Цинк

Сплавы цинка (латунь) были известны с глубокой древности (2400–2000 до н. э.). Получение латуни описал древнегреческий географ Страбон. Выделение металлического цинка при восстановительном процессе впервые осуществлено, по-видимому, в Индии в 13 в. н. э., затем в Китае, где в эпоху династии Мин использовались цинковые монеты. Промышленное производство цинка в Европе началось в 18 в. (Англия, Силезия, Бельгия). Происхождение названия элемента связывают с немецким Zinke – острие, зуб, благодаря внешнему виду металла.

Содержание цинка в земной коре 7,6·10^–3 % по массе. Элемент относится к халькофилам, важнейшие руды – сульфиды. По мере разрушения горных пород цинк выщелачивался и осаждался в виде карбонатов, силикатов или фосфатов. Известно свыше 70 минералов цинка, из них важнейшие: сфалерит (цинковая обманка) – кубическая модификация ZnS, его светлая разновидность – клейофан и чёрная – марматит; вюртцит – гексагональная модификация ZnS; смитсонит ZnCO₃ ; каламин (гемиморфит) Zn₄ [Si₂ O₇ ](OH)₂ ·H₂ O; цинкит (Zn,Mn)O, виллемит Zn₂ SiO₄ ; франклинит (Zn,Fe,Mn)(Fe,Mn)₂ O₄ . Минералы цинка обычно ассоциируются с минералами Рb и Сu в полиметаллических рудах. Постоянные спутники цинка в рудах – рассеянные элементы Cd, In, Ge, Ga, Tl.

Конфигурация внешней электронной оболочки атома цинка 3d¹⁰ 4s² ; в соединениях проявляет степень окисления +2; энергия ионизации Zn⁰ →Zn⁺ →Zn²⁺ →Zn³⁺ 906,4; 1733,3; 3832,6 кДж/моль; сродство к электрону 9 кДж/моль, электроотрицательность по Полингу 1,65; атомный радиус 133,2 пм, ионный радиус (пм, в скобках указано координационное число) Zn²⁺ 60 (4), 74 (6).

В свободном состоянии цинк – голубовато-белый металл. Кристаллическая решётка гексагональная плотноупакованная; t_пл 419,58 °C, t_кип 906,2 °C; плотность 7133 кг/м³ . Диамагнитен. Ниже 0,825 К – сверхпроводник. При комнатной температуре хрупок, при 100–150 °C становится пластичным и прокатывается в тонкие листы и проволоку, при 200–250 °C – очень хрупок, может быть истолчён в порошок. Цинковая пыль пирофорна.

Стандартный электродный потенциал для пары Zn²⁺ /Zn⁰ –0,76 В. Компактный цинк тускнеет на воздухе, покрываясь тонким слоем оксида ZnO. На воздухе сгорает с образованием ZnO. Реагирует с парáми воды при нагревании с выделением Н₂ , с кислотами и щелочами в водном растворе с образованием солей гидроксоцинкатов, например Na₂ [Zn(OH)₄ ]. Взаимодействует с галогенами и халькогенами, образуя галогениды и халькогениды. При действии Р образуются фосфиды Zn₃ P₂ и ZnP₂ . Получены арсениды аналогичного состава и стибиды Zn₃ Sb₂ , Zn₄ Sb₃ и ZnSb. Все соединения цинка с Р, As и Sb – полупроводники. Гидроксид и соли цинка растворимы в растворах NH₃ с образованием комплексных катионов, содержащих 1–6 молекул NH₃ . Комплексные аммиакаты хорошо растворимы в воде. Фосфид Zn₃ P₂ разлагается горячей водой и кислотами с выделением РН₃ , применяется как зооцид (родентицид). Ортофосфат Zn₃ (PO₄ )₂ – антисептик для древесины, инсектицид, компонент необрастающих красок. Стеарат (C₁₇ H₃₅ COO)₂ Zn – вспомогательный сиккатив, загуститель смазок, компонент косметических кремов, пудры и др. ZnO – пигмент (цинковые белила).

Цинк относится к микроэлементам; необходим для жизнедеятельности растений, животных и человека, т. к. входит в состав некоторых ферментов и гормонов.

Исходное сырьё – сульфидные цинковые и полиметаллические руды. Гидрометаллургический способ: огарок после обжига рудного концентрата обрабатывают отработанным электролитом, содержащим H₂ SO₄ . Полученный раствор ZnSO₄ очищают от примесей Fe, As, Sb, Al, In, Ga, Сu, Cd, Ni и Со. Из очищенного раствора цинк осаждают электролитически на алюминиевых катодах. Отработанный электролит возвращают на выщелачивание. Из отходов, получаемых при удалении примесей, попутно извлекают редкие элементы. Пирометаллургическое производство также начинают окислительным обжигом, а затем агломерат восстанавливают углём или коксом, при этом цинк отгоняется, его пары конденсируют и подвергают многоступенчатой очистке от примесей. Для получения цинка высокой чистоты используют дистилляцию в инертной атмосфере или в вакууме, ректификацию и зонную перекристаллизацию в атмосфере Аr.

Объём мирового производства 12,609 млн. т/год (2012).

Основная область использования цинка – антикоррозионные покрытия железа и стали и получение сплавов. Цинк применяют в аккумуляторах и сухих элементах, в типографском деле, в металлургии при рафинировании Рb от Ag и Аu, для выделения Cd, In, Au из растворов цементацией, в качестве восстановителя в органическом синтезе.

Цинк малотоксичен. Оксид и фосфид цинка токсичны. Растворимые соли вызывают расстройство пищеварения, раздражение слизистых оболочек.