Цинк при обычных условиях реагирует. Цинк (Zn): все о химическом элементе и его роли в жизни человека. Химические свойства хрома

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.

Физические свойства Цинка. Цинк - металл средней твердости. В холодном состоянии хрупок, а при 100-150 °С весьма пластичен и легко прокатывается в листы и фольгу толщиной около сотых долей миллиметра. При 250 °С вновь становится хрупким. Полиморфных модификаций не имеет. Кристаллизуется в гексагональной решетке с параметрами а = 2,6594Е, с = 4,9370Е. Атомный радиус 1,37Е; ионный Zn2+ -0,83Е. Плотность твердого Цинка 7,133 г/см3 (20 °С), жидкого 6,66 г/см3 (419,5 °С); tпл 419,5 °С; tкип 906 °С. Температурный коэффициент линейного расширения 39,7·10-3 (20-250 °С), коэффициент теплопроводности 110,950 вт/(м ·К) 0,265 кал/см·сек·°С (20 °С), удельное электросопротивление 5,9·10-6 ом·см (20 °С), удельная теплоемкость Цинка 25,433 кдж/(кг·К.) . Предел прочности при растяжении 200-250 Мн/м2 (2000-2500 кгс/см2), относительное удлинение 40-50%, твердость по Бринеллю 400-500 Мн/м2(4000-5000 кгс/см2). Цинк диамагнитен, его удельная магнитная восприимчивость -0,175·10-6.

Химические свойства Цинка. Внешняя электронная конфигурация атома Zn 3d104s2. Степень окисления в соединениях +2. Стандартный электродный 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 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, ZnCl2. Нагретая смесь порошка Цинка с серой дает сульфид Цинк ZnS. Сульфид Цинк выпадает в осадок при действии сероводорода на слабокислые или аммиачные водные растворы солей Zn. Гидрид ZnH2 получается при взаимодействии LiАlН4 с Zn(CH3)2 и других соединениями Цинка; металлоподобное вещество, разлагающееся при нагревании на элементы. Нитрид Zn3N2 - черный порошок, образуется при нагревании до 600 °С в токе аммиака; на воздухе устойчив до 750 °С, вода его разлагает. Карбид Цинка ZnC2 получен при нагревании Цинка в токе ацетилена. Сильные минеральные кислоты энергично растворяют Цинк, особенно при нагревании, с образованием соответствующих солей. При взаимодействии с разбавленной НCl и H2SO4 выделяется Н2, а с НNО3 - кроме того, NO, NO2, NH3. С концентрированной НCl, H2SO4 и HNO3 Цинк реагирует, выделяя соответственно Н2, SO2, NO и NO2. Растворы и расплавы щелочей окисляют Цинк с выделением Н2 и образованием растворимых в воде цинкитов. Интенсивность действия кислот и щелочей на Цинк зависит от наличия в нем примесей. Чистый Цинк менее реакционно способен по отношению к этим реагентам из-за высокого перенапряжения на нем водорода. В воде соли Цинка при нагревании гидролизуются, выделяя белый осадок гидрооксида

a) взаимодействие цинка с разбавленными кислотами

Zn(OH)2. H2SO4 + Zn = Zn SO4 + H2 ^

Цинк, как активный металл, может образовывать с концентрированной серной кислотой сернистый газ, элементарную серу, и даже сероводород.

2H2SO4 + Zn = SO2 ^+ZnSO4 + 2H2O

При взаимодействии цинка с очень разбавленной азотной кислотой выделяется аммиак, который реагирует с избытком кислоты с образованием нитрата аммония.

В общем виде:

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

Zn + HNO3 = Zn(NO3)2 +NO +H2O

b)Взаимодействие растворимых солей цинка с щелочами:

ZnCl2 +2NaOH= ZnOH2v+2NaCl

Zn(NO3)2+2KOH = ZnOH2v +2KNO3

Область применения цинка

Металлический цинк используется для восстановления благородных металлов добываемых подземным выщелачиванием (золото, серебро). Кроме того, цинк используется для извлечения серебра, золота и др. Из чернового свинца в виде так называемой «серебристой пены» интерметаллидов цинка с серебром и золотом, и обрабатываемых обычными методами аффинажа.

