Цинк

Цинк (Zn)
Атомний номер	30
Зовнішній вигляд простої речовини	крихкий, блакитно-сірий метал
Властивості атома
Атомна маса (молярна маса)	65,39 а.о.м. (г/моль)
Радіус атома	138 пм
Енергія іонізації (перший електрон)	905,8(9,39) кДж/моль (еВ)
Електронна конфігурація	[Ar] 3d10 4s2
Хімічні властивості
Ковалентний радіус	125 пм
Радіус іона	(+2e) 74 пм
Електронегативність (за Полінгом)	1,65
Електродний потенціал	-0,76 В
Ступені окиснення	2
Термодинамічні властивості
Густина	7,133 г/см³
Молярна теплоємність	0,388 Дж/(К·моль)
Теплопровідність	116 Вт/(м·К)
Температура плавлення	692,73 К
Теплота плавлення	7,28 кДж/моль
Температура кипіння	1180 К
Теплота випаровування	114,8 кДж/моль
Молярний об'єм	9,2 см³/моль
Кристалічна ґратка
Структура ґратки	гексагональна
Період ґратки	2,660 Å
Відношення с/а	n/a
Температура Дебая	234 К
H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba * Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra ** Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og * La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu ** Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
Цинк у Вікісховищі

Цинк — хімічний елемент з атомним номером 30, проста речовина якого — крихкий блакитно-сірий метал. Цинк разом з кадмієм та ртуттю, за сучасною номенклатурою IUPAC утворюють 12 групу періодичної таблиці і за своїми хімічними властивостями близький до магнію в тому сенсі, що має ступінь окиснення +2. Цинк 24-ий за поширеністю хімічний елемент у земній корі. Найчастіше він зустрічається у вигляді сульфіду, його основна порода — сфалерит (цинкова обманка).

Історія

Хоча людство дуже давно використовувало латунь — сплав міді з цинком, виділення цинку, як окремого елемента відбулося порівняно пізно. Древні римляни отримували латунь, нагріваючи каламін із деревним вугіллям та міддю.

Походження назви

Різні алхімічні символи цинку.

Вважається, що назву цинку дав Парацельс, мабуть, як похідну від слова нім. Zinke — зубчастий. За іншою версією слово цинк могло бути похідною від перського سنگ (сенг), що означає «камінь».

Загальний опис

Cимвол Zn, ат. н 30, ат. м. 65,38. В природі відомо 5 стабільних ізотопів Ц. з мас. числами 64, 66-68, 70. Найчастіше зустрічається ⁶⁴Zn (48,63%). Інші стабільні ізотопи: ⁶⁶Zn (28 %), ⁶⁸Zn (19 %), ⁶⁷Zn (4 %), ⁷⁰Zn (0,6 %). Період їх напіврозпаду від 4.3×10¹⁸ до 1.3×10¹⁶ років. Крім того, існує багато радіоактивних ізотопів цинку. ⁶⁵Zn з періодом напіврозпаду 243,66 днів живе найдовше з них. За ним йде ⁷²Zn з періодом напіврозпаду 46.5 годин. Існує 10 ядерних ізомерів цинку, серед них найбільший період напіврозпаду має ^69mZn — 13,76 годин.

Проста речовина – цинк. Сплави цинку (латунь) були відомі з глибокої давнини (2400-2000 до н.е.). Отримання цинку описав Страбон (І ст.. до н.е.). Пром. виробництво цинку в Європі почалося в 1743, в Китаї на 400 років раніше. Чистий цинк отримано тільки у XVI ст. Пластичний ковкий блакитно-сірий метал густиною 7,13. tплав 419,88^оС; t_кип 907 ^оС. Реагує з кислотами, лугами, аміаком і солями амонію, в присутності парів води – з хлором і бромом, при нагріванні – з киснем.

