Цинк

Московская Государственная Академия Приборостроения и Информатики.

ЦИНК.

Студент: Жариков С.А.

Факультет: ТИ-6

Преподаватель: Мосина Г.Н.

Москва 2001.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ.

Z=30

атомный вес = 65,37

валентность II

заряд 2+

массовые числа основных природных изотопов: 64, 66, 68, 67, 70

электронная структура атома цинка: KLM 4s²

3d¹⁰

4s²

ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА.

С древних времён известны латуни, являющиеся сплавами Cu-Zn. Металлический цинк впервые получен в 1746 году в Англии нагреванием каламина с древесным углём.

РАСПРОСТРАНЕНИЕ 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/см³ , 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/см³ 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, ZnCO₃) встречается в виде белых (зелёных, серых, коричневых в зависимости от примесей) тригональных кристаллов плотностью 4,3-4,5 г/см³ и твёрдостью 5 по шкале Мооса.

КАЛАМИН (Zn₂SiO₄*H₂O*ZnCO₃ или Zn₄[Si₂O₇](OH)₄*H₂O*ZnCO₃) 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/см³ и твёрдостью 4,5-5 по шкале Мооса.

ВИЛЛЕМИТ (Zn₂SiO₄) залегает в виде бесцветных или жёлто-коричневых ромбоэдрических кристаллов плотностью 3,89-4,18 г/см³ и твёрдостью 5-5,5 по шкале Мооса.

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

ГАНИТ (Zn[Al₂O₄]) имеет вид тёмно-зелёных кристаллов плотностью 4-4,6 г/см³ и твёрдостью 7,5-8 по шкале Мооса.

Помимо приведённых, известны и другие минералы цинка:

монгеймит (Zn, Fe)CO₃

гидроцикит ZnCO₃*2Zn(OH)₂

трустит (Zn, Mn)SiO₄

гетеролит Zn[Mn₂O₄]

франклинит (Zn, Mn)[Fe₂O₄]

халькофанит (Mn, Zn) Mn₂O₅*2H₂O

госларит ZnSO₄*7H₂O

цинкхальканит (Zn, Cu)SO₄*5H₂O

адамин Zn₂(AsO₄)OH

тарбуттит Zn₂(PO₄)OH

деклуазит (Zn, Cu)Pb(VO₄)OH

леграндит Zn₃(AsO₄)₂*3H₂O

гопеит Zn₃(PO₄)*4H₂O

ПОЛУЧЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ЦИНКА.

Цинк добывают из концентратов сфалерита, смитсонита и каламина.

Сульфидные полиметаллические руды, которые содержат пирит Fe₂S, галеннит PbS,

халькопирит CuFeS₂ и в меньшем количестве сфалерит после измельчения и размалывания подвергают обогащению сфалеритом методом селективной флотации. Если руда содержит магнетит, то для его удаления используют магнитный метод.

При прокаливании (700°) концентратов сульфида цинка в специальных печах, образуется ZnO, который служит для получения металлического цинка.

2ZnS+3O₂=2ZnO+2SO₂+221 ккал

Для превращения ZnS в ZnO измельчённые концентраты сфалерита предварительно нагревают в специальных печах горячим воздухом

Окись цинка также получают прокаливанием смитсонита при 300°.

Металлический цинк получают путём восстановления окиси цинка углеродом

ZnO+CÞZn+CO-57 ккал

водородом

ZnO+H₂ÛZn+H₂O

ферросилицием

ZnO+FeSiÞ2Zn+Fe+SiO₂

метаном

2ZnO+CH₄Þ2Zn+H₂O+C

окисью углерода

ZnO+COÞZn+CO₂

карбидом кальция

ZnO+CaC₂ÞZn+CaS+C

Металлический цинк также можно получить сильным нагреванием ZnS с железом, с углеродом в присутствии CaO, с карбидом кальция

ZnS+CaC₂ÞZn+CaS+C

ZnS+FeÛ2Zn+FeS

2ZnS+2CaO+7CÞZn+2CaC₂+2CO+CS₂

Металлургический процесс получения металлического цинка, применяемый в промышленном масштабе, заключается в восстановлении ZnO углеродом при нагревании. В результате этого процесса ZnO восстанавливается не полностью, теряется некоторое количество цинка, идущего на образование Zn[Al₂O₄], и получают загрязнённый цинк.

ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА.

Цинк - блестящий серебристый белый металл с плотностью 7,13 г/ см³ при 20° (тяжелый металл), температура плавления 419,44°, температура кипения 906°, твердость 2,5 - 2,9 по шкале Мооса. Имеет плотную гексагональную структуру кристаллов. Цинк становится при 100 - 150° и хрупким - выше 200°, он геомагнитен и имеет пять природных изотопов.

