— 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 (CAS-номер: 7440-66-6) при нормальных условиях — хрупкий переходный металл голубовато-белого цвета (тускнеет на воздухе, покрываясь тонким слоем оксида цинка).
1. История
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 1746 А. С. Маргграф разработал способ получения чистого цинка путём прокаливания смеси его окиси с углём без доступа воздуха в глиняных огнеупорных ретортах с последующей конденсацией паров цинка в холодильниках. В промышленном масштабе выплавка цинка началась в XVII в.
2. Происхождение названия
Liber Mineralium II
3. Нахождение в природе
Наиболее распространенный минерал цинка — сфалерит, или цинковая обманка. Основной компонент минерала — сульфид цинка ZnS, а разнообразные примеси придают этому веществу всевозможные цвета. Видимо, за это минерал и называют обманкой. Цинковую обманку считают первичным минералом, из которого образовались другие минералы элемента № 30: смитсонит ZnCO 3 , цинкит ZnO, каламин 2ZnO
- SiO2
- Н2 O. На Алтае нередко можно встретить полосатую «бурундучную» руду — смесь цинковой обманки и бурого шпата. Кусок такой руды издали действительно похож на затаившегося полосатого зверька.
3.1. Месторождения
Месторождения цинка известны в Австралии, Боливии [4] .
4. 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 SO 2 расходуется на производство серной кислоты. Чистый цинк из оксида ZnO получают двумя способами. По пирометаллургическому (дистилляционному) способу, существующему издавна, обожженный концентрат подвергают спеканию для придания зернистости и газопроницаемости, а затем восстанавливают углем 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 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.
Расчет процесса электролиза цинка из сульфатного раствора
... металлов. Цинковая пыль применяется для осаждения золота и серебра из растворов при их получении гидрометаллургическим путем, для очистки растворов от меди и кадмия перед электролизом растворов цинка. Оксид цинка ... из них 11-17 элементов с высокой экономической эффективностью.[1] Для извлечения цинка из концентратов ... предприятия получают только в результате извлечения попутно с цинком других металлов, ...
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.
5. 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 13,1×1028 м−3
6. Химические свойства
Типичный амфотерный металл. 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:
2Zn + O 2 = 2ZnO.
Оксид цинка реагирует как с растворами кислот:
ZnO + 2HNO 3 = Zn(NO3 )2 + H2 O
так и щелочами:
ZnO + 2NaOH = Na 2 ZnO2 + Н2 О,
Цинк обычной чистоты активно реагирует с растворами кислот:
Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H2 ↑,
Серебряно-цинковые источники тока
... серебряно-цинковых аккумуляторов существенно отличается от конструкции обычных щелочных или кислотных аккумуляторов. В серебряно-цинковых аккумуляторов положительные пластины изготавливаются из чистого тем или иным способом приготовленного серебра, а отрицательные – из окиси цинка ... никель-кадмиевого аккумулятора, впервые высказал идею превращения серебряно-цинкового элемента в аккумулятор. Однако ...
Zn + H 2 SO4 (разб.) = ZnSO4 + H2 ↑
и растворами щелочей:
Zn + 2NaOH + 2H 2 O = Na2 [Zn(OH)4 ] + H2 ↑,
образуя гидроксоцинкаты. С растворами кислот и щелочей очень чистый цинк не реагирует. Взаимодействие начинается при добавлении нескольких капель раствора сульфата меди CuSO 4 .
При нагревании цинк реагирует с галогенами с образованием галогенидов ZnHal 2 . С фосфором цинк образует фосфиды Zn3 P2 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 Zn 3 N2 получают реакцией цинка с аммиаком при 550—600 °C.
В водных растворах ионы цинка Zn 2+ образуют аквакомплексы [Zn(H2 O)4 ]2+ и [Zn(H2 O)6 ]2+ .
7. 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, 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).
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.
Сульфид цинка используется для синтеза люминофоров временного действия и разного рода люминесцентов на базе смеси ZnS и CdS. 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.
Теллурид, селенид, фосфид, сульфид цинка — широко применяемые полупроводники.
Селенид цинка используется для изготовления оптических стёкол с очень низким коэффициентом поглощения в среднем инфракрасном диапазоне, например, в углекислотных лазерах.
