На нашем сайте ежедневно публикуются десятки качественных и свежих материалов, которые Вы можете скачать абсолютно бесплатно. Рекомендуем Вам добавить Наш сайт в закладки, а также подписаться на RSS ленту, чтобы не пропускать интересных новостей.
ЦИНК (лат. Zincum), Zn, хим.
элемент II гр. периодич. системы; ат. н. 30, ат. м. 65,39. Природный цинк
состоит из 5 стабильных нуклидов: 64Zn (48,6%), 66Zn
(27,9%), 67Zn (4,1%), 68Zn (18,8%) и 70Zn
(0,6%). Известен ряд радиоактивныхнуклидов, важнейший из них - 65Zn
с Т1/2 244 сут. Конфигурация внеш. электронных
оболочек атома 3d104s2; степень
окисления + 2; энергия ионизации при последоват. переходе от Zn0
к Zn3+ 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 (в скобках указано коорди-нац. число) Zn2+ 0,060 нм (4),
0,068 нм (5), 0,0740 нм (6), 0,090 нм (8).
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: сфалерит (цинковая обманка) - кубич. модификация
ZnS, его светлая разновидность - клейофан, черная - марматит; вюрцит (вюртцит)
- гексагон. модификация ZnS; смитсонит ZnCO3; каламин Zn4(OH)2Si2O7
хH2O; цинкит ZnO; виллемит Zn2SiO4;
франклинит ZnFe2O4. Минералы цинка обычно ассоциируются
с минералами Рb и Сu в полиметаллич. рудах. Постоянные спутники цинка в рудах
-рассеянные элементы - Cd, In, а также Ge, Ga, Tl.
Свойства. Цинк- голубовато-белый металл.
Кристаллич. решетка гексагон. плотноупакованная, а - 0,26649 нм,
с = 0,49468 нм, z = 2, пространств. группа С6/mmm;
т. пл. 419,58 °С, т. кип. 906,2 oС; плотн. 7,133 г/см3;
25,4 Дж/(моль х К);
7,2 кДж/моль,115,3
кДж/моль,
41,6 Дж/(моль х К); ур-ния температурной зависимости давленияпара: lg
p
(мм рт.ст.) = 10,084 —6910/T + 0,192 lg Т+ 0,524 x 10-2
(298 - 692,7К), lg p (мм рт. ст.) = 8,242 - 6294/T -
0,015 lg Т (692,7 - 1164К); температурный коэф. линейного расширения
25,0 x 10-6 (273 - 373К); теплопроводность 116,0 Вт/(м x К);
r 5,92 мкОм
x см, температурный коэф. r
3,7 x 10-3К-1 (298-398К). Ниже 0,825 К цинк-сверхпроводник.
Диамагнитен, магн. восприимчивость -0,175 x 10-9. Модуль упругости
цинка 99,2 ГПа (293К);
70-100 МПа; относит, удлинение 20-60%; твердость по Бринеллю для отожженного
образца 412 МПа. При комнатной т-ре цинк хрупок, при 100-150 °С становится
пластичным и прокатывается в тонкие листы и проволоку, при 200-250 °С становится
очень хрупок, м. б. истолчен в порошок.
а Т-ра
полиморфного перехода 880 оС. б Т-ра разложения.=
105,13°. При 940 °С переходит в другую моноклинную форму.=
94,18°,=
91,12е,=
92,6°.
= 89,5°.
Стандартный электродный потенциал цинка -0,76
В. Компактный цинк тускнеет на воздухе, покрываясь тонким слоем
цинка
оксида, влажный воздух, особенно в присут. СО2, постепенно
разрушает цинк при комнатной т-ре. При сильном нагр. на воздухе цинк сгорает
с образованием ZnO. Парыводы при красном калении реагируют с цинком с выделением
Н2. Цинк обычной чистоты легко взаимод. с к-тами с образованием
солей и с р-рами щелочей с образованием гидроцинкатов, напр. Na2[Zn(OH)4],
раств. в р-рах NH3 и солейаммония, FеС13, вытесняет
Сu, Cd и др. более электроположит. металлы из р-ров их солей. Цинк высокой
чистоты почти не реагирует ни с к-тами, ни с р-рами щелочей. Цинк не взаимод.
