Атомная масса цинка. Взаимодействие с водой. и строение атома

Цинк - металл серебристо-белого цвета, который еще с древних времен в Египте, Китае, Греции и Индии широко использовался в сплаве с медью (латунь). В середине XVIII века вещество было выделено в чистом виде. Современное название цинк получил лишь в 1920 годах. В природе он представлен солями, находящимися в составе минералов. Из этой статьи вы подробнее узнаете, что такое цинк и как его можно использовать.

Общая характеристика

Цинк - это элемент побочной подгруппы 2-й группы 4-го периода таблицы Менделеева, с порядковым номером 30. Атомная масса цинка равна 65,39. Своим названием он обязан Парацельсу, в трудах которого встречаются слова zinken и zincum, происходящие, очевидно, от слова zinke, означающего зубец. Отсюда произошла и химическая формула цинка - Zn. Будучи весьма распространенным элементом, цинк встречается в земной коре едва ли не во всех водных ресурсах планеты и в львиной доле живых организмов. На сегодняшний день известно более шести десятков минералов этого вещества. Основная масса цинка добывается в Боливии, Австралии, Казахстане и Иране.

Физические и химические свойства

Давайте узнаем, что такое цинк с точки зрения науки. Данный элемент является хрупким и пластичным переходным металлом. При взаимодействии с воздухом, серебристо-белое вещество тускнеет. Цинк горит, образуя белый оксид. При сгибании пластинки из этого материала можно услышать треск, образующийся из-за трения кристаллов. Цинк, нагретый до 100-150 °С становится очень пластичным.

Промышленное использование

Металлический цинк нашел широкое применение в промышленности. С его помощью, путем подземного выщелачивания добывают золото и серебро. Также цинк используется для защиты стали от коррозии (оцинковка и металлизация). В батарейках и аккумуляторах данное вещество выступает в качестве материала для отрицательных электродов.

Цинковые пластины широко используют в полиграфии, главным образом для печати иллюстраций. Из меди и цинка делают латунь. Сплавы этого вещества с магнием и алюминием нашли широкое применение в машиностроении. Цинк вводят в состав твердых припоев, для снижения температуры их плавления. Его окись является антисептическим и противовоспалительным средством, поэтому пользуется популярностью в медицине. Также с ее помощью производят краски - так называемые цинковые белила.

Селенид, фосфид, сульфид и теллурид цинка являются широко применяемыми полупроводниками. Кроме того, фосфид используется в составе отравы для грызунов, сульфид - в составе люминофоров, а селенид - в изготовлении оптических стекол.

Цинк в организме

Действие макроэлемента обуславливается тем фактом, что он входит в состав большого количества ферментов. Таким образом, цинк играет важную роль в организме человека. Еще в древнем Египте, с его помощью заживляли раны. На сегодняшний день учеными доказано, что данный макроэлемент принимает непосредственное участие в укреплении иммунной системы и поддержании нормального гормонального фона, а также стабилизирует рост.

В организме человека это химическое вещество можно найти в: мышечных тканях, костях, почках, печени, клетках крови, и даже сетчатке глаза. Цинк не только способствует долголетию, но и помогает сохранить молодость и избавиться от следов усталости.

Сегодня даже молодежь страдает от недостатка антиоксидантов, одним из которых является цинк. Это крайне негативно влияет на женскую репродуктивность и эндокринную систему. Девушки, у которых наблюдается дефицит цинка, страдают от недостаточной выработки половых гормонов и растут больше, чем нужно. У них отмечаются чересчур длинные конечности, нарушение отложения жировых клеток и менструального цикла и внешняя инфантильность.

Для мужчин цинк также очень важен. Он регулирует рост предстательной железы, а также отвечает за профилактику мужского бесплодия и аденомы простаты. Кроме того, данный микроэлемент активирует деятельность половых гормонов и сперматозоидов.

В пожилом возрасте недостаток цинка приводит к потере слуха, развитию атеросклероза и частым инфекционным заболеваниям. При достаточном употреблении этого вещества улучшаются память, внимание и прочие функции мозга.

Огромное количество цинка содержится в наших волосах. Поэтому проблемы с волосяным покровом (ломкость, тусклость, выпадение) являются первым сигналом о его недостатке. Многие знают, что витамин А - это залог здоровья ногтей кожи и волос. Однако даже его усиленный прием может оказаться безрезультатным, если не принимать цинк, выступающий активатором витаминов Е и А.

Кроме того, он позволяет избавиться от угревой сыпи, ревматизма, и инфекционных заболеваний ротовой полости. Исследования показали, что высокая смертность новорожденных мальчиков может быть вызвана дефицитом цинка у матери во время беременности. Усиливается данная проблема тем фактом, что женская потребность в этом веществе гораздо меньше, чем мужская. По этой же причине возможны гестоз и выкидыши.

Благодаря антиоксидантным и регенеративным свойствам, данный макроэлемент более 5000 лет используется для заживления ран и ожогов. Его по сей день добавляют в мази, лосьоны и крема.

Суточная норма

Норма потребления цинка была определена лишь в 1970 году. У мужчин она составляет 15 мг в сутки, а у женщин - 12 мг. Вместе с тем многие специалисты настаивают на том, что эти показатели стоит увеличить как минимум вдвое. Статистика же показывает, что большинство населения Земли не получает и указанных количеств макроэлементы. В некоторых случаях дозу цинка однозначно стоит увеличить. Это: психологические нагрузки, беременность и кормление, физические нагрузки, вегетарианство.

Необходимо также иметь в виду, что при лечении кортизоном, употреблении противозачаточных препаратов, а также злоупотреблении чересчур сладкой и соленой пищей усвояемость цинка снижается. А вот употребление магния и витамина В6, наоборот, повышает активность этого макроэлемента. Поэтому магний и цинк часто представлены в лекарственных препаратах в тандеме.

Признаки дефицита

Недостаток цинка в организме может быть обусловлен рядом причин: недостаточное поступление с пищей, плохое усвоение, нарушения в работе щитовидной железы, заболевания печени. Кроме того, поводом для дефицита этого макроэлемента может стать переизбыток белков, фитина и селена, употребляемых с продуктами питания. Причиной данной проблемы и снижения качества жизнедеятельности в целом также могут стать моральные и физические нагрузки, нестабильный образ жизни, стрессовые ситуации, вредные привычки.

Перерасход цинка в организме происходит при воспалениях и онкологии. Причина в том, что при лечении данных заболеваний, активируется рост клеток, в котором важную роль играет цинк.

Недостаток данного макроэлемента в организме является довольно серьезной проблемой. Он может привести к таким проблемам:

Патологии желудочно-кишечного тракта.
Нарушения сна, утомляемость, нервозность.
Склонность к алкогольной зависимости, депрессивные состояния.
Гиперактивность.
Потеря обоняния, аппетита и вкусовых ощущений.
Уменьшение остроты зрения.
Малокровие.
Угри, дерматит, экзема, псориаз и прочие заболевания кожи.
Поражение волосяного покрова и ногтей.
Развитие сахарного диабета.
Задержка полового созревания, которая может привести к аденоме простаты и импотенции.
Патологии во время беременности или даже бесплодие.
Ослабление иммунитета и, как следствие, аллергические и респираторные заболевания.
Преждевременное старение.

