Цинк - самый молодой из тяжелых цветных металлов, и если в начале XIX в. его производство не превышало 900 т в год, то в настоящее время производство цинка только в зарубежных странах составляет около 6 млн. т в год.

Цинк занимает особое место среди металлов, применяемых в промышленности. Как конструкционный материал нелегированный цинк не нашел широкого применения, так как обладает недостаточно благоприятным комплексом механических, физических и технологических свойств. Однако дополнительное легирование цинка различными элементами существенно повышает вышеуказанные свойства и характеристики. Поэтому значительная часть цинка (до 20%) идет на приготовление цинковых сплавов, в которых основными легирующими компонентами являются алюминий и медь; широко используется цинк и для производства медных сплавов (латуни).

В зависимости от марки цинк используют для цинкования стали, получения цинковых сплавов, изготовления цинковых полуфабрикатов, а также для получения цинковых соединений.

Примерно 30% цинкового проката составляют цинковые листы общего назначения, которые подразделяются по толщине на четыре группы: 0,15-0,4 мм; 0,5-0,9 мм; 1,0-1,2 мм; 1,5 мм и более. Цинковые листы используют при изготовлении химических источников тока, оцинкованной посуды и др. Из цинковых листов изготавливают печатные формы к ротационным машинам в полиграфической промышленности. Цинковые аноды применяют для оцинкования деталей гальваническим способом. Большое количество цинковых листов расходуется в строительстве на кровельные покрытия, на изготовление труб, сточных желобов.

Наиболее широкое распространение цинк получил в качестве покрытия для предотвращения коррозии железа и сплавов на его основе (сталей). Для этой цели расходуется до 50 % получаемого промышленностью цинка. Цинкование - нанесение цинка или его сплавов на поверхность металлического изделия - применяется для защиты от коррозии стальных листов, проволоки, ленты, крепежных деталей, деталей машин и приборов, арматуры и трубопроводов.

Первоначально цинковое покрытие получали методом погружения детали в расплавленный цинк, так называемым горячим методом, который для крупногабаритных изделий, например трубопроводов, не потерял своего значения и в настоящее время. Для получения тонких цинковых покрытий чаще всего применяют электролитическое цинкование деталей. Оба рассмотренных метода выполнимы только в цеховых условиях. Для улучшения защитных свойств цинковых покрытий и продления срока их службы поверхность покрытий дополнительно пассивируют (фосфатируют, хроматируют), промасливают или окрашивают. На основании высоких защитных свойств цинковых покрытий были проделаны работы, направленные на создание способов их нанесения не в цеховых условиях, а на объекте без демонтажа изделий. Были созданы газотермические и другие способы напыления. Но хотя их применение позволило резко улучшить свойства покрытий, проблема упрощения нанесения покрытий оставалась не до конца разрешенной в условиях эксплуатации металлоконструкций и изделий. В связи с этим представляло интерес создание способов нанесения цинковых покрытий, по своей простоте и доступности не отличающихся от способов нанесения лакокрасочных материалов.

Были разработаны и получили достаточно широкое распространение цинкполимерные и цинксиликатные материалы, содержание цинка в которых составляет от 80 до 98 %. Такие цинксодержащие материалы наносят на защищаемые конструкции с помощью установок для распыления лакокрасочных материалов. Получаемые покрытия обладают более высокими изолирующими свойствами, чем металлические цинковые покрытия, повышают надежность защиты конструкций от коррозии и позволяют расширить области применения цинка и его сплавов для неконструкционных целей. Следует отметить, что цинкнаполненные покрытия могут служить для восстановления нарушенных участков металлических покрытий непосредственно на металлоконструкциях и изделиях без их демонтажа.

Цинковые покрытия получили широкое применение для различных металлоконструкций и изделий, эксплуатирующихся при коррозионном воздействии природных сред - атмосферы, морской, речной, озерной, пластовой, подтоварной воды, грунта, а также нейтральных и слабощелочных водных растворов. В зависимости от свойств коррозионной среды и состава металлических покрытий или осуществляется защита от коррозии путем изоляции поверхности, или проявляется протекторное действие покрытий при их нарушении. Цинкнаполненные покрытия позволили распространить применение цинка для крупногабаритных конструкций, например стационарных морских сооружений, танков и цистерн судов, плавучих и стационарных морских платформ, строительных сооружений, протяженных трубопроводов и коммуникаций и многих других металлоконструкций и изделий.

Одной из основных отраслей, потребляющих оцинкованный лист, является строительная индустрия: на нужды строительства расходуется до 65 % всего оцинкованного металла. Крупным потребителем оцинкованной стали является автомобильная промышленность. Преимущество применения оцинкованных листов в автомобильной и других отраслях промышленности в том, что создаются благоприятные условия для комплексной защиты стали от коррозии при наложении на металлическое покрытие слоя краски. Цинковое покрытие-идеальная основа под покраску, так как образующийся в местах пор основной карбонат цинка по объему мало отличается от цинка и поэтому не вызывает разрушения слоя краски.

На автомобильных заводах из оцинкованных полос и листов изготавливают днища, бензобаки, крышки багажников, надколесные кожухи, двери, глушители и др.

