Цинк

Московская Государственная Академия Приборостроения и Информатики.







































ЦИНК.









Студент: Жариков С.А.

Факультет: ТИ-6

Преподаватель: Мосина Г.Н.





































Москва 2001.





ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ.





Z=30

атомный вес = 65,37

валентность II

заряд 2+

массовые числа основных природных изотопов: 64, 66, 68, 67, 70

электронная структура атома цинка: KLM 4s2 















      3d10





4s2



ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА.





С древних времён известны латуни, являющиеся сплавами Cu-Zn. Металлический цинк впервые получен в 1746 году в Англии нагреванием каламина с древесным углём.





РАСПРОСТРАНЕНИЕ 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





ПОЛУЧЕНИЕ  МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ЦИНКА.



Цинк добывают из концентратов сфалерита, смитсонита и каламина.

Сульфидные полиметаллические руды, которые содержат пирит Fe2S, галеннит 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.



ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА.



Цинк - блестящий серебристый белый металл с плотностью 7,13 г/ см3  при 20 (тяжелый металл), температура плавления 419,44, температура кипения 906, твердость 2,5 - 2,9 по шкале Мооса. Имеет плотную гексагональную структуру кристаллов. Цинк становится при 100 - 150 и хрупким - выше 200, он геомагнитен и имеет пять природных изотопов.

С химической точки зрения цинк менее активен, чем щелочные и щелочноземельные металлы, и более активен, чем олово, свинец, медь, ртуть, серебро, золото. 

При сильном нагревании цинк воспламеняется и горит сине-зеленым пламенем.



Zn + 1/2 O2 = ZnO +83,5 ккал



Цинк окисляется кислородом воздуха при нагревании выше 225, а в токе сухого кислорода выше 150.

Металлический цинк не разлагает воду при комнатной температуре или кипячении, поскольку в присутствии воды поверхность цинка покрывается Zn(OH)2, который препятствует дальнейшему разрушению металла.

Цинк, нагретый почти до температуры плавления, энергично разлагает поры воды с образованием ZnO и H2.



Zn + H2O  ZnO + H2



При комнатной температуре  во влажном воздухе галогены образуют с цинком соответствующие гологениды. В сухом состоянии гологены взаимодействуют с металлическим цинком при высокой температуре. 



Zn + F 2 = Zn F2 + 172,7 ккал



Zn + Cl2  = ZnCl2+99,55 ккал



Zn +Br2 =ZnBr2 +78,4 ккал



Zn + I2 = ZnI2 + 49,8 ккал



Нагревание порошкообразного цинка порошком серы приводит к образованию ZnS.



Zn + S = ZnS + 44 ккал



Под действием сероводорода поверхность металлического цинка покрывается плотной защитной плёнкой ZnS.



Zn+H2S  ZnS + H2



Двуокись серы во влажной атмосфере и хлористый тионил взаимодействуют с цинком при нагревании.



3Zn + SO2 = ZnS + 2ZnO



Zn +SOCl2 = ZnCl2 + SO

Нагревание цинка в атмосфере аммиака дает нитрит  Zn3N2.

Цинк непосредственно не вступает в реакцию с азотом, углеродом, водородом и другими элементами.

Обработка парами фосфора, нагретого до 440 - 780, металлического цинка в атмосфере азота или водорода приводят к образованию  Zn3P2 и ZnP2.

Поскольку нормальный потенциал системы Zn/ Zn2+ = -0,761 В, металлический цинк легко растворяется в кислотах и щелочах. При растворении цинка в разбавленных кислотах образуются соответствующие соли и водород.



Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2



Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2



Чистый металлический цинк медленно взаимодействует с разбавленными кислотами, поскольку образовавшийся атомарный водород покрывает поверхность цинка и выделение водорода уменьшается. 

При образовании гальванического элемента Zn - Cu  в соляной кислоте выделение водорода происходит очень интенсивно, и цинк легко растворяется, превращаясь в хлорид. Для образования гальванического элемента Zn - Cu в раствор соляной кислоты добавляют несколько капель сульфата меди. Медь, стоящая в электрохимическом ряду напряжений правее цинка, осаждается им, покрывает поверхность цинка и ускоряет, таким образом, растворение его в соляной кислоте. 

По отношению к концентрированным серной и азотной кислотам цинк является восстановителем.



Zn + 2H2SO4 = ZnSO4 + SO2 + 2H2O



4Zn + 10HNO3 = 4Zn(NO3)2 + NH4NO3 +3H2O

При действии щелочей на металлический цинк образуются гидроцинкаты и водород.



Zn + NaOH + 2H2O = Na2[Zn(OH4)] + H2

Цинк вытесняет менее активные металлы из растворов их солей и восстанавливает хромовую, марганцевую и молибденовую кислоты, соли железа (III)  и олово (IV).

С помощью цинка можно осуществлять цинкотермическое  разложение многих окислов, например: CdO, PbO, CuO, NiO.

Восстанавливая сероуглерод, цинковый порошок раскаляется.



С точки зрения физиологии цинк - необходимый элемент для живых организмов.

Цинк входит в состав фермента, имеющегося в красных кровяных тельцах (гемоглобин), с помощью которого происходит перенос двуокиси углерода в крови. 

Для животных цинк загрязненный мышьяком, сурьмой, свинцом, кадмием становится токсичен.  Вдыхание ZnCl2  в больших дозах смертельно.



ПРИМЕНЕНИЕ.

Во влажном воздухе поверхность цинка покрывается тонкой защитной пленкой окисла и основного карбоната, который в дальнейшем предохраняет металл от атмосферного действия атмосферных реагентов. Благодаря этому свойству цинк применяется для покрытия железных листов и проволоки. Также цинк применяется для извлечения серебра из серебросодержащего свинца по процессу Паркеса; для получения водорода в результате разложения соляной кислоты; для вытеснения металлов с более низкой химической активностью из растворов их солей; для изготовления гальванических элементов; в качестве восстановителя во многих химических реакциях; для получения многочисленных сплавов с медью, алюминием, магнием, свинцом, оловом и другими металлами.