Цинк

Шаблон:Значения Шаблон:Карточка химического элемента

Шаблон:Элемент периодической системы Цинк (химический символ — Zn, от лат. Zincum) — химический элемент 12-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы второй группы, IIB) четвертого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 30.

Цинк представляет собой голубовато-белый переходный металл, покрывающийся на воздухе оксидом цинка Шаблон:Переход.

Металл был известен еще с древности, так как использовался при производстве латуни. Впервые был открыт в Индии в XIII веке, а затем переоткрыт в Европе в 1726-м годуШаблон:Переход.

Цинк — типичный амфотерный металл, реагирующий и с кислотами, и с щелочамиШаблон:Переход.

История

История цинка начинается еще в древности: его соединения применялись для лечения ран и изготовления латуни более 2500 лет назад. Несмотря на широкое использование цинковых руд в производстве сплавов, сам металл долго оставался неизвестным<ref name="PubChem">Шаблон:Cite web 2</ref>. Уже в античности цинковые соединения, такие как каламин, упоминались в трудах римских авторов, но металл воспринимался как разновидность руды<ref>Шаблон:Книга</ref>.

Самым известным цинковым минералом был галмей, или каламин (ZnCO₃). При прокаливании карбоната получался оксид, который имел довольно широкое применение, например, при лечении болезней, связанных с глазами. Хотя сам оксид легко восстанавливается до металла углем, получить чистый цинк удалось намного позже, чем были получены такие металлы, как медь, железо, олово и свинец, потому что для этой манипуляции требуется довольно высокие температуры (около 1100 °С)<ref>Шаблон:Книга</ref>.

В XIII веке в Индии был впервые получен металлический цинк путем восстановления каламина с помощью органических веществ<ref name="PubChem" />. В Европе металлический цинк был повторно открыт Андреасом Маргграфом в 1746 году<ref name="PubChem" /><ref>Шаблон:Cite web 2</ref>.

Первые эксперименты по горячему цинкованию стали были проведены Полем-Жаком Малуэном в 1742 году, который погружал металлические пластины в расплавленный цинк, получая устойчивое к коррозии покрытие. В 1802 году Карл Фридрих Бушендорф предложил технологию предварительного травления железных листов в хлориде аммония, что значительно повысило качество цинкового покрытия. В отличие от олова, цинк обеспечивает не только барьерную, но и активную гальваническую защиту железа при повреждении покрытия.

Понимание механизмов электрохимической защиты развивалось в XVIII–XIX веках: Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта выявили зависимость между разнородными металлами и электрическими процессами. Их открытия привели к созданию шкалы стандартных электродных потенциалов, которая объясняла, почему цинк может «жертвовать собой», защищая железо. Сэр Хамфри Дэви и Майкл Фарадей подтвердили это явление и ввели концепцию катодной защиты<ref>Шаблон:Книга</ref>.

Промышленное производство цинка было налажено в Европе XVII в. Металлургия цинка была разработана в 1721 г. немецким сталлургом И. Генкелем. В 1743 г. в Бристоле был открыт первый завод для получения цинка<ref>Шаблон:Книга</ref>.

Происхождение названия

Исконно славянское образование слова «цинк» сомнительно<ref>Шаблон:Фасмер</ref>. Название ввел в русский язык Ломоносов, который произвел его от нем. Zink<ref>Шаблон:Книга</ref>. В свою очередь, это слово возможно родственно нем. Zinke — «штырь», «острие». Считается, что впервые его использовал Парацельс, подметив аналогию с тем, какую форму имеют кристаллы цинка после выплавки<ref>Шаблон:Cite web 2</ref>.

По другой версии, нем. Zinc (первое употребление в современном значении зафиксировано в 1651 году<ref>Шаблон:CMWOD</ref>) произошло от нем. Zinn — «олово». Последнее слово было заимствовано славянским языком и было расширено слав. суффиксом k, а затем перешло в немецкий язык (отсюда фр. Zinc)<ref>Шаблон:Книга</ref>.