Потребление оцинкованных листов на душу населения составило в 1960 г.: в США 15,6 кг, в Японии 7,7 кг, в Англии 4,0 кг, по Франции 3,2 кг, в ФРГ 2,3 кг. К 1985 г. потребление продукции этого вида должно возрасти более чем в 3 раза.

Широкое применение находит цинк в виде разнообразных соединений. Некоторые соединения цинка служат красками, например окись цинка (цинковые белила), литопон (смесь сульфата бария и сульфида цинка). Краска, приготовленная из сульфида цинка, оказалась наилучшей для покрытия космических кораблей, так как она обладает наилучшими отражательными свойствами. Очень важным свойством обладает сульфид цинка, вспыхивающий под действием а-, в- и у-лучей, что позволяет использовать его для обнаружения всех типов радиации. Сульфид цинка, легированный медью и серебром, обладает люминесцентными свойствами и в смеси с сульфидом кадмия широко применяется для изготовления телевизионных трубок и экранов.

Сульфат и хлорид цинка применяют в медицине в качестве антисептических средств. Безводный хлорид цинка часто используют как дегидратирующее средство при проведении разнообразных реакций конденсации в органической химии; его широко используют в производстве органических красителей, ситцепечатании, для пропитки древесины. Двойную соль - аммонийцинкхлорид (NH 4) 2 ZnCl 2 -используют для паяльных целей. Окись цинка широко используют при производстве резины. Она улучшает качество резиновых шин и ряда других резиновых изделий.

В США в последние годы цинк находит широкое применение в качестве покрытия стартовых конструкций для запуска ракет. Огромное количество тепла, выделяющегося при сгорании топлива в ракете, частично поглощается при испарении цинкового покрытия, чем предохраняются от разрушения металлические части стартовых конструкций. Цинк употребляют в так называемых стабилизирующих устройствах, которые корректируют отклонения спутников при движении в космосе. Цинковые соединения широко используют в качестве источников энергии в космических кораблях (цинк-серебряные оксидные батареи).

В последнее время цинк получил заслуженное признание как основа протекторного материала, используемого в системах электрохимической защиты корпусных конструкций судов, нефтяных резервуаров, судовых систем, аппаратов и других металлоконструкций.

Основное назначение цинка - получение цинковых сплавов, цинковые сплавы в литейном производстве широко используются для изготовления отливок методом литья под давлением.

Цинковые сплавы плавят в пламенных и электрических тигельных печах и индукционных печах промышленной частоты с железным сердечником. Шихту готовят из свежих металлов, переплава отходов (до 60-70%) известного химического состава и лигатур (алюминий - медь, алюминий - магний и медь - алюминий).

Плавка цинковых сплавов производится в следующей последовательности: в разогретую до 400° С печь загружают переплав отходов, лигатуры, цинк и засыпают хорошо прокаленный древесный уголь. После расплавления тщательно перемешивают металл и при необходимости загружают оставшуюся часть цинка. Температура во время плавки не должна превышать 480° С. После полного расплавления металл вновь перемешивают и разливают в изложницы при температуре 400-460° С.

Наряду с известными областями и масштабами использования нелегированного цинка сплавы на основе цинка также находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства в качестве как конструкционного материала, так и неконструкционного.

В качестве конструкционного материала цинковые сплавы главным образом применяются: в приборостроении, в полиграфической промышленности, в авиационной промышленности, в автомобильной промышленности, в судостроении, для изготовления предметов домашнего обихода.

В качестве неконструкционного материала цинковые сплавы применяются: для литья анодов-протекторов, для изготовления припоев в производстве подшипников и гальванических элементов, как покрытия стальных листов.

Изделия, полученные различными способами литья и деформации, широко применяются в приборостроении, судостроении, авиационной, автомобильной и других отраслях промышленности. Успешное использование цинковых сплавов для конструкционных и неконструкционных целей обусловлено их физико-химическими, технологическими и эксплуатационными свойствами. Так, низкая температура плавления и высокие литейные свойства цинковых сплавов позволяют при литье под давлением и в кокиль получать отливки высокой прочности с поверхностью хорошего качества, практически не требующей дополнительной обработки. Благодаря указанным свойствам доля отливок из цинковых сплавов в общем объеме отливок, получаемых литьем под давлением, достаточно высока. Например, в автомобилестроении литейные цинковые сплавы применяют для отливок корпусов карбюраторов, насосов, рам спидометров, решеток радиаторов, различных декоративных деталей и т.п.

Цинковые сплавы также используют для отливки деталей стиральных машин, пылесосов, оборудования для кухни, конторских машин, корпусов электрических часов, печатных машин, кассовых аппаратов, смесителей для приготовления напитков и т.п. Для защиты от коррозии на поверхность цинковых отливок наносят защитные покрытия (краски, эмали, пластмассы). Хорошим защитным эффектом обладают электролитические покрытия медью, никелем и хромом. Полуфабрикаты из деформируемых цинковых сплавов достаточно легко подвергаются прессованию, прокатке и штамповке.

Цинковые полированные листы используют в полиграфической промышленности для изготовления печатных форм (клише) путем однократного травления.