С химической точки зрения цинк менее активен, чем щелочные и щелочноземельные металлы, и более активен, чем олово, свинец, медь, ртуть, серебро, золото.

При сильном нагревании цинк воспламеняется и горит сине-зеленым пламенем.

Zn + 1/2 O₂ = ZnO +83,5 ккал

Цинк окисляется кислородом воздуха при нагревании выше 225°, а в токе сухого кислорода выше 150°.

Металлический цинк не разлагает воду при комнатной температуре или кипячении, поскольку в присутствии воды поверхность цинка покрывается Zn(OH)₂, который препятствует дальнейшему разрушению металла.

Цинк, нагретый почти до температуры плавления, энергично разлагает поры воды с образованием ZnO и H₂.

Zn + H₂O Û ZnO + H₂

При комнатной температуре во влажном воздухе галогены образуют с цинком соответствующие гологениды. В сухом состоянии гологены взаимодействуют с металлическим цинком при высокой температуре.

Zn + F ₂ = Zn F₂ + 172,7 ккал

Zn + Cl₂ = ZnCl₂+99,55 ккал

Zn +Br₂ =ZnBr₂ +78,4 ккал

Zn + I₂ = ZnI₂ + 49,8 ккал

Нагревание порошкообразного цинка порошком серы приводит к образованию ZnS.

Zn + S = ZnS + 44 ккал

Под действием сероводорода поверхность металлического цинка покрывается плотной защитной плёнкой ZnS.

Zn+H₂S Û ZnS + H₂

Двуокись серы во влажной атмосфере и хлористый тионил взаимодействуют с цинком при нагревании.

3Zn + SO₂ = ZnS + 2ZnO

Zn +SOCl₂ = ZnCl₂ + SO

Нагревание цинка в атмосфере аммиака дает нитрит Zn₃N₂.

Цинк непосредственно не вступает в реакцию с азотом, углеродом, водородом и другими элементами.

Обработка парами фосфора, нагретого до 440 - 780°, металлического цинка в атмосфере азота или водорода приводят к образованию Zn₃P₂ и ZnP₂.

Поскольку нормальный потенциал системы Zn/ Zn²⁺ = -0,761 В, металлический цинк легко растворяется в кислотах и щелочах. При растворении цинка в разбавленных кислотах образуются соответствующие соли и водород.

Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂

Zn + H₂SO₄ = ZnSO₄ + H₂

Чистый металлический цинк медленно взаимодействует с разбавленными кислотами, поскольку образовавшийся атомарный водород покрывает поверхность цинка и выделение водорода уменьшается.

При образовании гальванического элемента Zn - Cu в соляной кислоте выделение водорода происходит очень интенсивно, и цинк легко растворяется, превращаясь в хлорид. Для образования гальванического элемента Zn - Cu в раствор соляной кислоты добавляют несколько капель сульфата меди. Медь, стоящая в электрохимическом ряду напряжений правее цинка, осаждается им, покрывает поверхность цинка и ускоряет, таким образом, растворение его в соляной кислоте.

По отношению к концентрированным серной и азотной кислотам цинк является восстановителем.

Zn + 2H₂SO₄ = ZnSO₄ + SO₂ + 2H₂O

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

При действии щелочей на металлический цинк образуются гидроцинкаты и водород.

Zn + NaOH + 2H₂O = Na₂[Zn(OH₄)] + H₂

Цинк вытесняет менее активные металлы из растворов их солей и восстанавливает хромовую, марганцевую и молибденовую кислоты, соли железа (III) и олово (IV).

С помощью цинка можно осуществлять цинкотермическое разложение многих окислов, например: CdO, PbO, CuO, NiO.

Восстанавливая сероуглерод, цинковый порошок раскаляется.

С точки зрения физиологии цинк - необходимый элемент для живых организмов.

Цинк входит в состав фермента, имеющегося в красных кровяных тельцах (гемоглобин), с помощью которого происходит перенос двуокиси углерода в крови.

Для животных цинк загрязненный мышьяком, сурьмой, свинцом, кадмием становится токсичен. Вдыхание ZnCl₂ в больших дозах смертельно.

ПРИМЕНЕНИЕ.

Во влажном воздухе поверхность цинка покрывается тонкой защитной пленкой окисла и основного карбоната, который в дальнейшем предохраняет металл от атмосферного действия атмосферных реагентов. Благодаря этому свойству цинк применяется для покрытия железных листов и проволоки. Также цинк применяется для извлечения серебра из серебросодержащего свинца по процессу Паркеса; для получения водорода в результате разложения соляной кислоты; для вытеснения металлов с более низкой химической активностью из растворов их солей; для изготовления гальванических элементов; в качестве восстановителя во многих химических реакциях; для получения многочисленных сплавов с медью, алюминием, магнием, свинцом, оловом и другими металлами.