Поширення

Сер. вміст Ц. в земній корі 8,3•10⁻³ мас %. Цинк у природі як самородний метал не зустрічається. Його добувають з поліметалічних руд, що містять 1-4 % Zn у вигляді сульфіду, а також Cu, Pb, Ag, Au, Cd, Bi. З численних мінералів Ц. найбільше значення мають сфалерит ZnS (67%), що містить домішку Cd, Ir, Ga і Ge, вюртцит ZnS (63%), в зоні окиснення – смітсоніт ZnCO₃(52%) і каламін Zn[Si₂O₇](OH)₂ (53,7%). Головні промислові мінерали свинцево-цинкових руд – ґаленіт і сфалерит.

Ізотопи

В природі зустрічається п'ять ізотопів цинку, серед яких найчастіше зустрічається ⁶⁴Zn (48,63 % від загального числа). Період напіврозпаду 4,3·10¹⁸ років цього ізотопу настільки великий, що його радіоактивністю можна знехтувати. Аналогічно, зазвичай не вважається радіоактивним ⁷⁰Zn (0,6 %) з періодом напіврозпаду 1,3·10¹⁶ років. У природі зустрічаються також ⁶⁶Zn (28 %), ⁶⁷Zn (4 %) та ⁶⁸Zn (19 %).

Зареєстровано багато радіоактивних ізотопів. ⁶⁵Zn з періодом напіврозпаду 243,66 днів живе найдовше з них. За ним йде ⁷²Zn з періодом напіврозпаду 46,5 годин. Існує 10 ядерних ізомерів цинку. Серед них найбільший період напіврозпаду має ^69mZn — 13,76 годин. Верхній індекс m позначає, що цей ізотоп метастабільний. Ядро метастабільного ізотопу перебуває у збудженому стані, з якого повертається в основний стан, випромінюючи фотон, гамма-квант. Ізотоп ⁶¹Zn має три збуджених стани, а ізотоп ⁷³Zn — два. Ізотопи ⁶⁵Zn, ⁷¹Zn, ⁷⁷Zn та ⁷⁸Zn мають один збуджений стан.

Зазвичай радіоізотопи цинку з масовим числом, меншим ніж 66 розпадаються із захопленням електрона. Продуктом розпаду в такому випадку є один із ізотопів міді

ⁿZn + e⁻
→ ⁿCu

Для ізотопів із масовим числом, більшим ніж 66, звичним каналом розпаду є бета-розпад (β^-), при якому утворюються ізотопи галію

ⁿZn → ⁿGa + e⁻
+ ν
_e.

Утворення

Цинк надто важкий, щоб утворюватися всередині зірок, тому основним механізмом його нуклеосинтезу є R-процес, що відбувається при вибуху наднових.

Отримання

У світі щорічно виробляється 10 мільйонів тон цинку. Це четвертий за об'ємом використання метал після заліза, алюмінію та міді. Здебільшого сировиною служать сірчані руди, в яких сфалерит змішаний із сульфідами інших металів.

Поліметалічні руди збагачують селективною флотацією, отримуючи цинкові концентрати (50-60 % Zn) і одночасно свинцеві, мідні, а іноді також піритні концентрати. Цинк отримують випалюванням рудних концентратів з подальшим вилуговуванням сульфатною кислотою і електроосадженням з розчину ZnSО₄.

Цинк у природі як самородний метал не зустрічається. Його добувають з поліметалічних руд, що містять 1-4 % Zn у вигляді сульфіду, а також Cu, Pb, Ag, Au, Cd, Bi. Руди збагачують селективню флотацією, отримуючи цинкові концентрати (50-60 % Zn) і одночасно свинцеві, мідні, а іноді також піритні концентрати. Цинкові концентрати обпалюють в печах в киплячому шарі, переводячи сульфід цинку в оксид ZnO; при цьому утворюється сірчистий газ SO₂, що витрачається на виробництво сірчаної кислоти. Від ZnO до Zn йдуть двома шляхами. За пірометалургійним (дистиляційним) способом, який існує здавна, обпалений концентрат піддають спіканню для збільшення зернистості і газопроникності, а потім відновлюють вугіллям або коксом при 1200–1300 °С: ZnO + С = Zn + CO. Утворену при цьому пару металу конденсують і розливають у форми. Спочатку відновлення проводили тільки в ретортах з обпаленої глини, що обслуговуються вручну, пізніше стали застосовувати вертикальні механізовані реторти з карборунду, потім — шахтні і дугові електропечі; з свинцево-цинкових концентратів цинк одержують в шахтних печах з дуттям. Продуктивність поступово підвищувалася, але цинк містив до 3 % домішок, в тому числі і цінний кадмій. Дистилляційно цинк очищають ліквацією (тобто відстоюванням рідкого металу від заліза і частини свинцю при 500 °C), досягаючи чистоти 98,7 %. Застосовують іноді більш складне і дороге очищення — ректифікацію, вона дає метал чистотою 99,995 % і дозволяє витягати з цинку кадмій.

