ЦИНК (ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ)
ЦИНК (химический элемент) - ЦИНК (лат. Zincum), Zn (читается «цинк»), химический элемент с атомным номером 30, атомная масса 65,39. Природный цинк состоит из смеси пяти стабильных нуклидов: 64Zn (48,6% по массе), 66Zn (27,9%), 67Zn (4,1%), 68Zn (18,8%) и 70Zn (0,6%). Расположен в четвертом периоде в группе IIВ периодической системы. Конфигурация двух внешних электронных слоев 3s2p6d104s2. В соединениях проявляет степень окисления +2 (валентность II).
Радиус атома Zn 0,139 нм, радиус иона Zn2+0,060 нм (координационное число 4), 0,0740 нм (координационное число 6) и 0,090 нм (координационное число 8). Энергии последовательной ионизации атома соответствуют 9,394, 17,964, 39,7, 61,6 и 86,3 эВ. Электроотрицательность по Полингу (см. ПОЛИНГ Лайнус) 1,66.
Историческая справка
Сплавы цинка с медью - латуни (см. ЛАТУНЬ) - были известны еще древним грекам и египтянам. Цинк получали в 5 в. до н. э. в Индии. Римский историк Страбон (см. СТРАБОН) в 60-20 годах до н. э. писал о получении металлического цинка, или «фальшивого серебра». В дальнейшем секрет получения цинка в Европе был утерян, так как образующийся при термическом восстановлении цинковых руд цинк при 900°C переходит в пар. Пары цинка реагируют с кислородом (см. КИСЛОРОД) воздуха, образуя рыхлый оксид цинка, который алхимики называли «белой шерстью».
В 1743 в Бристоле открылся первый завод по получению металлического цинка, где цинковую руду восстанавливали в ретортах без доступа воздуха. В 1746 А. С. Маргграф (см. МАРГГРАФ Андреас Сигизмунд) разработал способ получения металла прокаливанием смеси его окиси с углем без доступа воздуха в ретортах с последующей конденсацией паров цинка в холодильниках.
Слово «цинк» встречается в трудах Парацельса (см. ПАРАЦЕЛЬС) 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. Общеупотребительным название «цинк» стало только в 1920-х гг.
Нахождение в природе
Содержание цинка в земной коре 8,3·10-3% по массе, в воде Мирового океана 0,01 мг/л. Известно 66 минералов цинка, важнейшие из них: сфалерит (см. СФАЛЕРИТ), клейофан (см. КЛЕЙОФАН), марматит (см. МАРМАТИТ), вюртцит, (см. ВЮРТЦИТ) смитсонит (см. СМИТСОНИТ) ZnCO3, каламин (см. КАЛАМИН) Zn4(OH)4Si2O7·H2O, цинкит (см. ЦИНКИТ) ZnO, виллемит (см. ВИЛЛЕМИТ). Цинк входит в состав полиметаллических руд, которые содержат также медь, свинец, кадмий, индий (см. ИНДИЙ), галлий (см. ГАЛЛИЙ), таллий (см. ТАЛЛИЙ) и другие. Цинк - важный биогенный элемент: в живом веществе содержится 5·10-4% по массе.
Получение
Цинк добывают из полиметаллических руд, содержащих 1-4% Zn в виде сульфида. Руду обогащают, получая цинковый концентрат (50-60%). Цинковые концентраты обжигают в печах в кипящем слое, переводя сульфид цинка в ZnO. От ZnO к Zn идут двумя путями. По пирометаллургическому методу концентрат спекают, а затем восстанавливают углем или коксом при 1200-1300°C. Затем испарившиеся из печи пары цинка конденсируют.
ZnO + C = Zn + CO.
Основной способ получения цинка гидрометаллургический. Обожженные концентраты обрабатывают серной кислотой. Из полученного сульфатного раствора удаляют примеси, осаждая их цинковой пылью. Очищенный раствор подвергают электролизу. Цинк осаждается на алюминиевых катодах. Чистота электролитного цинка 99,95%.
Для получения цинка высокой чистоты применяют зонную плавку (см. ЗОННАЯ ПЛАВКА).
Физические и химические свойства
Цинк - голубовато-белый металл.
Обладает гексагональной решеткой с параметрами а = 0,26649 нм, с = 0,49468 нм. Температура плавления 419,58°C, температура кипения 906,2°C, плотность 7,133 кг/дм3. При комнатной температуре хрупок. При 100-150°C пластичен. Стандартный электродный потенциал -0,76 В, в ряду стандартных потенциалов расположен до железа Fe.
На воздухе цинк покрывается тонкой пленкой оксида ZnO. При сильном нагревании сгорает с образованием амфотерного (см. АМФОТЕРНОСТЬ) белого оксида ZnO.
2Zn + O2 = 2ZnO
Оксид цинка реагирует как с растворами кислот:
ZnO + 2HNO3 = Zn(NO3)2 + H2O
так и щелочами:
ZnO + 2NaOH (сплавление)= Na2ZnO2 + Н2О
В этой реакции образуется цинкат натрия Na2ZnO2.
Цинк обычной чистоты активно реагирует с растворами кислот:
Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2
Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2
и растворами щелочей:
Zn + 2NaOH + 2H2O = Na2[Zn(OH)4] + H2,
образуя гидроксоцинкаты. С растворами кислот и щелочей очень чистый цинк не реагирует. Взаимодействие начинается при добавлении нескольких капель раствора сульфата меди CuSO4.
При нагревании цинк реагирует с галогенами (см. ГАЛОГЕНЫ) с образованием галогенидов ZnHal2. С фосфором (см. ФОСФОР) цинк образует фосфиды Zn3P2 и ZnP2.С серой (см. СЕРА) и ее аналогами - селеном (см. СЕЛЕН) и теллуром (см. ТЕЛЛУР) - различные халькогениды (см. ХАЛЬКОГЕНИДЫ), ZnS, ZnSe, ZnSe2и ZnTe.
С водородом (см. ВОДОРОД), азотом (см. АЗОТ), углеродом (см. УГЛЕРОД), кремнием (см. КРЕМНИЙ) и бором (см. БОР (химический элемент)) цинк непосредственно не реагирует. Нитрид Zn3N2получают реакцией цинка с аммиаком (см. АММИАК) NH3 при 550-600°C.
В водных растворах ионы цинка Zn2+ образуют аквакомплексы [Zn(H2O)4]2+ и [Zn(H2O)6]2+.
Применение
Основная часть производимого цинка расходуется на изготовление антикоррозионных покрытий железа и стали. Цинк применяют в аккумуляторах и сухих элементах питания. Листовой цинк используют в типографском деле. Сплавы цинка (латунь, нейзильбер и другие) применяются в технике. ZnO служит пигментом в цинковых белилах. Соединения цинка являются полупроводниками. Раствором хлорида цинка ZnCl2 пропитывают железнодорожные шпалы, предохраняя их от гниения.
Физиологическое действие
Цинк входит в состав более 40 металлоферментов, катализирующих в организме человека гидролиз пептидов, белков и других соединений. Цинк входит в состав гормона инсулина. (см. ИНСУЛИН) В организм человека цинк поступает с мясом, молоком, яйцами.
Растения при недостатке цинка в почве заболевают.
Металлический цинк мало токсичен. Фосфид и оксид цинка ядовиты. Попадание в организм растворимых солей цинка приводит к расстройству пищеварения, раздражению слизистых оболочек. ПДК для цинка в воде 1,0 мг/л.