Как показали недавние исследования, если в организме человека наблюдается недостаток цинка и таурина, то у него может начать развиваться эпилепсия.

Цинк особенно важен для детей, так как его нехватка может привести к остановке роста. В некоторых восточных странах, из-за указанной причины проживает много людей карликового роста.

Избыток цинка

Переизбыток макроэлемента наступает при употреблении более двух грамм в сутки. Если же принять более 200 г цинка, то он вызовет рвоту. Длительное употребление вещества в количестве более 100 грамм в день приводит к ухудшению иммунитета и способствует развитию язв желудка. Острое отравление сопровождается рвотными рефлексами, диареей и появлением во рту специфического привкуса.

Причиной переизбытка цинка может быть прием препаратов несогласованных с врачом, нарушение обмена веществ на клеточном уровне, работа на вредном производстве и даже неправильное использование оцинкованной посуды.

Симптомами начальных стадий отравления данным макроэлементом являются: патологии кожи, ногтей и волос, ослабление иммунной системы, боли в желудке, нарушения в работе печени, поджелудочной железы и простаты. При более сильных отравлениях могут возникнуть боли в поясничном отделе, усиленное сердцебиение и боли при мочеиспускании. Велика также вероятность повышения уровня холестерина в сосудах.

Положительным является тот факт, что, по мнению многих ученых, передозировка цинком практически невозможна, так как он не обладает токсичностью и не может накапливаться в тканях в виде излишков. Особенно это касается макроэлемента, содержащегося в естественном виде в продуктах питания. А вот дефицит вещества в рационе питания многих людей действительно является серьезной проблемой.

Источники в пище

Казалось бы, если цинк в продуктах встречается едва ли не повсеместно, откуда у людей проблемы с дефицитом данного макроэлемента. Здесь есть ряд нюансов. Во-первых, в растительных источниках количество цинка крайне незначительно. Во-вторых, макроэлементы, поступающие в организм с пищей, далеко не всегда усваиваются в полном объеме. И в-третьих, на снижение пищевой ценности продуктов может влиять кулинарная обработка и выращивание на обедненных почвах (применительно к растениям). Поэтому прежде чем составлять комплексный рацион питания, стоит разобраться, что такое цинк и сколько его в том или ином продукте. Особо внимательными стоит быть вегетарианцам.

Кстати говоря, в народной медицине есть простое, но действенное средство для восполнения дефицита цинка - настой из листьев березы.

Взаимодействие цинка с другими веществами

У цинка есть как «враги», так и «помощники». К первой категории веществ можно отнести: медь, железо, ртуть и кальций. Цинк плохо усваивается под влиянием: танина, алкоголя, анаболиков, диуретиков и противозачаточных средств. Такое важное для организма вещество как клетчатка, может снизить эффективность цинка до 80%. Здесь, опять же, стоит быть внимательными вегетарианцам, которые потребляют много овощей и фруктов, содержащих клетчатку.

К помощникам цинка относятся: витамины групп А, Е, С и В6, фтор и пиколиновая кислота. Кстати говоря, комплекс из цинка, марганца и витамина В6 используется для профилактики некоторых видов шизофрении.

Препараты на основе цинка

Разобравшись, что такое цинк и как его используют, кратко рассмотрим, в каких медицинских препаратах он представлен. Здесь сразу стоит оговориться, что применять медикаменты без консультации доктора крайне нежелательно. Чаще всего больным назначают растворы цинка, присыпки, мази (например "Бюро плюс", "Деситин", "Глутамол", цинковую мазь), а также окиси и сульфаты в виде капель. Популярны и содержащие цинк витамины («Центрум», «Селиницинк Плюс», «Цинктерал», «Цинкит»). Кроме того, для лечения геморроя используют свечи с цинком, а для борьбы с облысением - таблетки.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Атомный номер 30

Атомная масса 65,409

Плотность, кг/мі 7140

Температура плавления, °С 419,5

Температура кипения, °С 906,2

Теплоемкость, кДж/(кг·°С) 0,383

Электроотрицательность 1,6

Ковалентный радиус, Е 1,25

1-й ионизац. потенциал, эв 9,39

Цинк -- это элемент побочной подгруппы второй группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 30. Обозначается символом Zn (лат. Zincum). При нормальных условиях- хрупкий переходный металл голубовато-белого цвета (тускнеет на воздухе, покрываясь тонким слоем оксида цинка). При кристаллизации имеет гексагональную решетку. Элемент имеет пять стабильных изотопов с массовыми числами 64, 66, 67, 68 и 70. Самый распространенный 64Zn (48,89 %).

Цинк относится к металлам, широко используемым в самых разнообразных областях народного хозяйства, науки, техники, медицины.

На разные применения цинка приходится:

цинкование -- 45-60 %

медицина (оксид цинка как антисептик) -- 10 %

производство сплавов -- 10 %

производство резиновых шин -- 10 %

масляные краски -- 10 %

также необходим для жизнедеятельности растений животных и человека, т. к. входит в состав некоторых ферментов и гормонов.

1. История открытия

Слово «цинк» встречается в трудах Парацельса и других исследователей 16-17 вв. и восходит, возможно, к древнегерманскому «цинко» -- налет, бельмо на глазу. Название этого металла за его историю несколько раз менялось. Слово «цинк» в России ввел М. В. Ломоносов в 1742 г.

Когда впервые был выплавлен металлический цинк, точно не установлено, но исторические документы говорят о том, что в Индии его получали еще в V в. до н.э. Сплав цинка с медью -- латунь -- был известен в Древней Греции, Древнем Египте, Индии, Китае.

В XVI в. были предприняты первые попытки выплавлять его в заводских условиях. Но производство «не пошло». Технологические трудности оказались непреодолимыми. Цинк пытались получать точно так же, как и другие металлы - руду обжигали, превращая цинк в окись, затем эту окись восстанавливали углем. Цинк, естественно, восстанавливался, взаимодействуя с углем, но не выплавлялся потому, что этот металл уже в плавильной печи испарялся - температура его кипения всего 906°C. А в печи был воздух. Встречая его, пары активного цинка реагировали с кислородом, и вновь образовывался исходный продукт - окись цинка.

Наладить цинковое производство в Европе удалось лишь после того, как руду стали восстанавливать в закрытых ретортах без доступа воздуха. Примерно так же «черновой» цинк получают и сейчас, а очищают его рафинированием.

В промышленном масштабе выплавка цинка началась также в XVIII в. В 1743 году в Бристоле вступил в строй первый цинковый завод, основанный Уильямом Чемпионом, где получение цинка проводилось дистилляционным способом. Продукция быстро проникла в Бельгию и Силезию. В 1746 А. С. Маргграф в Германии разработал похожий на способ Чемпиона дистилляционный 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. Маргграф описал свой метод во всех деталях и этим заложил основы теории производства цинка. Поэтому его часто называют первооткрывателем цинка.