Основний спосіб отримання цинку — електролітичний (гідрометалургійний). Обпалені концентрати обробляють сірчаною кислотою; отриманий сульфатний розчин очищають від домішок осадженням їх цинковим пилом і піддають електролізу у ваннах, щільно викладених всередині свинцем або вініпластом. Цинк осідає на алюмінієвих катодах, з яких його щодоби видаляють (здирають) і плавлять в індукційних печах. Зазвичай чистота електролітного цинку 99,95 %, повнота вилучення його з концентрату (з урахуванням переробки відходів) 93-94 %. З відходів виробництва отримують цинковий купорос, Pb, Cu. Cd, Au, Ag, іноді також In, Ga, Ge, Tl.

Хімічні властивості

Цинк є малоактивним металом, проявляє амфотерні властивості. Через наявність на своїй поверхні оксидної або карбонатної плівки, він практично не зазнає впливу корозії (завдяки цій властивості деякі металеві виробі вкривають тонким шаром цинку). На повітрі цинк окиснюється при нагріванні вище 225 °C:

$\mathrm {2Zn+O_{2}{\xrightarrow {>225^{o}C}}2ZnO}$

Розігрітий цинк активно взаємодії із водяною парою:

$\mathrm {Zn+H_{2}O{\xrightarrow {600-800^{o}C}}ZnO+H_{2}}$

Зазвичай цинк вступає у взаємодію лише за значного нагрівання. Виключення складають реакції з агресивними окисниками, наприклад, із галогенами:

$\mathrm {Zn+F_{2}{\xrightarrow {60^{o}C}}ZnF_{2}}$

Без нагрівання реагує з великою кількістю кислот. Реакція витіснення водню широко використовується у лабораторній практиці для синтезу технічного H₂ (в апараті Кіпа):

$\mathrm {Zn+2HCl\rightarrow ZnCl_{2}+H_{2}}$

$\mathrm {Zn+H_{2}SO_{4}\rightarrow ZnSO_{4}+H_{2}}$

$\mathrm {Zn+4HNO_{3}(conc.){\xrightarrow {t}}Zn(NO_{3})_{2}+2NO_{2}+2H_{2}O}$

За високих температур взаємодіє з неметалами та їх оксидами (кислотними оксидами):

$\mathrm {Zn+S{\xrightarrow {>130^{o}C}}ZnS}$

$\mathrm {3Zn+2P{\xrightarrow {400-650^{o}C}}Zn_{3}P_{2}}$

$\mathrm {Zn+CO_{2}{\xrightarrow {800-950^{o}C}}ZnO+CO}$

Проявляючи амфотерні властивості, цинк реагує з також із лугами. У кінцевих сполуках він виступає як комплексоутворювач, координуючи довкола себе чотири ліганди:

$\mathrm {4Zn+7NaOH+NaNO_{3}(conc.)+6H_{2}O{\xrightarrow {boiling}}4Na_{2}[Zn(OH)_{4}]+NH_{3}}$

$\mathrm {Zn+4NaCN+2H_{2}O{\xrightarrow {boiling}}Na_{2}[Zn(CN)_{4}]+2NaOH+H_{2}}$

У вигляді порошку цинк здатен відновлювати або навіть витісняти з солей менш активні метали:

$\mathrm {Zn+SnCl_{4}{\xrightarrow {t}}ZnCl_{2}+SnCl_{2}}$

$\mathrm {Zn+CdSO_{4}{\xrightarrow {t}}ZnSO_{4}+Cd}$

Застосування цинку та його сплавів

Оцинкована поверхня

Зливок ливарного цинкового сплаву (Zamak^®)

Цинк використовують як антикорозійний матеріал, ним покривають вироби зі сталі та заліза (цинкування), а також як конструкціонний матеріал для цинкографії анодів, використаних в електролізерах і в гальванічних елементах.

