Цинк

Цинк — это химический элемент 12-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы второй группы) четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 30. Обозначается символом Zn (от лат. Zincum). Простое вещество цинк при нормальных условиях представляет собой хрупкий переходный металл голубовато-белого цвета. На воздухе тускнеет, покрываясь тонкой плёнкой оксида цинка (ZnO), которая защищает его от дальнейшего окисления.

История

Цинк был известен человеку с глубокой древности, однако долгое время его не выделяли как самостоятельный металл. Сплав цинка с медью — латунь — был известен ещё в Древнем Египте, Греции и Индии за несколько тысячелетий до нашей эры. В Индии цинк получали в промышленных масштабах уже в XII веке н. э. путём восстановления его оксида органическими веществами. В Европе первое описание металлического цинка, полученного из руды, датируется XVI веком. Швейцарский врач и алхимик Парацельс в трактате «О минералах» (около 1526 года) впервые употребил слово «zincum», описав его как отдельный металл.

В XVIII веке в Англии и Германии были разработаны первые промышленные способы получения цинка. В 1746 году немецкий химик Андреас Сигизмунд Маргграф описал метод получения чистого цинка путём прокаливания смеси оксида цинка с углём в закрытом сосуде без доступа воздуха. Этот метод лёг в основу дистилляционного способа производства, который доминировал до начала XX века. В России первое промышленное производство цинка было налажено в 1905 году на заводе «Владикавказ» (ныне «Электроцинк», город Владикавказ).

Нахождение в природе

Цинк относится к распространённым элементам. Его кларк (среднее содержание в земной коре) составляет около 8,3·10⁻³ % по массе. В природе цинк встречается преимущественно в виде сульфидных руд. Основные минералы цинка:

• Сфалерит (цинковая обманка) — ZnS. Является главной рудой для промышленного получения цинка. Часто содержит примеси кадмия, индия, галлия и германия.
• Смитсонит (цинковый шпат) — ZnCO₃.
• Гемиморфит — Zn₄(Si₂O₇)(OH)₂·H₂O.
• Цинкит — ZnO.
• Виллемит — Zn₂SiO₄.

Месторождения цинковых руд известны во многих странах мира. Крупнейшие запасы сосредоточены в Австралии, Китае, Перу, США, Казахстане, Канаде и России. В России основные месторождения находятся на Урале (Гайское, Учалинское, Ново-Шемурское), в Забайкалье, Приморском крае и на Северном Кавказе.

Физические и химические свойства

Физические свойства

Цинк — хрупкий, ковкий и тягучий металл. При температуре от 100 до 150 °C он становится пластичным и легко поддаётся прокатке и волочению. При дальнейшем нагреве выше 200 °C вновь становится хрупким. Кристаллическая решётка — гексагональная плотноупакованная. Основные физические параметры:

• Плотность: 7,133 г/см³ (при 20 °C).
• Температура плавления: 419,53 °C.
• Температура кипения: 907 °C.
• Твёрдость по шкале Мооса: 2,5 (мягче алюминия и меди).
• Электропроводность: высокая (0,27·10⁶ См/м).

Химические свойства

Цинк является химически активным металлом. На воздухе он покрывается тонкой, но плотной плёнкой оксида, которая пассивирует его, предотвращая дальнейшее окисление. При нагревании на воздухе до 500 °C цинк сгорает ярким голубоватым пламенем, образуя оксид цинка (ZnO):

\[2Zn + O_2 \rightarrow 2ZnO\]

Цинк активно реагирует с кислотами-неокислителями (соляной, разбавленной серной), вытесняя из них водород:

\[Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2\uparrow\]

Взаимодействие с концентрированной серной и азотной кислотами протекает сложнее, с образованием оксидов азота и серы. Цинк также реагирует с растворами щелочей, образуя цинкаты (например, Na₂[Zn(OH)₄]) и выделяя водород:

\[Zn + 2NaOH + 2H_2O \rightarrow Na_2[Zn(OH)_4] + H_2\uparrow\]

Эта амфотерность — способность реагировать как с кислотами, так и со щелочами — является характерной особенностью цинка.

Получение

Промышленное получение цинка осуществляется двумя основными способами: пирометаллургическим (дистилляционным) и гидрометаллургическим (электролитическим).

