Цинк и его свойства

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 
 

2. Положение в периодической системе и  строение атома

 

3. История открытия

 

4. Нахождение  в природе
5. Физические свойства

 

6. Химические  свойства

 

7. Получение металлического цинка

 

8. 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 375°С 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 100-110°С 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.