Применяется для защиты стали от коррозии (оцинковка, которая хорошо известна всем, кто видел оцинкованное ведро). Также используется в качестве материала для отрицательного электрода в химических источниках тока, то есть в батарейках и аккумуляторах.

Очень важна роль цинка в цинк-воздушных аккумуляторах, в последние годы интенсивно разрабатываются на основе системы цинк-воздух аккумуляторы для компьютеров (ноутбуки) и в этой области достигнут значительный успех (большая, чем у литиевых батарей энергия, ресурс и они дешевле в 3 раза), так же эта система очень перспективна для пуска двигателей (свинцовый аккумулятор -- 55 Вт·ч/кг, цинк-воздух -- 220--300 Вт·ч/кг) и для электромобилей (пробег до 900 км). Входит в состав многих твёрдых припоев для снижения их температуры плавления.

Сложный химический и минералогический состав руд, содержащих цинк, был одной из причин, по которым цинковое производство рождалось долго и трудно. 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.

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.

Также широко в промышленности нашли применения соединения и сплавы цинка.

Оксид цинка применяется в качестве белого пигмента красок, является активатором вулканизации и наполнителем в резиновой промышленности, используется в косметической промышленности и в медицине, как антисептическое и противовоспалительное средство.

Хлорид цинка используется в медицине в качестве антисептика и в виде растворов в соляной кислоте при паянии.

Сульфид цинка применяется в качестве люминофоров в электронно-лучевых трубках.

Роль цинка в организме человека

Среднее содержание цинка – 2-3 грамма. Часть его накапливается в мышечной и костной ткани, 20% - в кожных покровах. Этот микроэлемент содержится в лейкоцитах, эритроцитах, сперме, в предстательной и поджелудочной железе и печени. Входит в состав порядка 400 ферментов, самый изученный – карбоангидраза. Белок, содержащий цинк, находится в эритроцитах. Он расщепляет углекислоту на угольную кислоту и гидрокарбонат с целью утилизации из организма. Чистый углекислый газ в кровяном русле образует газовые пробки, а вот его производная – угольная кислота, водорастворима и легко разлагается под воздействием фермента.

Функции цинка в организме:

• Участвует в расщеплении и синтезе углеводов, белков и жиров.
• Входит в состав гормонов, антител, лейкоцитов, повышает иммунитет.
• Повышает регенеративные способности организма.
• Осуществляет детоксикацию двуокиси углерода из организма.
• Влияет на формирование мужских половых гормонов, поддерживает здоровье простаты.
• Участвует в обменных процессах щитовидной железы, надпочечников, яичников и гипофизе. Защищает от повреждений поджелудочную железу, нужен для секреции инсулина.
• Способствует лучшему усвоению витамина Е , способствует обмену витамина А .
• Благотворно влияет на здоровье зубов: цинк содержится в ферментах и клетках костной ткани.
• Снимает воспаление, улучшает состояние кожи.
• Способствует нормализации структуры рибосом, рибонуклеиновой и дезоксирибонуклеиновой кислот (РНК и ДНК), участвует в делении клеток.
• В период беременности поступление в организм матери цинка влияет на формирование костной, сердечно-сосудистой, дыхательной, мочеполовой системы. При недостатке цинка повышается риск преждевременных родов или прерывания беременности.
• Цинк необходим для нормального функционирования нервной системы и головного мозга. При нарушении обмена цинка повышается риск заболеть болезнью Альцгеймера.
• Нормализует работу печени.
• Поддерживает обонятельные и вкусовые рецепторы, благотворно влияет на органы зрения.
• Участвует в образовании соляной кислоты в ЖКТ (желудочно-кишечный тракт), поддерживает кислотно-щелочной баланс.

Серьезная нехватка цинка чревата нарушениями работы внутренних желез, обменных процессов, увеличивается риск новообразований. У беременных могут наступить преждевременные роды, появиться атонические кровотечения, долго будет сокращаться маточная мускулатура. Цинк активно используют для лечения заболеваний нервной, мочеполовой и кровеносной системы.

