Цинк и его свойства 2

Государственное образовательное учреждение 

среднего профессионального образования Ленинградской области Подпорожский Политехнический техникум 













Поисково-исследовательская работа по химии



	Тема: 

	

	«Цинк и его свойства»





Выполнил(а): студент группы № 89

Фамилия, имя, отчество:  Юриков Алексей Александрович

Проверил преподаватель: Ядыкина Людмила Алексеевна





Оценка:











Подпорожье

2010

Оглавление





Положение в периодической системе и  строение атома



История открытия



Нахождение в природе

Физические свойства



Химические свойства



Получение металлического цинка



Применение и значение для здоровья человека

8.      Мои исследования

9.      Литература 































Положение в периодической системе

и строение атома



Элемент цинк (Zn) в таблице Менделеева имеет порядковый номер 30.

Он находится в четвертом периоде второй группы.

атомный вес = 65,37

валентность II

заряд 2+

Природный цинк состоит из смеси пяти стабильных нуклидов: 64Zn (48,6%                                                                            по массе), 66Zn (27,9%), 67Zn (4,1%), 68Zn (18,8%) и 70Zn (0,6%).

Конфигурация двух внешних электронных слоев 3 s 2 p 6 d 104 s 2.



































История открытия



Сплавы цинка с медью — латуни — были известны еще древним грекам и египтянам. Цинк получали в 5 в. до н. э. в Индии. Римский историк Страбон в 60-20 годах до н. э. писал о получении металлического цинка, или «фальшивого серебра». В дальнейшем секрет получения цинка в Европе был утерян, так как образующийся при термическом восстановлении цинковых руд цинк при 900°C переходит в пар. Пары цинка реагируют с кислородом воздуха, образуя рыхлый оксид цинка, который алхимики называли «белой шерстью».



	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	Металлический цинк

	

	В XVI веке были предприняты первые попытки выплавлять цинк в заводских условиях. Но производство «не пошло», технологические трудности оказались непреодолимыми. Цинк пытались получать точно также как и другие металлы. Руду обжигали, превращая цинк в окись, затем эту окись восстанавливали 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, и вновь 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. Пирометаллургическим способом сейчас получают примерно половину производимого в мире цинка, а другую половинугидрометаллургическим.

	Следует иметь в виду, что чисто цинковые руды в природе почти не встречаются. Соединения цинка (обычно 1-5% в пересчете на металл) входят в состав полиметаллических руд. Полученные при обогащении руды цинковые концентраты содержат 48-65% цинка, до 2% меди, до 2% свинца, до 12% железа. И плюс доли процента рассеянных и редких металлов...

	Сложный химический и минералогический состав руд, содержащих цинк, был одной из причин, по которым цинковое производство рождалось долго и трудно. В переработке полиметаллических руд и сейчас еще есть нерешенные проблемы... Но вернемся к пирометаллургии цинка – в этом процессе проявляются сугубо индивидуальные особенности этого элемента.

	При резком охлаждении пары цинка сразу же, минуя жидкое состояние, превращаются в твердую пыль. Это несколько осложняет производство, хотя элементарный цинк считается нетоксичным. Часто бывает нужно сохранить цинк именно в виде пыли, а не переплавлять его в слитки.

	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 из металла 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. Мышиный цвет скорее достоинство, чем недостаток. Изделия, которые покрывают такой краской, должны быть не марки и в то же время опрятны.

	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 прокатить в тонкие листы, лишь нагрев его до 100-150 С. Нагретый до 250 С и выше, вплоть до точки плавления, цинк опять становится хрупким – происходит очередная перестройка его кристаллической структуры.

	Листовой цинк широко применяют в производстве гальванических элементов. Первый “вольтов столб” состоял из кружочков цинка и меди. И в современных химических источниках тока отрицательный электрод чаще всего делается из цинка.

	Значительна роль этого элемента 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.

	К полиграфическому цинку предъявляют особые требования: прежде всего он должен иметь мелкокристаллическую структуру, особенно на поверхности слитка. Поэтому цинк, предназначенный для полиграфии, всегда отливают в закрытые формы. Для «выравнивания» структуры применяют отжиг при 375С с последующим медленным охлаждением и горячей прокаткой. Строго лимитируют и присутствие в таком металле примесей, особенно свинца. Если его много, то нельзя будет вытравить клише так, как это нужно. Если же свинца меньше 0,4%, то трудно получить нужную мелкокристаллическую структуру. Вот по этой кромке и «ходят» металлурги, стремясь удовлетворить запросы полиграфии.