Изотопы

Шаблон:Main Цинк имеет пять стабильных природных изотопов: ⁶⁴Zn (в природе 48,6 %), ⁶⁶Zn (27,9 %), ⁶⁷Zn (4,1 %), ⁶⁸Zn (18,8 %) и ⁷⁰Zn (0,6 %)<ref name="БРЭ">Шаблон:БРЭ онлайн</ref>.

Физические свойства

Цинк — голубовато-белый металл<ref name=ХЭ />. На воздухе цинк тускнеет, покрываясь тонким слоем оксида. При комнатной температуре влажный воздух (особенно в присутствии сернистого или углекислого газа) разрушает цинкШаблон:Sfn. Цинк хрупок на холоде; при 100—150 °С довольно пластичен: при этой температуре он легко прокатывается в фольгу и листы очень маленькой толщины (сотые доли миллиметра). При 250 °С становится снова хрупкимШаблон:Sfn. Вследствие удлинения вдоль оси шестого порядка, не обладает совершеной гексагональной упаковкой<ref>Шаблон:Книга</ref>. Кристаллическая решетка цинка схожа с бериллием и магнием. Имеет относительно низкую температуру кипения и очень легко плавится (благодаря последнему, принадлежит к числу наиболее легко летучих металлов)<ref>Шаблон:Книга</ref>. Цинк диамагнитен Шаблон:Sfn и обладает хорошей электропроводностью Шаблон:Sfn.

Химические свойства

Химические свойства цинка и кадмия довольно схожи, пока свойства ртути несколько отличаютсяШаблон:Sfn.

Взаимодействие со сложными веществами

Цинк пассивируется в воде<ref>Шаблон:Книга</ref>, но реагирует с парами воды при высоких температурах<ref>Шаблон:БРЭ онлайн</ref>. Металл проявляет амфотерные свойства, поэтому может быть переведен в раствор под действием водных растворов щелочей (c образованием солей — цинкатов Шаблон:Sfn)<ref name=Негребецкий>Шаблон:Книга</ref>:

При взаимодействии с азотной кислотой в зависимости от ее концентрации цинк образует различные продукты — NH₄NO₃, NO или NO₂, а при взаимодействии с концентрированной серной кислотой, в зависимости от условий, — H₂S или SO₂Шаблон:Sfn.

В отличие от алюминия, тоже проявляющего амфотерные свойства, растворяется в аммиачном растворе:

В сильнощелочной среде цинк является очень сильным восстановителем<ref>Шаблон:Книга</ref>:

Цинк обладает сравнительно высокой реакционной способностью<ref>Шаблон:Книга</ref>. Реагирует с кислотами-неокислителями (например, 20%-м раствором серной кислоты) в аппарате Киппа, на чем основывается лабораторный способ получения водорода<ref>Шаблон:Книга</ref>:

При нагревании реагирует с хлористым тионилом, образуя оксид серы(II)Шаблон:Sfn:

Взаимодействие с простыми веществами

Цинк реагирует с кислородом, образуя белое кристаллическое вещество, оксид цинка<ref name=Негребецкий />:

С галогенами не реагирует на холоде, но реакция идет при наличии паров воды с образованием галогенидов Шаблон:Sfn. Взаимодействует с серой (реакция протекает энергично при нагревании)<ref>Шаблон:Книга</ref> и с фосфором<ref>Шаблон:Книга</ref> с образованием фосфидов Zn₃P₂ и ZnP₂. Так как цинк не реагирует ни с водородом, ни с азотом, гидрид цинка ZnH₂ и нитрид цинка Zn₃N₂ получают косвенным путем<ref>Шаблон:Книга</ref>.

