Цинк

Цинк.

Доповідь підготовлений МЗС і оформлений учнем 11 «А» класу школи № 26.

Бабічев Дмитром. Еге лемент цинк (Zn) в таблиці Менде-лєєва має порядковий номер 30. Він перебуває у четвертому періоді другої групи. Атомний вагу — 65,37. Розподіл електронів по верствам 2−8-18−2.

Цинк є синювато — білий метал, плавящийся при 419(З, а при 913(З перетворюється на пар; щільність його дорівнює 7,14 г/см3. При звичайної температурі цинк досить крихкий, але за 100−110(З він добре гнеться і прокочується в листи. На повітрі цинк покривається тонким шаром окису чи основного карбонату, предохраняющим його від подальшого окислення. Вода майже діє цинк, хоч і стоїть у ряду напруг значно лівіше водню. Це тим, що що настає на поверхні цинку при взаємодії його із жовтою водою гидроокись практично нерастворима і перешкоджає подальшому перебігу реакції. У розбавлених ж кислотах цинк легко розчиняється із заснуванням відповідних солей. З іншого боку, цинк подібно бериллию та інших металам, що створює амфотерные гідроокису, розчиняється в лугах. Якщо нагріти цинк надворі до температури кипіння, то пари його спалахують і згоряють зеленовато-белым полум’ям, створюючи окис цинка.

Трохи истории.

Сполуки цинку та її сплави відомі людству з великим давнини, металевий ж цинк було отримано значно пізніше, ніж залізо, свинець і олово. Ця обставина пояснюється лише тим, що це звичайні способи плавки руди з вугіллям не досягали мети; щоб відновити цинк, їх треба швидко нагріти до температури близько 1000 градусів, але за цьому він кипить і у вигляді парів втрачається разом із димовими газами. Тільки коли навчилися конденсувати пари цинку в глиняних посудинах, стало можливих отримання металу у вільному стані. Вважають, що такий дистилляционный спосіб отримання вільного цинку уперше був в винайдена Китае.

Латунь (сплав міді з цинком) був відомий грекам, індусам та інших народам Сходу, хто її виготовлення різних предметів домашнього побуту, художнього лиття і прикрас. Окремі предмети з латуні, які стосуються періоду за 1500 років е., знайшли в Палестині. Приготування латуні відновленням особливої землі кадмію (так називалися у минулому багато мінерали, містять цинк, різниця між які робили) вугіллям у присутності міді описують Аристотель (384- 322 рр. е.), Пліній Старший (23−79 рр. н.е.) і Гомер. Пліній Старший і Диоскрид з Аназарбуса описують лікарських препаратів, містять сполуки цинку. Ліки ці вживалися для загоєння ран і за лікуванні очних болезней.

У доісторичних дакийских руїнах в Трансільванії знайшли ідол, відлитий з сплаву, що містить близько 87% цинку. Одержання металевого цинку з галмея Zn4(Si2O7)*H2O вперше описує Страбон (60- 20 рр. е.). Цинк у період називали тутией чи фальшивим серебром.

Завдяки важкою виробленні цинку з руд в X-XI ст. н.е. мистецтво отримання цинку у Європі було втрачено, і він увозився сюди під назвою індійського олова із Китаю і Индии.

Наприкінці XIII в. н.е. італійський мандрівник Марко Поло описав спосіб отримання металевого цинку в Персії. У 1637 року метод виплавки цинку та її властивості описуються в китайської книзі «Циен конг кан у». Здається, що коли метод отримання описаний у літературі, його легко могли запозичити інші народи і застосувати на своїх батьківщині. Але це не сталося. Економічна та культурна роз'єднаність народів, слабкі транспортні зв’язку, а головне, прагнення багатьох учених описувати свої відкриття незрозумілою языке-все це перешкоджало швидкому поширенню технічних достижений.

Вдруге отримання цинку у Європі став відомий на початку XVI століття, коли спосіб його виплавки згадують у своїх творах Георг Агрікола (1494−1555) і Теофраст Парацельс. Проте після цього цинк у Європі був великий рідкістю, що тривало майже кінця XVIII в.

