте разнородных металлов. Их исследования привели к созданию шкалы стандартных электродных потенциалов, которая объясняла, почему цинк может «жертвовать собой», защищая железо от коррозии. Сэр Хамфри Дэви и Майкл Фарадей подтвердили это явление и ввели концепцию катодной защиты.
Промышленное производство цинка началось в Европе XVIII веке. Металлургия цинка была разработана в 1721 году немецким металлургом И. Генкелем. В 1743 году в Бристоле был открыт первый завод для получения цинка.
Происхождение названия Исконно славянское образование слова «цинк» сомнительно. Название ввел в русский язык Ломоносов, который произвел его от . В свою очередь, это слово возможно родственно — «штырь», «острие». Считается, что впервые его использовал Парацельс, обративший внимание на форму имеют кристаллы цинка после выплавки.
По другой версии, (первое употребление в современном значении зафиксировано в 1651 году) произошло от — «олово». Последнее слово было заимствовано славянскими языками и было расширено славянским суффиксом k, а затем перешло в немецкий язык (отсюда ).
Изотопы
Цинк имеет пять стабильных природных изотопов: 64Zn (природная атомная концентрация 66Zn 67Zn 68Zn и 70Zn .
Физические свойства Цинк — голубовато-белый металл. На воздухе цинк тускнеет, покрываясь тонким слоем оксида.
При комнатной температуре влажный воздух (особенно в присутствии сернистого или углекислого газа) разрушает цинк. Цинк хрупок на холоде; при довольно пластичен: при этой температуре он легко прокатывается в фольгу очень малой толщины (сотые доли миллиметра). становится снова хрупким. Вследствие удлинения кристаллов вдоль оси шестого порядка, не обладает совершенной гексагональной упаковкой. Кристаллическая решетка цинка схожа с кристаллической решёткой бериллия и магния. Цинк легко плавится и имеет относительно низкую температуру кипения, поэтому является одним из наиболее легко летучих металлов).
Цинк диамагнитен и обладает хорошей электропроводностью.
Химические свойства Химические свойства цинка и кадмия довольно схожи, но химические свойства ртути, металла из этой же подгруппы химических элементов, несколько отличаются.
Взаимодействие со сложными веществами Цинк пассивируется в воде, но реагирует с парами воды при высокой температуре.
Металл проявляет амфотерные свойства, поэтому может растворяться в водных растворах щелочей (c образованием солей — цинкатов):
Zn + 2 NaOH + 2 H2O -> {Na2}[Zn(OH)4] + H2 ^.
При действии на цинк азотной кислотой в зависимости от ее концентрации образуется различные соединения — NH4NO3, NO или NO2, а при взаимодействии с концентрированной серной кислотой, в зависимости от условий, — H2S или SO2.
В отличие от алюминия, тоже имеющего амфотерные свойства, цинк растворяется в водном растворе аммиака:
Zn + 4 NH3 + 4 H2O -> [Zn(NH3)4](OH)2 + H2 ^ + 2 H2O.
В сильнощелочной среде цинк является сильным восстановителем:
4 Zn + NaNO3 + 7 NaOH + 6 H2O -> 4 Na2[Zn(OH)4] + NH3; 3Zn + NaNO2 + 5NaOH + 5H2O -> 3Na2[Zn(OH)4] + NH3.
Цинк обладает сравнительно высокой реакционной способностью. Реагирует с кислотами (например, 20%-м раствором серной кислоты) в аппарате Киппа для лабораторного получения водорода:
Zn + H2SO4 -> ZnSO4 + H2 ^.
При нагревании реагирует с хлористым тионилом, образуя оксид серы(II):
Zn + SOCl2 -> ZnCl2 + SO.
Взаимодействие с простыми веществами Цинк реагирует с кислородом, образуя оксид цинка — белое кристаллическое вещество:
2 Zn + O2 -> 2 ZnO.
С галогенами не реагирует на холоде, но реакция идет при наличии паров воды с образованием галогенидов.
Взаимодействует с серой (реакция протекает энергично при нагревании) и с фосфором с образованием фосфидов состава Zn3P2 и ZnP2.
Цинк непосредственно не реагирует ни с водородом, ни с азотом, поэтому гидрид цинка ZnH2 и нитрид цинка Zn3N2 получают косвенным путем.
Цинк, кадмий и ртуть легко образуют сплавы как друг с другом, так и с другими металлами. Многие сплавы с цинком являются интерметаллидами. Например, медь и цинк образуют интерметаллические соединения составов CuZn, CuZn3, Cu2Zn3.
Производство в мире Цинк занимает четвертое место в мире среди всех металлов по количеству производимых тонн. В 2023 году общий объём производства цинка в мире составил около 12,3 млн тонн.
Цинковые руды добывается в 50-ти странах. Ведущими производителями цинка являются: Канада, Россия, Австралия, Перу, США и Китай. Среди известных месторождений можно назвать шахты , и Red Dog.