На разные применения цинка приходится:
- цинкование — 45-60 %
- медицина (оксид цинка как антисептик) — 10 %
- производство сплавов — 10 %
- производство резиновых шин — 10 %
- масляные краски — 10 %
7.1. Мировое производство
Производство цинка в мире за 2009 год составило 11,277 млн т, что на 3,2 % меньше чем в 2008 г. [5]
Список стран по производству цинка
| Список стран по производству цинка | ||
|---|---|---|
| Место | Производительность (тонн) | |
| — | Весь мир | 10,000,000 |
| 1 |  Китай |
2,600,000 [7] |
| 2 | Австралия | 1,380,000 |
| 3 |  Перу |
1,201,794 |
| 4 | США | 727,000 |
| 5 | Канада | 710,000 |
| 6 | Мексика | 480,000 [7] |
| 7 | Ирландия | 425,700 |
| 8 |  Индия |
420,800 |
| 9 | Казахстан | 400,000 [7] |
| 10 | Швеция | 192,400 |
| 11 |  Россия |
190,000 [7] |
| 12 |  Бразилия |
176,000 [7] |
| 13 |  Боливия |
175,000 [7] |
| 14 | Польша | 135,600 |
| 15 | Иран | 130,000 [7] |
| 16 |  Марокко |
73,000 [7] |
| 17 |  Намибия |
68,000 [7] |
| 18 | Северная Корея | 67,000 [7] |
| 19 |  Турция |
50,000 [7] |
| 20 |  Вьетнам |
48,000 [7] |
| 21 |  Таиланд |
45,000 [7] |
| 22 | Гондурас | 37,646 |
| 23 | Финляндия | 35,700 |
| 24 |  ЮАР |
34,444 |
| 25 |  Чили |
31,725 |
| 26 | Аргентина | 30,300 [7] |
| 27 | Болгария | 17,300 [7] |
| 28 |  Румыния |
9,600 [7] |
| 29 |  Япония |
7,169 |
| 30 |  Алжир |
5,000 [7] |
| 31 |  Саудовская Аравия |
1,500 [7] |
| 32 |  Грузия |
400 [7] |
| 33 | Босния и Герцеговина | 300 [7] |
| 34 |  Мьянма |
100 [7] |
8. Биологическая роль
| В этом разделе не хватает информации. |
Цинк :
- необходим для продукции спермы и мужских гормонов[8]
- необходим для метаболизма витамина E, который является предшественником половых гормонов и включается в продукцию тестостерона.
- важен для нормальной деятельности простаты.
- участвует в синтезе разных анаболических гормонов в организме, включая инсулин, тестостерон и гормон роста[8] .
- необходим для расщепления алкоголя в организме, так как входит в состав алкогольдегидрогеназы.[8]
8.1. Содержание в продуктах питания
Среди продуктов, употребляемых в пищу человеком, наибольшее содержание цинка — в устрицах. Однако в тыквенных семечках содержится всего на 26 % меньше цинка, чем в устрицах. Например, съев 45 граммов устриц, человек получит столько же цинка, сколько содержится в 60 граммах тыквенных семечек. Практически во всех хлебных злаках цинк содержится в достаточном количестве и в легкоусваиваемой форме. Поэтому, биологическая потребность организма человека в цинке обычно полностью обеспечивается ежедневным употреблением в пищу цельнозерновых продуктов (нерафинированного зерна).
Содержание цинка:
- ~0,25 мг/кг — яблоки, апельсины, лимоны, инжир, грейпфруты, все мясистые фрукты, зелёные овощи, минеральная вода.
- ~0,31 мг/кг — мёд.
- ~2—8 мг/кг — малина, чёрная смородина, финики, большая часть овощей, большинство морских рыб, постная говядина, молоко, очищенный рис, свёкла обычная и сахарная, спаржа, сельдерей, помидоры, картофель, редька, хлеб.
- ~8—20 мг/кг — некоторые зерновые, дрожжи, лук, чеснок, неочищенный рис, яйца.
- ~20—50 мг/кг — овсяная и ячменная мука, какао, патока, яичный желток, мясо кроликов и цыплят, орехи, горох, фасоль, чечевица, зелёный чай, сушёные дрожжи, кальмары.
- ~30—85 мг/кг — говяжья печень, некоторые виды рыб.
- ~130—202 мг/кг — отруби из пшеницы, проросшие зёрна пшеницы, тыквенные семечки, семечки подсолнечника.
8.2. 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 [9] .
Для оценки содержания цинка в организме определяют его содержание в волосах, сыворотке и цельной крови.
9. 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 ZnSO 4 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.
Данный реферат составлен на основе .