Назва ж «цинк» походить від латинського слова, що означає більмо чи білий наліт, і вперше зустрічається у Парацельса в 1530 року. Роберт Бойль назвав цинк «спелтером». В Україні цинк И. Шлаттер (1736) називав «туцией», Ломоносов (1742) ввів назва «цинк», але це не користувалося успіхом і цинк найчастіше називали «шпиаутер».

У 8-му виданні «Основ хімії» (1906) Д.І. Менделєєв вживає сучасне назва цинку, але водночас ставить за дужках й те його название-«шпиаутер». Із цього можна укласти, що за часів Менделєєва стару назву цинку було чимало широко распространено.

Металевий цинк.

У XVI столітті було здійснено перші спроби виплавляти цинк в заводських умовах. Але виробництво «не пішло», технологічні труднощі виявилися непереборними. Цинк намагалися отримувати так само, як та інші метали. Руду обпікали, перетворюючи цинк в окис, потім цей окис відновлювали углем…

Цинк, природно, відбудовувалося, взаємодіючи з вугіллям, але … не выплавлялся. Не выплавлялся оскільки цей метал вже у плавильної печі випаровувався — температура його кипіння всього 906(З. На печі був повітря. Зустрічаючи його, пари активного цинку реагували з киснем, і знову утворювався вихідний продукт-окись цинка.

Налагодити цинкове виробництво Європі вдалося лише по тому, як руду стали відновлювати в закритих ретортах без доступу повітря. Приблизно так само ж «чорнової» цинк отримують користь зараз, а очищають його рафинированием. Пирометаллургическим способом здобувають нині приблизно половину виробленого у світі цинку, а рештугидрометаллургическим.

Слід пам’ятати, що суто цинкові руди у природі майже зустрічаються. Сполуки цинку (зазвичай 1−5% враховуючи метал) входить у склад поліметалевих руд. Отримані під час збагаченні руди цинкові концентрати містять 48−65% цинку, до 2% міді, до 2% свинцю, до 12% заліза. І плюс частки відсотка розсіяних і рідкісних металлов…

Складний хімічний і мінералогічний склад руд, містять цинк, був з причин, якими цинкове виробництво народжувалося довго чекати і важко. У переробці поліметалевих руд і ще є невирішені проблеми… Але повернімося до пирометаллургии цинку — у цьому виявляються суто індивідуальні особливості цього элемента.

При різкому охолодженні пари цинку відразу ж потрапити, минаючи ліквідність, перетворюються на тверду пил. Це трохи ускладнює виробництво, хоча елементарний цинк вважається нетоксичним. Часто буває треба зуміти зберегти цинк саме у вигляді пилу, а чи не перерплавлять їх у слитки.

У піротехніку цинковую пил застосовують, щоб отримати блакитне полум’я. Цинкова пил використовується у виробництві рідкісних і шляхетних металів. У частковості, таким цинком витісняють золото і срібло з ціанистих розчинів. Хоч як парадоксально, але за отриманні самого цинку (і кадмію) гидрометаллургическим способом застосовується цинкова пыль-для очищення розчину сульфату міді кадмію. Але це ще все. Ви будь-коли замислювалися, чому металеві мости, прольоти заводських цехів та інші великогабаритні вироби з металу найчастіше забарвлюють в сірий цвет?

Головна складова частина застосовуваної в усіх цих випадках фарби — все той самий цинкова пил. Змішана з окисом цинку і лляним олією, вона перетворюється на фарбу, яка чудово охороняє від корозії. Ця фарба при цьому дешева, пластична, добре прилипає до металу і відшаровується при температурних перепадах. Мишачий колір скоріш гідність, ніж недолік. Вироби, що покривають таким забарвленням, не бути марки й те водночас опрятны.

