Елемент цинк (Zn) у таблиці Менделєєва має порядковий номер 30 . Він знаходиться в четвертому періоді другої групи. Атомний вага - 65,37. Розподіл електронів по шарах 2-8-18-2.
Цинк являє собою синювато - білий метал, плавиться при 419 ° С, а при 913 ° С перетворюється на пару; густина його дорівнює 7,14 г/см3. При звичайній температурі цинк досить крихкий, але при 100-110 ° С він добре гнеться і прокатується в листи. На повітрі цинк вкривається тонким шаром оксиду або основного карбонату, що оберігає його від подальшого окислення. Вода майже не діє на цинк, хоча він і стоїть в ряді напруг значно лівіше водню. Це пояснюється тим, що утворюється на поверхні цинку при взаємодії його з водою гідроокис практично нерозчинні і перешкоджає подальшому перебігу реакції. У розведених ж кислотах цинк легко розчиняється з утворенням відповідних солей. Крім того, цинк подібно берилію і інших металів, що утворить амфотарні гідроксиду, розчиняється в лугах. Якщо нагріти цинк на повітрі до температури кипіння, то пари його запалали і згоряють зеленувато-білим полум'ям, утворюючи оксид цинку.
Трохи історії.
З'єднання цинку і його сплави відомі людству з глибокої давнини, металевий ж цинк був отриманий значно пізніше, ніж залізо, свинець і олово. Ця обставина пояснюється тим, що звичайні способи плавки руди з вугіллям тут не досягали мети; щоб відновити цинк, його треба швидко нагріти до температури близько 1000 градусів, але при цьому він кипить і у вигляді пари втрачається разом із димовими газами. Тільки після того, як навчилися конденсувати пари цинку в глиняних посудинах, стало можливим отримання металу у вільному стані. Вважають, що такий дістілляціонние спосіб отримання вільного цинку вперше був винайдений в Китаї.
Латунь (сплав міді з цинком) була відома грекам, індусів та інших народів Сходу, що вживали її для виготовлення різних предметів домашнього побуту, художнього лиття й прикрас. Окремі предмети з латуні, що відносяться до періоду за 1500 років до н.е., були знайдені в Палестині. Приготування латуні відновленням особливої землі кадмію (так називали в давнину багато мінерали, що містять цинк, відмінність між які не робили) вугіллям у присутності міді описують Арістотель (384 - 322 рр.. До н.е.), Пліній Старший (23-79 рр.. н.е.) і Гомер. Пліній Старший і Діоскрід з Аназарбуса описують лікарські засоби, що містять сполуки цинку. Ліки ці вживалися для загоєння ран і при лікуванні очних хвороб.
У доісторичних дакійських руїнах в Трансільванії був знайдений ідол, відлитий зі сплаву, що містить близько 87% цинку. Отримання металевого цинку з галмея Zn4 (Si2O7) * H2O вперше описує Страбон (60-20 рр.. До н.е.). Цинк у цей період називали тутіей або фальшивим сріблом.
Завдяки досить складною виробленні цинку з руд в X-XI ст. н.е. мистецтво отримання цинку в Європі було втрачено і він ввозився сюди під назвою індійського олова з Китаю та Індії.
В кінці XIII ст. н.е. італійський мандрівник Марко Поло описав спосіб отримання металевого цинку в Персії. У 1637 році метод виплавки цинку і його властивості описуються в китайській книзі "Ціен конг кан у". Здавалося б, що раз метод отримання описаний в літературі, то його легко могли перейняти інші народи і застосувати у себе на батьківщині. Але цього не сталося. Економічна і культурна роз'єднаність народів, слабкі транспортні зв'язки, а головне, прагнення багатьох вчених описувати свої відкриття незрозумілою мовою-все це перешкоджало швидкому поширенню технічних досягнень.
Вдруге отримання цинку в Європі стало відомо на початку XVI століття, коли про спосіб його виплавки згадують у своїх творах Георг Агрікола (1494-1555) і Теофраст Парацельс. Однак і після цього цинк в Європі був великою рідкістю, що тривало майже до кінця XVIII ст.
