Цинк

Общие сведения и методы получения

Цинк ( Zn )— тяжелый легкоплавкий металл синевато-белого цвета, Первые сведения о металлическом цинке относятся к V в. до и. э. Чи­стый цинк долгое время не удавалось получить, хотя сплав его с медью — латунь — был известен еще древним грекам и египтянам.

В 1746 г. Моргграф разработал способ получения металла прокали­ванием его оксида с углем без доступа воздуха в глиняных огнеупор­ных ретортах с последующей конденсацией паров цинка в холодильни­ках. Начало производства цинка в промышленном масштабе относится к XVII в.

Содержание цинка в земной коре 0,005 % (по массе)¹.

Известно 66 минералов циика, находящихся в полиметаллических рудах, содержащих свинец, медь и железо. Важнейшие из этих мине­ралов цинкит (красная цинковая руда) ZnO , сфалерит (или цинковая обманка) ZnS , виллемит Zn₂ Si0₄, каламин H₂Zn₂ Si0₄, смит-сонит ZnC 0₃, франклннит ZnFe₂0₄( Fe , Zn , Mn )0( Fe , Mn₂0₃).

В настоящее время половину производимого в мире цинка получа­ют гидрометаллургическнм способом, а половину—нирометаллургиче-ским. Независимо от способа получения производство цинка начинает­ ся с обогащения цинковых руд, так как они содержат небольшие коли­чества цинка (обычно 1 —3 %). При селективной флотации получают цинковые концентраты с 48—58 % Zn , 1—2 % РЬ, <2 % Си, 5—10 % Fe и около 30 % S и одновременно пиритные, медные и свинцовые кон­центраты.

Первая стадия переработки концентратов — обжиг. На всех совре­менных заводах обжиг ведут в кипящем слое или во взвешенном со­стоянии. В результате получают газы, содержащие 4—6 % S 0₂, которые поступают на производство серной кислоты.

При пирометаллургнческом производстве обжиг совмещают с агло­мерацией, добиваясь, чтобы шихта для последующей дистилляции бы­ла кусковой и газопроницаемой. Дистилляпию ведут в ретортах нагре­вом до 1250—1300 °С смеси обожженного концентрата с коксом. Цинк при этом восстанавливается и испаряется. Пары цинка в смеси с окси­дом углерода направляются в конденсатор, в котором при температуре 450—500 °С образуется жидкий цинк.

Циик, полученный дистилляционным способом, содержит от 1 до 3 % примесей, и его подвергают рафинированию сначала ликвацией (от свинца и железа), затем ректификацией (от свинца, кадмия, меди, мышьяка и других примесей). После ректификации металл содержит 99,995 % Zn .

Предварительно очищенный и подвергнутый 26-кратной зонной плав­ке в токе азота металл содержит 99,999995 % Zn .

Физические свойства

Атомные характеристики. Атомный номер 30, атомная масса 65,37 а. е. м., атомный объем 9,15*10^-6 м³/моль, атомный радиус 0,139 нм, ионный радиус Zn ²⁺ 0,83 нм. Значения потенциалов иониза­ции / (эВ): 9,39; 17,96; 39,70. Электроотрицательность 1,6. Кристалли­ческая решетка цинка — гексагональная плотноупакованная с периода­ми а=0,2664 и с=0,4946 нм, с/а— 1,856. Энергия кристаллической ре­шетки 131,5 мкДж/кмоль. Координационное число 6; 6. Межатомные расстояния 2,66; 2,91 нм. Конфигурация внешних электронных оболо­чек 3 d^I0 4 s ² . Природный цинк состоит из стабильных изотопов ⁶⁴ Zn (48,89 %), w_Zn (28,81 %), ⁶⁷ Zn (2,07 %), ⁶⁸ Zn (18,61 %) и ⁷⁰ Zn (0,62 %). Известны девять радиоактивных изотопов, важнейшие из них ⁶⁵ Zn с пе­риодом полураспада 250 дней.

Химические свойства

Нормальный электродный потенциал реакции Zn —2 e ^* Zn ²⁺ ф₀= = -0,76 В.

На воздухе цинк тускнеет, покрываясь тонким слоем оксида, кото­рый предохраняет металл от дальнейшего окисления. Влажный воздух, особенно прн наличии сернистого ангидрида или углекислого газа, вы­зывает разрушение цинка при комнатной температуре.

Большое влияние на скорость коррозии в нейтральной среде оказы­вает температура: до 50 °С ее влияние незначительно, в интервале 50— 70 °С скорость коррозии возрастает, достигает максимума, а затем при дальнейшем повышении температуры падает. Это объясняется тем, что на поверхности возникает плотная защитная пленка, которая с повы­шением температуры образует продукты коррозии с низкими защитными свойствами. При сильном нагревании на воздухе цинк сгорает, при этом образуется дым белого цвета ( ZnO ).