Цинк, кадмий и ртуть легко образуют сплавы как друг с другом, так и с другими металламиШаблон:Sfn. Данные соединения называются интерметаллидами. Например, медь и цинк образуют соединения CuZn, CuZn₃, Cu₂Zn₃Шаблон:Sfn.

Получение

Производство в мире

Цинк занимает четвертое место в мире среди всех металлов по количеству производимых тонн<ref name=usgs>Шаблон:Cite web 2</ref>. В 2023 году общий объем производства цинка в мире составил около 12,3 млн тонн<ref>Шаблон:Cite web 2</ref>. Цинк добывается в 50-ти странах. Ведущими производителями цинка являются: Канада, Россия, Австралия, Перу, США и Китай. Среди популярных месторождений можно назвать шахты Шаблон:Нп, Шаблон:Нп и Red Dog<ref name=uwaterloo>Шаблон:Cite web 2</ref>.

Список стран по производству цинка (*примерные* данные, основанные на информации Геологической службы США)
Государство	Произведено цинка (тыс. тонн)
Государство	2020<ref>Шаблон:Cite web 2</ref>	2021<ref>Шаблон:Cite web 2</ref>	2022<ref>Шаблон:Cite web 2</ref>	2023<ref>Шаблон:Cite web 2</ref>	2024<ref>Шаблон:Cite web 2</ref>
Шаблон:Reg Весь мир	12000	13000	13000	12000	12000
Шаблон:Флагификация	670	740	770	750	750
Шаблон:Флагификация	1400	1300	1300	1100	1100
Шаблон:Флагификация	330	490	520	490	510
Шаблон:Флагификация	280	260	250	—	—
Шаблон:Флагификация	4200	4200	4200	4000	4000
Шаблон:Флагификация	720	810	830	860	860
Шаблон:Флагификация	300	220	200	330	370
Шаблон:Флагификация	600	720	740	690	700
Шаблон:Флагификация	1200	1600	1400	1400	1300
Шаблон:Флагификация	260	280	280	310	310
Шаблон:Флагификация	—	—	—	230	120
Шаблон:Флагификация	220	230	240	220	240
Остальные страны	2000	2000	2000	1800	1700

Около 34 % мирового производства цинка приходится на переработанный или вторичный цинк<ref>Шаблон:Cite web 2</ref>.

Способ производства

Шаблон:Дополнить раздел Для получения концентрата из оксидных руд цинка (в которых обычно находятся примеси карбоната кальция, магния и диоксида кремния) используют флотационный или гравитационный метод. После этого, для переработки полученного концентрата используется либо гидрометаллургический способ, либо пирометаллургический. Последний маршрут не подходит для переработки оксидной руды низкого сорта из-за загрязнения окружающей среды, больших капиталовложений и значительных энергозатрат<ref>Шаблон:Статья</ref>.

Также цинк добывают из полиметаллических руд, содержащих цинк в виде сульфида, а также медь, свинец, серебро и другие металлыШаблон:Sfn. Руду (например, сфалерит) сначала обжигают, получая оксид цинка<ref>Шаблон:Книга</ref>Шаблон:Sfn:

Для получения самого металла используют два метода: дистилляцию и выщелачивание серной кислотой с последующим электролизом (с использованием алюминиевого катода и свинцового анода). При дистилляции обожженный оксид смешивают с избытком углерода или углеродистых материалов (в печи при 1300 °C):

Цинк в виде паров конденсируется и собирается в сосудах, соединенных с ретортойШаблон:Sfn.

Применение

Цинк применяется во многих областях производства: от металлических изделий до резины и лекарств<ref name=usgs />.

В сплаве с другими металлами является хорошим проводником электричества. Цинк-бромидные, цинк-никелевые элементы питания являются новейшими типами батарей. Более половины потребляемого цинка идет на гальванизацию — процесс нанесения цинка тонким слоем на изделия железа и стали с целью защиты их от ржавчины<ref name=uwaterloo />.