Назва ж "цинк" походить від латинського слова, що позначає більмо або білий наліт і вперше зустрічається у Парацельса в 1530 році. Роберт Бойль назвав цинк "спелтером". У нас цинк І. Шлаттер (1736) називав "туціей", Ломоносов (1742) ввів назву "цинк", але воно не користувалося успіхом і цинк найчастіше називали "шпіаутер".
У 8-му виданні "Основ хімії" (1906) Д.І. Менделєєв вживає сучасну назву цинку, але поряд із цим ставить у дужках і інше його назва-"шпіаутер". З цього можна зробити висновок, що за часів Менделєєва стару назву цинку було досить широко поширене.
Металевий цинк.
У XVI столітті були зроблені перші спроби виплавляти цинк у заводських умовах. Але виробництво "не пішло", технологічні труднощі виявилися нездоланними. Цинк намагалися одержувати так само, як і інші метали. Руду обпалювали, перетворюючи цинк у окис, потім цю окис відновлювали вугіллям ...
Цинк, природно, відновлювався, взаємодіючи з вугіллям, але ... не виплавляється. Не виплавляли тому, що цей метал вже в плавильній печі випаровувався - температура його кипіння всього 906 ° С. А в печі був повітря. Зустрічаючи його, пари активного цинку реагували з киснем, і знову утворювався вихідний продукт-окис цинку.
Налагодити цинкове виробництво в Європі вдалося лише після того, як руду почали відновлювати в закритих реторта без доступу повітря. Приблизно так само "чорнової" цинк одержують і зараз, а очищають його рафінуванням. Пірометалургійних способом зараз отримують приблизно половину виробленого у світі цинку, а другу половину-гідрометалургійних.
Слід мати на увазі, що чисто цинкові руди в природі майже не зустрічаються. З'єднання цинку (зазвичай 1-5% в перерахунку на метал) входять до складу поліметалічних руд. Отримані при збагаченні руди цинкові концентрати містять 48-65% цинку, до 2% міді, до 2% свинцю, до 12% заліза. І плюс частки відсотка розсіяних і рідкісних металів ...
Складний хімічний та мінералогічний склад руд, що містять цинк, був однією з причин, за якими цинкове виробництво народжувалося довго і важко. У переробки поліметалічних руд і зараз ще є невирішені проблеми ... Але повернемося до пірометалургію цинку - в цьому процесі проявляються суто індивідуальні особливості цього елементу.
При різкому охолодженні пари цинку відразу ж, минаючи рідкий стан, перетворюються на тверду пил. Це трохи ускладнює виробництво, хоча елементарний цинк вважається нетоксичним. Часто буває потрібно зберегти цинк саме у вигляді пилу, а не перерплавлять його в злитки.
У піротехніку цинковий пил застосовують, щоб отримати блакитне полум'я. Цинковий пил використовується у виробництві рідкісних і благородних металів. Зокрема, таким цинком витісняють золото й срібло з ціанистих розчинів. Як не парадоксально, але при отриманні самого цинку (і кадмію) гідрометалургійних способом застосовується цинкова пил-для очищення розчину сульфату міді та кадмію. Але це ще не все. Ви ніколи не замислювалися, чому металеві мости, прольоти заводських цехів та інші великогабаритні вироби з металу найчастіше фарбують у сірий колір?
Головна складова частина застосовуваної у всіх цих випадках фарби - все та ж цинкова пил. Змішана з окисом цинку і льняним маслом, вона перетворюється на фарбу, яка відмінно оберігає від корозії. Ця фарба до того ж дешева, пластична, добре прилипає до поверхні металу і не відшаровується при температурних перепадах. Мишачий колір швидше гідність, ніж недолік. Вироби, які покривають такий фарбою, повинні бути не марки і в той же час охайні.
