1.1.1 История открытия

Цинк является тем элементом, который человек знает и использует с древних времен. Наиболее распространенным минералом является карбонат цинка, или каламин. Как любой карбонат, каламин при нагревании, точнее прокаливании, разлагается на оксид цинка и углекислый газ. Оксид цинка широко применялся в медицине, например, при лечении глазных болезней. Оксид цинка легко можно восстановить до свободного цинка. Но получить цинк в виде металла удалось значительно позже, чем были получены основные металлы древности: олово, свинец, железо, медь. Для восстановления цинка из оксида углем, необходима температура около 1100 °С. Температура же кипения цинка всего 906 °С. Следствием этого являлось то, что цинк просто напросто испарялся, его невозможно было уловить.

Цинк человеком применялся для приготовления латуни, сплава меди и цинка. Латунь применялась повсеместно, и в Китае, и в Индии, и в Греции и в Риме. Историки и археологи установили, что впервые получили латунь римляне. Это произошло во времена правления императора Августа, в начале нашей эры по летоисчислению. И этот способ применялся до XIX века.

Когда был получен цинк установить точно не удалось. В развалинах Дакии археологи нашли идола, который содержал более 27% цинка. Предположительно, цинк получали как побочный продукт при получении латуни.

Искусство получения цинка в Европе было утеряно В X--XI вв. Но цинк требовался для получения латуни, поэтому его приходилось завозить из Китая и Индии. Первое промышленное производство было открыто в Китае. Но способ был очень простым. Для получения цинка каламин засыпали в глиняные горшки, которые плотно закрывались, складывались в пирамиду, промежутки между ними заполнялись углем и нагревались горшки до высоких температур. Горшки нагревались докрасна. После данной операции горшки охлаждали, разбивали их и извлекали металлический цинк в виде слитков.

В Европе цинк стали получать вторично в XVI веке. Задачей химиков было совершенствование способов получения металлического цинка. Огромная заслуга в этом принадлежит А. Маргграфу, который занимался методами выделения цинка из природных минералов.

Название цинка произошло от аналогичного по звучанию слову из латинского языка, которое означало белый налет. Хотя есть другое мнение, что название металла произошло от немецкого слова цинн.

1.1.2 Положение цинка в периодической системе Д.И. Менделеева

Цинк - элемент побочной подгруппы второй группы, четвертого периода периодической системы химических элементов Д.И. Менделеев, с атомным номером 30. Атомная масса 65,39. Конфигурация внешних электронных оболочек атома 3d¹⁰ 4s². Степень окисления +2. Энергия ионизации при переходе Zn⁰ к Zn⁺² 9,39; 17,96 и 39,70 Эв. Сродство к электрону 0,09 Эв. Электроотрицательность по Полингу 1,66. Атомный радиус 0,139 нм. Ионный радиус Zn⁺² (в скобках указано координационное число) 0,068 нм (5), 0,060 нм (4), 0,090 нм (8), 0,0790 нм (6).

1.1.3 Распространение в природе

Содержание цинка в земной коре 7*10^-3% по массе; В воде морей и океанов 0,01 мг/л. Известно более 70 минералов цинка, из них важнейшие: ZnS - цинковая обманка, ZnCO₃ - смитсонит, Zn₄(OH)₂Si₂O₇*H₂O - каламин, ZnO - цинкит, Zn₂SiO₄ - виллемит. Минералы цинка обычно встречаются с минералами Pb и Cu в полиметаллических рудах. Постоянные спутники цинка в рудах - рассеянные элементы - Cd, Ir а так же Ge, Ga, Tl.

1.1.4 Физические свойства

Цинк - голубовато-серебристый блестящий металл; на воздухе быстро окисляется, покрываясь тонкой защитной пленкой, уменьшающей его блеск; 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. Наиболее общие и важные физические характеристики цинка представлены ниже:

Атомный объем: 9,15 Радиусы, нм: ионный (Zn²⁺) = 7,2-8,4; ковалентный = 12,5-12,7; металлический = 13,7-13,9 Сигония: Гекс Параметры решетки, нм: а = 26,645; с = 49,451; с/а = 1,856 Плотность цинка: в твердом состоянии при 20°С - 7,1 - 7,2 г/см³

в жидком состоянии при 450°С - 6,6 г/см³ Температура, К: плавления = 419,4; кипения = 905,4 Теплоемкость, Дж/(кг.К):

в твердом состоянии при 20 °С - 394

в жидком состоянии при 450 °С - 502

Теплопроводность, Вт/(м.К):

в твердом состоянии при 20 °С - 111

в жидком состоянии при 450 °С - 60

Удельная электропроводность, при 20 °С, МСм/м - 15,9

Удельное электросопротивление, мк Ом.м:

в твердом состоянии при 20 °С - 0,059

в жидком состоянии при 420 °С - 0,354 Коэффициент линейного расширения в интервале температур 20-200 °С, К-1 - 29,8.10-6

Температурный коэффициент теплопроводности, К-1 - 0Д5.10-3

Температурный коэффициент электросопротивления, К1 - 4,17.10-3

Магнитные характеристики - Диамагнитен

Модуль нормальной упругости при 20 °С, Мпа - 78500 - 127500

Модуль сдвига при 20 °С, Мпа - 37300 Поверхностное натяжение жидкого цинка при (Тпл), н/м²: 0,8

Поверхностная энергия, мДж/м²: 105

Удельное электрическое сопротивление р при 293К, Ом*м: 59,2*10-9

Удельная электропроводность, См/м: 16,5*10-6

1.1.5 Химические свойства

Цинк - химически активный металл, обладает выраженными восстановительными свойствами, по активности уступает щелочно-земельным металлам. Проявляет амфотерные свойства. Стандартный электродный потенциал - 0,76 В, в ряду стандартных потенциалов расположен до железа.

