Цинк

Опубликовано admin 07.04.2009 в категории Химия |

1. Общая характеристика элемента
2. Немного истории.
3. Металлический цинк.
4. Сплавы цинка.
5. Соединения цинка.
6. Биологическая роль цинка.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕМЕНТА

Элемент цинк (Zn) в таблице Менделеева имеет порядковый
номер 30. Он находится в IV периоде II группы. Атомный
вес — 65,37.
Цинк представляет собой синевато-белый металл, плавящийся
при 419°С, а при 913°С превращающийся в пар; плотность
его равна 7,14 г/см3. В нормальных условиях цинк довольно
хрупок, но при 100— 110°С он хорошо гнется и прокатывается
в листы. При обыкновенной температуре ка воздухе
цинк покрывается тонким слоем окиси или основного карбоната,
предохраняющим его от дальнейшего окисления. Вода
почти не действует па цинк, т. к. образующаяся на поверхности
цинка при взаимодействии с водой гидроокись практически
нерастворима и препятствует дальнейшему течению реакции.
В кислотах цинк легко растворяется, как и в щелочах.

2. НЕМНОГО ИСТОРИИ

Соединения цинка и его сплавы известны человечеству с
глубокой древности, металлический же цинк был получен значительно
позднее, чем железо, свинец, олово. Это объясняется
тем, что обычные способы плавки руды с углем здесь не достигали
цели; чтобы восстановить цинк, его надо быстро нагреть
до температуры около 1000Х, но при этом он кипит и в
виде паров теряется вместе с дымовыми газами. Только после
того, как научились конденсировать пары цинка в глиняных
сосудах, стало возможным получение металла в свободном
состоянии. Полагают, что такой дистилляционный способ получения
свободного цинка вперзые был изобретен в Китае.

Латунь (сплав меди с цинком) была известна грекам, индийцам
и другим народам Востока, употреблявшим ее для изготовления
различных предметов домашнего обихода, художественного
литья и украшений. Приготовление латуни восстановлением
особой земли (так назывались в древности многие
минералы, содержащие цинк, отличия между которыми не
делали) кадмия углем в присутствии меди описывают Аристотель
(IV в. до н.э.), Плиний Старший, Гомер. Плиний Старший
(I в. до н. э.) описывает лекарственные средства, содержащие
цинк, которые употреблялись для заживления ран и при лечении
глазных болезней.

В доисторичских дакийских развалинах в Трансильвании
был найден идол, отлитый из сплава, содержащего 87 %
цинка. Получение металлического цинка из галлия
Zn4(SLO7)-H,O впервые описывает Страбон (I в. до н. э.). Цинк
в этот период называли тутией, или фальшивым серебром.

В X—XI вв. до н. э. искусство получения цинка в Европе
было утрачено, и он ввозился сюда под названием индийского
олова из Китая и Индии.

В конце XIII в. н. э. итальянский путешественник Маркс
Поло описал способ получения металлического цинка в Персии.
В 1637 году метод выплавки цинка и его свойства описываются
в китайской книге «Циян конг кан у». “Казалось бы,
что раз метод получения описан в литературе, то его легко
могли перенять другие народы и применять у себя на родине.
Но этого не случилось. Экономическая и культурная разобщенность
народов Европы, слабые транспортные :вязи, а главное,
стремление многих ученых описывать свои открытия на
непонятном языке — все это препятствовало быстрому распространению
технических достижений.

Вторично получение цинка в Европе стало известно в
начале XVI в., когда о способе его выплавки упоминают в
своих сочинениях Георг Агрикола (1494—1555 гг.) и Теофраст
Парацельс (1494—1541). Однако и после этого цинк в
Европе был большой редкостью, что продолжалось почти до
конца XVIII в.

Название же «цинк» происходит от латинского слова,
обозначающего бельмо или белый налет, и вперв ые встречается
у Парацельса в 1530 году. Роберт Бойль назвал цинк «спелтером»,
М. Ломоносов в 1742 году ввел название «цинк», но
оно не пользовалось успехом. Чаще всего цинк называли «шлиаутер».