На властивостях цинку сильно позначається ступінь його чистоти. При 99,9 і 99,99% чистоти цинк добре розчиняється в кислотах. Але варто "додати" ще одну дев'ятку (99,999%), і цинк стає нерозчинним в кислотах навіть при сильному нагріванні. Цинк такої чистоти відрізняється і великою пластичністю, його можна витягати в тонкі нитки. А звичайний цинк можна покатати в тонкі листи, лише нагрів його до 100-150 ° С. Нагріте до 250 ° С і вище, аж до точки плавлення, цинк знову стає крихким - відбувається чергова перебудова його кристалічної структури.
Листовий цинк широко застосовують у виробництві гальванічних елементів. Перший "вольтів стовп" складався з кружечків цинку і міді. І в сучасних хімічні джерела струму негативний електрод найчастіше робиться з цинку.
Значна роль цього елемента в поліграфії. З цинку роблять кліше, які дозволяють відтворити друком малюнки та фотографії. Спеціально приготовлений і оброблений друкарський цинк сприймає фотозображення. Це зображення в потрібних місцях захищають фарбою, і майбутнє кліше протравлюють кислотою. Зображення набуває рельєфність, досвідчені гравери підчищають його, роблять відбитки, а потім ці кліше йдуть у друкарські машини.
До поліграфічного цинку пред'являють особливі вимоги: перш за все він повинен мати дрібнокристалічної структуру, особливо на поверхні злитка. Тому цинк, призначений для поліграфії, завжди відливають в закриті форми. Для "вирівнювання" структури застосовують отжиг при 375 ° С з подальшим повільним охолодженням і гарячої прокаткою. Строго лімітують і присутність у такому металі домішок, особливо свинцю. Якщо його багато, то не можна буде витравити кліше так, як це потрібно. Якщо ж свинцю менше 0,4%, то важко отримати потрібну дрібнокристалічної структуру. Ось цією кромці і "ходять" металурги, прагнучи задовольнити запити поліграфії.
Цинк і сталь.
Як би голосно не називали в наш час: "століття полімерів", "вік напівпровідників", "атомний століття" і так далі, по суті справи ми не вийшли ще із залізного століття. Цей метал, як і раніше залишається основою промисловості. За виплавки чавуну і сталі і зараз судять про міць держави. А чавун і сталь схильні до корозії, і, незважаючи на значні успіхи, досягнуті людством у боротьбі з "рудим ворогом", корозія щорічно втрачає десятки мільйонів тонн металу.
Нанесення на поверхню сталі і чавуну тонких плівок корозієстійких металів - найважливіший засіб захисту від корозії. А на першому місці серед всіх металопокриттів - і за важливістю, і за масштабами - стоять покриття цинкові. На захист стали йде 40% світового виробництва цинку!
Оцинковані відра, оцинкована жерсть на дахах будинків - речі настільки звичні, настільки буденні, що ми, як правило, не замислюємося, а чому, власне, вони оцинковані, а не хромовані або нікельовані? Якщо ж таке питання виникає, то "залізна логіка" миттю видає однозначну відповідь: тому що цинк дешевше хрому і нікелю. Але справа не в одній дешевизні.
Цинкове покриття часто виявляється більш надійним, ніж інші, тому що цинк не просто механічно захищає залізо від зовнішніх впливів, він його хімічно захищає.
Кобальт, нікель, кадмій, олово та інші метали, які застосовуються для захисту заліза від корозії, в ряду активності металів стоять після заліза. Це означає, що вони більш стійкі, ніж залізо. Цинк ж і хром, навпаки, активніше заліза. Хром в ряду активності коштує майже поруч з залізом (між ними тільки галій), а цинк - перед хромом.
Процеси атмосферної корозії мають електрохімічну природу і пояснюються з електрохімічних позицій. Але в принципі механізм захисту заліза цинком полягає в тому, що цинк - метал більш активний - перш, ніж залізо, реагує з агресивними компонентами атмосфери. Тобто виходить, що цинк виручає залізо, сам гинучи. Ось як це відбувається:
У присутності вологи між залізом і цинком утворюється мікрогальванопара, в якій цинк - анод. Саме він і буде руйнуватися при виник електрохімічному процесі, зберігаючи в недоторканності основний метал. Навіть якщо покриття порушене - з'явилася, припустимо, подряпина, - ці особливості цинкової захисту і її надійність залишаються незмінними. Адже і в такій ситуації діють мікрогальванопара, в якій цинк принесений в жертву, і, крім того, звичайно в процесі нанесення покриття залізо і цинк реагують між собою. І найчастіше подряпина оголює не саме залізо, а інтерметалевих з'єднання заліза з цинком, досить стійкий до дії вологи.