Цинкові сплави (англ. zinc alloys) — сплави на основі цинку з добавками, головним чином алюмінію, міді та магнію.

У цинкових сплавів невисока температура плавлення, добра рідкоплинність, їх можна легко обробляти різанням і тиском, зварювати і паяти. Вади цинкових сплавів: низькі механічні властивості за підвищених температур (особливо, опір повзучості), незначна корозійна стійкість в кислих і лужних середовищах, вони схильні до зміни розмірів у процесі природного старіння. Корозійна стійкість у цинкових сплавів приблизно така ж, як у технічного цинку або оцинкованої сталі.

Щоб підвищити корозійну стійкість та поліпшити зовнішній вигляд, на поверхні виробів з цинкових сплавів наносять електрохімічним чи хімічним способами хромові, нікелеві або кадмієві захисно-декоративні та захисні покриття.

Промислові цинкові сплави розроблені на базі систем «цинк — алюміній» і «цинк — алюміній — мідь». Практично у всі цинкові сплави введена домішка магнію (до 0,1%), що підвищує розмірну стабільність литих деталей і збільшує корозійну стійкість сплавів. Сплави також містять у невеликих кількостях свинець, олово, залізо та інші елементи.

Цинкові сплави бувають ливарні, деформівні й антифрикційні (підшипникові), які використовують як замінники олов'янистих бронз і бабітів.

Цинкові сплави застосовують в автомобіле- і вагонобудуванні, електротехнічній та приладобудівній промисловості, поліграфії тощо.

Використовується також в латунях як сплав міді з цинком.

Біологічна роль

Цинк є фізіологічним важким металом, і життєво необхідним елементом для людини і інших тварин, рослин і мікроорганізмів. Цинк є компонентом близько 300 ферментів. Дуже часто цинк зустрічається в білках, що є факторами транскрипції. Одна з типових цинковмістних структур, що часто зустрічаються в таких білках навіть отримала назву "цинковий палець". Цинк впливає на активність тропних гормонів гіпофізу, бере участь в реалізації біологічних функцій інсуліну, нормалізуючи жировий обмін. Цинк бере участь у кровотворенні, а також необхідний для нормального функціонування гіпофіза, підшлункової залози, сім'яних міхурів. Сполуки цинку використовують у медицині як лікарські засоби.

Негативний вплив

Надлишок цинку в організмі може призвести до загальної інтоксикації та мутацій ДНК.

Див. також

• Поліметалічні руди
• Свинцево-цинкові руди
• Ресурси і запаси цинку
• Цинк (мінерал)
• Цинкові руди

Література

• Глосарій термінів з хімії // Й.Опейда, О.Швайка. Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім.. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет — Донецьк: «Вебер», 2008. — 758 с. ISBN 978-966-335-206-0
• Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. / за ред. В. С. Білецького. — Д. : Східний видавничий дім, 2013. — Т. 3 : С — Я. — 644 с.
• Р. Рипан, И. Чертяну. Неорганическая химия: Химия металлов: В 2 т. — М.: Изд. «Мир», 1971. — Т. 1. — 561 с.
• Химические свойства неорганических веществ: Учеб. пособие для вузов. 3-е изд., испр./Р. А. Лидин, В. А. Молочко, Л. Л. Андреева; Под ред. Р. А. Лидина. — М.: Химия, 2000. 480 с.: ил. — ISBN 5-7245-1163-0.

Посилання

• ЦИНК //Фармацевтична енциклопедія