Лучшие вопросы
Таймлайн
Чат
Перспективы
Цинк
химический элемент с порядковым номером 30 Из Википедии, свободной энциклопедии
Remove ads
Цинк (химический символ — Zn, от лат. Zincum) — 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.
| 30 | Цинк |
| 3d104s2 | |
Цинк представляет собой голубовато-белый переходный металл, покрывающийся на воздухе оксидом цинка.
Металл был известен еще с древности, так как использовался при производстве латуни. Впервые был открыт в Индии в XIII веке, а затем переоткрыт в Европе в 1726-м году.
Цинк — типичный амфотерный металл, реагирующий и с кислотами, и с щелочами.
Remove ads
История
Суммиров вкратце
Перспектива
История цинка начинается еще в древности: его соединения применялись для лечения ран и изготовления латуни более 2500 лет назад. Несмотря на широкое использование цинковых руд в производстве сплавов, сам металл долго оставался неизвестным[16]. Уже в античности цинковые соединения, такие как кадмий, упоминались в трудах римских авторов, но металл воспринимался как разновидность руды[17].
Самым известным цинковым минералом был галмей, или каламин (ZnCO3). При прокаливании карбоната получался оксид, который имел довольно широкое применение, например, при лечении болезней, связанных с глазами. Хотя сам оксид 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 этой манипуляции требуется довольно высокие температуры (около 1100 °С)[18].
В XIII веке в Индии был впервые получен металлический цинк путем восстановления каламина с помощью органических веществ[16]. В Европе металлический цинк был повторно открыт Андреасом Маргграфом в 1746 году[16][19].
Первые эксперименты по горячему цинкованию стали были проведены Полем-Жаком Малуэном в 1742 году, который погружал металлические пластины в расплавленный цинк, получая устойчивое к коррозии покрытие. В 1802 году Карл Фридрих Бушендорф предложил технологию предварительного травления железных листов в хлориде аммония, что значительно повысило качество цинкового покрытия. В отличие от олова, цинк обеспечивает не только барьерную, но и активную гальваническую защиту железа при повреждении покрытия.
Понимание механизмов электрохимической защиты развивалось в XVIII–XIX веках: Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта выявили зависимость между разнородными металлами и электрическими процессами. Их открытия привели к созданию шкалы стандартных электродных потенциалов, которая объясняла, почему цинк может «жертвовать собой», защищая железо. Сэр Хамфри Дэви и Майкл Фарадей подтвердили это явление и ввели концепцию катодной защиты[20].
Промышленное производство цинка было налажено в Европе XVII в. Металлургия цинка была разработана в 1721 г. немецким сталлургом И. Генкелем. В 1743 г. в Бристоле был открыт первый завод для получения цинка[21].
Remove ads
Происхождение названия
Исконно славянское образование слова «цинк» сомнительно[22]. Название ввел в русский язык Ломоносов, который произвел его от нем. Zink[23]. В свою очередь, это слово возможно родственно нем. Zinke — «штырь», «острие». Считается, что впервые его использовал Парацельс, подметив аналогию с тем, какую форму имеют кристаллы цинка после выплавки[24].
По другой версии, нем. Zinc (первое употребление в современном значении зафиксировано в 1651 году[25]) произошло от нем. Zinn — «олово». Последнее слово было заимствовано славянским языком и было расширено слав. суффиксом k, а затем перешло в немецкий язык (отсюда фр. Zinc)[26].
Remove ads
Изотопы
Цинк имеет пять стабильных природных изотопов: 64Zn (в природе 48,6 %), 66Zn (27,9 %), 67Zn (4,1 %), 68Zn (18,8 %) и 70Zn (0,6 %)[27].
Физические свойства
Цинк — голубовато-белый металл[8]. На воздухе цинк тускнеет, покрываясь тонким слоем оксида. При комнатной температуре влажный воздух (особенно в присутствии сернистого или углекислого газа) разрушает цинк[14]. Цинк хрупок на холоде; при 100—150 °С довольно пластичен: при этой температуре он легко прокатывается в фольгу и листы очень маленькой толщины (сотые доли миллиметра). При 250 °С становится снова хрупким[28]. Вследствие удлинения вдоль оси шестого порядка, не обладает совершеной гексагональной упаковкой[29]. Кристаллическая решетка цинка схожа с бериллием и магнием. Имеет относительно низкую температуру кипения и очень легко плавится (благодаря последнему, принадлежит к числу наиболее легко летучих летучих металлов)[30]. Цинк диамагнитен[31] и обладает хорошей электропроводностью[32].
