ИСТОРИЯ

ЗАЙМЕМСЯ
ХИМИЕЙ


Название: Цинк (zincum)
Порядковый номер: 30
Группа: ii
Период: 4
Электронное строение: 3d10 4s2
Атомная масса: 65,37
Электроотрицательность: 1,65
Температура плавления: 419,58?С
Температура кипения: 907?С
Плотность (г/см3): 7,14
Характерные степени окисления: +2
Цвет: Голубовато-бледно-серый
Кем открыт: неизвестно
Год открытия: ~1500
Страна открытия: Германия
Кристалическая структура:
гексагональная

Цинк (лат. zincum), zn, химический элемент ii группы периодической системы Менделеева; атомный номер 30, атомная масса 65,38, синевато-белый металл. Известно 5 стабильных изотопов с массовыми числами 64, 66, 67, 68 и 70; наиболее распространён 64 zn (48,89%). Искусственно получены 9 радиоактивных изотопов, среди которых наиболее долгоживущий 65 zn с периодом полураспада t 1 /2 = 245 сут; применяется как изотопный индикатор .

Историческая справка. Сплав Ц. с медью — латунь — был известен ещё древним грекам и египтянам. Чистый Ц. долгое время не удавалось выделить. В 1746 А. С. Маргграф разработал способ получения металла прокаливанием смеси его окиси с углём без доступа воздуха в глиняных огнеупорных ретортах с последующей конденсацией паров Ц. в холодильниках. В промышленном масштабе выплавка Ц. началась в 17 в.

Распространение в природе. Среднее содержание Ц. в земной коре (кларк) — 8,3 ? 10 -3 % по массе, в основных изверженных породах его несколько больше (1,3 ? 10 -2 %) , чем в кислых (6 ? 10 -3 %). Известно 66 минералов Ц., важнейшие из них — цинкит , сфалерит , виллемит , каламин , смитсонит , франклинит znfe 2 o 4 . Ц. — энергичный водный мигрант; особенно характерна его миграция в термальных водах вместе с pb; из этих вод осаждаются сульфиды Ц., имеющие важное промышленное значение. Ц. также энергично мигрирует в поверхностных и подземных водах; главным осадителем для него является h 2 s, меньшую роль играет сорбция глинами и др. процессы. Ц. — важный биогенный элемент; в живом веществе содержится в среднем 5 ? 10 -4 % Ц., но имеются и организмы-концентраторы (например, некоторые фиалки).

Физические и химические свойства. Ц. — металл средней твёрдости. В холодном состоянии хрупок, а при 100—150 °С весьма пластичен и легко прокатывается в листы и фольгу толщиной около сотых долей миллиметра. При 250 °С вновь становится хрупким. Полиморфных модификаций не имеет. Кристаллизуется в гексагональной решётке с параметрами а = 2,6594 å, с = 4,9370 å. Атомный радиус 1,37 å; ионный zn 2+ — 0,83 å. Плотность твёрдого Ц. 7,133 г/см 3 (20 °С), жидкого 6,66 г/см 3 (419,5 °С); t пл 419,5 °С; t кип 906 °С. Температурный коэффициент линейного расширения 39,7 ? 10 -6 (20—250 °С), коэффициент теплопроводности 110,950 вт/ ( м ? К ) 0,265 кал/см ? сек ? °С (20 °С), удельное электросопротивление 5,9 ? 10 -6 ом ? см (20 °С), удельная теплоёмкость Ц. 25,433 кдж/ ( кг ? К) [6,07 кал/г ? о С ) ]. Предел прочности при растяжении 200—250 Мн/м 2 (2000—2500 кгс/см 2 ) , относительное удлинение 40—50%, твёрдость по Бринеллю 400—500 Мн/м 2 (4000—5000 кгс/см 2 ). Ц. диамагнитен, его удельная магнитная восприимчивость — 0,175 ? 10 -6 .