2. Месторождения цинка в природе

Цинк присутствует не только в горных породах и почве, но также и в воздухе, воде и биосфере. Среднее содержание цинка в земной коре -- 8,3·10-3%, в основных извержённых породах его несколько больше (1,3·10-2%), чем в кислых (6·10-3%), в воде Мирового океана- 0,01 мг/л. Цинк, как один из биогенных элементов постоянно присутствует в тканях животных и растений. Среднее содержание этого металла в большинстве живых организмов планеты -- 5*10-4 %.

Самородный цинк в природе не найден. Цинк встречается в рудах главным образом в виде соединений. Соединения этого металла входят в состав полиметаллических руд. Только после обогащения цинковые концентраты содержат от 48 до 65 % цинка, до 12 % железа, до 2 % меди, до 2 % свинца и, кроме того доли процента рассеянных и редких металлов.

Основные минералы цинка:

ZnS - сфалерит (цинковая обманка), содержит 67,1 % цинка, цвет - желтый, бурый, чёрный;

nZnS·mFeS - марматит, содержит более 60 % цинка, буровато-черный цвет;

ZnO - цинкит, содержит 80,3 % цинка, темно-красный цвет;

ZnCO3 - смитсонит, содержит 64,8 % ZnO, белый, серый, зеленоватый цвет;

Zn2SiO4(2ZnO·SiO2) - виллемит, содержит 73 % ZnO, белый, желтый, зеленоватый цвет;

H2Zn2SiO5(2ZnO·SiO2·H2 O) - каламин, содержит 67,5 % ZnO, белый, желтый, цвет;

ZnSO4 - цинкозит, содержит 50,3 % ZnO, в природе встречается редко;

ZnSO4·7H2O - госларит, содержит 28,2 % ZnO, белый или красноватый цвет.

Цинк активно переносится водными потоками, особенно такая миграция этого металла характерна для термальных вод, где цинк переносится вместе со свинцом. Впоследствии из таких потоков осаждаются сульфиды цинка, которые занимают важнейшее место в промышленности.

Цинковые месторождения руды широко распространены во всем мире. Цинковые руды добываются более чем в 50 странах.

Китай, Австралия, Перу, Европа и Канада - лидеры по добыче цинка в мире.

В рудах цинк обычно соседствует со свинцом и другими металлами, включая медь, золото и серебро.

Самый распространенный цинковый минерал - сфалерит (ZnS), также известный как цинковый сфалерит, который присутствует практически во всех разрабатываемых в настоящее время месторождениях цинка. Цинковые руды, расположенные близко к поверхности земли, часто представляют из себя оксиды и карбонаты.

Мировые запасы цинка на Земле составляют около 1900 млн. тонн, резервы (доступные для добычи) - примерно 250 млн. тонн. Крупнейшие запасы цинка находятся в Австралии (22,4% от общего количества) и Китае (17,2%).

Запасы на месторождениях цинка в 2010 году, тыс.тонн

Сырьевые ресурсы России

Несмотря на то, что доля России в мировых запасах цинка составляет 14%, ее доля в мировом производстве этого металла гораздо скромнее и составляет лишь около 3%. Это объясняется недостаточной разработанностью имеющихся месторождений.

Примерно 82 % запасов находится в месторождениях Восточно-Сибирского и Уральского регионов, других 18 % -- в пределах Западно-Сибирского, Дальневосточного и Северо-Кавказского регионов. Наиболее крупные месторождения цинка в России: Холоднинское, Озерное, Корбалихинское, Гайское, Узельгинское, Учалинское и Николаевское.

Около 80% цинковых месторождений - подземные, 8% располагаются на поверхности, а остальные - комбинированный тип. Однако, с точки зрения объема производства, из карьеров добывается 15%, из подземных шахт производится 64% руды, а 21% добычи приходится на комбинированные разработки.

В настоящее время только приблизительно 60% потребляемого в мире цинка происходит из добытых руд, остальные 40% получаются после переработки цинксодержащих отходов и металлического лома. Уровень переработки в мире увеличивается каждый год. В мире на сегодняшний день собирается и перерабатывается более 90% цинксодержащих отходов. Обычно это отходы производства, либо отслужившие свой срок сооружения, конструкции, машины, оборудование и бытовая техника.

3. Физические свойства

Цинк в чистом виде -- довольно пластичный серебристо-белый металл. Обладает гексагональной решеткой. При комнатной температуре хрупок, при сгибании пластинки слышен треск от трения кристаллитов, в литом состоянии малопластичен, но уже при 100--150°C легко подвергается обработке давлением -- прессованию, штамповке и глубокой вытяжке, прокатывается в тонкие листы, фольгу толщиной около сотых долей миллиметра, проволоку. При дальнейшем нагревании (выше 200° C) цинк становится очень хрупким -- вплоть до истончения в порошок. Примеси, даже незначительные, резко увеличивают хрупкость цинка.

Свойства:

атомный радиус этого элемента: -1,37Е, ионный- Zn2+ -0,83Е;

обладает гексагональной решеткой с параметрами:

а = 0,26649 нм, с = 0,49468 нм;

плотность, г/см3: в твердом состоянии при 20°С - 7,1 - 7,2, в жидком состоянии при 450°С -6,6;

температура, плавления, °С: - 419,4, кипения- 905,4;

теплота, кДж/кг: плавления - 100,8, испарения - 1,75;

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, К"1 - 4,17.10-3

магнитные характеристики - диамагнитен;

4. Химические свойства

Внешняя электронная конфигурация атома Zn- 3d104s2. Степень окисления в соединениях +2. Нормальный окислительно-восстановительный потенциал, равный 0,76 в, характеризует цинк как активный металл и энергичный восстановитель. На воздухе при температуре до 100 °С цинк быстро тускнеет, покрываясь поверхностной пленкой основных карбонатов. Во влажном воздухе, особенно в присутствии СО2, происходит разрушение металла с образованием основного гидрокарбоната цинка даже при обычных температурах.

При температуре красного каления он может окислиться парами воды с выделением водорода и двуокиси углерода. При достаточном нагревании на воздухе сгорает ярким зеленовато-синим пламенем с образованием окиси цинка с значительным выделением энергии.

В соответствии с местом, занимаемым цинком в ряду напряжений, он легко растворяется в разбавленных кислотах с выделением водорода. При этом концентрированная кислота восстанавливается до окислов азота, разбавленная -- до аммиака. Растворение в конц. H3S04 сопровождается выделением не водорода, а двуокиси серы.

Смесь порошка цинка с серой при нагревании реагирует со взрывом.

С азотом даже в парах цинк не взаимодействует, но довольно легко при температуре красного каления реагирует с аммиаком, образуя нитрид цинка- Zn3Na.

Карбид цинка ZnC, образуется при нагревании цинка в токе ацетилена, разлагается водой и разбавленными кислотами.

При нагревании металлического цинка в парах фосфора до 440--780°С образуются фосфиды- Zn3Ps и ZnP2.

В расплавленном состоянии цинк неограниченно смешивается со многими металлами: Си, Ag, Аи, Cd, Hg, Са, Mg, Mn, Fe, Co, Ni, Al, Sn.