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	Нахождение 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



	

	

	Физические свойства

	

	Цинк представляет собой синевато – белый металл средней твердости, плавящийся при 419 С, а при 913 С превращающийся в пар; плотность его равна 7,14 г/см3. При обыкновенной температуре цинк довольно хрупок, но при 100-110С он хорошо гнется и прокатывается в листы. На воздухе покрывается защитной оксидной пленкой.                                                          

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	Химические свойства

	

	На воздухе при температуре до 100°С Цинк быстро тускнеет, покрываясь поверхностной пленкой основных карбонатов. Во влажном воздухе, особенно в присутствии СО2, происходит разрушение металла даже при обычных температурах. При сильном нагревании на воздухе или в кислороде Цинк интенсивно сгорает голубоватым пламенем с образованием белого дыма оксида цинка ZnO. Сухие фтор, хлор и бром не взаимодействуют с Цинком на холоду, но в присутствии паров воды металл может воспламениться, образуя, например, ZnCl2. Нагретая смесь порошка Цинка с серой дает сульфид Цинк ZnS. Сильные минеральные кислоты энергично растворяют Цинк, особенно при нагревании, с образованием соответствующих солей. При взаимодействии с разбавленной НCl и H2SO4 выделяется Н2, а с НNО3 - кроме того, NO, NO2, NH3. С концентрированной НCl, H2SO4 и HNO3 Цинк реагирует, выделяя соответственно Н2, SO2, NO и NO2. Растворы и расплавы щелочей окисляют Цинк с выделением Н2 и образованием растворимых в воде цинкитов. Интенсивность действия кислот и щелочей на Цинк зависит от наличия в нем примесей. Чистый Цинк менее реакционноспособен по отношению к этим реагентам из-за высокого перенапряжения на нем водорода. В воде соли Цинка при нагревании гидролизуются, выделяя белый осадок гидрооксида Zn(OH)2. Известны комплексные соединения, содержащие Цинк, например [Zn(NH3)4]SО4 и другие.

	Цинк  является  довольно  активным  металлом.

	     Он легко взаимодействует с кислородом, галогенами, серой и фосфором:

	

	2 Zn + О2 = 2 ZnО (оксид цинка);

	

	Zn + Сl2 = ZnСl2 (хлорид цинка);

	

	Zn + S = ZnS (сульфид цинка);

	

	3 Zn + 2 Р = Zn3Р2 (фосфид цинка).

	

	При нагревании взаимодействует с аммиаком, в результате чего образуется нитрид цинка:

	

	3 Zn + 2 NН3 = Zn2N3 + 3 Н2,

	 а также с водой:

	

	Zn + Н2О = ZnО + Н2

	

	и сероводородом:

	

	Zn + Н2S = ZnS + Н2.

	

	Образующийся на поверхности цинка сульфид предохраняет его от дальнейшего взаимодействия с сероводородом.

	Цинк хорошо растворим в кислотах и щелочах:

	

	Zn + Н2SO4 = ZnSO4 + Н2;

	

	4 Zn + 10 НNО3 = 4 Zn(NО3)2 + NН4NО3 + 3 Н2О;

	

	Zn + 2 КОH + 2 Н2О = К2[Zn(ОН)4] + Н2.

	

	

	

	В отличие от алюминия цинк растворяется в водном растворе аммиака, так как образует хорошо растворимый аммиакат:

	

	Zn + 4 NН4ОН = [Zn(NН3)4](ОН)2 + Н2 + 2 Н2О.

	

	Цинк вытесняет менее активные металлы из растворов их солей.

	

	СuSO4 + Zn = ZnSO4 + Сu;

	

	СdSO4 + Zn = ZnSO4 + Сd.

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	Получение металлического цинка

	

Цинк добывают из концентратов сфалерита, смитсонита и каламина.