Внешняя электронная конфигурация атома zn 3d 10 4s 2 . Степень окисления в соединениях +2. Нормальный окислительно-восстановительный потенциал, равный 0,76 в, характеризует Ц. как активный металл и энергичный восстановитель. На воздухе при температуре до 100 °С Ц. быстро тускнеет, покрываясь поверхностной плёнкой основных карбонатов. Во влажном воздухе, особенно в присутствии СО 2 , происходит разрушение металла даже при обычных температурах. При сильном нагревании на воздухе или в кислороде Ц. интенсивно сгорает голубоватым пламенем с образованием белого дыма цинка окиси zno. Сухие фтор, хлор и бром не взаимодействуют с Ц. на холоду, но в присутствии паров воды металл может воспламениться, образуя, например, zncl 2 . Нагретая смесь порошка Ц. с серой даёт сульфид Ц. zns. Сульфид Ц. выпадает в осадок при действии сероводорода на слабокислые или аммиачные водные растворы солей zn. Гидрид znh 2 получается при взаимодействии liaih 4 с zn (ch 3 ) 2 и др. соединениями Ц.; металлоподобное вещество, разлагающееся при нагревании на элементы. Нитрид zn 3 n 2 — чёрный порошок, образуется при нагревании до 600 °С в токе аммиака; на воз духе устойчив до 750 °С, вода его разлагает. Карбид Ц. znc 2 получен при нагревании Ц. в токе ацетилена. Сильные минеральные кислоты энергично растворяют Ц., особенно при нагревании, с образованием соответствующих солей. При взаимодействии с разбавленными hcl и h 2 so 4 выделяется h 2 , а с hno 3 — кроме того, no, no 2 , nh 3 . С концентрированными hcl, h 2 so 4 и hno 3 Ц. реагирует, выделяя соответственно h 2 , so 2 , no и no 2 . Растворы и расплавы щелочей окисляют Ц. с выделением На и образованием растворимых в воде цинкатов . Интенсивность действия кислот и щелочей на Ц. зависит от наличия в нём примесей. Чистый Ц. менее реакционноспособен по отношению к этим реагентам из-за высокого перенапряжения на нём водорода. В воде соли Ц. при нагревании гидролизуются, выделяя белый осадок гидроокиси zn (oh) 2. Известны комплексные соединения , содержащие Ц., например [zn (nh 3 ) 4 ] so 4 и др.

Получение. Ц. добывают из полиметаллических руд, содержащих 1—4% zn в виде сульфида, а также cu, pb, ag, au, cd, bi. Руды обогащают селективной флотацией, получая цинковые концентраты (50—60% zn) и одновременно свинцовые, медные, а иногда также пиритные концентраты. Цинковые концентраты обжигают в печах в кипящем слое , переводя сульфид Ц. в окись zno; образующийся при этом сернистый газ so 2 расходуется на производство серной кислоты . От zno к zn идут двумя путями. По пирометаллургическому (дистилляционному) способу, существующему издавна, обожжённый концентрат подвергают спеканию для придания зернистости и газопроницаемости, а затем восстанавливают углём или коксом при 1200—1300 °С: zno + С = zn + co. Образующиеся при этом пары металла конденсируют и разливают в изложницы. Сначала восстановление проводили только в ретортах из обожжённой глины, обслуживаемых вручную, позднее стали применять вертикальные механизированные реторты из карборунда, затем — шахтные и дуговые электропечи; из свинцово-цинковых концентратов Ц. получают в шахтных печах с дутьём. Производительность постепенно повышалась, но Ц. содержал до 3% примесей, в том числе ценный кадмий. Дистилляционный Ц. очищают ликвацией (т. е. отстаиванием жидкого металла от железа и части свинца при 500 °С), достигая чистоты 98,7%. Применяющаяся иногда более сложная и дорогая очистка ректификацией даёт металл чистотой 99,995% и позволяет извлекать кадмий.

Основной способ получения Ц. — электролитический (гидрометаллургический). Обожжённые концентраты обрабатывают серной кислотой; получаемый сульфатный раствор очищают от примесей (осаждением их цинковой пылью) и подвергают электролизу в ваннах, плотно выложенных внутри свинцом или винипластом. Ц. осаждается на алюминиевых катодах, с которых его ежесуточно удаляют (сдирают) и плавят в индукционных печах. Обычно чистота электролитного Ц. 99,95%, полнота извлечения его из концентрата (при учёте переработки отходов) 93—94%. Из отходов производства получают цинковый купорос, pb, cu, cd, au, ag; иногда также in, ga, ge, tl.

Применение. Около половины производимого Ц. расходуется на защиту стали от коррозии.

Поскольку Ц. в ряду напряжений стоит до железа, то при попадании оцинкованного железа в коррозионную среду разрушению подвергается Ц. Благодаря хорошим литейным качествам и низкой температуре плавления из Ц. отливают под давлением различные мелкие детали самолётов и др. машин. Сплавы меди с Ц. — латунь , нейзильбер , а также Ц. со свинцом и др. металлами широко применяются в технике. Ц. даёт с золотом и серебром интерметаллиды (нерастворимые в жидком свинце) и поэтому Ц. применяется для рафинирования свинца от благородных металлов. В виде порошка Ц. служит восстановителем в ряде химико-технологических процессов: в производстве гидросульфита, при осаждении золота из промышленных цианистых растворов, меди и кадмия при очистке растворов цинкового купороса и др. Многие соединения Ц. являются люминофорами , например три основных цвета на экране кинескопа зависят от zns ? ag (синий цвет), znse ? ag (зелёный цвет) и zn 3 (po 4 ) 2 ? mn (красный цвет). Важными полупроводниковыми материалами служат соединения Ц. типа a ii b vi — zns, znse, znte, zno. Магнитно-мягкими ферритами отечественных марок МН и hh являются соответственно марганец- и никель-цинковые шпинели.