Со многими металлами цинк образует соединения, например: Си, Ag, Аи, Mn, Fe, Со, Ni, Pf, Pd, Rh, Sb, Mg, Ca, Li, Na, K.

Цинк довольно легко растворяется в щелочах, а также водных растворах аммиака и хлорида аммония, особенно при нагревании. Скорость растворения цинка не только в щелочах, но и в кислотах зависит от его чистоты. Очень чистый цинк растворяется медленно, а для ускорения процесса рекомендуется вводить в раствор несколько капель сильно разбавленного раствора сульфата меди (возникновение гальванических пар).

Взаимодействие с неметаллами

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

При поджигании энергично реагирует с серой:

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

Zn + Cl2 = ZnCl2

При действии паров фосфора на цинк образуются фосфиды:

Zn + 2P = ZnP2 или

3Zn + 2P = Zn3P2

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

Взаимодействие с водой

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

Zn + H2O = ZnO + H2

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

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

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

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

Zn + 2H2SO4 = ZnSO4 + SO2 + 2H2O

Zn + 4HNO3 = Zn(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O

Взаимодействие со щелочами

Реагирует с растворами щелочей с образованием гидроксокомплексов:

Zn + 2NaOH + 2H2O = Na2 + H2

при сплавлении образует цинкаты:

Zn + 2KOH = K2ZnO2 + H2

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 = (OH)2 + H2

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

5. Соединения цинка

Оксид цинка является самым важным промышленным цинксодержащим соединением. Будучи побочным продуктом производства латуни, он стал известен раньше, чем сам металл. Оксид цинка получают, сжигая на воздухе пары цинка, образующиеся при плавке руды. Более чистый и белый продукт производят сжиганием паров, полученных из предварительно очищенного цинка.

Обычно оксид цинка - это белый тонкий порошок. При нагревании его окраска меняется на жёлтую в результате удаления кислорода из кристаллической решётки. Добавляя в оксид цинка 0,02-0,03%-ный избыток металлического цинка, можно получить целый спектр цветов - желтый, зеленый, коричневый, красный, однако красноватые оттенки природной формы оксида цинка - цинкита - появляются по другой причине: за счет присутствия марганца или железа. Оксид цинка ZnO амфотерен; он растворяется в кислотах с образованием солей цинка и в щелочах с образованием гидроксоцинкатов, таких как - и 2-.

Основное промышленное применение оксида цинка - производство резины, в котором он сокращает время вулканизации исходного каучука.

Оксид цинка увеличивает срок жизни стекла и поэтому используется в производстве специальных стекол, эмалей и глазурей. Еще одна важная область применения - в составе нейтрализующих косметических паст и фармацевтических препаратов.

Гидроксид цинка образуется в виде студенистого белого осадка при добавлении щелочи к водным растворам солей цинка. Гидроксид цинка, так же как и оксид, амфотерен:

Zn(OH)2 + 2OH- = 2-

Сульфид цинка выделяется в виде белого осадка при взаимодействии растворимых сульфидов и солей цинка в водном растворе. В кислотной среде осадок сульфида цинка не выпадает. Сероводородная вода осаждает сульфид цинка лишь в присутствии анионов слабых кислот, например, ацетат-ионов, которые понижают кислотность среды, что приводит к повышению концентрации сульфид-ионов в растворе.

Сфалерит является наиболее распространенным минералом цинка и главным источником металла, однако известна и вторая природная, хотя и намного более редкая форма- вюрцит, более устойчивая при высокой температуре. Чистый сульфид цинка - белый и, подобно оксиду цинка, применяется как пигмент, для этого его часто получают вместе с сульфатом бария при взаимодействии водных растворов сульфата цинка и сульфида бария.

Свежеосажденный сульфид цинка легко растворяется в минеральных кислотах с выделением сероводорода:

ZnS + 2H3O+ = Zn2+ + H2S + 2H2O

Однако прокаливание делает его менее реакционноспособным, и поэтому он является подходящим пигментом в красках для детских игрушек, так как безвреден при проглатывании. Кроме того, у сульфида цинка интересные оптические свойства. Он становится серым при действии ультрафиолетового излучения.

Хлорид цинка является одним из важных соединений цинка в промышленности. Его получают действием соляной кислоты на вторичное сырье или обожженную руду.

Концентрированные водные растворы хлорида цинка растворяют крахмал, целлюлозу (поэтому их нельзя фильтровать через бумагу) и шёлк. Его применяют в производстве текстиля, кроме того, он используется как антисептик для древесины и при изготовлении пергамента.

Поскольку в расплаве хлорид цинка легко растворяет оксиды других металлов, его используют в ряде металлургических флюсов. С помощью раствора хлорида цинка очищают металлы перед пайкой.

6. Производство цинка

Известно, что чисто цинковые руды в природе почти не встречаются. Соединения цинка входят в состав полиметаллических руд, обычно содержащих 1-5 % Zn, поэтому их предварительно обогащают, получая цинковый концентрат, который может содержать 50-65 % цинка, до 12 % железа, до 2 % меди, до 2 % свинца, плюс доли процента рассеянных и редких металлов. Такой сложный состав цинковых концентратов и руд -- одна из причин, по которым цинковое производство так долго зарождалось. Современные технологии до сих пор сталкиваются с проблемами переработки полиметаллических руд цинка.

Цинковые концентраты подвергают обжигу, при этом сульфид цинка превращается в оксид:

2ZnS + 2O2 = 2ZnO + 2SO2^

Получение же чистого металлического цинка из оксида возможно двумя способами.

На данный момент электролитический или гидрометаллургический является основным способом получения цинка. Он заключается в электролитическом выделении цинка из сульфата, который получается обработкой обожженных концентратов серной кислотой. Получившийся сульфатный раствор очищают от примесей -- путем осаждения их цинковой пылью -- затем электролизуют в специальных ваннах, поверхность которых выложена свинцом или винипластом. Затем цинк осаждается на алюминиевых катодах, откуда его ежесуточно удаляют для дальнейшей переплавки в индукционных печах.

При таком методе получения цинка удается выработать руду на 93-94 % (если перерабатывать отходы), то есть извлечение цинка происходит почти на 100 %. Притом, что чистота получаемого металла составляет 99,95 %. Из отходов такого производства можно получить цинковый купорос, а также кадмий, свинец, медь и даже золото и серебро. Иногда получают In, Ga, Ge, Tl.

Другой способ (существующий издавна) получения металлического цинка -- пирометаллургический или дистилляционный. Этот метод заключается в следующем. Сквозь слой дробленой руды (порошкообразного состояния), размещенной на решетке, подают снизу воздух или какой-нибудь газ с такой скоростью, что его струи проходят сквозь материал, интенсивно перемешивая его. Получается как бы «кипение» порошкообразной руды, которая находится в «псевдоожиженном» состоянии, ведь кипеть могут только жидкости. Из обожженного концентрата цинк извлекают, восстанавливая его коксом при температуре 1200-1300° и конденсируя образующиеся пары цинка с последующим разлитием их в изложницы.