В работе отмечается, что использование цинк-алюминиевых сплавов в производстве более выгодно экономически, чем алюминиевых сплавов и латуней. Указанные сплавы, имея высокую твердость, нашли широкое применение для изготовления деталей, работающих в условиях абразивного износа. В связи с тем что сплавы не дают искрения, их можно использовать в огнеопасных производствах (шкивы, звездочки в шахтных подъемниках и т.п.). Кроме того, сплавы можно применять на производствах, где имеются пары бензина, т.е. с повышенной пожароопасностью. Эти сплавы могут работать также в подшипниках, заменяя латунь и бронзу.

В работе приводятся данные об использовании цинковых сплавов для получения высокоточных деталей стабильного качества с тонким рельефом. При переходе на изготовление из цинкового литья вентильных деталей газовой горелки, которые ранее вытачивались из латуни, произошло понижение стоимости изделий в 6 раз. Здесь же отмечается, что применение цинковых отливок для изделий радиопромышленности взамен пластмассовых деталей обеспечивает лучшее качество резьбы, повышает прочность и жесткость изделий, а также дает возможность заземлять изделия в радиоаппаратуре.

Цинковые сплавы успешно заменяют сплавы из литейного и ковкого чугуна, бронзы и некоторых алюминиевых сплавов.

Особое место занимают цинковые протекторные сплавы. В настоящее время они являются незаменимыми для целого ряда сложных и дорогостоящих конструкций практически во все развитых странах. Благодаря своим отличительным свойствам, которых не имеют другие протекторные материалы (сплавы на основе магния, алюминия, марганца), цинковые протекторные сплавы применяются в качестве протекторов для защиты от коррозии в морской, подтоварной, пластовой и других природных средах внутренней поверхности взрыво-пожароопасных помещений - танкеров и цистерн нефтеналивных судов, топливно-балластных цистерн судов всех назначений, нефте-резервуаров, судовых трубопроводов и систем, магистральных подземных нефтяных и газовых трубопроводов, ограниченных объемов и полостей, различных герметичных объемов, где не допускается накопление водорода, и других конструкций.

При многообразии условий эксплуатации протекторов электрохимические характеристики цинковых сплавов определяются величиной анодной плотности тока (рис.41), причем в подавляющем большинстве случаев рабочие режимы составляют 1-4 А/м 2 (заштрихованные области на рис. 41), при которых сплавы имеют высокие и стабильные значения потенциала и токоотдачи.

Независимо от закономерностей изменения свойств цинковых сплавов (см. рис. 41) для практического их применения нужны конструкции протекторов с заданным сроком службы и необходимой зоной защитного действия. Этих данных достаточно для проектирования и осуществления протекторной защиты. Вопросы эти имеют самостоятельное значение и достаточно хорошо освещены в литературе. Поэтому представляют интерес только данные, необходимые для грамотного применения протекторов из цинковых сплавов.

Несмотря на имеющуюся тенденцию к снижению выпуска отливок из цинковых сплавов, в дальнейшем прогнозируется рост их выпуска вследствие преимуществ этих сплавов при получении особо тонкостенных отливок и возможности нанесения хороших гальванических покрытий.

Администрация Общая оценка статьи: Опубликовано: 2012.08.15

Краткие обозначения:
σ в	- временное сопротивление разрыву (предел прочности при растяжении), МПа		ε	- относительная осадка при появлении первой трещины, %
σ 0,05	- предел упругости, МПа		J к	- предел прочности при кручении, максимальное касательное напряжение, МПа
σ 0,2	- предел текучести условный, МПа		σ изг	- предел прочности при изгибе, МПа
δ 5 ,δ 4 ,δ 10	- относительное удлинение после разрыва, %		σ -1	- предел выносливости при испытании на изгиб с симметричным циклом нагружения, МПа
σ сж0,05 и σ сж	- предел текучести при сжатии, МПа		J -1	- предел выносливости при испытание на кручение с симметричным циклом нагружения, МПа
ν	- относительный сдвиг, %		n	- количество циклов нагружения
s в	- предел кратковременной прочности, МПа		R и ρ	- удельное электросопротивление, Ом·м
ψ	- относительное сужение, %		E	- модуль упругости нормальный, ГПа
KCU и KCV	- ударная вязкость, определенная на образце с концентраторами соответственно вида U и V, Дж/см 2		T	- температура, при которой получены свойства, Град
s T	- предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), МПа		l и λ	- коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала), Вт/(м·°С)
HB	- твердость по Бринеллю		C	- удельная теплоемкость материала (диапазон 20 o - T), [Дж/(кг·град)]
HV	- твердость по Виккерсу		p n и r	- плотность кг/м 3
HRC э	- твердость по Роквеллу, шкала С		а	- коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20 o - T), 1/°С
HRB	- твердость по Роквеллу, шкала В		σ t Т	- предел длительной прочности, МПа
HSD	- твердость по Шору		G	- модуль упругости при сдвиге кручением, ГПа

Цинк – это металл, стоящий в таблице Менделеева, под номером 30 и имеет обозначение Zn. Плавится при температуре 419 °С градусов, если же температура кипения 913 °С – начинает превращаться в пар. При температурном обычном режиме, состояние хрупкое, а при ста градусах начинает гнуться.