Животные и растительные источники цинка

Растительные источники (табл. 1):

• Овощи: брокколи, морковь, цветная капуста, редис, салат, шпинат. А также кукуруза, лук зеленый, спаржа, картофель и помидоры.
• Фрукты и ягоды: цитрусовые, яблоки, смородина, черника. А также малина, слива, вишня, груша, персик и др.
• Орехи (грецкие, арахис, кедровые, кешью, кокос).
• Сухофрукты (инжир, чернослив, финики, курага).
• Крупы: коричневый рис, ячмень, отруби пшеничные, гречка, овсянка.
• Семена подсолнечника и тыквы.
• Грибы.
• Зеленый чай, какао.
• Бобовые (горох, фасоль, чечевица).
• Дрожжи.

Животные источники (табл.1):

• Мясо курицы, кролика, молодая баранина и телятина.
• Рыба (хек, камбала, треска, тунец и др.). Морепродукты (устрицы, креветки, мидии).
• Молоко, твердый сыр, творог.
• Яйца.
• Субпродукты (сердце, говяжий язык, печень).

Таблица 1. Содержание цинка в продуктах

Совет специалиста. Крупы лучше употреблять необработанные. После шлифовки риса, к примеру, содержание в нем цинка снижается на 80%. Не забывайте разнообразить свой рацион животными продуктами, они усваиваются лучше

• Кулинарная обработка также ведет к потере этого ценного минерала. Старайтесь употреблять больше овощей и фруктов в свежем виде.
• Мясные продукты стоит тушить или готовить на пару, не жарить и не переваривать.
• Если не любите овощи и фрукты, пейте свежеотжатые соки. В них концентрация цинка выше.
• Забудьте о кашах быстрого приготовления, все полезное из них было уничтожено во время обработки. Суточная норма употребления цинка подана в таблице 2.

Таблица 2. Суточная норма цинка

Взаимодействие с другими элементами

Органический цинк накапливается в небольших дозах. Адсорбция происходит в ЖКТ, преимущественно в тонком кишечнике. Интересен тот факт, что из продуктов животного происхождения цинк усваивается быстрее, чем из фруктов и овощей. В последнем случае ему мешает фитиновая кислота, которая с цинком образует нерастворимые солевые соединения.

Особенности совместимости цинка:

• Хорошо совместим с витамином А , он улучшает усвояемость и биологическую доступность цинка.
• Повышают свойства цинка ионы фосфора , лития и кальция (в небольших дозах).
• Цинк не совместим с медью , поскольку они всасываются через одни каналы.
• Тяжелые металлы (свинец, кадмий) вытесняют цинк из организма.
• Цинк нельзя принимать одновременно с железом , оловом и марганцем, тогда он усваивается хуже.
• Работает в тандеме с витамином Е . Чаще всего дефицит цинка и витамина Е диагностируется одновременно.
• Препараты тетрациклиновой группы также вытесняют цинк из организма.
• Дополнительный прием фолиевой кислоты замедляет усвоение микроэлемента.
• Цинк несовместим с Аспирином.
• Гистидин и цистеин – аминокислоты, которые содержатся в продуктах животного происхождения. Они улучшают всасывание цинка.

Дефицит цинка

Существует 3 формы дефицита цинка: острая, подострая и хроническая. Последний вариант также связывают с врожденным энтеропатическим акродерматитом.

Нехватка цинка проявляется следующими симптомами:

• Быстрая утомляемость, снижение концентрации, бессонница, нервные расстройства.
• Ухудшение зрения, утрата вкусовых ощущений.
• Потеря аппетита, похудение.
• Расстройство желудка.
• Малокровие.
• Проблемы с кожей: появление аллергических высыпаний, язв, экзем, дерматитов. Ногти расслаиваются, на них заметны пятнышки белого цвета.
• Тусклые и безжизненные волосы, перхоть, очаговое облысение.
• Понижение инсулина в крови, повышается риск заболеть сахарным диабетом.
• У детей гипогонадизм, нарушение полового созревания.
• У мужчин возможны проблемы с сексуальной активностью, нарушение работы предстательной железы, у женщин – бесплодие.
• Снижение иммунитета.
• Для беременных дефицит цинка чреват преждевременными родами.