В атмосфере сухого кислорода оксидная пленка на поверхности цин­ка появляется лишь выше —150 °С, до этой температуры ои остается блестящим. Жидкий цинк прн 400 °С быстро окисляется и покрывается серой коркой оксида. Растворимость водорода в расплавленном цинке при 512 "С составляет 0,0018 см³ на 100 г металла. Водород вызывает повышенную хрупкость и снижает пластичность.

При нагреве цинка в атмосфере азота прн 600 °С образуется нитрид 2пз1Чг; при взаимодействии с некоторыми органическими соединениями Zn ( N ₃ )₂.

При нагреве до температуры кипения цинк растворяет незначитель­ные количества (следы) углерода. Карбидных соединений не образует.

С сухими фтором, хлором, бромом и иодом при комнатной темпера­туре не взаимодействует. При высоких температурах вступает в реак­цию. В присутствии паров воды цинк может воспламеняться с образо­ванием соответствующего галогеннда ( ZnCl ₂ , ZnBr ₂ и т. д). С серой цинк образует сульфид ZnS .

Органические и неорганические кислоты образуют с цинком соответ­ствующие соли (нитраты, сульфаты, ацетаты и др.). Цинк чистотой 99,9— 99,99 % легко растворяется в кислотах, а чистотой 99,999 % и более не растворяется даже при нагреве.

Циик взаимодействует со многими цветными металлами—алюмини­ем, медью и др.

Электрохимический эквивалент 0,33875 мг/Кл.

Области применения

Примерное назначение цинка различных марок:

— ЦВ00: для производства химически чистых реактивов; для нужд электротехнической промышленности и для научных целей;

— ЦВО, ЦВ1: для нужд полиграфической и автомобильной промыш­ленности;

— ЦВ: для отливаемых под давлением особо ответственных дета­лей авиа- и автоприборов; для изготовления оксида циика, применяемо­го в химико-фармацевтической промышленности; для химически чистых реактивов; для получения цинкового порошка, используемого в произ­водстве аккумуляторов;

— ЦОА: для листов, применяемых в производстве гальванических эле­ментов; для отливаемых под давлением ответственных деталей авиа- и автопрнборов; для изготовления цинковых сплавов, обрабатываемых давлением; для горячего и гальванического оцинковаиия изделий и полуфабрикатов; для изготовления высококачественных сухих цинко­вых белил; для изготовления цинкового порошка; для легирования алю­миниевых сплавов;

— Ц0: для листов, применяемых в производстве гальванических эле­ментов; для отливаемых под дав чен^ем отечественных деталей авиа- и ав-топрииоров; для изготовления цинковых сплавов, обрабатываемых давлением; для горячего и гальванического оцииковаиия изделий и полу­фабрикатов, в том числе на непрерывных агрегатах оцинкования; для изготовления муфельных и печных цинковых белил; для изготовления цинкового порошка; для легирования алюминиевых сплавов;

■—Ц1: для производства сплавов, обрабатываемых давлением (в том числе для листов); для изготовления гальванических элементов (отлив­ки); для гальванического оцинкования в виде анодов; для горячего оцинкования изделий и полуфабрикатов; для изготовления муфельных и печных сухих цинковых белил; для специальных латуней, медноцннко-вых сплавов; для приготовления флюса при лужении жести для консерв­ных баиок; для изготовления цинкового порошка, применяемого в хи­мической и металлургической промышленности;

— Ц2: для производства листов; для медноцинковых сплавов и бронз; для изготовления проволоки для металлизации; для горячего оцинкования изделий и полуфабрикатов; для изготовления цинкового по­рошка, применяемого в химической и металлургической промышленности,

— ЦЗ: для производства цинковых листов, в том числе предназна­ченных для полиграфической промышленности, для обычных литейных и свинцовистых медноцинковых сплавов; для горячего оцинкования из­делий и полуфабрикатов; для изготовления цинкового порошка, приме­няемого при производстве циика.

Значительное количество циика идет на цинкование железа и спла­вов на его основе в целях предохранения их от коррозии. Цинк исполь­зуется для получения сплавов с медью (латуни), с медью и оловом (бронзы), с никелем (мельхиор), с медью и никелем (нейзильбер), а также для изготовления подшипниковых сплавов (типа ЦАМ).

Широкое применение нашли изделия, получаемые литьем под давле­нием (авиационная, автомобильная и другие отрасли промышленности).

В последние годы цинк используют в космической технике (покрытия стартовых конструкций для запуска ракет, краска из сульфида цинка для покрытия космических кораблей). Сульфид цинка используется для обнаружения а-, В- и у- радиации, а цинксеребряные оксидные ба­тареи вследствие высокой мощности (в 5—6 раз большей, чем мощность лучших батарей других типов) служат в качестве источников энергии в космических кораблях.

Антимонид цинка используют в качестве полупроводника, оксид цин­ка— при производстве резины и ее обработке, при производстве краски (цинковые белила).

Цинк применяют также для изготовления медицинских препаратов.