Цинк


Цинк (Zn) — элемент с атомным номером 30 и атомным весом 65,39 побочной подгруппы второй группы, четвертого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. Цинк при нормальных условиях — хрупкий переходный металл голубовато-белого цвета. На воздухе тускнеет, покрываясь при этом тонкой пленкой оксида цинка, предохраняющей его от дальнейших преобразований. При кристаллизации имеет гексагональную решетку. Элемент имеет пять стабильных изотопов с массовыми числами 64, 66. 67, 68 и 70. Самый распространенный 64Zn (48,89 %). Искусственно удалось получить девять радиоактивных изотопов. Наиболее долговечным из них оказался 65Zn, у которого период полураспада составил 245 суток, он нашел применение в виде изотопного индикатора.
Сплав цинка с медью — латунь — был известен еще в древние времена, им пользовались и греки, и египтяне. Упоминание о цинке встречается в трудах Парацельса и некоторых других ученых XVI—XVII вв. и, скорее всего, слово «цинк» в этих работах относилось к древнегерманскому «цинко» — налет, бельмо на глазу. В чистом же виде цинк выделить не могли до конца XVIII века, пока в 1746 году А. С. Маргграф не вывел метод получения цинка путем прокаливания смеси его окиси с углем без доступа воздуха в огнеупорных сосудах из глины с последующим осаждением паров цинка в холодильниках.
Применение цинка весьма разнообразно. Большая часть его расходуется для создания покрытий на железных и стальных изделиях, предназначенных для работ в атмосферных условиях или в воде. При этом цинковые покрытия в течение многих лет отлично защищают основной металл от коррозии. Правда, в тяжелых — стрессовых условиях (высокая влажность, значительные колебания температуры, нахождение в морской воде) — цинковые покрытия неэффективны. Механические и коррозионные свойства цинка зависят от присутствия в нем небольших количеств примесей других металлов. Так, примесь железа повышает хрупкость цинка и его сплавов и затрудняет их обработку, а также резко увеличивает скорость коррозии цинка в кислотах. Поэтому высококачественные сплавы цинка содержат мизерные доли примесей других металлов. Например, примесь железа не должна превышать 0,1 %, а свинца и того меньше — 0,01 %. Кроме того, широкое промышленное применение имеют сплавы цинка с медью, алюминием и магнием. Значительное количество цинка расходуется для производства гальванических элементов. Наиболее распространенным является марганцово–цинковый элемент.
Биологическая роль цинка имеет две стороны — светлую и темную. Цинк участвует в ферментативных реакциях, протекающих в клетках. Известно, что цинк — обязательный компонент фермента крови карбоангидразы, содержащегося в эритроцитах. Этот фермент ускоряет выделение углекислого газа в легких. Цинк участвует в синтезе молекул информационной РНК на соответствующих участка ДНК, в стабилизации рибосом и биополимеров. Растениям цинк необходим для роста, участвует в обменных процессах. У некоторых видов беспозвоночных животных этот металл выполняет те же функции, что и железо в крови позвоночных. Недостаток цинка в живых организмах вызывает множество заболеваний, задержку развития, снижение иммунитета. Темная же сторона цинка проявляется в высокой токсичности его соединений, особенно сульфата и хлорида. Установлено, что большое количество цинка содержится в яде змей, особенно кобр и гадюк. Богаты цинком и ядовитые грибы. Переизбыток цинка в организме человека отражается в виде вялости, вызывает резкий дефицит меди, растворимые соединения цинка могут вызвать опасные отравления.

Биологические свойства


Цинк является одним из наиболее жизненно важных микроэлементов. Дело в том, что он необходим для нормального функционирования каждой клетке организма. Но об этом узнали всего лишь чуть более ста лет назад, ведь концентрация цинксодержащих ферментов мала. В норме организм взрослого человека должен содержать 2-3 грамма этого микроэлемента. Основные места его накопления — кожные покровы, печень, почки, сетчатка глаз, предстательная железа у мужчин. 

Цинк входит в состав более 80-ти ферментов в организме человека, он необходим для образования эритроцитов и других форменных элементов крови. Цинк является компонентом таких жизненно важных гормонов, как инсулин, соматотропин, кортикотропин, гонадотропины.

Элемент № 30 является важным компонентом ряда металлоферментов, таких как карбоангидраза, различные дегидрогеназы, фосфатаз, связанных с дыханием и другими физиологическими процессами. Они катализируют гидролиз пептидов, белков, некоторых эфиров и альдегидов. 