Дефицит цинка появляется, если человек получает из еды менее 7 мг. Прежде всего, нужно скорректировать рацион, добавив в него мясо, рыбу и морепродукты. Не забывайте о свежих овощах и фруктах. Принимать минеральные комплексы нужно только по назначению врача и в прописанной им дозировке

Избыток цинка в организме

Причины избытка цинка:

• Работа на вредном производстве с соединениями цинка.
• Неконтролируемый прием препаратов, содержащих этот микроэлемент.
• Нарушения цинкового обмена.

Важно! Продолжительный прием цинкосодержащих препаратов (более 100 мг в день) чревато появлениями эрозий, язв и снижением иммунитета. Доза в 200 мг – сильное рвотное средство

Симптоматика избытка цинка:

• Ухудшение иммунитета.
• Патологии волос, ногтей и кожи.
• Частая тошнота, боли в желудке, расстройство стула.
• Понижение уровня меди, кадмия и железа в организме.
• Нарушение функций печени, простаты, поджелудочной железы.
• Сладковатый привкус во рту, частая жажда.

Если отравление произошло вследствие контакта с испарениями цинка, это проявляется падением давления, судорогами, одышкой, тошнотой, болезненностью печени. Если вы заметили характерные симптомы, обратитесь к эндокринологу и сдайте анализы. В случае хронического или острого избытка микроэлемента медицинская помощь необходима. Детоксикация проводится препаратами Ацетилсалициловой кислоты, Унитиолом, Тиосульфатом.

Препараты с цинком

При выборе препарата обращайте внимание на то, какая форма вещества в него включена. В самых бюджетных сериях используются сульфаты, но они хуже воспринимаются организмом, чем хелат, ацетат, пиколинат или глицерат. Препараты выпускаются в разных формах:

• Суппозитории.
• Мази.
• Капли.
• Жевательные таблетки и пастилки.
• Капсулы.
• Таблетки в оболочке и без.
• Шипучие таблетки.

Часто производители производят витаминные комплексы для отдельных групп:

• Для мужчин: КомпливитСелмевит, Дуовит для мужчин, Цинк Хелат, Цинктерал и др.
• Для женщин: ВитрумБьюти, Компливит сияние, Дуовит для женщин и др.
• Для детей: Кальций+глюконат цинка, Витажуйки, Витамишки, Дуовит для детей, Витрум Юниор и др.

Принимать желательно за час до приема пищи или через 2 часа после. Не рекомендуется пить одновременно с антибиотиками, контрацептивами и прочими препаратами.

Цинк активно используется в ряде препаратов:

• В ректальных свечах от геморроя (Релиф Ультра, Анузол).
• В офтальмологических каплях (Офтальмол, Окуметил, Цинка сульфат).
• В монопрепаратах (Фенюльс цинк, Цинктерал, Цинкозак, Цинк Пиколинат и др.).
• В мазях (цинковая мазь и ее аналоги).

Цинк – удивительный и незаменимый элемент: смотрите видео ниже.

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.

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

Физические свойства Цинка. Цинк - металл средней твердости. В холодном состоянии хрупок, а при 100-150 °С весьма пластичен и легко прокатывается в листы и фольгу толщиной около сотых долей миллиметра. При 250 °С вновь становится хрупким. Полиморфных модификаций не имеет. Кристаллизуется в гексагональной решетке с параметрами а = 2,6594Å, с = 4,9370Å. Атомный радиус 1,37Å; ионный Zn2+ -0,83Å. Плотность твердого Цинка 7,133 г/см3 (20 °С), жидкого 6,66 г/см3 (419,5 °С); tпл 419,5 °С; tкип 906 °С. Температурный коэффициент линейного расширения 39,7·10-3 (20-250 °С), коэффициент теплопроводности 110,950 вт/(м ·К) 0,265 кал/см·сек·°С (20 °С), удельное электросопротивление 5,9·10-6 ом·см (20 °С), удельная теплоемкость Цинка 25,433 кдж/(кг·К.) . Предел прочности при растяжении 200-250 Мн/м2 (2000-2500 кгс/см2), относительное удлинение 40-50%, твердость по Бринеллю 400-500 Мн/м2(4000-5000 кгс/см2). Цинк диамагнитен, его удельная магнитная восприимчивость -0,175·10-6.