Цвет цинка сине-белый. При воздействии кислорода появляется окисление, а также покрытие карбоната, предохраняющего металл от дальнейшей реакции окисления. Появление на цинке гидроокиси обозначает то, что вода на химический элемент не действует.

Цинк — химический элемент, имеет свои отличительные свойства, преимущества и недостатки. Он широко применяется в повседневной жизни человека, в фармацевтике и металлургии.

Особенности цинка

Металл является необходимым и широко применяемым практически во всех отраслях повседневной жизни человека.

Добыча в основном, производится в Иране, Казахстане, Австралии, Боливии. В России изготовителем является ОАО «ГМК Дальполиметалл».

Это переходной металл, имеет степень окисления +2, радиоактивный изотоп, период полураспада 244 дня.

В чистом виде элемент не добывается. Содержится в рудах и минералах: клейофане, марматите, вюртците, цинките. Обязательно присутствует в сплаве с алюминием, медью, оловом, никелем.

Химические, физические свойства и характеристики цинка

Цинк – металл, обладает рядом свойств и характеристик, отличающих его от иных элементов периодической таблицы.

К физическим свойствам цинка относится его состояние. Основным фактором выступает температурный режим. Если при комнатной температуре это хрупкий материал, плотность цинка 7130 кг/м 3 (˃ плотности стали), который практически не гнётся, то при повышении он легко изгибается и прокатывается в листах на заводах. Если взять более высокий температурный режим – материал приобретает жидкое состояние, а если еще поднять температуру на 400-450 °С градусов, тогда он просто испарится. В этом уникальность – менять своё состояние. Если же подействовать кислотами и щелочами, он может рассыпаться, взорваться, расплавиться.

Формула цинка Zn – zincum. Атомная масса цинка 65.382 а.е.м.

Электронная формула: ядро атома металла содержит 30 протон, 35 нейтрон. В атоме 4 энергетических уровня – 30 электронов. (рис. строение атома цинка)1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 .

Кристаллическая решётка цинка – шестиугольная кристаллическая система с плотно прижатыми атомами. Данные решётки: A=2.66У, С=4.94.

Структура и состав цинка

Добытый и не переработанный материал имеет изотопы 64, 66, 67, электроны 2-8-18-2.

По применению среди всех элементов периодической таблицы металл стоит на 23 месте. В природе элемент выступает в виде сульфида с примесями свинца Pb, кадмия Cd, железа Fe, меди Cu, серебра Ag.

В зависимости от того, какое количество примесей, металл имеет маркировку.

Производство цинка

Как было сказано выше, чистого вида данного элемента в природе нет. Он добывается из иных пород, таких как руда – кадмий, галлий, минералы – сфалерит.

Металл получают на заводе. Каждый завод имеет свои отличительные особенности производства, поэтому оборудование для получения чистого материала различно. Оно может быть таким:

• Роторы, расположенные вертикально, электролитные.
• Специальные печи с достаточно высокой температурой для обжига, а также специальные электропечи.
• Транспортёры и ванны для электролиза.

В зависимости от принимаемого метода добычи металла, задействовано соответствующее оборудование.

Получение чистого цинка

Как упоминалось выше – в природе чистого вида нет. В основном добыча производится из руд, в которых он идет с различными элементами.

Для получения чистого материала задействован специальный флотационный процесс с избирательностью (селективностью). После проведения процесса руда распадается на элементы: цинк, свинец, медь и так далее.

Добытый таким методом чистый металл обжигается в специальной печи. Там при определенных температурах сульфидное состояние материала переходит в оксидное. При обжиге выделяется газ с содержанием серы, направляемый для получения серной кислоты.

Есть 2 способа получения металла:

1. Пирометаллургический – идет процесс обжигания, после — полученная масса восстанавливается с помощью чёрного угля и кокса. Конечным процессом является отстаивание.
2. Электролитический – добытая масса обрабатывается серной кислотой. Полученный раствор подвергают электролизу, при этом металл оседает, его плавят в печах.

Выплавка цинка в печи

Температура плавления цинка в печи 419-480 °С градусов. Если же температурный режим превышен, тогда материал начинает испаряться. При данной температуре допускается примесь железа 0.05%.

При процентной ставке 0.2 железа, лист невозможно будет прокатать.

Применяются различные способы выплавки чистого металла, вплоть до получения цинковых паров, которые направляются в специальные резервуары и там вещество опадает вниз.

Применение металла

Свойства цинка позволяют его применение во многих сферах. В процентном соотношении:

1. Цинкование – до 60%.
2. Медицина – 10%.
3. Различные сплавы, содержащие данный металл 10%.
4. Выпуск шин 10%.
5. Производство красок – 10%.

А также применение цинка необходимо для восстановления таких металлов, как золото, серебро, платина.

Цинк в металлургии

Металлургическая промышленность задействует данный элемент периодической таблицы как основной для достижения определенных целей. Выплавка чугуна, стали является главной во всей металлургии страны. Но, данные металлы подвержены негативному влиянию окружающей среды. Без определенной обработки идет быстрое окисление металлов, что приводит к их порче. Наилучшей защитой служит оцинкование.