Цинк используют как добавку в сплавы, в первую очередь в сплавы меди, и как основу для цинковых сплавов, а также как типографский металл<ref>Шаблон:Книга</ref>.

Существуют два метода оцинкования (гальванизации): горячее и электролитическое. Горячее оцинкование применяется для стального проката, образуя несколько слоёв с разным соотношением цинка и железа, что повышает коррозионные свойства. Производится путём погружения изделий в ванны с расплавленным цинком. Электролитическое оцинкование позволяет контролировать толщину покрытия и качество поверхности, однако такое покрытие менее прочное, чем нанесённое методом горячей оцинковки.

Окись цинка используется в производстве шин, резинотехнической продукции, пигментов и керамической глазури. Цинковые покрытия применяются в автомобильной, судостроительной и строительной промышленности. Хлорид цинка используется в лужении и в качестве флюса, а сульфат — в текстильной и химической промышленности<ref>Шаблон:Книга</ref>. Сульфид цинка (один из немногих сульфидов, имеющих белый цвет) обладает способностью люминесцировать, эта способность широко используется в науке и технике (люминесцентный анализ)<ref>Шаблон:Книга</ref>. Фосфид цинка находится в составе препаратов для борьбы с грызунамиШаблон:Sfn.

Для получения и очистки РЗЭ, титана, галлия и других металлов, а также для получения сплавов с помощью амальгам применяются методы амальгамной металлургии. Извлечение металлов цементацией амальгамой цинка из растворов можно описать следующей схемой<ref>Шаблон:Книга</ref>:

Zn⁰ (в Hg) + Meⁿ⁺ (р) <chem>-></chem> Me⁰ (в Hg) + Zn²⁺ (р)

Нахождение в природе

Файл:Sfalerit.jpg

Сфалерит

Геохимически цинк похож на железо, медь и кадмий<ref>Шаблон:Книга</ref>. Цинк является самым распространенным элементом 12-й группы<ref>Шаблон:Книга</ref>. Широко распространен в природе, преимущественно в форме сульфидов. По распространенности цинк приближен (7,6⋅10^-3 %) к другим металлам — рубидию и меди<ref>Шаблон:Книга</ref>, при этом, в основных изверженных породах его больше (1,3⋅10^-2 %), чем в кислых (6⋅10^-3 %)Шаблон:Sfn. Его основными рудами являются сфалерит<ref group=~>Сфалерит (от греч. σφᾰλερὁς — неверный, обманчивый) — то же, что цинковая обманка. Примеси придают минералу самые разнообразные цвета.</ref> (и вюртцит) ZnS; ганит, ZnAl₂O₄; каламин; смитсонит, ZnCO₃; франклинит, (Zn, Mn) Fe₂O₄; и цинкит, ZnO. Содержание в земной коре составляет около 70 мг/кг, а средняя концентрация в морской воде - около 10 мкг/лШаблон:Sfn.

Некоторые минералы цинка, используемые в промышленности, содержание в них полезных элементов<ref>Шаблон:Книга</ref> и твердость по МоосуШаблон:Sfn:
Минерал	Формула	Макс. содержание полезного компонента, %	Твердость по Моосу
Сфалерит	ZnS	Zn 67,1	3—4
Вюрцит	ZnS	Zn 67,1	3,5—4
Цинкит	ZnO	Zn 80,3	4—4,5
Смитсонит	ZnCO₃	Zn 52,0	5
Гидроцинкит	Zn₅(CO₃)₂(OH)₆	Zn 59,5	—
Каламин	Zn₄[Si₂O₇](OH)₂⋅H₂O	ZnO 67,5	4,5—5
Виллемит	Zn₂[SiO₄]	ZnO 73,0	5—5,5

В недрах Российской Федерации заключено 60,7 млн тонн цинка (9 % мировых запасов)<ref>Шаблон:Книга</ref>.