Суттєвим і склад продукту, що утворюється при "самопожертву" цинку. Активний цинк реагує з вологою повітря і одночасно з містяться в ньому вуглекислим газом. Утворюється захисна плівка складу ZnCO3 * Zn (OH) 2, що має достатню хімічну стійкість, щоб захистити від реакцій і залізо, і сам цинк. Але якщо цинк корродирует в середовищі, позбавленої вуглекислоти, скажімо, в зм'якшеної воді парового котла, то плівка потрібного складу утворитися не може, і в цьому випадку цинкове покриття руйнується набагато швидше.
Як же наносять цинк на залізо? Способів декілька. Оскільки цинк утворює сплави з залізом, швидко розчиняє його навіть при невисоких температурах, можна наносити розпорошений цинк на підготовлену сталеву поверхню зі спеціального пістолета. Можна оцінковивать сталь (це самий старий спосіб), просто занурюючи її в розплавлений цинк. До речі, він плавиться при порівняно низькій температурі (419,5 ° С). Є, звичайно, електролітичні способи цинкування. Є, нарешті, метод шерардізаціі (на ім'я винахідника), що застосовується для покриття невеликих деталей складної конфігурації, коли особливо важливо зберегти незмінними розміри.
У герметично закритому барабані деталі, пересипані цинковим пилом, витримують протягом декількох годин при 350-375 ° С. У цих умовах атоми цинку досить швидко дифундують в основний матеріал; утворюється железоцінковий сплав, шар якого не "покладений" поверх деталі, а "впроваджений "в неї.
Сплави.
Вже згадувалося , що історія з цинком досить путана. Але одне безперечно: сплав міді та цинку - латунь - був отриманий набагато раніше, ніж металевий цинк. Найдавніші латунні предмети, зроблені приблизно в 1500 році до н.е., знайдені при розкопках у Палестині.
Приготування латуні відновленням особливого каменю - cadmeia (кадмію) вугіллям у присутності міді описане у Гомера, Арістотеля, Плінія Старшого. Зокрема Аристотель писав про що видобувається Індії міді, що "відрізняється від золота тільки смаком".
Справді, у досить численної групи сплавів, що носять загальна назва латуней, є один (Л-96, або томпаку), за кольором майже невідмітний від золота. Між іншим, томпаку містить менше цинку, ніж більшість латуней: цифра за індексом Л означає процентний вміст міді. Отже, на частку цинку в цьому сплаві доводиться не більше 4%. Можна припускати, що метал з кадмій і в давнину додавали в мідь не тільки для того, щоб висвітлити її. Змінюючи співвідношення цинку і міді, можна одержати численні сплави з різними властивостями. Не випадково латуні поділені на дві великі групи - альфа-і бета-латуні. У першому цинку не більше 33%. Чому саме 33?
Зі збільшенням вмісту цинку пластичність латуні зростає, але тільки до певної межі: латунь з 33 і більше відсотками цинку при деформації у холодному стані розтріскується, 33% Zn - межу зростання пластичності, межа, за якою латунь стає крихкою.
Втім, могло статися що за основу класифікації латуней взяли б іншою "поріг" - всі класифікації умовні, адже і міцність латуней зростає в міру збільшення в них вмісту цинку, але теж до певної межі. Тут межа інший - 47-50% Zn. Міцність латуні, що містить 45% цинку, у кілька разів більше, ніж сплаву, відлитого з рівних кількостей цинку і міді.
Широкий діапазон властивостей латуней пояснюється перш за все хорошою сумісністю міді і цинку: вони утворюють серію твердих сплавів з різною кристалічної структурою. Так само різноманітно і застосування сплавів цієї групи. З латуней роблять конденсаторні трубки і патронні гільзи, радіатори і різну арматуру, безліч інших корисних речей - усього не перелічити.