Нанесение защитной плёнки на чугун и сталь является лучшим средством от коррозии. На оцинкование уходит около 40% всего производства чистого материала.

Способы оцинкования

Металлургические заводы отличительны не только своим оборудованием, но и применяемыми методами производства. Это зависит от ценовой политики, и месторасположения (природных ресурсов, используемых для металлургической промышленности). Есть несколько методов оцинкования, которые рассматриваются ниже.

Горячий способ оцинкования

Данный способ заключается в обмакивании металлической детали в жидком растворе. Происходит это так:

1. Деталь или изделие обезжиривается, очищается, промывается и сушится.
2. Далее, цинк расплавляется до жидкого состояния при температуре до 480 °С.
3. В жидкий раствор опускается подготовленное изделие. При этом оно хорошо смачивается в растворе и образуется покрытие толщиной до 450 мкм. Это является 100% защитой от воздействия внешних факторов на изделие (влага, прямые солнечные лучи, вода с химическими примесями).

Но, данный метод имеет ряд недостатков:

• Цинковая пленка на изделии получается неравномерного слоя.
• Нельзя использовать данный метод для деталей, отвечающих точным стандартам по ГОСТу. Где каждый миллиметр считается браком.
• После горячего оцинкования, не каждая деталь останется прочной и износостойкой, поскольку после прохождения высокой температуры появляется хрупкость.

А также данный метод не подходит для изделий, покрытых лакокрасочными материалами.

Холодное оцинкование

Этот метод носит 2 названия: гальванический и электролитический. Методика покрытия изделия защитой от коррозии такова:

1. Металлическая деталь, изделие подготавливается (обезжиривается, очищается).
2. После этого проводится «метод окрашивания» — применяется специальный состав, имеющий главный компонент – цинк.
3. Деталь покрывается данным составом методом распыления.

Благодаря этому методу защитой покрываются детали с точным допуском, изделия, покрытые лакокрасочными материалами. Повышается стойкость к внешним факторам, приводящим к коррозии.

Недостатки данного метода: тонкий защитный слой – до 35 мкм. Это приводит к меньшей защите и небольшим срокам защиты.

Термодиффузионный способ

Данный метод делает покрытие, которое является электродом с положительной полярностью, в то время как металл изделия (сталь) становится отрицательной полярности. Появляется электрохимический защитный слой.

Метод применим только в случае, если детали произведены из углеродистой стали, чугуна, стали с примесями. Цинк используется таким образом:

1. При температуре от 290 °С до 450 °С в порошковой среде, поверхность детали насыщается Zn. Здесь маркировка стали, а также тип изделия имеют значение – выбирается соответствующая температура.
2. Толщина защитного слоя достигает 110 мкм.
3. В закрытый резервуар помещается изделие из стали, чугуна.
4. Добавляется туда специальная смесь.
5. Последним шагом является специальная обработка изделия от появления белых высолов от солёной воды.

В основном данным методом пользуются в случае, если требуется покрыть детали, имеющие сложную форму: резьбу, мелкие штрихи. Образование равномерного защитного слоя является важным, поскольку данные детали претерпевают множественное воздействие внешней агрессивной среды (постоянная влага).

Данный метод дает самый большой процент защиты изделия от коррозии. Оцинкованное напыление является износостойким и практически нестираемым, что очень важно для деталей, которые время о времени крутятся и разбираются.

Иные сферы применения цинка

Помимо оцинкования, металл применяется и в других сферах промышленности.

1. Цинковые листы. Для производства листа выполняется прокатка, в которой важна пластичность. Это зависит от температурного режима. Температура в 25 °С дает пластичность только в одной плоскости, что создает определенные свойства металла. Тут главное для чего изготавливается лист. Чем выше температура, тем тоньше получается металл. В зависимости от этого идет маркировка изделия Ц1, Ц2, Ц3. После этого из листов создаются различные изделия для автомобилей, профиля для строительства и ремонта, для полиграфии и так далее.
2. Цинковые сплавы. Для улучшенных свойств металлических изделий, добавляется цинк. Данные сплавы создаются при высоких температурах в специальных печах. Чаще всего производятся сплавы из меди, алюминия. Данные сплавы применяются для производства подшипников, различных втулок, которые применимы в машиностроении, судостроении и авиации.

В домашнем обиходе оцинкованное ведро, корыто, листы на крыше – это норма. Применяется цинк, а не хром или никель. И дело не только в том, что оцинкование дешевле, чем покрытие другими материалами. Это наиболее надёжный и продолжительный по службе эксплуатации защитный материал нежели, хром или другие применяемые материалы.

В итоге – цинк наиболее распространенный металл, применяемый широко в металлургии. В машиностроении, строительстве, медицине – материал применим не только как защита от коррозии, но и для увеличения прочности, продолжительного срока эксплуатации. В частных домах оцинкованные листы защищают крышу от осадков, в зданиях выравниваются стены и потолки гипсокартонными листами на основе оцинкованных профилей.