Наиболее распространённые химические источники тока (например, Лекланше элемент , окиснортутный элемент ) имеют в качестве отрицательного электрода Ц.

Н. Н. Севрюков.

Ц. в организме. Ц. как один из биогенных элементов постоянно присутствует в тканях растений и животных. Среднее содержание Ц. в большинстве наземных и морских организмов — тысячные доли процента. Богаты Ц. грибы, особенно ядовитые, лишайники, хвойные растения и некоторые беспозвоночные морские животные, например устрицы (0,4% сухой массы). В зонах повышенных содержаний Ц. в горных породах встречаются концентрирующие Ц. т. н. галмейные растения . В организм растений Ц. поступает из почвы и воды, животных — с пищей. Суточная потребность человека в Ц. (5—20 мг ) покрывается за счёт хлебопродуктов, мяса, молока, овощей; у грудных детей потребность в Ц. (4—6 мг ) удовлетворяется за счёт грудного молока.

Биологическая роль Ц. связана с его участием в ферментативных реакциях, протекающих в клетках. Он входит в состав важнейших ферментов: карбоангидразы, различных дегидрогеназ, фосфатаз, связанных с дыханием и др. физиологическими процессами, протеиназ и пептидаз, участвующих в белковом обмене, ферментов нуклеинового обмена (РНК- и ДНК-полимераз) и др. Ц. играет существенную роль в синтезе молекул информационной РНК на соответствующих участках ДНК (транскрипция), в стабилизации рибосом и биополимеров (РНК, ДНК, некоторые белки).

В растениях наряду с участием в дыхании, белковом и нуклеиновом обменах Ц. регулирует рост, влияет на образование аминокислоты триптофана. повышает содержание гиббереллинов. Ц. стабилизирует макромолекулы различных биологических мембран и может быть их интегральной частью, влияет на транспорт ионов, участвует в надмолекулярной организации клеточных органелл. В присутствии Ц. в культуре ustilago sphaerogena формируется большее число митохондрий, при недостатке Ц. у euglena gracilis исчезают рибосомы. Ц. необходим для развития яйцеклетки и зародыша (в его отсутствии не образуются семена). Он повышает засухо-, жаро- и холодостойкость растений. Недостаток Ц. ведёт к нарушению деления клеток, различным функциональным болезням — побелению верхушек кукурузы, розеточности растений и др. У животных, помимо участия в дыхании и нуклеиновом обмене, Ц. повышает деятельность половых желёз, влияет на формирование скелета плода. Показано, что недостаток Ц. у грудных крыс уменьшает содержание РНК и синтез белка в мозге, замедляет развитие мозга. Из слюны околоушной железы человека выделен цинксодержащий белок; предполагается, что он стимулирует регенерацию клеток вкусовых луковиц языка и поддерживает их вкусовую функцию. Ц. играет защитную роль в организме при загрязнении среды кадмием.

М. Я. Школьник.

Медицинское значение Ц. Дефицит Ц. в организме ведёт к карликовости, задержке полового развития; при его избыточном поступлении в организм возможны (по экспериментальным данным) канцерогенное влияние и токсическое действие на сердце, кровь, гонады и др. Производственные вредности могут быть связаны с неблагоприятным воздействием на организм как металлического Ц., так и его соединений. При плавке цинкосодержащих сплавов возможны случаи литейной лихорадки . Препараты Ц. в виде растворов (сульфат Ц.) и в составе присыпок, паст, мазей, свечей (окись Ц.) применяют в медицине как вяжущие и дезинфицирующие средства.

А. А. Каспаров, Г. Н. Красовский.

Лит.: Краткая химическая энциклопедия, т. 5, М., 1967; Лакерник М. М., Пахомова Г. Н., Металлургия цинка и кадмия, М., 1969; Севрюков Н. Н., Кузьмин Б. А., Челищев Е, В., Общая металлургия, М., 1976; Парибок Т. А., О роли цинка в метаболизме, в сборнике: Биологическая роль микроэлементов и их применение в сельском хозяйстве и медицине, М., 1974; Ковальский В. В., Геохимическая экология, М., 1974; Школьник М. Я., Микроэлементы в жизни растений, Л., 1974; Пейве Я. В., Микроэлементы и ферменты, в сборнике: Физиологическая роль и практическое применение микроэлементов, Рига, 1976; bowen Н. j. М., trace elements in biochemistry, l. — n. y., 1966; Движков П. П., Соединения цинка, в кн.: Многотомное руководство по патологической анатомии, под ред. А. И. Струкова, т. 8, кн. 1, М., 1962; Вредные вещества в промышленности, под ред. Н. В. Лазарева, [т.] 2, М. — Л., 1965.

cкачать реферат по теме: "Цинк".

Назад



(С) Дистанционный творческий конкурс-проект "Моя Веб-страница", 2005
(С) Хмелев Алексей, 2005
http://www.eidos.ru/project/all/web/index.htm