В 8-м издании «Основ химии» (1906) Д. II. Менделеев
употребил современное название цинка, но наряду с этим ставит
в скобках его название — «шпиаутер».

3. МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ЦИНК

В XVI в. были предприняты первые попытки выплавить
цинк в заводских условиях. Но производство «не пошло»,
технологические трудности оказались непреодолимыми. Цинк
пытались получать так, как и другие металлы. Руду обжигали,
превращая цинк в окись, а затем эту окись восстанавливали с
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, 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.
Чисто цинковые руды в природе почти не встречаются.

Соединения цинка входят в состав полиметаллических руд.
Полученные при обогащении руды цинковые концентраты
содержат 48—65 % цинка, до 2 % меди, 2% свинца, 12 % железа.
Сейчас примерно половину цинка получают пирометаллургическим способом.

При резком охлаждении пары цинка сразу же, минуя жидкое
состояние, превращаются в твердую пыль. Это несколько
осложняет производство, хотя элементарный цинк считается
нетоксичным. 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 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.

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 прокатать в тонкие листы даже при температуре 100— 150°С.

Значительна роль цинка 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.

4. СПЛАВЫ ЦИНКА

Уже упоминалось, что история с цинком достаточно путана.
Но одно бесспорно — сплав меди и цинка (латунь) был
получен намного раньше, чем металлический цинк. Самые древние
латунные предметы, сделанные примерно в 1500 г. до н. э.,
были найдены при раскопках в Палестине.

Как уже было сказано, приготовление латуни восстановлением
особого камня кадмия углем в присутствии меди описано
у Аристотеля. Он писал о добываемой в Индии меди,
которая «отличается от золота только вкусом».

Действительно, в довольно многочисленной группе сплавов,
носящих общее название латуней, есть один (Л-096, или
томпак), по цвету неотличим от золота. Меняя соотношение
цинка и меди, можно получить многочисленные сплавы с различными
свойствами. Не случайно латуни поделены на две
большие группы: альфа- и беталатуни. В альфа-латунях цинка
не больше 33 %. Почему именно 33?

С увеличением содержания цинка пластичность латуни
растет, но только до определенного предела: латунь с 33 и
более процентами цинка при деформировании в холодном
состоянии растрескивается. 33 % Zn — рубеж роста пластичности,
рубеж, за которым латунь становится хрупкой.

По мере увеличения в латунях содержания цинка растет
их прочность, но тоже до определенного предела. Здесь
предел — 47-50 % Zn. Прочность латуни, содержащей 45 %
цинка, в несколько раз больше, чем сплава, отлитого из разных
количеств цинка и меди.

Широкий диапазон свойств латуней объясняется прежде
всего хорошей совместимостью меди и цинка: они образуют
серию твердых сплавов с различной кристаллической
структурой. Так же разнообразно и применение сплавов этой
группы. Из латуней делают конденсаторные трубки и патронные
гильзы, радиаторы и различную арматуру, множество других
полезных вещей — всего не перечислить.

И что особенно важно, введенный в разумных пределах
цинк всегда улучшает механические свойства меди (ее прочность,
пластичность, коррозийную стойкость). И всегда при этом
он удешевляет сплав, ведь цинк намного дешевле меди. Легирование
делает сплав более дешевым — такое встретишь не часто!

Цинк входит и в состав другого древнего сплава на медной
основе — бронзы. Это раньше делили четко: медь плюс
олово равно бронза, медь плюс цинк равно латунь. Теперь
«грани стерлись». Например, сплав ОЦС-3-12-5 считается
бронзой, но цинка в нем в четыре раза больше, чем олова.

5. СОЕДИНЕНИЯ ЦИНКА

Еще при первых попытках выплавить цинк из руды у
средневекозых хи?ликов получался белый налет, который в
книгах того времени называли двояко: либо «белым снегом»,
либо «философской шерстью». Нетрудно догадаться, что это
была окись цинка ZnO — вещество, которое есть в жилище
каждого городского жителя наших дней.