Remove ads
Химические свойства
Суммиров вкратце
Перспектива
Химические свойства цинка и кадмия довольно схожи, пока свойства ртути несколько отличаются[33].
Взаимодействие со сложными веществами
Цинк пассивируется в воде[34], но реагирует с парами воды при высоких температурах[35]. Металл проявляет амфотерные свойства, поэтому может быть переведен в раствор под действием водных растворов щелочей (c образованием солей — цинкатов[33])[36]:
![{\displaystyle {\mathrm {Zn} {}+{}2\,\mathrm {NaOH} {}+{}2\,\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {O} {}\mathrel {\longrightarrow } {}{\text{Na2}}[\mathrm {Zn} (\mathrm {OH} ){\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{4}}]{}+{}\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\uparrow {}}}](http://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/eab20489f0ef6ac2646b374664e4e2c3d5e812d3)
При взаимодействии с азотной кислотой в зависимости от ее концентрации цинк образует различные продукты — NH4NO3, NO или NO2, а при взаимодействии с концентрированной серной кислотой, в зависимости от условий, — H2S или SO2[37].
В отличие от алюминия, тоже проявляющего амфотерные свойства, растворяется в аммиачном растворе:
![{\displaystyle {\mathrm {Zn} {}+{}4\,\mathrm {NH} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{3}}{}+{}4\,\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {O} {}\mathrel {\longrightarrow } {}[\mathrm {Zn} (\mathrm {NH} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{3}}){\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{4}}](\mathrm {OH} ){\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{}+{}\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\uparrow {}{}+{}2\,\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {O} }}](http://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f053fc0abb331473400360d9f8734a029bd1f19b)
В сильнощелочной среде цинк является очень сильным восстановителем[38]:
![{\displaystyle {4\,\mathrm {Zn} {}+{}\mathrm {NaNO} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{3}}{}+{}7\,\mathrm {NaOH} {}+{}6\,\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {O} {}\mathrel {\longrightarrow } {}4\,\mathrm {Na} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}[\mathrm {Zn} (\mathrm {OH} ){\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{4}}]{}+{}\mathrm {NH} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{3}}}}](http://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c1a64fca89fe4ebb450f67d3cca109d30e178010)
![{\displaystyle {3\,\mathrm {Zn} {}+{}\mathrm {NaNO} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{}+{}5\,\mathrm {NaOH} {}+{}5\,\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {O} {}\mathrel {\longrightarrow } {}3\,\mathrm {Na} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}[\mathrm {Zn} (\mathrm {OH} ){\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{4}}]{}+{}\mathrm {NH} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{3}}}}](http://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b2787ce3eff0ebe6a117a25703f469fda6957b9e)
Цинк обладает сравнительно высокой реакционной способностью[39]. Реагирует с кислотами-неокислителями (например, 20%-м раствором серной кислоты) в аппарате Киппа, на чем основывается лабораторный способ получения водорода[40]:
![{\displaystyle {\mathrm {Zn} {}+{}\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {SO} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{4}}{}\mathrel {\longrightarrow } {}\mathrm {ZnSO} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{4}}{}+{}\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\uparrow {}}}](http://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/40a56ae1e56a5b39726ab4688ff72fb0038d78ca)
При нагревании реагирует с хлористым тионилом, образуя оксид серы(II)[41]:
![{\displaystyle {\mathrm {Zn} {}+{}\mathrm {SOCl} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{}\mathrel {\longrightarrow } {}\mathrm {ZnCl} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{}+{}\mathrm {SO} }}](http://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/fa34078c04e1a54752756738d2f4abd5ff472f23)
Взаимодействие с простыми веществами
Цинк реагирует с кислородом, образуя белое кристаллическое вещество, оксид цинка[36]:
![{\displaystyle {2\,\mathrm {Zn} {}+{}\mathrm {O} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{}\mathrel {\longrightarrow } {}2\,\mathrm {ZnO} }}](http://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/9ffc11d2d9282ab2118401557b446d49946d87b7)
С галогенами не реагирует на холоде, но реакция идет при наличии паров воды с образованием галогенидов[37]. Взаимодействует с серой (реакция протекает энергично при нагревании)[42] и с фосфором[43] с образованием фосфидов Zn3P2 и ZnP2. Так как цинк не реагирует ни с водородом, ни с азотом, гидрид цинка ZnH2 и нитрид цинка Zn3N2 получают косвенным путем[44].
Цинк, кадмий и ртуть легко образуют сплавы как друг с другом, так и с другими металлами[45]. Данные соединения называются интерметаллидами. Например, медь и цинк образуют соединения CuZn, CuZn3, Cu2Zn3[46].
Remove ads
Получение
Суммиров вкратце
Перспектива
Производство в мире
Цинк занимает четвертое место в мире среди всех металлов по количеству производимых тонн[47]. В 2023 году общий объем производства цинка в мире составил около 12,3 млн тонн[48]. Цинк добывается в 50-ти странах. Ведущими производителями цинка являются: Канада, Россия, Австралия, Перу, США и Китай. Среди популярных месторождений можно назвать шахты Пайн-Пойнт[англ.], Кидд[англ.] и Red Dog[49].
Около 34 % мирового производства цинка приходится на переработанный или вторичный цинк[55].
Способ производства
 | Этот раздел нужно дополнить. |
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 маршрут не подходит для переработки оксидной руды низкого сорта из-за загрязнения окружающей среды, больших капиталовложений и значительных энергозатрат[56].
Также цинк добывают из полиметаллических руд, содержащих цинк в виде сульфида, а также медь, свинец, серебро и другие металлы[57]. Руду (например, сфалерит) сначала обжигают, получая оксид цинка[58][59]:
![{\displaystyle {2\,\mathrm {ZnS} {}+{}3\,\mathrm {O} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{}\mathrel {\longrightarrow } {}2\,\mathrm {ZnO} {}+{}2\,\mathrm {SO} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\uparrow {}}}](http://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a0393f88465bf0c7ad92c01df3c88b554ef95a51)
Для получения самого металла используют два метода: дисстиляцию и выщелачивание серной кислотой с последующим электролизом (с использованием алюминиевого катода и свинцового анода). При дистиляции обожженный оксид смешивают с избытком углерода или углеродистых материалов (в печи при 1300 °C):
Цинк в виде паров конденсируется и собирается в сосудах, соединенных с ретортой[32].
Remove ads
Применение
Суммиров вкратце
Перспектива
Цинк применяется во многих областях производства: от металлических изделий до резины и лекарств[47].
В сплаве с другими металлами является хорошим проводником электричества. Цинк-бромидные, цинк-никелевые элементы питания являются новейшими типами батарей. Более половины потребляемого цинка идет на гальванизацию — процесс нанесения цинка тонким слоем на изделия железа и стали с целью защиты их от ржавчины[49].
Цинк используют как добавку в сплавы, в первую очередь в сплавы меди, и как основу для цинковых сплавов, а также как типографский металл[60].
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 коррозионные свойства. Производится путём погружения изделий в ванны с расплавленным цинком. Электролитическое оцинкование позволяет контролировать толщину покрытия и качество поверхности, однако такое покрытие менее прочное, чем нанесённое методом горячей оцинковки.
Окись цинка используется в производстве шин, резинотехнической продукции, пигментов и керамической глазури. Цинковые покрытия применяются в автомобильной, судостроительной и строительной промышленности. Хлорид цинка используется в лужении и в качестве флюса, а сульфат — в текстильной и химической промышленности[61]. Сульфид цинка (один из немногих сульфидов, имеющих белый цвет) обладает способностью люминесцировать, эта способность широко используется в науке и технике (люминесцентный анализ)[62]. Фосфид цинка находится в составе препаратов для борьбы с грызунами[63].
