Цинк

Цинк - химический элемент с атомным номером 30, простое вещество которого - вязкий голубовато-серый металл. Цинк относится к 12 группы периодической таблицы и по своим химическим свойствам близок к магния в том смысле, что имеет степень окисления +2. Цинк двадцать четвёртым по распространенности химический элемент в земной коре. Чаще всего он встречается в виде сульфида, его основная порода - сфалерит ( цинковая обманка).

1. История

Хотя человечество очень давно использовали латунь - сплав меди с цинком, выделение цинка, как отдельного элемента произошло сравнительно поздно. Древние римляне получали латунь, нагревая каламин с древесным углем и медью.

2. Происхождение названия

Различные алхимические символы цинка.

Считается, что название цинка дал Парацельс, пожалуй, как производную от слова нем. Zinke - Зубчатый. По другой версии слово цинк могло быть производной от персидского سنگ (Сенг), что означает "камень".

3. Изотопы

В природе встречается пять изотопов цинка, среди которых чаще встречается ⁶⁴ Zn (48.63% от общего числа) ^[1]. Период полураспада 4.3 ^{18 октября} лет этого изотопа настолько велик, что его радиоактивности можно пренебречь ^[2]. Аналогично, обычно не считается радиоактивным ⁷⁰ Zn (0.6%) с периодом полураспада 1.3 ^{16 октября} лет . В природе встречаются также ⁶⁶ Zn (28%), ⁶⁷ Zn (4%) и ⁶⁸ Zn (19%).

Зарегистрировано много радиоактивных изотопов. ⁶⁵ Zn с периодом полураспада 243.66 дней живет дольше с ним. За ним идет ⁷² Zn с периодом полураспада 46.5 часов ^[1]. Существует 10 ядерных изомеров цинка. Среди них наибольший период полураспада имеет ^69m Zn - 13.76 часов ^[1]. Верхний индекс m обозначает, что этот изотоп метастабильное. Ядро метастабильного изотопа находится в возбужденном состоянии, из которого возвращается в основное состояние, излучая фотон, гамма-квант. Изотоп ⁶¹ Zn имеет три возбужденных состояния, а изотоп ⁷³ Zn - два ^[3]. Изотопы ⁶⁵ Zn, ⁷¹ Zn, ⁷⁷ Zn и ⁷⁸ Zn имеют один возбужденное состояние ^[1].

Обычно радиоизотопы цинка массовым числом, меньшим чем 66 распадаются с захватом электрона. Продуктом распада в таком случае один из изотопов меди ^[1]

ⁿ Zn + e ^- → ⁿ Cu

Для изотопов с массовым числом, большим чем 66, привычным каналом распада является бета-распад (β ^-), при котором образуются изотопы галлия ^[1]

ⁿ Zn → ⁿ Ga + e ^- + ν ^e .

4. Образование

Цинк слишком тяжелый, чтобы образовываться внутри звезд, поэтому основным механизмом его нуклеосинтеза является R-процесс, происходящий при взрыве сверхновых.

5. Получение

В мире ежегодно производится 10 миллионов тонн цинка. Это четвертый по объему использования металл после железа, алюминия и меди. В основном сырьем служат сернистые руды, в которых сфалерит смешанный с сульфидами других металлов.

Цинк в природе как самородный металл не встречается. Его добывают из полиметаллических руд, содержащих 1-4% Zn в виде сульфида, а также Cu, Pb, Ag, Au, Cd, Bi. Руды обогащают селективные 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 цинка в оксид ZnO, при этом образуется сернистый газ SO _2, затрачиваемого на производство серной кислоты. От ZnO к Zn идут двумя путями. По пирометаллургических (дистилляционных) способом, который существует издавна, обожженный концентрат подвергают спеканию для увеличения зернистости и газопроницаемости, а затем восстанавливают углем или коксом при 1200-1300 С: ZnO + С = Zn + CO. Образовавшуюся при этом пару металла конденсированных и разливают в формы. Сначала восстановление проводили только в ретортах из обожженной глины, обслуживаемых вручную, позднее стали применять вертикальные механизированные реторты из карборунда, затем - шахтные и дуговые электропечи; из свинцово-цинковых концентратов цинк получают в шахтных печах с дутьем. Производительность постепенно повышалась, но цинк содержал до 3% примесей, в том числе и ценный кадмий. Дистилляцийно цинк очищают ликвацией (т.е. отстаиванием жидкого металла от железа и части свинца при 500 C), достигая чистоты 98,7%. Применяют иногда более сложное и дорогое очистки - ректификацию, она дает металл чистотой 99,995% и позволяет извлекать из цинка кадмий.

Основной способ получения цинка - электролитический (гидрометаллургический). Обожженные концентраты обрабатывают серной кислотой; полученный сульфатный раствор очищают от примесей осаждением их цинковой пылью и подвергают электролиза в ваннах, плотно выложенных внутри свинцом или винипластом. Цинк осаждается на алюминиевых катодах, с которых его ежесуточно удаляют (сдирают) и плавят в индукционных печах. Обычно чистота электролитного цинка 99,95%, полнота извлечения его из концентрата (с учетом переработки отходов) 93-94%. Из отходов производства получают цинковый купорос, Pb, Cu. Cd, Au, Ag, иногда также In, Ga, Ge, Tl.

6. Применение

Цинк используется как антикоррозионный материал, им покрывают изделия из стали и железа (цинкование), а также как конструкционная материал для цинкографии анодов, использованных в электролизерах и в гальванических элементах.

Используется также в латуни как сплав цинка медью.

Оцинкованная поверхность

7. Биологическая роль

Цинк влияет на активность тропных гормонов гипофиза, участвует в реализации биологических функций инсулина, нормализуя жировой обмен. Цинк участвует в кроветворении, а также необходим для нормального функционирования гипофиза, поджелудочной железы, семенных пузырьков. Соединения цинка используют в медицине в качестве лекарственных средств.

8. Негативное влияние

Избыток цинка в организме может привести к общей интоксикации и мутаций ДНК.

См.. также

• Полиметаллические руды
• Свинцово-цинковые руды
• Ресурсы и запасы цинка

9. Сноски

Литература

• Глоссарий терминов по химии / / Й.Опейда, О.Швайка. Ин-т физико-органической химии и углехимии им .. Л.М.Литвиненка НАН Украины, Донецкий национальный университет - М.: "Вебер", 2008. - 758 с. ISBN 978-966-335-206-0
• Горный энциклопедический словарь: в 3 т. / Под ред. В. С. Белецкого. - Донецк: Восточный издательский дом, 2001-2004. ISBN 966-7804-19-4