Ранее восстановление проводили в ретортах из обожженной глины, которые приходилось обслуживать вручную, позднее их заменили вертикальные механизированные реторты из огнеупорного материала -- карборунда.

За счет плотного контакта твердых частиц руды и газа химические реакции в «кипящем слое» протекают с очень большой скоростью. Применение обжига в «кипящем слое» дает повышение производительности печей в 3-4 раза при более тщательном извлечении цинка из концентрата.

Этот метод очень эффективен при обжиге сульфидных руд и концентратов, сублимации сравнительно летучих металлов, прокаливании, охлаждении и сушке различных веществ.

Из свинцово-цинковых концентратов цинк получают в шахтных печах. Дистилляционный цинк очищают ликвацией (разделение жидкого цинка от железа и части свинца при температуре 500°C). При такой очистке удается достигнуть чистоты металла 98,7 %.

Иногда применяется более сложная и дорогостоящая очистка ректификацией, которая дает металл чистоты 99,995 %, позволяя извлекать ценный кадмий.

цинк дистилляционный химический

7. Применение

Спрос на металл в последние годы имел растущую динамику, что в первую очередь объясняется обширным применением цинка в различных отраслях экономики - автомобилестроении, металлургии, авиации, трубной промышленности, машиностроении, строительстве, медицине и при производстве резинотехнических изделий и лакокрасочных материалов.

Более половины производимого в мире цинка расходуется на защиту сталей от коррозии -- оцинкование. Механизм этой защиты иной, чем у других антикоррозионных покрытий: кобальта, никеля, кадмия, олова -- все эти элементы в ряду активности металлов стоят после железа. Это значит, что они химически более стойки, чем железо, они «прикрывают» стальную поверхность от воздействия окружающей среды. Цинк же, наоборот, химически активнее, чем железо, он реагирует с агрессивными компонентами атмосферы раньше. Получается, что цинк не просто механически защищает железо от внешних воздействий, он его химически защищает. При возникающем электрохимическом процессе разрушается цинк, сохраняя в безопасности основной металл. Такое покрытие будет эффективно работать, даже если произошло нарушение целостности -- скол или царапина.

Оцинкованная жесть применяется в качестве кровельного материала, идет на изготовление предметов находящихся в частом контакте с водой (ведра, баки).

Велико значение и сплавов цинка с другими металлами. Так давно известная латунь (сплав меди и цинка) идет на изготовление конденсаторных трубок, патронных гильз, различной запорной арматуры, радиаторов и многого другого. Введенный в определенных концентрациях цинк всегда улучшает механические свойства меди (ее прочность, пластичность, коррозионную стойкость). Кроме того, такое введение удешевляет сплав - ведь цинк намного дешевле меди.

Цинковые сплавы стали использоваться в полиграфии, постепенно вытесняя сурьмяно-оловянно-свинцовый сплав гарт для отливки шрифтов. Теперь все чаще стали использовать сплав № 3, содержащий 95 % цинка, 3 % алюминия и магний. Из цинка делают клише, позволяющие воспроизвести в печати рисунки и фотографии.

Чистый цинк в виде пыли применяют для вытеснения золота и серебра из цианистых растворов; для очистки раствора сульфата цинка от меди и кадмия. Цинк применяется при отделении свинца от благородных металлов, так как образует с ними интерметаллиды нерастворимые в жидком свинце.

В пиротехнике цинковую пыль применяют, чтобы получить голубое пламя. Порошкообразный цинк используют в приготовлении специальной защитной краски для технических объектов и строений.

Листы из чистого цинка широко применяют в производстве гальванических элементов.

Большое применение находят соединения цинка. Основное промышленное применение оксида цинка ZnO -- производство резины, в котором он сокращает время вулканизации исходного каучука. При смешивании с олифой оксид цинка превращается в цинковые белила, используемые малярами. Кроме того, ZnO увеличивает срок жизни стекла и поэтому используется в производстве специальных стекол, эмалей и глазурей. Еще одна важная область применения -- в составе нейтрализующих косметических паст и фармацевтических препаратов.

Хлорид цинка ZnCl2 применяют в производстве текстиля, кроме того, он используется как антисептик для древесины и при изготовлении пергамента.

Хлорид цинка используют в ряде металлургических флюсов. С помощью раствора ZnCl2 очищают металлы перед пайкой.

8. Токсичность цинка

Цинк проявляет токсические свойства в дозе 150-600 мг, летальная доза - 6 г. В производственных условиях везде, где цинк нагрет выше температуры плавления (419,5° C), в воздухе может быть окись цинка; она ядовита, при вдыхании вызывает так называемую литейную лихорадку, выражающуюся в ознобе, головной боли, тошноте, кашле. Предельно допустимая концентрация для оксида цинка 0,5 мг/м3. Чистый цинк для человека не опасен, редко наблюдающиеся случаи отравления обычно связаны с техническим цинком, загрязненным примесями мышьяка, сурьмы и свинца. С точки зрения физиологии цинк -- необходимый элемент как для человека и животных, так и для растений.

9. Цинк и его роль в организме человека

Цинк необходим для нормального функционирования любой клетки организма. В норме в организме человека должно содержаться около 2-3 г цинка. Большая его часть находится в коже, печени, почках, в сетчатке глаза, в волосах, а у мужчин, кроме того, в предстательной железе.

Цинк является одним из жизненно важных микроэлементов:

входит в состав более 40 металлоферментов, связанных с дыханием и другими физиологическими процессами. Они катализируют гидролиз пептидов, белков, некоторых эфиров и альдегидов;

является компонентом таких жизненно важных гормонов, как инсулин;

необходим для образования эритроцитов и других форменных элементов крови;

играет существенную роль в синтезе молекул информационной РНК на соответствующих участка ДНК (транскрипция), в функционировании Т-клеточного звена иммунитета, в метаболизме липидов и белков, в стабилизации рибосом и биополимеров;

участвует в обмене углеводов за счет инсулина, кроме того, витамин A усваивается организмом только в присутствии цинка, витамины C и E слабоусвояемы без этого элемента;

входит в состав ферментов и комплексов, обеспечивающих важнейшие физиологические функции организма:

Образование, рост и метаболизм (обмен веществ) клеток, синтез белков, заживление ран;

Активизацию иммунных реакций, направленных против бактерий, вирусов, опухолевых клеток;

Усвоение углеводов и жиров;

Поддержание и улучшение памяти;

Поддержание вкусовой и обонятельной чувствительности;

Формирование костей

Обеспечение стабильности сетчатки и прозрачности хрусталика глаза;

Нормальное развитие и функционирование половых органов.

Человек получает цинк главным образом с пищей. Организму необходимо 10-20 мг этого минерала в день. Он содержится в таких продуктах, как: морковь, свекла, картофель, вишня, сливы, яблоки, капуста, чеснок, грибы, бобовые, зерновые, орехи, яйца, сыр, молоко, морепродукты, мясо.

Низкий уровень цинка в крови характерен для ряда заболеваний: атеросклероз, цирроз печени, рак, болезни сердца, ревматизм, артрит, диабет, язвенная болезнь желудка и 12-перстной кишки, язвы на теле.