Для получения и очистки РЗЭ, титана, галлия и других металлов, а также для получения сплавов с помощью амальгам применяются методы амальгамной металлургии. Извлечение металлов цементацией амальгамой цинка из растворов можно описать следующей схемой[64]:
- Zn0 (в Hg) + Men+ (р) Me0 (в Hg) + Zn2+ (р)
Remove ads
Нахождение в природе
Геохимически цинк похож на железо, медь и кадмий[65]. Цинк является самым распространенным элементом 12-й группы[66]. Широко распространен в природе, преимущественно в форме сульфидов. По распространенности цинк приближен (7,6⋅10-3 %) к другим металлам — рубидию и меди[67], при этом, в основных изверженных породах его больше (1,3⋅10-2 %), чем в кислых (6⋅10-3 %)[68]. Его основными рудами являются сфалерит[~ 3] (и вюртцит) ZnS; ганит, ZnAl2O4; каламин; смитсонит, ZnCO3; франклинит, (Zn, Mn) Fe2O4; и цинкит, ZnO. Содержание в земной коре составляет около 70 мг/кг, а средняя концентрация в морской воде - около 10 мкг/л[32].
В недрах Российской Федерации заключено 60,7 млн тонн цинка (9 % мировых запасов)[71].
Remove ads
Биологическая роль
Суммиров вкратце
Перспектива
| Этот раздел нужно дополнить. |
Цинк – микроэлемент, играющий одну из важнейших функций в организме человека[72] — обмен веществ[73]. В теле содержится около 2—3 г цинка. Наиболее высокую концентрацию цинка отмечают в простате.
Цинк играет структурную или функциональную роль в более чем 300 различных белках[74] (он функционирует как кофактор в специфических белках, катализируя реакции электронного обмена, связывая субстраты и стабилизируя структуру белков[75]). Цинк имеет тенденцию к прочному связыванию с ферментным белком. Ионы Zn2+ необходимы для функционирования карбоангидразы, термолизина, дипептидаз, щелочной фосфатазы, РНК- и ДНК-полимераз, некоторых альдолаз, алкогольдегидрогеназ и супероксиддисмутазы. Известно, что цинк связывается с гексамерами инсулина. У многих плотоядных и человека отражающий слой за сетчаткой содержит кристаллы цинк-цистеинового комплекса[76]. Также Zn2+ принимает активное участие в работе мозга[77].
Рекомендуемая диетическая норма цинка для взрослых составляет 8 мг/день для женщин и 11 мг/день для мужчин[78]. Наиболее богатыми пищевыми источниками цинка являются мясо, рыба и морепродукты, в то время как фрукты и овощи содержат очень мало цинка[79].
Дефицит цинка
Дефицит цинка широко распространен в мире[80]. Он обусловливает патологические состояния и заболевания[81], причем более высокому риску дефицита и неблагоприятным последствиям от него подвержены младенцы, особенно недоношенные, и пожилые люди[82].
К возможным проявлениям дефицита цинка относятся нарушение вкуса и обоняния, анорексия, алопеция, дерматит, начинающийся в носогубных складках и распространяющийся на мошонку, промежность и разгибательные поверхности локтей, нарушение заживления ран, гипогонадизм и сексуальная дисфункция, а также иммунодефицит[83], что достаточно сильно влияет на заболеваемость и смертность среди детей младшего возраста[84]. Если беременная женщина не получает достаточно цинка, у ее детей может быть задержка роста[85].
Токсичность
| Этот раздел нужно дополнить. |
При вдыхании паров цинка появляется «металлическая лихорадка»[86].
Цинк поступает в окружающую среду как из природных, так и из антропогенных источников, при этом наибольший вклад в загрязнение почвы вносит деятельность человека (горнодобыча, металлургия, использование продуктов, содержащих цинк); однако нахождение цинка в почве и воде в основном остается связанным с осадками и, как правило, не представляет значительного риска для здоровья при случайном проглатывании загрязнённой почвы[87].
Длительный прием элементарного цинка в дозах от 100 до 150 мг/день (при рекомендуемой верхней границе 40 мг/день) нарушает метаболизм меди и вызывает снижение уровня меди в крови, микроцитоз эритроцитов, нейтропению и ухудшение иммунитета. Прием больших доз (от 200 до 800 мг/день), обычно при употреблении кислой пищи или питья из покрытой цинком емкости, может вызвать анорексию, рвоту и диарею. Хроническая токсичность может привести к дефициту меди и вызвать повреждение нервов[88].
Remove ads
Примечания
Литература
Ссылки
Wikiwand - on
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Remove ads