І що тут особливо важливо. Введений в розумних межах цинк завжди поліпшує механічні властивості міді (її міцність, пластичність, корозійну стійкість). І завжди при цьому він здешевлює сплав - адже цинк набагато дешевше міді. Легування робить сплав дешевшим - таке зустрінеш не часто.
Цинк входить і до складу іншому стародавньомуйого сплаву на мідній основі. Мова йде про бронзі. Це раніше поділяли чітко: мідь плюс олово - бронза, мідь плюс цинк - латунь. Тепер "межі стерлися". Наприклад, сплав ОЦС-3-12-5 вважається бронзою, але цинку в ньому в чотири рази більше, ніж олова.
До цих пір ми розповідали тільки про захист цинком і про легуванні цинком. Але є і сплави на основі цього елементу. Хороші ливарні властивості та низькі температури плавлення дозволяють відливати з таких сплавів складні тонкостінні деталі. Навіть різьблення під болти і гайки можна отримувати безпосередньо при відливанні, якщо маєш справу зі сплавами на основі цинку.
Зростаючий дефіцит свинцю і олова змусив металургів шукати рецептури нових друкарських і антифрикційних сплавів. Доступний, досить м'який і щодо легкоплавкий цинк, природно, привернув увагу в першу чергу. Майже тридцять років пошукових і дослідних робіт передували появі антифрикційних сплавів на цинковій основі. При невеликих навантаженнях вони помітно поступаються і бабітів і бронза, але в підшипниках великовантажних автомобілів і залізничних вагонів, угледробілок і землечерпалок вони стали витісняти традиційні сплави. І справа тут не тільки у відносній дешевизні сплавів на основі цинку. Ці матеріали чудово витримують великі навантаження при великих швидкостях в умовах, коли бабіти починають фарбували ...
Коротко про з'єднання цинку.
Ще при перших спробах виплавити цинк із руди в середньовічних хіміків виходив білий наліт, який у книгах того часу називали подвійно: або "білим снігом" (nix alba), або "філософської шерстю" (lana philosophica). Неважко здогадатися, що це була окис цинку ZnO - речовина, що є в житлі кожного міського жителя наших днів.
Цей "сніг", будучи замішаним на оліфі, перетворюється на цинкові білила - найпоширеніші з усіх білила. Окис цинку потрібна не тільки для малярських справ, ним широко користуються багато галузей промисловості. Скляна - для отримання молочного скла і (в малих дозах) для збільшення термостійкості звичайних стекол. У гумовій промисловості й виробництві лінолеуму окис цинку використовують як наповнювач. Відома цинкова мазь насправді не цинкова, а оксіноцінковая. Препарати на основі ZnO ефективні при шкірних захворюваннях.
Нарешті, з кристалічної окисом цинку пов'язана одна з найбільших наукових сенсацій 20-х років нашого століття. У 1924 році один із радіоаматорів міста Томська встановив рекорд дальності прийому. Детекторний приймачем він в Сибіру приймав передачі радіостанцій Франції та Німеччини, причому чутність була виразнішою, ніж у власників однолампове приймачів. Як це могло статися? Справа в тому, що детекторний приймач томського аматора був змонтований за схемою співробітника нижегородської радіолабораторії О.В. Лосєва.
Лосєв установив, що якщо в коливальний контур певним чином включити кристал оксиду цинку, то останній буде підсилювати коливання високої частоти і навіть порушувати незгасаючі коливання. У наші "веселі транзисторні дні" така подія пройшло б майже непоміченим, але в 1924 році винахід Лосєва уявлялося революційним. Ось що говорилося в редакційній статті американського журналу "Radio-News", цілком присвяченої роботі нижегородського винахідника: "Винахід О. В. Лосєва з Державної радіоелектріческой лабораторії в Росії робить епоху, і тепер кристал замінить лампу!" Автор статті виявився провидцем: кристал справді замінив лампу, справедливість, це не лосевскій кристал оксиду цинку, а кристали інших речовин. Але, між іншим, серед широко вживаних напівпровідникових матеріалів є сполуки цинку. Це його селенідом і теллуріди, антимода і арсенід.