Сульфидные полиметаллические руды, которые содержат пирит Fe2S, галенит 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+CZn+CO-57 ккал



водородом



ZnO+H2Zn+H2O 



ферросилицием

          ZnO+FeSi2Zn+Fe+SiO2

метаном



2ZnO+CH42Zn+H2O+C



окисью углерода



ZnO+COZn+CO2



карбидом кальция



ZnO+CaC2Zn+CaS+C



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



ZnS+CaC2Zn+CaS+C



ZnS+Fe2Zn+FeS



2ZnS+2CaO+7CZn+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.







Применение и значение для здоровья человека

Основная часть производимого цинка расходуется на изготовление антикоррозионных покрытий железа и стали. Цинк применяют в аккумуляторах и сухих элементах питания. Листовой цинк используют в типографском деле. Сплавы цинка (латунь, нейзильбер и другие) применяются в технике. ZnO служит пигментом в цинковых белилах. Соединения цинка являются полупроводниками. Раствором хлорида цинка ZnCl2 пропитывают железнодорожные шпалы, предохраняя их от гниения.

Значение цинка для человека определяется тем, что он входит в состав всех существующих ферментных систем организма и является компонентом более 300 металлоферментов, участвующих в обмене белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот. Цинк участвует в росте, делении и дифференцировке клеток, что обусловлено его влиянием на белковый, нуклеиновый обмен, работу генетического аппарата клетки. Цинк входит в состав костной щелочной фосфатазы и связан с кальцификацией скелета, формированием гидроксиапатита, что определяет его роль в созревании костной системы. Цинк важен для реализации линейного роста человека как внутриутробно, так и постнатально. Отмечается высокая активность цинка в процессе регенерации тканей после ранений и ожогов. Доказана уникальная роль цинка для развития и деятельности центральной нервной системы и поведения. В эксперименте показано, что при дефиците цинка медленнее вырабатываются условные рефлексы, снижается способность к обучению. Считается, что в условиях дефицита цинка изменяется ядерно-цитоплазматическое соотношение клеток мозга, задерживается развитие мозга, структурное созревание мозжечка. Дефицит цинка наиболее опасен в критические периоды развития мозга (антенатальный этап, возраст от рождения до трех лет) На фоне дефицита цинка может заметно нарушаться вкус, обоняние. Трудно преувеличить роль цинка в работе зрительного анализатора, поскольку цинк совместно с витамином А способствует образованию зрительного фермента родопсина.

Мои исследования



В условиях кабинета химии ППТ мы провели исследования Цинка и его свойств.

Цинк - это металл серебристого цвета, мягкий и ковкий. Цинк является активным металлом. Нам удалось наблюдать взаимодействия цинка со следующими веществами:



1. Действие воды на цинк:

Zn + H2O = ZnO + H2

Вывод: так как цинк является активным металлом, то цинк взаимодействует с водой с образованием оксидной пленки. Даная оксидная пленка защищает цинк от разрушения. Это свойство цинка нашло применение для создания цинковых покрытий на изделиях.



2. Действие серной кислоты на цинк:

Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2

Вывод: Цинк взаимодействует с серной кислотой с выделением водорода.



3. Действие сульфата меди (II) на цинк:

Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu

Вывод: так как цинк более активный металл чем медь, то он вытесняет медь из раствора сульфата меди2, при этом чистая медь восстанавливается













Коррозии металлов



Название опыта

Ход 

опыта

Наблюдения

Уравнения реакций

Вывод

1. Исследования условий среды, ускоряющих процесс коррозии.

Взаимодействие цинка с водой

К цинку прилили воду

Реакция протекает спокойно. Выделяется водород

Zn + H2O = ZnO + H2

Доказали, что цинк провзаимодействовал с водой с образованием оксидной пленки

2. Действие цинка с серной кислотой

К цинку добавили серную кислоту

Происходит выделение Н2

Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2

Доказали, что цинк провзаимодействовал с серной кислотой

3. Взаимодействие цинка с серной кислотой в присутствии медного купороса

К цинку добавили серную кислоту и капнули медного купороса

Активное выделение Н2

Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2

Доказали, что цинк бурно реагирует с серной кислотой в присутствии медного купороса

4. Взаимодействие цинка  с серной кислотой в присутствии меди

К цинку добавили медную проволоку и серную кислоту

Активное выделение Н2

Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2

Доказали, что цинк бурно реагирует с серной кислотой в присутствии меди





Вывод: активность цинка возрастает в присутствии меди и ее ионов.





1