с Н2, но Н2 незначительно раств. в цинке при повышенных
т-рах. Электролитич. цинк может содержать до 1 см3 Н2
на 1 г металла. Гидрид ZnH2 получают косвенными методами, напр.
действием LiA1H4 на Zn(CH3)2 в диэтиловом
эфире; устойчив в отсутствие влаги, медленно разлагается водой, быстро
- к-тами; не раств. в эфире. С N2 цинк не реагирует, с NH3
при 550-600 °С образует нитрид Zn3N2, к-рый устойчив
на воздухе, разлагается водой.
С галогенами выше т-ры плавления (в присут.
паровводы -при комнатной т-ре) цинк образует цинка галогениды, с халько-генами
при нагр.- цинка халькогениды. Кипящий цинк растворяет незначит. кол-во
углерода. Сообщения о синтезе карбида действием ацетилена на цинк не подтвердились,
но получены тройные карбиды, напр. Ni3ZnC. Растворимость Si
в металлич. цинке 0,06% при 600 °С и увеличивается с ростом т-ры. Силициды
цинк, как и бориды, неизвестны. В расплавленном цинке растворяется до 15% Р.
При действии паров Р на цинк при нагр. образуются фосфиды Zn3P2
и ZnP2. Получены арсениды аналогичного состава, при сплавлении
c Sb - антимониды Zn3Sb2, Zn4Sb3
и ZnSb. Все соед. цинка с Р, As и Sb -полупроводники.
Соли цинка бесцветны, если не содержат окрашенных
анионов. В р-рах они сильно диссоциированы, р-ры имеют кислую р-цию вследствие
гидролиза. При действии р-ров щелочей и NH3 осаждаются, начиная
с рН~5, гидроксосоли, напр. Zn2(OH)2SO4,
переходящие в гидроксид Zn(OH)2, к-рый раств. в избытке осадителя.
Для цинка характерны комплексы с NH3.
Сухие соли цинка поглощают до 6 молекул NH3. Гидроксид и соли цинка
раств. в р-рах NH3 с образованием комплексных катионов, содержащих
от 1 до 6 молекул NH3. Комплексные аммиакаты хорошо раств. в
воде, из р-ров в кристаллич. виде выделены гл. обр. [Zn(NH3)2]X2
и [Zn(NH3)4]X2. Труднорастворимый цианид
Zn(CN)2 с избытком цианидовщелочных металлов образует легко
р-римые комплексы M2[Zn(CN)4] и M[Zn(CN)3],
сульфит - комплексы M2[Zn(SO3)2]. Хорошо
растворимые в водетиосульфат и тиоцианат цинка дают соотв. комплексы [Zn(S203)2]2-
и [Zn(SCN)4]2-.
Фосфид Zn3P2 (табл.)
разлагается горячей водой и к-тами с выделением РН3; зооцид
(родентицид). Антимонид ZnSb - полупроводник с шириной запрещенной зоны
0,61 эВ; в воде и орг. р-рителях не раств., медленно реагирует с минеральными
к-тами; монокристаллы выращивают направленной кристаллизацией, зонной плавкой
или вытягиванием по Чохральскому; материал для термоэлектрич. генераторов.
Кобальтат (зелень Ринмана) состава от
ZnCo2O4 до ZnCoO2 - зеленые кристаллы
со структурой типа шпинели; получают спеканиемоксидов или прокаливанием
совместно осажденных гидроксокарбонатов; пигмент для керамики. Борат Zn[B2O3(OH)5]
x H2O при нагр. обезвоживается до Zn2B6O11,
к-рый разлагается при 610о С; получают взаимод. Н3ВО3
с гидроксидом или гидроксокарбонатом цинка; борат и его гидраты - антипирены
для тканей и бумаги, пигменты в лакокрасочных покрытиях, компоненты люминофоров,
флюсов для пайки и сваркиметаллов.