+ Список стран по производству цинка (примерные данные, основанные на информации Геологической службы США)ГосударствоПроизведено цинка (тыс. тонн) 2020 2021 2022 2023 2024 Весь мир120001300013000120001200067074077075075014001300130011001100330490520490510280260250——4200420042004000400072081083086086030022020033037060072074069070012001600140014001300260280280310310———230120220230240220240Остальные страны20002000200018001700
Около мирового производства цинка приходится на переработанный или вторичный цинк.
Способ производства
Для получения концентрата из оксидных руд цинка в которых обычно находятся примеси карбоната кальция, магния и диоксида кремния используют флотационный или гравитационный метод. После этого, для переработки полученного концентрата используется либо гидрометаллургический способ, либо пирометаллургический. Последний способ не подходит для переработки оксидной руды с низкой концентрацией оксида цинка из-за загрязнения окружающей среды, больших капиталовложений и значительных энергозатрат.
Также цинк добывают из полиметаллических руд, содержащих цинк в виде сульфида цинка, а также соедигнения меди, свинца, серебра и других металлов. При этом руду (например, сфалерит) сначала обжигают, получая оксид цинка:
2 ZnS + 3 O2 -> 2 ZnO + 2 SO2 ^.
Для получения самого металла используют два метода: дистилляцию и выщелачивание серной кислотой с последующим электролизом (с использованием алюминиевого катода и свинцового анода). При дистилляции оксид цинка обжигают с избытком углерода или углеродистых материалов в печи при
ZnO + C -> Zn + CO.
Цинк в виде пара конденсируется и собирается в сосудах, соединенных с ретортой.
Применение Цинк и его соединения применяются во многих областях производства: от металлических изделий до резины и лекарств.
Цинк используется в Цинк-бромидных, цинк-никелевых гальванических элементах.
Цинк используют в сплавах, в первую очередь в сплавах меди, как сплавов на основе цинка, а также в Полиграфия/полиграфии.
Более половины потребляемого цинка идет на гальванизацию и цинкование — процессы нанесения цинка тонким слоем на изделия железа и стали с целью защиты их от коррозии. Существуют два метода оцинкования (гальванизации): горячее и электролитическое. Горячее оцинкование применяется для стального проката, образуя несколько слоёв с разным соотношением цинка и железа, что повышает коррозионную стойкость. Производится путём погружения изделий в ванны с расплавленным цинком. Электролитическое оцинкование позволяет легко контролировать толщину покрытия и качество поверхности, однако такое покрытие менее прочное, чем нанесённое методом горячего цинкования. Цинковые покрытия применяются в автомобильной, судостроительной и строительной промышленности.
Окись цинка используется в производстве, резинотехнической продукции, пигментов и керамической глазури.
Хлорид цинка используется при лужении и в качестве флюса
сульфат применяется в текстильной и химической промышленности.
Сульфид цинка (один из немногих сульфидов белого цвета) способен люминесцировать, эта свойство используется в науке и технике (люминесцентный анализ).
Фосфид цинка применяется в составе отравленных приманок для борьбы с грызунами.
Для получения и очистки РЗЭ, титана, галлия и других металлов, а также для получения сплавов с помощью амальгамы применяются методы амальгамной металлургии. Извлечение металлов из растворов цементацией амальгамой цинка описывается следующей схемой:
Zn0 (в Hg) + Men+ (р) -> Me0 (в Hg) + Zn2+ (р)
Нахождение в природе
Цинк является самым распространенным элементом 12-й группы.
Геохимически цинк схож с железом, медью и кадмием и распространен в природе преимущественно в форме сульфидов. По распространенности цинк близок к другим металлам — рубидию и меди, при этом, в изверженных основных породах его больше (1,3⋅10−2 %), чем в кислых породах (6⋅10−3 %). Его основными рудами являются сфалеритСфалерит (от — неверный, обманчивый) — то же, что цинковая обманка. Примеси придают минералу самые разнообразные цвета. и вюртцит, обе состоят из ZnS; ганит, ZnAl2O4; каламин; смитсонит, ZnCO3; франклинит, (Zn, Mn)Fe2O4 и цинкит, ZnO. Содержание в земной коре составляет около а средняя концентрация в морской воде — около . + Некоторые минералы цинка, используемые в промышленности, содержание в них полезных элементов и твердость по Моосу: МинералХимическая формулаМаксимальное содержание указанного компонентаа, %Твердость по МоосуСфалеритZnSZn 67,13—4ВюрцитZnSZn 67,13,5—4ЦинкитZnOZn 80,34—4,5СмитсонитZnCO3Zn 52,05ГидроцинкитZn5(CO3)2(OH)6Zn 59,5—КаламинZn4[Si2O7](OH)2⋅H2OZnO 67,54,5—5ВиллемитZn2[SiO4]ZnO 73,05—5,5
В недрах Российской Федерации содержится тонн цинка (что составляет мировых запасов).
Биологическая роль
Цинк — микроэлемент, играющий одну из важнейших функций в организме человека — обмен веществ. В организме человека содержится примергно 2—3 г цинка. Наиболее высокую концентрацию цинк имеет в предстательной железе.
Цинк играет структурную или функциональную роль в более чем 300 различных белках (он функционирует как кофактор в специфических белках, катализируя реакции электронного обмена, связывая субстраты и стабилизируя структуру белков).