Практически у каждой хозяйки в доме есть оцинкованное ведро, корыто, которым она пользуется длительное время.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Цинк - тридцатый элемент Периодической таблицы. Обозначение - Zn от латинского «zincum». Расположен в четвертом периоде, IIB группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 30.

Главные природные соединения цинка, из которых его добывают, — минералы галмей ZnCO 3 и цинковая обманка ZnS. Общее содержание цинка в земной коре составляет приблизительно 0,01% (масс.).

Цинк - голубовато-серебристый металл (рис. 1). При комнатной температуре он довольно хрупок, но при 100-150 o С он хорошо гнется и прокатывается в листы. При нагревании выше 200 o С цинк становится очень хрупким. На воздухе он покрывается тонким слоем оксида или основного карбоната, предохраняющим его от дальнейшего окисления. Вода почти не действует на цинк.

Рис. 1. Цинк. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса цинка

Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии цинк существует в виде одноатомных молекул Zn, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 65,38.

Изотопы цинка

Известно, что в природе хром может находиться в виде пяти стабильных изотопов 64 Zn, 66 Zn, 67 Zn, 68 Zn и 70 Zn. Их массовые числа равны 64, 66, 67, 68 и 70 соответственно. Ядро атома изотопа цинка 64 Zn содержит тридцать протонов и тридцать четыре нейтрона, а остальные изотопы отличаются от него только числом нейтронов.

Существуют искусственные нестабильные изотопы цинка с массовыми числами от 54-х до 83-х, а также десять изомерных состояний ядер, среди которых наиболее долгоживущим изотопом является 65 Zn с периодом полураспада равным 243,66 суток.

Ионы цинка

На внешнем энергетическом уровне атома цинка имеется два электрона, которые являются валентными:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 .

В результате химического взаимодействия цинк отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:

Zn 0 -2e → Zn 2+ .

Молекула и атом цинка

В свободном состоянии цинк существует в виде одноатомных молекул Zn. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу цинка:

Сплавы цинка

Широкое промышленное значение имеют сплавы цинка с алюминием, медью и магнием. С медью цинк образует важную группу сплавов - латуни. Латуни содержат до 45% цинка. Различают простые и специальные латуни. В состав последних входят другие элементы, например железо, алюминий, олово, кремний.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Технический цинк массой 0,33 г обработали разбавленным раствором серной кислоты. Выделившийся водород занимает при нормальных условиях объем 112 мл. Рассчитайте массовую долю цинка в техническом металле.
Решение	Запишем уравнение реакции взаимодействия цинка с разбавленной серной кислотой: Zn + H 2 SO 4 (dilute) = ZnSO 4 + H 2 . Найдем количество моль выделившегося в ходе реакции водорода: n (H 2) = V (H 2) / V m ; n (H 2) = 112×10 -3 / 22,4 = 0,005 моль. Согласно уравнению реакции n (H 2):n (Zn) = 1:1, т.е. n (H 2) = n (Zn) =0,005 моль. Тогда, масса чистого цинка (без примесей) будет равна (молярная масса - 65 г/моль): m pure (Zn)= 0,005 × 65 = 0,325 г. Массовая доля цинка в техническом металле рассчитывается как: ω(Zn) = m pure (Zn)/ m tec (Zn) × 100%; ω(Zn) = 0,325/ 0,33 × 100%; ω(Zn) = 98,48%.
Ответ	Массовая доля цинка в техническом металле равна 98,48%.

ПРИМЕР 2

Задание	Рассчитайте массу цинка, который нужно растворить в соляной кислоте, чтобы получить водород, необходимый для восстановления оксида меди (II) массой 20 г до металла.
Решение	Запишем уравнения реакций, которые протекают согласно условию задачи: Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2 (1); H 2 + CuO = Cu + H 2 O (2). Рассчитаем количество вещества оксида меди (II) (молярная масса - 80 г/моль): n (CuO) = m (CuO) / M (CuO); n (CuO) = 20 / 80 = 0,25 моль. Согласно уравнению (2) n (CuO):n (H 2) = 1:1, т.е. n (CuO) = n (H 2) =0,25 моль. Тогда, число моль цинка вступившего в реакцию взаимодействия с соляной кислотой будет равно 0,25 моль, поскольку n (Zn):n (H 2) = 1:1, т.е. n (Zn) = n (H 2). Масса цинка (молярная масса равна 65 г/моль) равна: m pure (Zn) = n (Zn) × M (Zn); m pure (Zn)= 0,25 × 65 = 16,25 г.
Ответ	Масса цинка равна 16,25 г

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

1. 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.
2. 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.
3. 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.
   

Государственное образовательное учреждение

среднего профессионального образования Ленинградской области Подпорожский Политехнический техникум

Поисково-исследовательская работа по химии

Тема:

«Цинк и его свойства»

Выполнил(а): студент группы № 89

Фамилия, имя, отчество: Юриков Алексей Александрович

Проверил преподаватель: Ядыкина Людмила Алексеевна

Подпорожье

1. Положение в периодической системе и строение атома

2. История открытия

3. Нахождение в природе

4. Физические свойства

5. Химические свойства

6. Получение металлического цинка

7. Применение и значение для здоровья человека

8. Мои исследования

9. Литература

Положение в периодической системе

и строение атома

Элемент цинк (Zn) в таблице Менделеева имеет порядковый номер 30.