1) Взаимодействие с неметаллами:

При сильном нагревании на воздухе сгорает ярким голубоватым пламенем с образованием амфотерного белого оксида цинка:

2Zn + O₂ = 2ZnO.

2) При поджигании энергично реагирует с серой:

Zn + S = ZnS.

3) С галогенами реагирует при обычных условиях в присутствии паров воды в качестве катализатора:

Zn + Cl₂ = ZnCl₂.

4) При действии паров фосфора на цинк образуются фосфиды:

Zn + 2P = ZnP₂

или 3Zn + 2P = Zn₃P₂.

С водородом, азотом, бором, кремнием, углеродом цинк не взаимодействует.

5) Взаимодействие с водой:

Реагирует с парами воды при температуре красного каления с образованием оксида цинка и водорода:

Zn + H₂O = ZnO + H₂.

6) Взаимодействие с кислотами

В электрохимическом ряду напряжений металлов цинк находится до водорода и вытесняет его из неокисляющих кислот:

Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂;

Zn + H₂SO₄ = ZnSO₄ + H₂.

7) Взаимодействует с разбавленной азотной кислотой, образуя нитрат цинка и нитрат аммония:

4Zn + 10HNO₃ = 4Zn(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O.

8) Реагирует с концентрированными серной и азотной кислотами с образованием соли цинка и продуктов восстановления кислот:

Zn + 2H₂SO_4(к) = ZnSO₄ + SO₂ + 2H₂O;

Zn + 4HNO_3(к) = Zn(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O

9) Взаимодействие со щелочами:

Реагирует с растворами щелочей с образованием гидроксокомплексов

Zn + 2NaOH + 2H₂O = Na₂[Zn(OH)₄] + H₂

при сплавлении образует цинкаты

Zn + 2KOH = K₂ZnO₂ + H₂.

10) Взаимодействие с аммиаком:

С газообразным аммиаком при 550-600°С образует нитрид цинка

3Zn + 2NH₃ = Zn₃N₂ + 3H₂;

растворяется в водном растворе аммиака, образуя гидроксид тетраамминцинка:

Zn + 4NH₃ + 2H₂O = [Zn(NH₃)₄](OH)₂ + H₂.

11) Взаимодействие с оксидами и солями:

Цинк вытесняет металлы, стоящие в ряду напряжения правее него, из растворов солей и оксидов

Zn + CuSO₄ = Cu + ZnSO₄;

Zn + CuO = Cu + ZnO.

В водных растворах ионы цинка Zn⁺² образуют аквакомплексы [Zn(H₂O)₄]⁺². 1.1.6 Получение Основной способ получения Ц. - 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. Ц. осаждается на алюминиевых катодах, с которых его ежесуточно удаляют (сдирают) и плавят в индукционных печах. Обычно чистота электролитного Ц. 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. 1.1.7 Применение Области применения цинка в процентном отношении: Цинкование -- 45-60 % В медицине (оксид цинка как антисептик) -- 10 % Производство сплавов -- 10% Производство резиновых шин -- 10 % Масляные краски -- 10 % 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.

Применение цинка в металлургии. Слитки цинка для применения в промышленности и металлургии. Этот металл по-прежнему остается основой промышленности. По выплавке чугуна и стали и сейчас судят о мощи государства. А чугун и сталь подвержены коррозии, и, несмотря на значительные успехи, достигнутые человечеством в борьбе с «рыжим врагом», коррозия ежегодно губит десятки миллионов тонн металла.

Нанесение на поверхность стали и чугуна тонких пленок коррозионно-стойких металлов - важнейшее средство защиты от коррозии. А на первом месте среди всех металлопокрытий - и по важности, и по масштабам - стоят покрытия цинковые. На защиту стали идет 40% мирового производства цинка! Наиболее широкое распространение цинк получил в качестве покрытия для предотвращения коррозии железа и сплавов на его основе (сталей). Для этой цели расходуется до 50 % получаемого промышленностью цинка. Цинкование - нанесение цинка или его сплавов на поверхность металлического изделия - применяется для защиты от коррозии стальных листов, проволоки, ленты, крепежных деталей, деталей машин и приборов, арматуры и трубопроводов. В качестве конструкционного материала цинковые сплавы главным образом применяются: в приборостроении, в полиграфической промышленности, в авиационной промышленности, в автомобильной промышленности, в судостроении, для изготовления предметов домашнего обихода. В качестве не конструкционного материала цинковые сплавы применяются: для литья анодов-протекторов, для изготовления припоев в производстве подшипников и гальванических элементов, как покрытия стальных листов. Сульфат и хлорид цинка применяют в медицине в качестве антисептических средств. Безводный хлорид цинка часто используют как дегидратирующее средство при проведении разнообразных реакций конденсации в органической химии; его широко используют в производстве органических красителей, ситцепечатании, для пропитки древесины.

Двойную соль - аммонийцинкхлорид (NH₄)₂ ZnCl₂ -используют для паяльных целей. Окись цинка широко используют при производстве резины. Она улучшает качество резиновых шин и ряда других резиновых изделий. Также оксид цинка используется для производства краски. Применяется в производстве стекла, керамики, спичек, целлулоида, зубного цемента, косметических средств, в гальванотехнике и текстильной промышленности.

1.2 Кадмий