При передозировке цинка наблюдаются приступы слабости, опасность отравления, т. к. цинк проявляет токсические свойства в дозе 150-600 мг, летальная доза - 6 г. Может быть канцерогенен. Оксид цинка и его металлическая пыль вызывают патологические изменения в легких. При попадании на кожу соединений этого металла возникают экзема и дерматит.

Необходимость цинка в жизни человека

Цинк является одним из самых распространенных металлов в промышленности. Из-за своих характеристик он очень легок в обработке давлением или высокими температурами, широко используется в самых разнообразных областях народного хозяйства, науки, техники, медицины.

Спрос на металл остается высоким, благодаря бурному росту производства антикоррозионных покрытий. Цинковое покрытие часто оказывается более надежным, нежели остальные, потому что цинк не просто механически защищает железо от внешних воздействий, он его химически защищает.

Также цинк - один из наиболее важных биологически активных элементов и необходим для всех форм жизни.

Тело человека содержит около 2 г цинка. Хотя цинксодержащие ферменты присутствуют в большинстве клеток, его концентрация очень мала и поэтому довольно поздно стало понятно, насколько важен этот элемент; необходимость и незаменимость цинка для человека была установлена 100 лет тому назад.

Изучение цинка всё ещё продолжается. Хоть этот металл и неприметен, дешев, но цинку в мире нашли тысячи применений.

Список литературы

1. Живописцев В.П, Селезнёва Е.А. Аналитическая химия элементов. «Наука» Москва 1975.- 543с.

2. Популярная библиотека химических элементов. М., Наука, 1977

3. Свойства химических элементов- Справочник химика. Цинк- chem100.ru

4. Казаков Б.И. Металл из Атлантиды(о цинке). М.: Металлургия, 1984- 128с.

5. Популярная библиотека химических элементов. Цинк- http://n-t.ru/ri/ps/

6. Зефиров Н. С. (гл. ред.) Химическая энциклопедия: в 5 т. -- Москва: Большая Российская энциклопедия, 1999. -- Т. 5. -- 378с.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Распространение цинка в природе, его промышленное извлечение. Сырьё для получения цинка, способы его получения. Основные минералы цинка, его физические и химические свойства. Область применения цинка. Содержание цинка в земной коре. Добыча цинка В России.

реферат , добавлен 12.11.2010

Положение цинка, фосфата кадмия и ртути в периодической системе Д.И. Менделеева. Распространение их в природе, физические и химические свойства. Получение фосфорнокислого цинка. Синтезирование и изучение окислительно-восстановительных свойств цинка.

курсовая работа , добавлен 12.10.2014

Физические, химические свойства и применение цинка. Вещественный состав цинкосодержащих руд и концентратов. Способы переработки цинкового концентрата. Электроосаждение цинка: основные показатели процесса электролиза, его осуществление и обслуживание.

курсовая работа , добавлен 08.07.2012

Особенности влияния различных примесей на строение кристаллической решетки селенида цинка, характеристика его физико-химических свойств. Легирование селенида цинка, диффузия примесей. Применение селенида цинка, который легирован различными примесями.

курсовая работа , добавлен 22.01.2017

презентация , добавлен 16.02.2013

Характеристика свойств и строения соединения селенида цинка. Описание особенностей, технологий различных способов его получения. Промышленные принципы легирования полупроводников. Легирующие добавки селенида цинка и описание свойств легированных образцов.

курсовая работа , добавлен 22.01.2017

Общая характеристика элементов подгруппы меди. Основные химические реакции меди и ее соединений. Изучение свойств серебра и золота. Рассмотрение особенностей подгруппы цинка. Получение цинка из руд. Исследование химических свойств цинка и ртути.

презентация , добавлен 19.11.2015

Анализ влияния цинка на качественный и количественный состав микрофлоры в почве урбанизированных экосистем города Калининграда, проведение собственного эксперимента. Выявление группы микроорганизмов, проявляющих устойчивость в высокой концентрации цинка.

курсовая работа , добавлен 20.02.2015

Физико-химическая характеристика кобальта. Комплексные соединения цинка. Изучение сорбционного концентрирования Co в присутствии цинка из хлоридных растворов в наряде ионитов. Технический результат, который достигнут при осуществлении изобретения.

реферат , добавлен 14.10.2014

Характеристика цинка и меди как химических элементов и их место в периодической таблице Менделеева. Получение цинка из полиметаллических руд пирометаллургическим и электролитическим методами. Способы применения меди в электротехнике и производстве.

Цинк - элемент периодической системы 2 подгруппы 4 периода с атомным номером 30 и атомным весом 65,39.

Хрупкий переходный метал цинк.

Прямое влияние на химические свойства цинка оказывает его отношение к блоку d-элементов. Данная группа образует химические связи только внешними электронами d-орбитали. Поэтому элемент имеет характерную степень окисления +2 и схожесть со свойствами магния.
Гексагональная решетка цинка была описана еще в Швейцарии в XVI веке и упоминалась как «кристалловидные иглы». Металл переходного типа в своих разновидностях имеет множество изотопов. Самый стабильный из радиоактивных — 65 zn с периодом полураспада в 245 суток.
Металлический цинк в обычных условиях - это хрупкое вещество. Его плотность составляет 7,13 г/см³. На свету присущий всем металлам блеск отливает голубовато-серым цветом. Температура плавления начинается от 46 °C, а температура кипения - от 906 °C. Проявляя амфотерные свойства, элемент уступает по активности только щелочноземельным металлам. Окислительно-восстановительный потенциал равен 0,76 B.

Цинк является коррозиестойким металлом. В интервале водородного показателя кислотности pH 9–11 наблюдается максимальная устойчивость. В атмосферных условиях коррозия не протекает из-за появления на поверхности защитной пленки - оксида цинка. Коррозия будет проходить с применением водородной или кислородной деполяризации.

Роль в металлургии

Гидро- и пирометаллургический процессы - наиболее распространенные способы производства металлического цинка из руды. В своих свойствах ничем не уступает хрому в качестве антикоррозионного покрытия. Половина всего производимого цинка затрачивается именно для нанесения защитного слоя для железа и стали.

Антикоррозийное применение цинка.

За счет низкой температуры плавления цинка и его сплавов с другими металлами появляется проблема чувствительности к перегреву. Поэтому чрезмерный перегрев в производстве вызывает нарушение процесса с последующим окислением сплава. Наиболее распространенными считаются сплавы с медью (латунь), а также со свинцом. Их повсеместно используют в технике, щелочных аккумуляторах, гальванических элементах и сплавах с другими благородными металлами.

Характеристика свойств элемента меняется под влиянием примесей. К примеру: тройная эвтектика сплава свинца и цинка с примесью олова плавится гораздо легче самого цинка и разрушается под горячим давлением. Добавление в состав цинка всего 0,2% железа в несколько раз повышает его хрупкость. Труднорастворимые в элементе висмут и мышьяк вообще отрицательно сказываются на технологических характеристиках получаемого вещества.

В промышленности восстанавливающие свойства элемента имеют важную функцию. Он принимает участие в осаждении золота из растворов, в производстве гидросульфита, добыче из руды меди и кадмия.