1. Дистилляционный способ: Сульфидную руду (сфалерит) сначала обжигают в кислороде, переводя сульфид в оксид. Затем оксид цинка восстанавливают углём (коксом) при высокой температуре (около 1200 °C) в ретортах. Пары цинка конденсируются в холодильниках. Полученный таким образом цинк содержит примеси (свинец, кадмий, железо) и требует дополнительной очистки (ректификации). Этот метод более энергоёмок и менее экологичен.

1. Электролитический способ: Обожжённый оксид цинка растворяют в разбавленной серной кислоте, получая раствор сульфата цинка. После очистки раствора от примесей (меди, кадмия, кобальта) его подвергают электролизу. Цинк осаждается на алюминиевых катодах, откуда его затем снимают. Этот метод позволяет получать очень чистый цинк (99,99 % и выше) и является основным в современной мировой металлургии.

Применение

Цинк широко используется в различных отраслях промышленности, строительстве и медицине. Основные области применения:

Антикоррозионная защита

Это главная сфера потребления цинка. Около половины всего производимого цинка расходуется на оцинкование стали и чугуна. Цинковое покрытие защищает железо от коррозии электрохимически: цинк, как более активный металл, разрушается первым, предохраняя сталь. Методы нанесения: горячее цинкование (окунание в расплавленный цинк), гальваническое цинкование, металлизация (напыление) и термодиффузионное цинкование.

Производство сплавов

Цинк является важным компонентом многих сплавов:

• Латунь (сплав с медью) — один из древнейших и наиболее распространённых конструкционных материалов.
• Сплавы для литья под давлением (например, Zamak) — обладают высокой точностью литья, прочностью и износостойкостью. Используются в автомобилестроении, приборостроении, для изготовления фурнитуры.
• Сплавы с алюминием и магнием — применяются в авиастроении и ракетостроении.

Производство аккумуляторов

Цинк используется в качестве анода в различных типах гальванических элементов: от простых солевых батареек до современных цинк-воздушных и цинк-ионных аккумуляторов.

Химическая промышленность

Оксид цинка (ZnO) применяется в производстве резины (как наполнитель и активатор вулканизации), красок (цинковые белила), керамики, стекла, косметики (например, в солнцезащитных кремах) и как пищевая добавка (E501). Сульфат цинка используется в медицине, сельском хозяйстве (микроудобрение) и в производстве вискозы.

Медицина

Цинк является важным микроэлементом, необходимым для нормального функционирования организма человека. Препараты цинка применяются для лечения дерматологических заболеваний, ускорения заживления ран, укрепления иммунитета, а также в стоматологии (цинк-фосфатные цементы).

Другие применения

• Типографские сплавы (гарт) для печати.
• Производство кровельных материалов (титан-цинк).
• Изготовление деталей для музыкальных инструментов (например, органных труб).
• Катодная защита металлических конструкций.

Биологическая роль

Цинк является эссенциальным (жизненно необходимым) микроэлементом для всех живых организмов. Он входит в состав более 300 ферментов и гормонов, участвует в синтезе белка, делении клеток, работе иммунной системы, заживлении ран и поддержании вкусовой и обонятельной чувствительности. Суточная потребность взрослого человека составляет 10–15 мг. Основные источники цинка в пище: мясо, печень, яйца, морепродукты, орехи, бобовые.

Дефицит цинка приводит к замедлению роста, выпадению волос, дерматитам, снижению иммунитета и ухудшению репродуктивной функции. Избыток цинка также токсичен и может вызывать отравления, сопровождающиеся тошнотой, рвотой и диареей.

Интересные факты

• Самая крупная в мире монета из чистого цинка была отчеканена в Австрии в 2008 году. Она весила 1 килограмм и имела номинал 100 евро.
• В 1994 году на острове Ванкувер (Канада) была установлена первая в мире коммерческая цинк-воздушная батарея для электромобиля.
• Цинк является одним из немногих металлов, который можно перерабатывать бесконечно без потери своих свойств. Доля вторичного цинка в мировом производстве составляет около 30 %.
• В древности латунь (сплав меди и цинка) ценилась выше меди и даже золота из-за своего красивого золотистого цвета.

Источники

1. Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2.
2. Популярная библиотека химических элементов. — М.: Наука, 1983.
3. Гринвуд Н., Эрншо А. Химия элементов: в 2 т. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008.
4. Реми Г. Курс неорганической химии. — М.: Иностранная литература, 1963. — Т. 1.
5. Козлов В. А. Металлургия цинка. — М.: Металлургия, 1984.