Карбонат ZnCO3 разлагается
выше ~ 150 °С; практически не раств. в воде (5,7 х 10-5 по массе)
и в орг. р-рителях, при кипячении с водой переходит в гидроксокарбонат;
легко раств. в к-тах, р-рах щелочей и солейаммония; получают действием
на р-р ZnSO4 р-ром КНСО3, насыщенным СО2,
с длительной выдержкой на холоде; в природе - минерал смитсонит. Гидроксокарбонат
имеет переменный состав, выделены Zn2(OH)2CO3
х
2H2O, Zn4(OH)6CO3 хnH2O,
Zn5(OH)6(CO3)2 (минерал гидроцинкит)
и др.; р-римость в воде ~ 1 х 10-3 % по массе; при 140 °С разлагается;
получают действием Na2CO3 на р-р ZnSO4
при кипячении. Карбонаты используют для получения др. соединений цинка.
Ортосиликат Zn2SiO4
не раств. в воде и орг. р-рителях, раств. в 20%-ной HF, разлагается соляной
к-той; получают взаимод. S1C14 или SiF4 с ZnO, обжигом
смеси SiO2, ZnCl2 и NaCl в присут. паровводы, гидротермальным
синтезом из ZnO и SiO2 в содовых р-рах; в природе - минерал
виллемит; люминофор.
Ортофосфат Zn3(PO4)2
из водных р-ров кристаллизуется в виде тетрагидрата; не раств. в воде и
орг. р-рителях, раств. в разб. к-тах, р-рах щелочей и NH3; при
110 °С теряет 2 молекулыводы, при 210 °С полностью обезвоживается; получают
взаимод. р-ров ZnSO4 и Nа2НРО4 или растворением
ZnO в Н3РО4, безводный - взаимод. ZnO с (NH4)2HPO4;
тетрагидрат - в природе минерал гопеит; компонент композиционных и смазочных
материалов, катализаторов орг. синтеза, антикоррозионных пигментов, люминофоров,
цинковых удобрений. Ортоарсенат Zn3(AsO4)2 x
4Н2О при 150 °С переходит в моногидрат, при 290 o
С обезвоживается; известен также октагидрат - в природе минерал кёттигит;
не раств. в воде и орг. р-рителях, раств. в к-тах, р-рах щелочей и NH3;
получают взаимод. р-ров ZnSO4 и Na2HAsO4;
антисептик для древесины, инсектицид, компонент необрастающих красок. Стеарат
(C17H35COO)2Zn, т. пл. 130 °С; не раств.
в воде, этаноле, диэтиловом эфире; вспомогат. сиккатив, загуститель смазок,
компонент косметич. кремов, пудры и др.
См. также Цинка ацетат, Цинка сульфат,
Цинка хлорид, Цинкорганические соединения.
Получение. Исходное сырье в произ-ве цинка -
сульфидные цинковые и полиметаллич. руды. Используют как гидрометаллургич.,
так и пирометаллургич. методы получения цинка. Гидрометаллургически получают
85% всего цинка. Цинковые концентраты после флотационного обогащения для удаления
S обжигают в печах кипящего слоя или во взвешенном состоянии. Огарок выщелачивают
содержащим H2SO4 отработанным электролитом (см. ниже).
Полученный р-р ZnSO4 тщательно очищают от Fe обработкой ZnO
или избытком исходного огарка (стадия "нейтрального выщелачивания"). Вместе
с Fe соосаждаются As, Sb, Al, In, Ga и др. Примеси Сu и Cd, а также Ni
удаляют действием цинковой пыли с получением т. наз. медно-кадмиевого кека.
Примесь Со удаляют осаждением-нитрозо--нафтолом
либо этилксантогенатом Na или К. Для удаления хлора используют либо Ag2SO4,
либо CuSO4 и цинковую пыль.
Из очищенного р-ра цинк осаждают электролитически
на алюминиевых катодах. Отработанный электролит возвращают на выщелачивание.
Остатки от выщелачивания ("цинковые кеки") обычно содержат значит. кол-ва
цинка в виде малорастворимых соед., напр. феррита, а также Рb и др. металлы.
Эти кеки либо дополнительно выщелачивают более крепкой H2SO4,
либо подвергают вельцеванию - обжигу вместе с коксиком в барабанных вращающихся
печах при ~ 1200 °С, в результате чего образуются возгоны оксидов Zn и
Рb -"вельц-оксиды". Эти возгоны перерабатывают гидрометаллургически, подобно
вышеописанному, в отдельной технол. ветви с попутным выделением концентрата
In и др. редких элементов.