Реакции с элементами

Взаимодействие с кислотами

Хорошая реакция цинка с большинством кислот обусловлена его положением по отношению к водороду в электрохимическом ряду активности металлов. Так образуется множество важных цинковых солей. Эти соли преимущественно бесцветные, представляют гигроскопичные кристаллы, растворы которых вследствие гидролиза имеют кислотную среду. В случае с солями других металлов он будет также вытеснять их из раствора, если они стоят в ряду напряжения правее от элемента.

При взаимодействии с кислотами образуются соли цинка.

В растворе элемента с серной кислотой при температуре ниже 38 °C образуется цинковый купорос, научное название которого сульфат ZnSO4. Его используют в производстве вискозы, некоторых отраслях металлургии, в медицине как обеззараживающее средство. Хлорид ZnCl2 получают из раствора соляной кислоты с цинком. Его используют в производстве батареек, антисептической пропитке дерева и бумажной фибры.

Производные соединения

Цинк и его амфотерные свойства передаются гидроксидам цинка Zn (OH)2. Этим веществам присуще химическое поведение кислот и оснований одновременно. Получить гидроксид в виде белого осадка можно действием щелочи на сульфат. В естественном состоянии гидроксид - это кристалловидное вещество, разлагающееся при температуре свыше 130 °C. Применяется для синтеза солей цинка.
Эффектным можно назвать старый способ добычи оксида ZnO, именуемый ранее как «французский процесс». В присутствии сильно нагретого воздуха вокруг пластины элемента начнут выделяться пары цинка, которые затем воспламеняются голубоватым светом, образуя оксид. На крупном производстве его добывают из природного минерала цинкита. Кроме того, для производства оксида широко применяют термическое разложение более сложных соединений, как, например, гидроксида.
Бесцветный белый порошок оксида, не растворяющийся в воде, выражает свою химическую двойственность. При сплавлении оксида цинка со щелочами получают цинкаты. При сплавлении с оксидами - силикаты. Собственная теплопроводность позволяет ему быть полупроводником, ширина запрещенной зоны которого равна 3,36 эВ. Оксид имеет широкий спектр применения в химической промышленности, став наполнителем многих пластмасс. В электронике без него не обходится ни одна лучевая трубка телевизора. Он также входит в состав большинства дерматологических мазей.

Введение

Элемент цинк (Zn) в таблице Менделеева имеет порядковый номер 30. Он находится в четвертом периоде второй группы. Атомный вес - 65,37. Распределение электронов по слоям 2-8-18-2

Происхождение названия элемента неясно, однако кажется правдоподобным, что оно произведено от Zinke (по-немецки «острие», или «зуб»), благодаря внешнему виду металла.

Цинк представляет собой синевато - белый металл, плавящийся при 419 С, а при 913 С превращающийся в пар; плотность его равна 7,14 г/см3. При обыкновенной температуре цинк довольно хрупок, но при 100-110 С он хорошо гнется и прокатывается в листы. На воздухе цинк покрывается тонким слоем окиси или основного карбоната, предохраняющим его от дальнейшего окисления.

Вода почти не действует на цинк, хотя он и стоит в ряду напряжений значительно левее водорода. Это объясняется тем, что образующаяся на поверхности цинка при взаимодействии его с водой гидроокись практически нерастворима и препятствует дальнейшему течению реакции. В разбавленных же кислотах цинк легко растворяется с образованием соответствующих солей.

Кроме того, цинк подобно бериллию и другим металлам, образующим амфотерные гидроокиси, растворяется в щелочах. Если нагреть цинк на воздухе до температуры кипения, то пары его воспламеняются и сгорают зеленовато-белым пламенем, образуя окись цинка

При нагревании цинк взаимодействуют с неметаллами (кроме водорода, углерода и азота). Активно реагирует с кислотами:

Zn + H2SO4 (разб.) = ZnSO4 + H2

Цинк – единственный элемент группы, который растворяется в водных растворах щелочей с образованием ионов (гидроксоцинкатов):

Zn + 2OH + 2H2O = + H2

1. Сырьё для получения цинка

НИИ «Уралмеханобр» (принадлежит УГМК) разработал технологию извлечения металлизованных окатышей и цинкового концентрата из отходов электросталеплавильного производства. Новый метод позволит металлургам получать недорогое сырье и решать экологические проблемы.

Источником получения цинка является рудное сырье, которое обычно находится в сульфидном состоянии, а цинк представлен преимущественно сфалеритом (ZnS). Руды всегда комплексные, содержат кроме цинка свинец, медь, железо, серебро и др. В последнее время используется вторичное сырье в странах с высоким потреблением.

Сырьем является цинковый концентрат. В качестве исходного материала используют не только минеральное и вторичное, но также и цинкосодержащие продукты других производств: шлаки и пыли металлургических производств свинца, меди, олова, чугуна. Эти продукты гораздо бедней по цинку, чем цинковые концентраты и все же их включают в цинковое сырье. Цинковистые шлаки до недавнего времени считались отвальными продуктами, хотя в них содержится значительное количество цинка, особенно в свинцовых шлаках (10-17% цинка).

Распространение цинка в природе и его промышленное извлечение. Содержание цинка в земной коре составляет 7,6·10–3%, он распространен примерно так же, как рубидий (7,8·10–3%), и чуть больше, чем медь (6,8·10–3%).

Основными минералами цинка являются сульфид цинка ZnS (известный как цинковая обманка или сфалерит) и карбонат цинка ZnCO3

Первое место в мире по добыче (16,5% мировой добычи, 1113 тыс. т, 1995) и запасам цинка занимает Канада. Кроме того, богатые месторождения цинка сосредоточены в Китае (13,5%), Австралии (13%), Перу (10%), США (10%), Ирландии (около 3%).

Добыча цинка ведется в 50 странах. В России цинк извлекается из медноколчеданных месторождений Урала, а также из полиметаллических месторождений в горах Южной Сибири и Приморья. Крупные запасы цинка сосредоточены в Рудном Алтае (Восточный Казахстан), на долю которого приходится более 50% добычи цинка в странах СНГ. Цинк добывают также в Азербайджане, Узбекистане (месторождение Алмалык) и Таджикистане.

Инновационность технологии в том, что она позволяет одновременно получать из отходов цинк и металлическое железо. Раньше такое не удавалось. Суть процесса пояснил заведующий отделом окускования руд и концентратов «Уралмеханобра» Самуил Меламуд: «Пыли вместе со шлаками доменного производства и другие железосодержащие отходы окомковываются и загружаются в специально созданную вращающуюся печь. В ней создается особая атмосфера и режим обжига (именно в них заключается ноу-хау), которые позволяют извлекать цинк и металлизовать имеющееся в окисной форме железо. Цинк улавливается в тканевых рукавных фильтрах, а окатыши охлаждаются, обрабатываются и передаются для металлургического передела».