Ще більш важливе застосування деяких сполук цинку, насамперед його сульфіду, для покриття світяться екранів телевізорів, осцилографів, рентгенівських апаратів. Під дією короткохвильового випромінювання або електронного променя сірчистий цинк набуває здатності світитися, причому ця здатність зберігається і після того, як припинилося опромінення.
Резерфорд, вперше зіткнувшись з явищем післясвічення сірчистого цинку, скористався ним для підрахунку що вилітають з ядра альфа-частинок. У нескладному прилад, спінтаріскопе, б'ючись про екран, покритий сульфідом цинку, ці частинки висікали спалах, видиму оком. А якщо частинки падають на екран досить часто, то замість спалахів з'являється постійне світіння.
Біологічна роль цинку.
Фармацевти і медики шанують багато сполук цинку. З часів Парацельса до наших днів у фармакопеї значаться очні цинкові краплі (0,25%-ий розчин ZnSO4). Як присипка здавна використовується цинкова сіль стеаринової кислоти. Феносульфат цинку - хороший антисептик. Суспензія, до якої входять інсулін, протаміну і хлорид цинку - новий ефективний засіб проти діабету, що діє краще, ніж чистий інсулін.
І разом з тим багато сполук цинку, насамперед його сульфат і хлорид, токсичні.
Цинк - один з важливих мікроелементів. І в той же час надлишок цинку для рослин шкідливий.
Біологічна роль цинку двояка і не до кінця з'ясована. Встановлено, що цинк - обов'язкова складова частина ферменту крові, карбоангідрази. Цей фермент міститься в еритроцитах. Карбоангідраза прискорює виділення вуглекислого газу в легенях. Крім того, вона допомагає перетворити частину СО2 в іон НСО3, що грає важливу роль в обміні речовин.
Але навряд чи тільки карбоангідраза обмежується роль цинку в житті тварин і людини. І якщо б було так, то важко було б пояснити токсичність сполук цього елемента.
Відомо, що досить багато цинку міститься в отруту змій, особливо гадюк і кобр. Але в той же час відомо, що солі цинку специфічно пригнічують активність цих самих отрут, хоча, як показали досліди, під дією солей цинку отрути не руйнуються. Як пояснити таке протиріччя? Вважають, що високий вміст цинку в отруту - це той засіб, яким змія захищається від власної отрути. Але таке твердження ще вимагає суворої експериментальної перевірки. Чекають з'ясування і багато тонкі деталі загальної проблеми "цинк і життя "...< br>
Це цікаво!
Бурундучная руда.
Найбільш поширений мінерал цинку - Сфалерит, або цинкова обманка ZnS. Різноманітні домішки додають цієї речовини всілякі кольору. Мабуть, за цей мінерал і називають обманкою. Цинкову обманку вважають первинним мінералом, з якого утворилися інші мінерали цього елементу: Смітсон ZnCO3, цинкіт ZnO, каламін 2ZnO * SiO2 * H2O. На Алтаї нерідко можна зустріти смугасту "бурундучную" руду - суміш цинкової обманки і бурого шпату. Шматок такої руди здалеку дійсно схожий на що крадеться, смугастого звіра.
Не в ніч під Івана Купала.
За старовинними переказами, папороть цвіте лише в ніч під Івана Купала, і охороняє цю квітку нечиста сила. Насправді папороть як спорові рослина не цвіте взагалі, але слова "папоротеві квіти" можна зустріти на сторінках цілком серйозних наукових журналів. Так називають характерні візерунки цинкових покриттів. Ці візерунки виникають завдяки спеціальним добавкам сурми (до 0,3%) або олова (до 0,5%), які вводять у ванни гарячого цинкування. На деяких заводах "квіти" отримують інакше, - притискаючи гарячий оцинкований лист до рифленого транспортеру.