На властивості цинку сильно позначається ступінь його чистоти. При 99,9 і 99,99% чистоти цинк добре розчиняється в кислотах. Але варто «додати» ще одне дев’ятку (99,999%), і цинк стає нерастворимым в кислотах навіть при сильному нагріванні. Цинк такий чистоти вона й великий пластичністю, може бути витягати в тонкі нитки. А звичайний цинк можна прокотити в тонкі листи, лише нагрівання його 100−150(З. Нагрітий до 250(З і від, до точки плавлення, цинк знову стає тендітним — відбувається чергова перебудова його кристалічною структуры.

Листовий цинк широко застосовують у виробництві гальванічних елементів. Перший «вольтов стовп» складалася з кружалець цинку і міді. І на сучасних хімічних джерелах струму негативний електрод найчастіше робиться з цинка.

Значна роль цього елемента у поліграфії. З цинку роблять кліше, дозволяють відтворити у пресі малюнки і фотографії. Спеціально приготовлений і оброблений типографський цинк сприймає фотозображення. Це зображення у потрібних місцях захищають фарбою, і майбутнє кліше протравливают кислотою. Зображення набуває рельєфність, досвідчені гравери підчищають його, роблять відбитки, і потім ці кліше йдуть у друковані машины.

До поліграфічного цинку пред’являють особливі вимоги: передусім він має мати мелкокристаллическую структуру, особливо у поверхні зливка. Тому цинк, готовий до поліграфії, завжди виливають в закриті форми. Для «вирівнювання» структури застосовують відпал при 375(із наступним повільним охолодженням й одержання гарячої прокаткою. Суворо лімітують і присутність у такому металі домішок, особливо свинцю. Якщо його багато, то не можна буде витравити кліше оскільки це потрібно. Якщо ж свинцю менше 0,4%, важко отримати потрібну мелкокристаллическую структуру. Ось у цій крайці і «ходять» металурги, прагнучи задовольнити запити полиграфии.

Цинк і сталь.

Хай голосно ні називали нашого часу: «століття полімерів», «століття напівпровідників», «атомний століття» тощо, щодо справи ми вийшли ще із століття залізного. Цей метал продовжує залишатися основою промисловості. По виплавці чавуну і вони і він судять про мощі держави. А чавун і сталь піддаються корозії, і, попри неабиякі успіхи, досягнуті людством боротьби з «рудим ворогом», корозія щорічно губить десятки мільйонів тонн металла.

Нанесення на поверхню сталі та чавуну тонких плівок коррозионностойких металів — найважливіше засіб захисту від корозії. На місці серед усіх металлопокрытий — і з важливості, і за масштабами — стоять покриття цинкові. Натомість на захист стали йде 40% світового виробництва цинка!

Оцинковані відра, оцинкована жерсть з будинків — речі настільки звичні, настільки буденні, що ми, зазвичай, не замислюємося, а чому, власне, вони оцинковані, а чи не хромовані чи нікельовані? Якщо ж виникає такий запитання постає, то «залізна логіка» миттєво видає однозначну відповідь: оскільки цинк дешевше хрому і нікелю. Але справа над однієї дешевизне.

Цинкове покриття часто виявляється надійнішим, ніж інші, оскільки цинк непросто механічно захищає залізо від зовнішніх впливів, він його хімічно защищает.

Кобальт, нікель, кадмій, олово та інші метали, застосовувані для захисту заліза від корозії, у низці активності металів стоять після заліза. Це означає, що вони одержали понад стійки, ніж залізо. Цинк і хром, навпаки, активніше заліза. Хром у низці активності майже поруч із залізом (між ними лише галій), а цинк — перед хромом.

Процеси атмосферної корозії мають электрохимическую природу і пояснюються з електрохімічних позицій. Але у принципі механізмом захисту заліза цинком у тому, що цинк — метал активніший — колись, ніж залізо, реагує з агресивними компонентами атмосфери. Тобто виходить, що цинк виручає залізо, сам погибая.

Ось як і происходит:

У присутності вологи між залізом і цинком утворюється микрогальванопара, у якій цинк — анод. Саме він буде руйнуватися при яка виникла электрохимическом процесі, зберігаючи недоторканним основний метал. Навіть якщо його покриття порушено — з’явилася, скажімо, подряпина, — ці особливості цинкової захисту та її надійність залишаються незмінними. Адже у цій ситуації діють микрогальванопара, у якій цинк принесений на поталу, та, крім того, зазвичай, у процесі нанесення покриття залізо і цинк реагують між собою. І найчастіше подряпина оголює саме залізо, а интерметаллическое з'єднання заліза з цинком, досить стійка до дії влаги.

Суттєвим є й склад продукту, що утворюється при «самопожертву» цинку. Активний цинк реагує з вологою повітря і водночас із які мають ньому вуглекислим газом. Утворюється захисна плівка складу ZnCO3*Zn (OH)2, має достатню хімічну стійкість, щоб захистити від реакцій і залізо, і саме цинк. Але якщо цинк кородує серед, позбавленої вуглекислоти, скажімо, в умягченной воді парового казана, то плівка потрібного складу утворитися неспроможна, й у разі цинкове покриття руйнується набагато быстрее.

Які ж завдають цинк на залізо? Способів кілька. Оскільки цинк утворює сплави з залізом, швидко розчиняючи його навіть за невисоких температурах, можна наносити розпилений цинк на підготовлену сталеву поверхню зі спеціального пістолета. Можна гальванізуйте сталь (це найбільш старий спосіб), просто занурюючи їх у розплавлений цинк. До речі, плавиться він при порівняно низької температури (419,5(З). Є, звісно, электролитические способи цинкування. Є, нарешті, метод шерардизации (по імені винахідника), застосовуваний покриття невеликих деталей складної конфігурації, коли особливо важливо зберегти незмінними размеры.

У герметично закритому барабані деталі, пересипані цинкової пилом, витримують протягом кількох годин при 350−375(З. У умовах атоми цинку досить швидко дифундують в основний матеріал; утворюється железоцинковый сплав, шар якого «покладено» поверх деталі, а «впроваджений» в нее.

Сплавы.

Вже згадувалося, що з цинком досить плутана. Але одне безперечно: сплав міді цинку — латунь — було отримано набагато раніше, ніж металевий цинк. Найдавніші латунні предмети, зроблені приблизно 1500 року е., знайдено під час розкопок в Палестине.

Приготування латуні відновленням особливого каменю — ((((((((кадмію) вугіллям у присутності міді описано у Гомера, Аристотеля, Плінія Старшого. У частковості Аристотель писав про видобутої Індії міді, яка «відрізняється від золота лише вкусом».

Справді, у досить численної групі сплавів, які мають під назвою латуней, є одна (Л-96, чи томпак), за кольором майже неотличимый від золота. Між іншим, томпак містить менше цинку, ніж більшість латуней: цифра за індексом Л означає процентний вміст міді. Отже, частку цинку у тому сплаві доводиться максимум 4%.

Можна припустити, що метал з кадмеи й у давнини додавали в мідь як потім, щоб освітлити її. Змінюючи співвідношення цинку і міді, можна було одержати численні сплави з різні властивості. Невипадково латуні поділені на великі групи — альфаі бета-латуни. У перших цинку максимум 33%. Чому 33?

Зі збільшенням змісту цинку пластичність латуні зростає, але до певної межі: латунь з 33 і більше відсотками цинку при деформировании в холодному стані дає тріщини, 33% Zn — кордон зростання пластичності, кордон, на яких латунь стає хрупкой.

Втім, могло статися що з основу класифікації латуней перебрали б інший «поріг» — все класифікації умовні, ще й міцність латуней зростає зі збільшенням у яких змісту цинку, але й до певного краю. Тут межа інший — 47−50% Zn. Міцність латуні, що містить 45% цинку, у кілька разів більше, ніж сплаву, відлитого з рівних кількостей цинку і меди.

Широкий діапазон властивостей латуней пояснюється передусім хорошою сумісністю міді цинку: вони утворюють серію твердих сплавів з різноманітною кристалічною структурою. Також різноманітно й застосування їх сплавів цієї групи. З латуней роблять конденсаторные трубки і патронні гільзи, радіатори та різноманітну арматуру, багато інших корисних речей — всього не перечислить.

І що саме особливо важливо. Запроваджений розумних межах цинк завжди покращує механічні властивості міді (її міцність, пластичність, корозійну стійкість). І чи завжди цьому він здешевлює сплав — адже цинк набагато дешевше міді. Легування робить сплав дешевшим — таке зустрінеш не часто.

Цинк і у складі іншого древнього сплаву на мідної основі. Йдеться про бронзі. Це раніше ділили чітко: мідь плюс олово — бронза, мідь плюс цинк — латунь. Тепер «межі стерлися». Наприклад, сплав ОЦС-3−12−5 вважається бронзою, але цинку у ньому учетверо більше, ніж олова.

До цього часу ми розповідали лише про захист цинком і легировании цинком. Але є договір сплави з урахуванням цього елемента. Хороші ливарні властивості і низькі температури плавлення дозволяють відливати з цих сплавів складні тонкостінні деталі. Навіть різьблення під болти і гайки можна одержувати безпосередньо при литві, якщо маєш справу з сплавами з урахуванням цинка.

Дедалі більше дефіцит свинцю і олова змусив металургів шукати рецептури нових друкарських і антифрикційних сплавів. Доступна, досить м’який і щодо легкоплавкий цинк, природно, привернув увагу під час першого чергу. Майже тридцять років пошукових і дослідних робіт передували появі антифрикційних сплавів на цинкової основі. При невеликих навантаженнях вони помітно поступаються і баббитам і бронзам, але у підшипниках великовантажних автомобілів і залізничних вагонів, угледробилок і землечерпалок вони почали витісняти традиційні сплави. І не лише у відносній дешевизні сплавів з урахуванням цинку. Ці матеріали чудово витримують великих навантажень на великих швидкостях в умовах, коли баббиты починають выкрашиваться…

Коротко про з'єднаннях цинка.

Ще за перших спробах виплавити цинк з руди у середньовічних хіміків виходив білий наліт, що у книгах на той час називали подвійно: або «білим снігом» (nix alba), або «філософської вовною» (lana philosophica). Неважко здогадатися, що це був окис цинку ZnO — речовина, яка є у помешкання кожного міського жителя наших дней.

Цей «сніг», будучи замішаним на оліфі, перетворюється на цинкові білило — найпоширеніші з-поміж всіх білил. Окис цинку потрібна як для малярних справ, нею широко багато хто користується галузі промисловості. Стекольная — щоб одержати молочного скла і (у «малих дозах) для збільшення термостойкости звичайних шибок. У гумової в промисловості й виробництві лінолеуму окис цинку використовують як заповнювач. Відома цинкова мазь насправді не цинкова, а оксиноцинковая. Препарати на основі ZnO ефективні при шкірних заболеваниях.

Нарешті, з кристалічною окисом цинку пов’язана один із найбільш великих наукових сенсацій 20-х ХХ століття. У 1924 року одне із радіоаматорів міста Томська встановив рекорд дальності прийому. Детекторным приймачем він у Сибіру приймав передачі радіостанцій Франції та Німеччини, причому чутність була чіткою, ніж в власників одноламповых приймачів. Як могло статися? Річ у тім, що детекторний приймач томського любителя змонтований за схемою співробітника нижегородської радіолабораторії О. В. Лосева.

Лосєв встановив, що у коливальний контур належним чином включений кристал окису цинку, то останній посилюватиме коливання високої частоти і навіть порушувати невщухаючі коливання. У Страсбурзі наші «веселі транзисторні дні» таку страхову подію минуло би, майже непоміченим, але у 1924 року винахід Лосєва уявлялося революційним. Ось що йшлося в редакційної статті американського журналу «Radio-News», повністю присвяченій роботі нижньогородського винахідника: «Винахід О. В. Лосева з Державної радиоэлектрической лабораторії у Росії робить епоху, і тепер кристал замінить лампу!» Автор статті виявився провидцем: кристал справді замінив лампу; щоправда, це лосевский кристал окису цинку, а кристали інших речовин. Але, ніби між іншим, серед широко застосовуваних напівпровідникових матеріалів є сполуки цинку. Це її селениды і теллуриды, антимод і арсенид.