Он находится в четвертом периоде второй группы.

атомный вес = 65,37

валентность II

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%).

Конфигурация двух внешних электронных слоев 3 s 2 p 6 d 10 4 s 2 .

История открытия

Сплавы цинка с медью - латуни - были известны еще древним грекам и египтянам. Цинк получали в 5 в. до н. э. в Индии. Римский историк 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 воздуха, образуя рыхлый оксид цинка, который алхимики называли «белой шерстью».

Металлический цинк

В XVI веке были предприняты первые попытки выплавлять цинк в заводских условиях. Но производство «не пошло», технологические трудности оказались непреодолимыми. Цинк пытались получать точно также как и другие металлы. Руду обжигали, превращая цинк в окись, затем эту окись восстанавливали углем...

Цинк, естественно, восстанавливался, взаимодействуя с углем, но... не выплавлялся. Не выплавлялся потому, что этот металл уже в плавильной печи испарялся – температура его кипения всего 906° С. 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. Пирометаллургическим способом сейчас получают примерно половину производимого в мире цинка, а другую половинугидрометаллургическим.

Следует иметь в виду, что чисто цинковые руды в природе почти не встречаются. Соединения цинка (обычно 1-5% в пересчете на металл) входят в состав полиметаллических руд. Полученные при обогащении руды цинковые концентраты содержат 48-65% цинка, до 2% меди, до 2% свинца, до 12% железа. И плюс доли процента рассеянных и редких металлов...

Сложный химический и минералогический состав руд, содержащих цинк, был одной из причин, по которым цинковое производство рождалось долго и трудно. В переработке полиметаллических руд и сейчас еще есть нерешенные проблемы... Но вернемся к пирометаллургии цинка – в этом процессе проявляются сугубо индивидуальные особенности этого элемента.

При резком охлаждении пары цинка сразу же, минуя жидкое состояние, превращаются в твердую пыль. Это несколько осложняет производство, хотя элементарный цинк считается нетоксичным. Часто бывает нужно сохранить цинк именно в виде пыли, а не переплавлять его в слитки.

В пиротехнике цинковую пыль применяют, чтобы получить голубое пламя. Цинковая пыль используется в производстве редких и благородных металлов. В частности, таким цинком вытесняют золото и серебро из цианистых растворов. Как ни парадоксально, но при получении самого цинка (и кадмия) гидрометаллургическим способом применяется цинковая пыль для очистки раствора сульфата меди и кадмия. Но это еще не все. Вы никогда не задумывались, почему металлические мосты, пролеты заводских цехов и другие крупногабаритные изделия из металла чаще всего окрашивают в серый цвет?

Главная составная часть применяемой во всех этих случаях краски - все та же цинковая пыль. Смешанная с окисью цинка и льняным маслом, она превращается в краску, которая отлично предохраняет от коррозии. Эта краска к тому же дешева, пластична, хорошо прилипает к поверхности металла и не отслаивается при температурных перепадах. Мышиный цвет скорее достоинство, чем недостаток. Изделия, которые покрывают такой краской, должны быть не марки и в то же время опрятны.

На свойствах цинка сильно сказывается степень его чистоты. При 99,9 и 99,99% чистоты цинк хорошо растворяется в кислотах. Но стоит «прибавить» еще одну девятку (99,999%), и цинк становится нерастворимым в кислотах даже при сильном нагревании. Цинк такой чистоты отличается и большой пластичностью, его можно вытягивать в тонкие нити. А обычный цинк можно прокатить в тонкие листы, лишь нагрев его до 100-150° С. Нагретый до 250° С и выше, вплоть до точки плавления, цинк опять становится хрупким – происходит очередная перестройка его кристаллической структуры.

Листовой цинк широко применяют в производстве гальванических элементов. Первый “вольтов столб” состоял из кружочков цинка и меди. И в современных химических источниках тока отрицательный электрод чаще всего делается из цинка.

Значительна роль этого элемента в полиграфии. Из цинка делают клише, позволяющие воспроизвести в печати рисунки и фотографии. Специально приготовленный и обработанный типографский цинк воспринимает фотоизображение. Это изображение в нужных местах защищают краской, и будущее клише протравливают кислотой. Изображение приобретает рельефность, опытные граверы подчищают его, делают оттиски, а потом эти клише идут в печатные машины.

К полиграфическому цинку предъявляют особые требования: прежде всего он должен иметь мелкокристаллическую структуру, особенно на поверхности слитка. Поэтому цинк, предназначенный для полиграфии, всегда отливают в закрытые формы. Для «выравнивания» структуры применяют отжиг при 375°С с последующим медленным охлаждением и горячей прокаткой. Строго лимитируют и присутствие в таком металле примесей, особенно свинца. Если его много, то нельзя будет вытравить клише так, как это нужно. Если же свинца меньше 0,4%, то трудно получить нужную мелкокристаллическую структуру. Вот по этой кромке и «ходят» металлурги, стремясь удовлетворить запросы полиграфии.

