Элемент цинк (Zn)

      Элемент цинк (Zn) в таблице Менделеева имеет порядковый номер 30. Он находится в четвертом периоде второй группы. Атомный вес - 65,37. Распределение электронов по слоям 2-8-18-2.

      Цинк  представляет собой синевато - белый  металл, 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 цинк покрывается тонким слоем окиси или основного карбоната, предохраняющим его от дальнейшего окисления. Вода почти не действует на цинк, хотя он и стоит в ряду напряжений значительно левее водорода. Это объясняется тем, что образующаяся на поверхности цинка при взаимодействии его с водой гидроокись практически нерастворима и препятствует дальнейшему течению реакции. В разбавленных же кислотах цинк легко растворяется с образованием соответствующих солей. Кроме того, цинк подобно бериллию и другим металлам, образующим амфотерные гидроокиси, растворяется в щелочах. Если нагреть цинк на воздухе до температуры кипения, то пары его воспламеняются и сгорают зеленовато-белым пламенем, образуя окись цинка. 

Немного истории. 

      Соединения  цинка и его сплавы известны человечеству с глубокой древности, металлический  же цинк был получен значительно позднее, чем железо, свинец и олово. Это обстоятельство объясняется тем, что обычные способы плавки руды с углем здесь не достигали цели; чтобы восстановить цинк, его надо быстро нагреть до температуры около 1000 градусов, но при этом он кипит и в виде паров теряется вместе с дымовыми газами. Только после того как научились конденсировать пары цинка в глиняных сосудах, стало возможных получение металла  в свободном состоянии. Полагают, что такой дистилляционный способ получения свободного цинка впервые был изобретен в Китае.

      Латунь (сплав меди с цинком) была известна грекам, индусам и другим народам  Востока, употреблявшим ее для изготовления различных предметов домашнего  обихода, художественного литья  и украшений. Отдельные предметы из латуни, относящиеся к периоду за 1500 лет до н.э., были найдены в Палестине. Приготовление латуни восстановлением особой земли кадмия (так назывались в древности многие минералы, содержащие цинк, отличие между которые не делали) углем в присутствии меди описывают Аристотель (384- 322 гг. до н.э.), Плиний Старший (23-79 гг. н.э.) и Гомер. Плиний Старший и Диоскрид из Аназарбуса описывают лекарственные средства, содержащие соединения цинка. Лекарства эти употреблялись для заживления ран и при лечении глазных болезней.

      В доисторических дакийских развалинах в Трансильвании был найден идол, отлитый из сплава, содержащего около 87% цинка. Получение металлического цинка из галмея Zn₄(Si₂O₇)*H₂O впервые описывает Страбон (60-20 гг. до н.э.). Цинк в этот период называли тутией или фальшивым серебром.

      Благодаря довольно сложной выработке цинка  из руд в X-XI вв. н.э. искусство получения  цинка в Европе было утрачено и  он ввозился сюда под названием индийского олова из Китая и Индии.

      В конце XIII в. н.э. итальянский путешественник Марко Поло описал способ получения металлического цинка в Персии. В 1637 году метод выплавки цинка и его свойства описываются в китайской книге “Циен конг кан у”. Казалось бы, что раз метод получения описан в литературе, то его легко могли перенять другие народы и применить у себя на родине. Но этого не случилось. Экономическая и культурная разобщенность народов, слабые транспортные связи, а главное, стремление многих ученых описывать свои открытия на непонятном языке - все это препятствовало быстрому распространению технических достижений.

      Вторично  получение цинка в Европе стало  известно в начале XVI века, когда  о способе его выплавки упоминают  в своих сочинениях Георг Агрикола (1494-1555) и Теофраст Парацельс. Однако и после этого цинк в Европе был большой редкостью, что продолжалось почти до конца XVIII в.

      Название  же “цинк” происходит от латинского слова, обозначающего бельмо или белый  налет, и впервые встречается  у Парацельса в 1530 году. Роберт Бойль  назвал цинк “спелтером”. У нас  цинк И.Шлаттер (1736) называл “туцией”, Ломоносов (1742) ввел название “цинк”, но оно не пользовалось успехом и цинк чаще всего называли “шпиаутер”.

      В  8-м издании “Основ химии” (1906)  Д.И. Менделеев употребляет современное  название цинка, но наряду с этим ставит в скобках и другое его название-”шпиаутер”. Из этого можно заключить, что во времена Менделеева старое название цинка было достаточно широко распространено. 

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 половину - гидрометаллургическим.

      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. 

Цинк  и сталь. 

      Как бы громко ни называли в наше время: “век полимеров”, “век полупроводников”, “атомный век” и так далее, по сути дела мы не вышли еще из века железного. Этот металл по-прежнему остается основой промышленности. По выплавке чугуна и стали и сейчас судят о мощи государства. А чугун и сталь подвержены коррозии, и, несмотря на значительные успехи, достигнутые человечеством в борьбе с “рыжим врагом”, коррозия ежегодно губит десятки миллионов тонн металла.