По подсчетам ученых, в среднем из одной тонны пыли возможно получить 300 - 350 кг металлического железа и 50 - 70 кг цинка. Новый способ переработки отходов позволит использовать дешевое вторсырье, снизить затраты на хранение вредных отходов и экологические платежи. В итоге себестоимость получаемого цинка будет на 15 - 20% ниже его нынешних мировых цен (1,9 тыс. тонн на Лондонской бирже металлов). Срок окупаемости новых установок при объеме 20 - 30 тыс. тонн переработки в год составляет не более четырех лет.

Сейчас готовится экономическое обоснование целесообразности внедрения технологии на предприятиях УГМК: Металлургическом заводе им. А.К. Серова, Вторцветмете (Сухой Лог), Медногорском медно-серном комбинате. В дальнейшем планируется продавать лицензии на право использования ноу-хау другим меткомпаниям.

Ученые ОАО « Уралмеханобр» (предприятие научного комплекса УГМК) совместно со специалистами УГМК разработали новую для отечественных и зарубежных предприятий черной металлургии технологию по извлечению цинка и железа из пылей электросталеплавильного производства. Инновационность технологии состоит в том, что она позволяет одновременно получать из сырья цинк и металлическое железо, чего ранее не удавалось.

Как сообщил один из авторов разработки, заведующий отдела окускования руд и концентратов ОАО «Уралмеханобр» Самуил Меламуд, технология обеспечивает извлечение металлизованных окатышей и цинкового концентрата путем восстановительного обжига цинкосодержащих пылей. Предварительные результаты показали, что из тонны пылей Металлургического завода им. А.К. Серова можно получить 300–350 кг металлического железа и 50–70 кг цинка.

«Рост затрат на добычу рудного сырья и ломов, ограниченность природных ресурсов и ожидаемое увеличение штрафных санкций за загрязнение окружающей среды закономерно приводит к тому, что промышленники начинают все более серьезно относится к вопросам вторичной переработки техногенных отходов, – говорит Самуил Меламуд. – Тем более что современные технологии уже способны быть экономически выгодными».

В апреле текущего года на Медногорском медно-серном комбинате (Оренбургская область, предприятие металлургического комплекса УГМК) удачно прошли опытно- промышленные испытания новой технологии. В настоящее время готовится экономическое обоснование целесообразности по внедрению технологии на одном из предприятий УГМК

2. Способы получения цинка

При резком охлаждении пары цинка сразу же, минуя жидкое состояние, превращаются в твердую пыль. Часто бывает нужно сохранить цинк именно в виде пыли, а не переплавлять его в слитки.

Цинк в природе как самородный метал не проявляется. Цинк добывают двумя способами:

1) пирометаллургический метод

2) гидрометаллургический метод 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 SO2 расходуется на производство серной кислоты. От ZnO к Zn идут двумя путями.

1) По пирометаллургическому (дистилляционному) способу, существующему издавна, обожженный концентрат подвергают спеканию для придания зернистости и газопроницаемости, а затем восстанавливают углем или коксом при 1200 - 1300 °С:

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.

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.

2) Гидрометаллургический способ переработки обожженных цинковых концентратов заключается в растворении окиси цинка водным раствором серной кислоты и в последующем осаждении цинка электролизом. Поэтому гидрометаллургический способ называют иногда электролитическим. При производстве цинка электролизом цинковый концентрат предварительно подвергают окислительному обжигу.

ZnSO4→ Zn 2+ + SO4 2-

2+ (–) катод Zn , Н2О (+) анод: SO42–, Н2О

Своё название цинк получил с лёгкой руки Парацельса, назвавшего этот металл «zincum» («zinken»). В переводе с немецкого это означает «зубец» – именно такую форму имеют кристаллиты металлического цинка.

В чистом виде цинк в природе не встречается, однако он содержится в земной коре, в воде и даже практически в каждом живом организме. Его добыча чаще всего осуществляется из минералов: цинкита, виллемита, каламина, смитсонита и сфалерита. Последний является наиболее распространенным, а его основную часть составляет сульфид ZnS. Сфалерит в переводе с греческого – обманка. Такое название он получил из-за трудности определения минерала.

Zn можно обнаружить в термальных водах, где он постоянно мигрирует, осаждаясь в виде того же сульфида. В роли главного осадителя цинка выступает сероводород. В качестве биогенного элемента цинк активно участвует в жизни многих организмов, причем некоторые из них концентрируют в себе этот элемент (отдельные виды фиалок).

Наиболее крупными месторождениями минералов с содержанием Zn располагают Боливия и Австралия. Основные месторождения цинка в России находятся в Восточно-Сибирском и Уральском регионах. Общие прогнозируемые запасы страны – 22,7 млн. т.

Цинк: производство

Главное сырье для добычи цинка – это полиметаллическая руда, содержащая сульфид Zn в количестве 1-4 %. В дальнейшем это сырьё обогащается селективной флотацией, позволяющей получить цинковый концентрат (до 50-60 % Zn). Его помещают в печи, превращая сульфид в оксид ZnO. Затем обычно применяется дистилляционный (пирометаллургический) способ получения чистого Zn: концентрат обжигается и спекается до состояния зернистости и газопроницаемости, после чего восстанавливается коксом или углем при температуре 1200-1300°C. Простая формула показывает, как из оксида цинка получить цинк:

ZnO+С=Zn+CO

Данный способ позволяет добиться 98,7-процентной чистоты металла. Если же необходима чистота в 99,995%, применяется технологически более сложная очистка концентрата ректификацией.

Физические и химические свойства цинка

Элемент Zn, с атомной (молярной) массой 65,37 г/моль занимает в таблице Менделеева ячейку под номером 30. Чистый цинк – это металл сине-белого цвета с характерным металлическим блеском. Его основные характеристики:

плотность – 7,13 г/см 3
температура плавления – 419,5 о С (692,5 К)
температура кипения – 913 о С (1186 К)
удельная теплоемкость цинка – 380 дж/кг
удельная электропроводность – 16,5*10 -6 см/м
удельное электрическое сопротивление – 59,2*10 -9 ом/м (при 293 К)

Контакт цинка с воздухом приводит к образованию оксидной пленки и потускнению поверхности металла. Элемент Zn легко образует оксиды, сульфиды, хлориды и фосфиды:

2Zn+О 2 =2ZnО

Zn+S=ZnS

Zn+Сl 2 =ZnСl 2

3Zn+2Р=Zn 3 Р 2

Цинк взаимодействует с водой, сероводородом, отлично растворяется в кислотах и щелочах:

Zn+Н 2 О=ZnО+Н 2

Zn+Н 2 S=ZnS+Н 2

Zn+Н 2 SO 4 =ZnSO 4 +Н 2

4Zn+10НNО 3 =4Zn(NО 3)2+NН 4 NО3+3 Н 2 О

Zn+2КОH+2Н 2 О=К2+Н 2

Также цинк взаимодействует с раствором CuSO 4 , вытесняя медь, поскольку она менее активна, нежели Zn, а значит, первой выводится из раствора соли.

Цинк может находиться не только в твердом или пылеобразном виде, но и в виде газа. В частности, пары цинка возникают при сварочных работах. В данном виде Zn представляет собой яд, который становится причиной появления цинковой (металлической) лихорадки.

Сульфид цинка: физические и химические свойства

Свойства ZnS представлены в таблице: