Всё о цинке: температура плавления металла и другие характеристики, смеси и сплавы

Что такое цинк

Цинк — металл сине-белого цвета. Стоит под тридцатым номером в таблице Менделеева. При взаимодействии поверхности материала с кислородом, на ней образуется оксидная плёнка. Она скрывает естественный блеск металла, защищает его от окисления.

Немного истории

Р. Магграф первый разработал способ получения чистого цинка.

В чистом виде в лабораторных условиях металл удалось выделить дистилляционным способом. Произошло это в Великобритании в 1738 г. После многочисленных экспериментов в 1743 г. англичанами был разработан промышленный способ получения цинка. Через 3 года в Германии получили цинк из его солей методом их прокаливания без доступа кислорода. Образующийся металлический пар конденсировался в холодильнике. Позже были разработаны электрохимическая технология и технология получения металла методом проката при нагревании до 100–150 °C.

В России первый слиток цинка удалось получить в 1905 г. Древние люди, не зная о существовании цинка, заметили, что включение этого элемента вместе со свинцом в медную руду существенно снижает температуру плавления меди. Поэтому на определенном историческом этапе медь оказалась более востребованной, чем железо, которое плавится при более высокой температуре.

Структура и состав

В природе цинк нельзя найти в чистом виде. Он будет состоять по большей части из основного металла, дополнительно иметь примеси. К ним относится серебро, кадмий, свинец, медь, железо. Зависимо от процентного содержания дополнительных элементов проводится маркировка материала.

Свойства и характеристики

Характеристики металла зависят от его состава. Зависимо от физических и химических свойств мастера металлургии определяют, где лучше использовать материал, чтобы добиться наилучшей эффективности.

Химические свойства

Внешняя электронная конфигурация одного атома цинка можно записать как 3 d 104 s 2. Металл активен и является энергичным восстановителем. При температуре в 100 C она открытом воздухе покрывается пленкой, состоящей из основных карбонатов, и сильно тускнеет. При воздействии углекислого газа и повышенной влажности элемент начинает разрушаться. В кислородной или обычной среде при сильном нагревании цинк сгорает, образуя голубоватое пламя и белый дым, который состоит из оксида цинка. Огнеопасно воздействуют на цинк сухие элементы фтора, брома и хлора, но только при участии паров воды.

При соединении металла и сильных минеральных кислот первый растворяется, особенно если смеси нагреть, в результате образуются соответствующие соли. Щелочи, расплавы и растворы окисляют вещество, в результате образуются цинкиты, растворимые в воде, и выделяется водород. Интенсивность воздействия кислот и щелочей зависит от наличия в цинке примесей. Чем более «чист» металл, тем слабее он взаимодействует из-за перенапряжения водорода.

Физические свойства

• Атомный номер: 30.
• Атомная масса: 65,37.
• Атомный объем: 9,15
• Плотность: 7,133 г/см3.
• Температура, необходимая для плавления: 419,5 C о.
• Температура кипения: 906 C о.
• Поверхностная энергия: 105 мДж/м2.
• Удельная электропроводность: 16,2*10-6 См/м.
• Молярная теплоемкость: 25,4 Дж/(К*моль).
• Молярный объем: 9,2 см3/моль.

Цинк обладает слабыми механическими свойствами, при нормальной температуре легко ломается и крошится, но при температуре 100 C о-150 C о становится довольно тягучим и легко поддается деформации: куется, раскатывается в листы. Простая вода для металла безопасна, а кислоты и щелочи легко разъедают. Из-за этого цинк в чистом виде для изготовления деталей не применяют, только сплавы.

Нахождение в природе

Известно 66 минералов цинка, в частности цинкит, сфалерит, виллемит, каламин, смитсонит, франклинит. Наиболее распространённый минерал — сфалерит, или цинковая обманка. Основной компонент минерала — сульфид цинка ZnS, а разнообразные примеси придают этому веществу всевозможные цвета. Из-за трудности определения этого минерала его называют обманкой (др.-греч. σφαλερός — обманчивый). Цинковую обманку считают первичным минералом, из которого образовались другие минералы элемента № 30: смитсонит ZnCO3, цинкит ZnO, каламин 2ZnO · SiO2 · Н2O. На Алтае нередко можно встретить полосатую «бурундучную» руду — смесь цинковой обманки и бурого шпата. Кусок такой руды издали действительно похож на затаившегося полосатого зверька.

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%). Цинк — энергичный водный мигрант, особенно характерна его миграция в термальных водах вместе со свинцом. Из этих вод осаждаются сульфиды цинка, имеющие важное промышленное значение. Цинк также энергично мигрирует в поверхностных и подземных водах, главным осадителем для него является сероводород, меньшую роль играет сорбция глинами и другие процессы.

Цинк — важный биогенный элемент, в живых организмах содержится в среднем 5⋅10-4% цинка. Но есть и исключения — так называемые организмы-концентраторы (например, некоторые фиалки).

Месторождения

Месторождения цинка известны в Иране, Австралии, Боливии, Казахстане. В России крупнейшим производителем свинцово-цинковых концентратов является ОАО «ГМК Дальполиметалл».

Получение

Цинк в природе как самородный металл не встречается.

Цинк добывают 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.

Чистый цинк из оксида ZnO получают двумя способами. По пирометаллургическому (дистилляционному) способу, существующему издавна, обожжённый концентрат подвергают спеканию для придания зернистости и газопроницаемости, а затем восстанавливают углём или коксом при 1200—1300 °C: ZnO + С = Zn + CO. Образующиеся при этом пары металла конденсируют и разливают в изложницы. Сначала восстановление проводили только в ретортах из обожжённой 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 дутьём. 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). Обожжённые 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 учёте переработки отходов) — 93—94 %. Из отходов производства получают цинковый купорос, Pb, Cu, Cd, Au, Ag; иногда также In, Ga, Ge, Tl.

Особенности выплавки

Температура, необходимая для плавления цинка, должна быть меньше 419 C о, но и не больше 480 C о. В противном случае вырастет угар металла и повысится износ стенок ванны, которую стандартно производят из железа. В расплавленном состоянии допускается не более 0,05% примеси железа, иначе температура, нужная при плавлении, начнет повышаться. Если процент содержания железа будет превышать 0,2%, цинк нельзя будет подвергать прокатке.

Цинк получают из полиметаллических руд, в которых может содержаться до 4% элемента. Если руды были обогащены селективной флотацией, из них можно получить до 60% цинковых концентратов, остальное будет занято концентратами других металлов. Цинковые концентраты обжигают в печах в кипящем слое, после чего сульфид цинка переходит в оксид, и выделяется сернистый газ. Последний идет в расход: из него получают серную кислоту.

Чтобы перевести оксид цинка в сам металл, используют два способа.

1. Дистилляционный или пирометаллургический. Концентрат обжигают, затем подвергают спеканию, чтобы придать газопроницаемости и зернистости и восстанавливают при помощи кокса или угля при воздействии температуры в 1200-1300 C о. Во время реакции образуются пары металла, который конденсируют и разливают в изложницы. Чистота цинка достигает 98,7%, после можно повысить ее до 99,995% при помощи ректификации, но последний способ достаточно дорогой и сложный.
2. Электролитический или гидрометаллургический. Обожженные концентраты обрабатывают серной кислотой, раствор очищают от примесей при помощи цинковой пыли и подвергают электролизу в выложенных изнутри свинцом или винипластом ваннах. Цинк оседает на алюминиевых катодах, откуда его собирают и плавят в индукционных печах. Чистота металла, полученного этим способом, достигает 99,95%.

Где применяется

Свойства металла, его сплавов, соединений обусловили их использование в металлургии, электротехнике, медицине.

Чистый металл

Основные направления:

• Отрицательный электрод батареек, аккумуляторов.
• Восстановитель благородных металлов.
• Защитное покрытие стали от коррозии.
• Компонент твердых припоев для повышения легкоплавкости.
• Извлекатель металлов из чернового свинца.

До середины XX века популярной сферой применения цинка была полиграфия. Для создания черно-белых иллюстраций в газетах или книгах использовался метод цинкографии. На цинковой пластине кислотой вытравливалось изображение. Затем с нее на печатной машине делались оттиски.

Слитки цинка

Сплавы

Цинк востребован как компонент сплавов с металлами. Например, латуни.

Она используется машиностроителями для точного литья:

• Автомобильная фурнитура.
• Оболочка карбюраторной коробки.
• Затворы травматических пистолетов.

Пятая часть сырья идет на производство автошин и масляных красок.

Соединения

Применение нашли соединения металла, созданные природой или человеком:

• Хлорид – паяние металлов, изготовление фибры.
• Теллурид, селенид, фосфит – полупроводники.
• Селенид задействован при изготовлении специальных сортов стекла для лазеров.
• Окись – исходник для цинковых белил.
• Сульфид – компонент люминофоров (гибкие панели, экраны).

Фосфитом металла изничтожают грызунов.

Как примеси изменяют свойства цинка

Производители ограничивают содержание кадмия, олова и свинца в литейных сплавах цинка, чтобы подавить межкристаллитную коррозию.

Олово — вредная примесь. Металл не растворяется и выделяется из расплава — способствует ломкости цинковых отливок. Кадмий напротив — растворяется в цинке и снижает его пластичность в горячем состоянии. Свинец увеличивает растворимость металла в кислотной среде.

Железо повышает твердость цинка, но снижает его прочность. Вместе с тем оно усложняет процесс заполнения форм при литье.

Медь увеличивает твердость цинка, но уменьшает его пластичность и стойкость при коррозии. Содержание меди также мешает рекристаллизации цинка.

Наиболее вредная примесь — мышьяк. Даже при небольшом ее количестве металл становится хрупким и менее пластичным.

Чтобы избежать растрескивания кромок при горячей прокатке цинка, содержание сурьмы не должна быть выше 0,01%. В горячем состоянии она увеличивает твердость цинка, лишая его хорошей пластичности.

Биологическая роль и функции цинка в организме

В организме взрослого среднестатистического человека находится примерно 1,5-3 г цинка. Больше всего его присутствие обнаружено в мышечных тканях, печени, различных ферментах и поджелудочной железе. Причем у мужчин этого микроэлемента может быть вдвое больше, нежели у женщин.

Одна из основных функций цинка в человеке – формирование белка карбоангидраза, который присутствуя в эритроцитах (красные кровяные тельца) обеспечивает превращение углекислого газа в тканях и его обратный транспорт в легкие, откуда он и выводится с выдохом. Кроме того, в связи с тем, что Zn присутствует примерно в 400 ферментах, в большей мере ЖКТ, то без него практически невозможно нормальное усваивание пищи и превращение полезных и необходимых для организма веществ, поступаемых с продуктами.

Цинк выполняет и множество других полезных функций, среди которых:

• Участие в синтезе многих важных гормонов – инсулина, тестостерона, эстрогена, соматропина (гормон роста) и другие;
• Участие в репродуктивной функции у мужчин – стимулирует выработку семени, а также поддерживает функционирование и здоровье простаты;
• Нивелирует действие различных токсинов, т.к. находится в составе вырабатываемой печенью супероксиддисмутазы, выполняющей роль очищения организма, что также важно при алкогольном и других отравлениях, инфекционных болезнях;
• Берет непосредственное участие в формировании и поддержании стабильности ДНК и РНК, что минимизирует риск отклонений в развитии и жизнедеятельности живых организмов – мутации, рак и т.д.;
• Участие в синтезе коллагена, жизненно важного для здоровья связок, суставов, волос, кожи и других тканей;
• Участие в формировании новых клеток, что очень важно в период роста, а также при различных травмах и воспалительных процессах т.к. помогает тканям быстрее регенерироваться;
• В сочетании с витаминами C и A стимулирует активность иммунной системы, предотвращая развитие инфекционных и аутоиммунных болезней, уязвимость перед эмоциональными стрессами, неблагоприятными экологическими условиями пребывания;
• Защищает нервную систему от повреждения и неврологических расстройств, улучшает умственную деятельность, поддерживает хорошее настроение, улучшает сон;
• Участие в метаболизме витамина Е;
• Регулирует аллергический статус, предотвращая развитию сезонной аллергии, аллергического ринита и других;
• Является антиоксидантом;
• Повышает плотность костной ткани, помогает в борьбе с остеопорозом.

Недостаточность и избыток

Дефицит цинка, в отличие от передозировки, – распространённое явление, которое особенно часто встречается у людей, проживающих в регионах с истощённой почвой или переизбытком ионов меди в воде (Америке, Австралии, России, Украине). Другие причины цинковой недостаточности:

• скудное поступление элемента с едой;
• хронические заболевания почек, печени, кишечника;
• нарушение всасывания нутриента, в том числе при вегетарианстве;
• серповидно-клеточная анемия;
• злокачественные опухоли;
• снижение функции щитовидной железы;
• поражение поджелудочной железы;
• продолжительный приём кортикостероидов, эстрогенов, диуретиков;
• глистные инвазии;
• механические травмы, особенно обширные ожоги;
• избыточная концентрация в организме солей тяжёлых металлов (кадмия, ртути, свинца, меди);
• последствия хирургического вмешательства (синдром короткой кишки, искусственное сообщение подвздошной и тощей кишок);
• злоупотребление алкоголем, кофеином.

Симптоматика цинковой недостаточности чрезвычайно вариабельная, из-за поражения различных органов, тканей и систем организма. Признаки нехватки микроэлемента:

• ухудшение функционального состояния волос и ногтей (алопеция, уменьшение пигментации отдельных прядей, замедление роста шевелюры, расслоение роговых пластин);
• снижение массы тела;
• кожные заболевания (дерматит, экзема, псориаз, фурункулёз, чешуйчатые высыпания на теле, угри, сухость кожи, медленное заживление ран, трофические язвы);
• неврологические расстройства (изменение походки и речи, гиперактивность, дрожание конечностей, снижение внимания, слабоумие, нарушение сна, депрессия, утомляемость);
• поражение глаз (катаракта, воспаление коньюктивы, отек роговицы);
• утрата обоняния, расстройства вкусовых ощущений, возникновение язв в полости рта;
• снижение иммунитета (частые респираторные заболевания, аллергические реакции);
• замедление роста, задержка полового созревания у детей;
• диспептические расстройства;
• снижение концентрации инсулина в крови.

Продолжительная нехватка цинка в организме чревата снижением функции гипофиза и половых желёз, нарушением обмена углеводов, увеличением риска новообразований, возникновением аденомы простаты. Помимо этого, недостаточность минерала у беременных женщин, в половине случаев, становится причиной атонических кровотечений, рождения ослабленных детей, наступления преждевременных или продолжительных родов. Для устранения лёгкой формы дефицита микроэлемента, ежедневное меню обогащают природными источниками (см. п. «Пищевые источники цинка»). Тяжёлую форму расстройства ликвидируют при помощи фармакологических средств, содержащих минерал («Цинктерала», «ЦинкоВитала», «Цинкита»). Однако важно не переусердствовать с пищевыми добавками, поскольку потребление цинка свыше 150-200 миллиграмм в день вызывает передозировку, которая сопровождается желудочно-кишечными расстройствами, тошнотой, рвотой, головными болями.

Токсичность цинка

Переизбыток данного микроэлемента очень вреден для здоровья человека, так же как и его недостаток. Переизбыток цинка вызывает интоксикацию организма.

В особенности при длительном чрезмерном насыщении организма данным веществом, соли и сульфаты цинка отравляют человека своей токсичностью.

Сульфаты цинка образуются при неправильном хранении продуктов питания. Особенно вредно хранить продукты в закрытых емкостях из оцинкованной посуды.

Токсичность цинка вызывает даже бесплодие, импотенцию и другие проблемы со здоровьем. Можно отравиться им, вдыхая его пары. Проявляться такое отравление будет в виде головокружения, потери сознания, учащении пульса и появлении неприятного привкуса в ротовой полости.

Ваша оценка?

Петр Иваныч

Возможно этот человек ответит на ваши вопросы

Задать вопрос