Пирометаллургич. произ-во цинка также начинают
окислит. обжигом, но с получением кускового материала - либо обжигом на
ленточной агломерационной машине, либо спеканием порошкообразного огарка.
Агломерат в смеси с углем или коксом восстанавливают при т-ре выше т-ры
кипения цинка. Для этой цели используют либо ретортные печи (при этом цинк отгоняется,
но шихта полностью не расплавляется), либо шахтные или электрич. рудно-термич.
печи, в к-рых шихта полностью расплавляется. Во всех случаях пары металлич.
цинка конденсируются. наиб. летучая фракция, обогащенная Cd,-т. наз. пуссьера
- собирается отдельно и перерабатывается для извлечения Cd. Твердые остатки
в ретортных печах - "раймовки" - перерабатываются дальше путем, напр.,
вельцевания.
Для очистки цинка применяют ликвацию (отделение
Рb и Fe), двухступенчатую ректификацию (отделение Рb и Cd, а также Сu,
Fe и пр.) и хим. методы, в частности удаление Рb действием металлич. Na
и удаление Fe действием А1 под слоем флюса. Цинк, полученный гидрометаллургич.
путем, переплавляют с добавлением флюса NH4Cl, что способствует
удалению Т1 и др.
Для получения цинка высокой чистоты используют
дистилляцию в инертной атмосфере или в вакууме, ректификацию и зонную перекристаллизацию
в атмосфере Аr. Предложены методы электролитич. рафинирования, в частности
с амальгамными электродами.
Применение. Осн. область использования
- антикоррозионные покрытия (цинкование) железа и стали. Листы металлич.
цинка применяют в аккумуляторах и сухих элементах, в типографском деле. Цинк
используют в металлургии при рафинировании Рb от Ag и Аu; цинковую пыль
- для выделения Cd, In, Au и т. п. из р-ров цементацией. Цинк в соляной к-те
и цинковая пыль - восстановители в орг. синтезе. Широко применяют
цинка
сплавы, расходуется цинк также на произ-во разл. соед., в частности пигментов
(цинковые белила). Примерное распределение цинка по областям использования
(в %) -цинкование и покрытия сплавами цинка - 45; хим. источники тока - 20;
латуни и бронзы - 15; сплавы на основе цинка - 12; пигменты и пр.- 8.
Объем мирового произ-ва цинка (без СССР)
5,22 млн. т (1989). Осн. производители - Канада, Япония, США, Германия,
Бельгия, Франция, Австралия.
Цинк в небольших кол-вах необходим для жизнедеятельности
растений (см. Цинковые удобрения), животных и человека, т. к. входит
в состав нек-рых ферментов и гормонов. Потребность человека в цинке 15 мг
в сут.
Металлич. цинк малотоксичен, но хранить
продукты в цинковой посуде не рекомендуется. Нек-рые соед., в частности
оксид, фосфид, токсичны. Пары ZnO, а также цинковая пыль вызывают т. наз.
литейную лихорадку (симптомы - озноб, ломота и боль в мышцах, головная
боль, тошнота и кашель). Р-римые соли цинка вызывают расстройство пищеварения,
раздражение слизистых оболочек. В воздухе рабочей зоны ПДК ZnO 0,5 мг/м3,
временно допустимая доза ZnCO3 и ZnSе 2,0 мг/м3,
фосфатов и нитрата 0,5 мг/м3, ПДК в воде для цинка 1,0 мг/л, в
водоемах для разведения рыб 0,01 мг/л, в почве 23,0 мг/кг. ПДК цинка в продуктах
питания, мг/кг: рыбных , мясных 20,0, молочных 5,0, хлебе, зерне
25,0, овощах, фруктах, соках 10,0. Цинковая пыль пирофорна.
Сплавы цинка (латунь) были известны с глубокой
древнос (2400-2000 до н.э.). Получение цинка описал Страбон (1 в. д. н. э.).
Пром. произ-во цинка в Европе началось в 1743, в Китае на 400 лет раньше.
Есть что сказать? Пишите, нам всегда интересно знать Ваше мнение! Все вопросы по поводу данной новости оставляйте здесь, администрация и другие пользователи портала постараются Вам помочь. Пожалуйста, пишите комментарии без орфографических и пунктуационных ошибок.