Химические свойства Цинка. Внешняя электронная конфигурация атома Zn 3d104s2. Степень окисления в соединениях +2. Стандартный электродный 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 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, ZnCl2. Нагретая смесь порошка Цинка с серой дает сульфид Цинк ZnS. Сульфид Цинк выпадает в осадок при действии сероводорода на слабокислые или аммиачные водные растворы солей Zn. Гидрид ZnH2 получается при взаимодействии LiАlН4 с Zn(CH3)2 и других соединениями Цинка; металлоподобное вещество, разлагающееся при нагревании на элементы. Нитрид Zn3N2 - черный порошок, образуется при нагревании до 600 °С в токе аммиака; на воздухе устойчив до 750 °С, вода его разлагает. Карбид Цинка ZnC2 получен при нагревании Цинка в токе ацетилена. Сильные минеральные кислоты энергично растворяют Цинк, особенно при нагревании, с образованием соответствующих солей. При взаимодействии с разбавленной НCl и H2SO4 выделяется Н2, а с НNО3 - кроме того, NO, NO2, NH3. С концентрированной НCl, H2SO4 и HNO3 Цинк реагирует, выделяя соответственно Н2, SO2, NO и NO2. Растворы и расплавы щелочей окисляют Цинк с выделением Н2 и образованием растворимых в воде цинкитов. Интенсивность действия кислот и щелочей на Цинк зависит от наличия в нем примесей. Чистый Цинк менее реакционно способен по отношению к этим реагентам из-за высокого перенапряжения на нем водорода. В воде соли Цинка при нагревании гидролизуются, выделяя белый осадок гидрооксида

a) взаимодействие цинка с разбавленными кислотами

Zn(OH)2. H2SO4 + Zn = Zn SO4 + H2

Цинк, как активный металл, может образовывать с концентрированной серной кислотой сернистый газ, элементарную серу, и даже сероводород.

2H2SO4 + Zn = SO2 +ZnSO4 + 2H2O

При взаимодействии цинка с очень разбавленной азотной кислотой выделяется аммиак, который реагирует с избытком кислоты с образованием нитрата аммония.

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

Zn + 2e Zn 2H2O – 4e O2 + 4H+

2H2O + 2e H2 + 2HO

Суммарное уравнение

ZnSO4 + 2H2O Zn + H2 + O2 + H2SO4.

Полученный огарок выщелачивают отработанным электролитом, содержащим серную кислоту. Получаемый раствор сернокислого цинка очищают от вредных примесей и направляют на электролиз. При этом цинк осаждается на катоде, а в растворе регенерируется серная кислота, возвращаемая вновь на выщелачивание

Если обжиг цинкового концентрата предшествует выщелачиванию, то целью его является возможно более полный перевод сернистого цинка в оксид цинка, растворимую в разбавленных растворах серной кислоты.

Выщелачивание огарка осуществляется отработанным электролитом, содержащим серную кислоту и получаемым при электролизе раствора цинка. В процессе передела неизбежны потери серной кислоты (как механические, происходящие вследствие потери раствора, так и химические, вызванные тем, что серная кислота непроизводительно затрачивается на растворение примесей). Эти потери пополняют тем, что получают в огарке некоторое количество сульфата цинка, легко растворяющегося в воде. Для этой цели достаточно бывает иметь в обожженном концентрате около 2-4% сульфатной серы.

Этим способом получают около 70% всего мирового производства цинка. Объясняется это тем, что электролитическим способом при хорошей механизации трудоемких процессов и высоком проценте извлечения получают цинк более чистый, чем дистилляционным. Кроме того, облегчается возможность комплексного использования ценных составляющих концентрата. Для выделения цинка полученный после обогащения концентрат ZnS подвергают обжигу:

2ZnS+3O2→ 2ZnO+2SO2

В общем виде:

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

Zn + HNO3 = Zn(NO3)2 +NO +H2O

b)Взаимодействие растворимых солей цинка с щелочами:

ZnCl2 +2NaOH= ZnOH2↓+2NaCl

Zn(NO3)2+2KOH = ZnOH2↓ +2KNO3