Этот снег, будучи замешанным на олифе, превращается в
цинковые белила — самые распространенные из всех белил.
Окись цинка нужна не только для малярных дел, ею широко
пользуются многие отрасли промышленности. Стекольная —
для получения молочного стекла и для увеличения термостойкости
обычных стекол. В резиновой промышленности и
производстве линолеума окись цинка используется как наполнитель.
Известная цинковая мазь на самом деле не цинковая,
а оксиноцинковая. Препараты на основе ZnO эффективны
при кожных заболеваниях.

Наконец, с кристаллической окисью цинка связана одна
из самых больших научных сенсаций 20-х годов XX в. В
1924 году один из радиолюбителей города Томска установил
рекорд дальности приема. Детекторным приемником он в Сибири
принимал передачи радиостанций Франции и Германии,
причем слышимость была более отчетливой, чем у владельцев
одноламповых приемников. Как это могло произойти? Дело в
том, что детекторный приемник томского любителя был смонтирован
по схеме сотрудника нижегородской радиолаооратории
О. В. Лосева.

Лосев установил, что если в колебательный контур определенным
образом включен кристалл окиси цинка, то последний
будет усиливать колебания высокой частоты и даже возбуждать
затухающие колебания. Это изобретение Лосева представлялось
революционным. Вот что говорилось в редакционной
статье американского журнала RADIO-NEWS: «Изобретение
О. В. Лосева делает эпоху, и теперь кристалл заменит
лампу!». Автор статьи оказался провидцем — кристалл
действительно заменил лампу, правда, это не лосевский кристалл
окиси цинка, а кристаллы других металлов. Но, между
прочим, среди широко применяемых полупроводниковых материалов
есть и соединения цинка: это его селениды и теллуриды,
антимод и арсепид.

Еще более важно применение некоторых соединений цинка,
прежде всего его сульфида, для покрытия светящихся экранов
телевизоров, осциллографов, рентгеновских аппаратов.
Под действием коротковолнового излучения или электронного
луча сернистый цинк приобретает способность светиться,
причем эта способность сохраняется и после того, как прекратилось
облучение.

6. БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ЦИНКА

Фармацевты и .медики жалуют многие соединения цинка.
Со времен Парацельса до наших дней в фармакопее значатся
глазные цинковые капли (0,25%-ный раствор ZnSO4).
Как присыпка издавна применяется цинковая соль стеариновой
кислоты. Феносульфат цинка — хороший антисептик.
Суспензия, в которую входят инсулин, протамин и хлорид
цинка — новое эффективное средство против диабета, действующее
лучше, чем чистый инсулин.

И вместе с тем, многие соединения цинка, прежде всего
его сульфат и хлорид, токсичны.

Цинк — один из важных микроэлементов. Л в ти же время
избыток цинка для растений вреден.

Биологическая роль цинка двояка и до конца не выяснена.
Установлено, что цинк — обязательная составная часть
фермента крови карбоангидразы. Этот фермент содержится в
эритроцитах. Карбоангидраза ускоряет выделение углекислого
газа в легких. Кроме того, она помогает превратить часть
СО2 в ион, играющий важную роль в обмене веществ.

Но вряд ли только карбоангидразой ограничивается роль
цинка в жизни животных и человека. И если бы было так, то
трудно было бы объяснить токсичность соединений этого элемента.

Известно, что довольно много цинка содержится в яде
змей, особенно гадюк и кобр. Но в то же время известно, что
соли цинка специфически угнетают активность этих же самих
ядов, хотя, как показали опыты, под действие:-! солей цинка
яды не разрушаются.

Как объяснить такое противоречие? Считают, что высокое
содержание цинка в яде — это то средство, которым змея
от собственного яда защищается. Но такое утверждение еще
требует строгой экспериментальной проверки. Ждут выяснения
и многие тонкие детали общей проблемы «цинк и жизнь».