Нахождение в природе

В природе цинк находиться только в виде соединений.

СФАЛЕРИТ (цинковая обманка, ZnS) имеет вид кубических жёлтых или коричневых кристаллов; плотность 3,9-4,2 г/см 3 , твёрдость 3-4 по шкале Мооса. В качестве примесей содержит кадмий, индий, галлий, марганец, ртуть, германий, железо, медь, олово, свинец.

В кристаллической решётке сфалерита атомы цинка чередуются с атомами серы и наоборот. Атомы серы в решётке образуют кубическую упаковку. Атом цинка располагается в этих тетраэдрических пустотах.

ВЮРТЦИТ (ZnS) представляет собой коричнево-чёрные гексагональные кристаллы, плотностью 3,98 г/см 3 и твердостью 3,5-4 по шкале Мооса. Обычно содержит цинка больше чем сфалерит. В решётке вюртцита каждый атом цинка тетраэдрически окружён четырьмя атомами серы и наоборот. Расположение слоёв вюртцита отличается от расположения слоёв сфалерита.

СМИТСОНИТ (цинковый шпат, ZnCO 3) встречается в виде белых (зелёных, серых, коричневых в зависимости от примесей) тригональных кристаллов плотностью 4,3-4,5 г/см 3 и твёрдостью 5 по шкале Мооса.

КАЛАМИН (Zn 2 SiO 4 *H 2 O*ZnCO 3 или Zn 4 (OH) 4 *H 2 O*ZnCO 3) представляет собой смесь карбоната и силиката цинка; образует белые (зелёные, синие, жёлтые, коричневые в зависимости от примесей) ромбические кристаллы плотностью 3,4-3,5 г/см 3 и твёрдостью 4,5-5 по шкале Мооса.

ВИЛЛЕМИТ (Zn 2 SiO 4) залегает в виде бесцветных или жёлто-коричневых ромбоэдрических кристаллов плотностью 3,89-4,18 г/см 3 и твёрдостью 5-5,5 по шкале Мооса.

ЦИНКИТ (ZnO) - гексагональные кристаллы жёлтого, оранжевого или красного цвета с решёткой типа вюртцита и твёрдостью 4-4,5 по шкале Мооса.

ГАНИТ (Zn) имеет вид тёмно-зелёных кристаллов плотностью 4-4,6 г/см 3 и твёрдостью 7,5-8 по шкале Мооса.

Помимо приведённых, известны и другие минералы цинка:

монгеймит (Zn, Fe)CO 3

гидроцикит ZnCO 3 *2Zn(OH) 2

трустит (Zn, Mn)SiO 4

гетеролит Zn

франклинит (Zn, Mn)

халькофанит (Mn, Zn) Mn 2 O 5 *2H 2 O

госларит ZnSO 4 *7H 2 O

цинкхальканит (Zn, Cu)SO 4 *5H 2 O

адамин Zn 2 (AsO 4)OH

тарбуттит Zn 2 (PO 4)OH

деклуазит (Zn, Cu)Pb(VO 4)OH

леграндит Zn 3 (AsO 4) 2 *3H 2 O

гопеит Zn 3 (PO 4)*4H 2 O

Физические свойства

Цинк представляет собой синевато – белый металл средней твердости, плавящийся при 419° С, а при 913° С превращающийся в пар; плотность его равна 7,14 г/см 3 . При обыкновенной температуре цинк довольно хрупок, но при 100-110°С он хорошо гнется и прокатывается в листы.На воздухе покрывается защитной оксидной пленкой.

Химические свойства

На воздухе при температуре до 100°С Цинк быстро тускнеет, покрываясь поверхностной пленкой основных карбонатов. Во влажном воздухе, особенно в присутствии СО 2 , происходит разрушение металла даже при обычных температурах. При сильном нагревании на воздухе или в кислороде Цинк интенсивно сгорает голубоватым пламенем с образованием белого дыма оксида цинка ZnO. Сухие фтор, хлор и бром не взаимодействуют с Цинком на холоду, но в присутствии паров воды металл может воспламениться, образуя, например, ZnCl 2 . Нагретая смесь порошка Цинка с серой дает сульфид Цинк ZnS.Сильные минеральные кислоты энергично растворяют Цинк, особенно при нагревании, с образованием соответствующих солей. При взаимодействии с разбавленной НCl и H 2 SO 4 выделяется Н 2 , а с НNО 3 - кроме того, NO, NO 2 , NH 3 . С концентрированной НCl, H 2 SO 4 и HNO 3 Цинк реагирует, выделяя соответственно Н 2 , SO 2 , NO и NO 2 . Растворы и расплавы щелочей окисляют Цинк с выделением Н 2 и образованием растворимых в воде цинкитов. Интенсивность действия кислот и щелочей на Цинк зависит от наличия в нем примесей. Чистый Цинк менее реакционноспособен по отношению к этим реагентам из-за высокого перенапряжения на нем водорода. В воде соли Цинка при нагревании гидролизуются, выделяя белый осадок гидрооксида Zn(OH) 2 . Известны комплексные соединения, содержащие Цинк, например SО 4 и другие.