Биологическая роль

Шаблон:Дополнить раздел Цинк – микроэлемент, играющий одну из важнейших функций в организме человека<ref>Шаблон:Cite web 2</ref> — обмен веществ<ref>Шаблон:Книга</ref>. В теле содержится около 2—3 г цинка. Наиболее высокую концентрацию цинка отмечают в простате.

Цинк играет структурную или функциональную роль в более чем 300 различных белках<ref>Шаблон:Статья</ref> (он функционирует как кофактор в специфических белках, катализируя реакции электронного обмена, связывая субстраты и стабилизируя структуру белков<ref>Шаблон:Статья</ref>). Цинк имеет тенденцию к прочному связыванию с ферментным белком. Ионы Zn²⁺ необходимы для функционирования карбоангидразы, термолизина, дипептидаз, щелочной фосфатазы, РНК- и ДНК-полимераз, некоторых альдолаз, алкогольдегидрогеназ и супероксиддисмутазы. Известно, что цинк связывается с гексамерами инсулина. У многих плотоядных и человека отражающий слой за сетчаткой содержит кристаллы цинк-цистеинового комплекса<ref>Шаблон:БМЭ3</ref>. Также Zn²⁺ принимает активное участие в работе мозга<ref>Шаблон:Книга</ref>.

Рекомендуемая диетическая норма цинка для взрослых составляет 8 мг/день для женщин и 11 мг/день для мужчин<ref>Шаблон:Книга</ref>. Наиболее богатыми пищевыми источниками цинка являются мясо, рыба и морепродукты, в то время как фрукты и овощи содержат очень мало цинка<ref>Шаблон:Cite web 2</ref>.

Дефицит цинка

Болезни, вызванные дефицитом цинка в организме, широко распространы в мире<ref>Шаблон:Книга</ref>. Он обусловливает патологические состояния и заболевания<ref>Шаблон:Статья</ref>, причем более высокому риску дефицита и неблагоприятным последствиям от него подвержены младенцы, особенно недоношенные, и пожилые люди<ref>Шаблон:Статья</ref>.

К возможным проявлениям дефицита цинка относятся нарушение вкуса и обоняния, анорексия, алопеция, дерматит, начинающийся в носогубных складках и распространяющийся на мошонку, промежность и разгибательные поверхности локтей, нарушение заживления ран, гипогонадизм и сексуальная дисфункция, а также иммунодефицит<ref>Шаблон:Книга</ref>, что достаточно сильно влияет на заболеваемость и смертность среди детей младшего возраста<ref>Шаблон:Cite web 2</ref>. Если беременная женщина не получает достаточно цинка, у ее детей может быть задержка роста<ref>Шаблон:Cite web 2</ref>.

Токсичность

Шаблон:Дополнить раздел При вдыхании паров цинка появляется «металлическая лихорадка»<ref>Шаблон:Книга</ref>.

Цинк поступает в окружающую среду как из природных, так и из антропогенных источников, при этом наибольший вклад в загрязнение почвы вносит деятельность человека (горнодобыча, металлургия, использование продуктов, содержащих цинк); однако нахождение цинка в почве и воде в основном остается связанным с осадками и, как правило, не представляет значительного риска для здоровья при случайном проглатывании загрязнённой почвы<ref>Шаблон:Cite web 2</ref>.

Длительный прием элементарного цинка в дозах от 100 до 150 мг/день (при рекомендуемой верхней границе 40 мг/день) нарушает метаболизм меди и вызывает снижение уровня меди в крови, микроцитоз эритроцитов, нейтропению и ухудшение иммунитета. Прием больших доз (от 200 до 800 мг/день), обычно при употреблении кислой пищи или питья из покрытой цинком емкости, может вызвать анорексию, рвоту и диарею. Хроническая токсичность может привести к дефициту меди и вызвать повреждение нервов<ref>Шаблон:Cite web 2</ref>.

Примечания

Комментарии

Шаблон:Примечания

Источники