Ще важливо застосування деяких сполук цинку, передусім його сульфіду, покриття світних телеекранів, осцилографів, рентгенівських апаратів. Під впливом короткохвильового випромінювання чи електронного променя сірчистий цинк набуває здатність світитися, причому ця здатність зберігається по тому, як припинилося облучение.

Резерфорд, вперше у зв’язку явищем послесвечения сірчистого цинку, скористався їм для підрахунку вылетающих з ядра альфа-частинок. У нескладному приборчике, спинтарископе, вдаряючись про екран, покритий сульфидом цинку, ці частки кресали спалах, видиму оком. Якщо ж частки падають на екран досить часто, то замість спалахів з’являється постійне свечение.

Біологічна роль цинка.

Фармацевти і медики шанують багато сполуки цинку. Після Парацельса донині в фармакопеї значаться очні цинкові краплі (0,25%-ный розчин ZnSO4). Як присипка здавна застосовується цинкова сіль стеаринової кислоти. Феносульфат цинку — хороший антисептик. Суспензія, в яку входять інсулін, протамин і хлорид цинку — новий ефективний засіб проти діабету, чинне краще, ніж чистий инсулин.

І водночас багато сполуки цинку, насамперед, його сульфат і хлорид, токсичны.

Цинк — одне із важливих мікроелементів. І тоді водночас надлишок цинку для рослин вреден.

Біологічна роль цинку двояка і остаточно вияснена. Встановлено, що цинк — обов’язкова складова частина ферменту крові, карбоангидразы. Цей фермент міститься у еритроцитах. Карбоангидраза прискорює виділення вуглекислого газу легких. З іншого боку, вона допомагає перетворити частина СО2 в іон НСО3, який відіграє важливу роль обміні веществ.

Але навряд чи лише карбоангидразой обмежується роль цинку у житті тварин і людини. І коли була така, важко було б засвідчити токсичність сполук цього элемента.

Відомо, що значна частина цинку міститься у отруті змій, особливо гадюко і кобр. Але водночас відомо, що солі цинку специфічно пригнічують активність цих самих отрут, хоча, як показали досліди, під дією солей цинку отрути не руйнуються. Як пояснити таку суперечність? Вважають, що забезпечує високу зміст цинку в отруті - те засіб, яким змія від власного отрути захищається. Але таке твердження ще потребує суворої експериментальної перевірки. Чекають з’ясування і з тонкі деталі загальної проблеми «цинк і жизнь»…

Це интересно!

Бурундучная руда.

Найпоширеніший мінерал цинку — сфалерит, чи цинкова обманка ZnS. Різноманітні домішки надають цієї речовини різноманітні кольору. Певне, при цьому мінерал і називають обманкою. Цинковую обманку вважають первинним минералом, з яких утворилися інші мінерали цього елемента: смитсонит ZnCO3, цинкит ZnO, каламин 2ZnO*SiO2*H2O. На Алтаї нерідко можна зустріти смугасту «бурундучную» руду — суміш цинкової обманки і бурого шпату. Шматок такий руди видали справді нагадує принишклого смугастого зверька.

Чи не ніч під Івана Купалу.

По старовинним переказам, папороть цвіте лише ніч під Івана Купалу, і охороняє цю квітку нечиста сила. Насправді папороть як споровое рослина не цвіте взагалі, але слова «папоротеві квіти» можна зустріти зі сторінок безумовно серйозних наукових журналів. Так називають характерні візерунки цинкових покриттів. Ці візерунки виникають завдяки спеціальним добавкам сурми (до 0,3%) чи олова (до 0,5%), які вводять у ванни гарячого цинкування. На деяких заводах «квіти» отримують інакше, — притискаючи гарячий оцинкований лист до рифленому транспортеру.

Работа підготовлена учнем 11 «А» класу — Бабічев Дмитром Thesis edited and cleared by D.O.S.™.