Карбоангидраза является первым открытым цинксодержащим ферментом, произошло это в 1940 году. Она ускоряет выделение углекислого газа в легких, помогает превратить часть CO2 в ион НCO3–, играющий важную роль в обмене веществ. В эритроцитах (карбоангидраза содержится в эритроцитах) прямая реакция (гидратация) происходит при поглощении диоксида углерода кровью в тканях, а обратная реакция (дегидратация) протекает, когда диоксид углерода высвобождается в легких. Карбоангидраза увеличивает скорости этих реакций примерно в миллион раз.

Цинк играет существенную роль в синтезе молекул информационной РНК на соответствующих участка ДНК (транскрипция), в функционировании Т-клеточного звена иммунитета, в метаболизме липидов и белков, в стабилизации рибосом и биополимеров. Цинк способен корригировать адаптационные механизмы при гипоксемических состояниях, увеличивать емкостные и транспортные способности гемоглобина по отношению к кислороду. Наряду с противоокислительным действием цинк уменьшает неспецифическую проницаемость мембран клеток, являясь их протектором, и участвует в предотвращении фиброза. Считают, что цинк обладает антиоксидантными свойствами, а также улучшает действие других антиоксидантов. Цинк участвует в обмене углеводов за счет инсулина, кроме того, витамин A усваивается организмом только в присутствии цинка, витамины C и E слабоусвояемы без этого элемента. Этот микроэлемент необходим при формировании костей.

Суточная потребность человека в цинке 5-20 мг покрывается за счет хлебопродуктов, молока, мяса, яиц. Богаты цинком отруби, семена тыквы и подсолнечника, грибы и устрицы. Гораздо меньше цинка содержится в овощах и фруктах, поэтому у вегетарианцев и людей, употребляющих недостаточное количество продуктов, содержащих этот микроэлемент, может развиться его дефицит. Регулярное употребление соленой и сладкой пищи также может вызвать снижение цинка в организме.

Дефицит цинка ослабляет устойчивость десен к проникновению бактерий, в результате чего может развиться гингивит или периодонтит — хронические инфекционные заболевания десен, недостаточное содержание цинка в организме нарушает усвоение глюкозы клетками хрусталика глаза и способствует образованию катаракты и развитию макулодистрофии сетчатки. Одной из причин бесплодия, а также снижения секреции мужского полового гормона — тестостерона также является дефицит цинка.

Во время беременности содержание цинка в организме женщины снижается на 30 %, что приводит к нарушениям вкусовых и обонятельных функций. Страшнее другое последствие недостатка цинка — повышается вероятность выкидыша и преждевременных родов, возможность рождения ребенка с недобором веса.

Дефицит цинка приводит к остеопорозу — ослаблению костей и повышению их ломкости, особенно у пожилых людей. Даже небольшая нехватка цинка в организме может понизить способность иммунной системы противостоять опухолевым клеткам.

Интересные факты


Кроме всего прочего цинк по праву считается элементом красоты. В Древнем Китае (около 1500 г до н. э.) женщины втирали в кожу лица жемчуг, который очень богат этим микроэлементом. Такая косметическая процедура придавала коже здоровый вид и неповторимый блеск. Это не удивительно, ведь цинк улучшает вид и цвет кожи, принимает активное участие в переработке жирных кислот, влияя тем самым на процессы регенерации. Измельченный жемчуг использовался для изготовления косметики — теней, пудры, помады. Невероятно, но многие китаянки по сегодняшний день едят порошок из жемчуга или пользуются косметикой с его экстрактом.

Эталон обаяния и женской красоты царица Клеопатра сохраняла свою привлекательность благодаря ваннам из козьего молока, которое богато цинком.

Суточная потребность организма в цинке 6 мг у грудных детей удовлетворяется за счет грудного молока. Взрослому человеку необходимо 15-20 мг, беременным женщинам 30 мг. Ежедневно организм тратит 3 мг этого ценного микроэлемента при потении!

Американское общество прогресса науки на одной из своих конференций постановило, что: "Так как недостаток цинка в организме человека оказывает отрицательное влияние на его здоровье, нарушает рост и развитие человеческого организма и вызывает многие другие болезненные состояния, следует признать цинк жизненно необходимым для человека элементом". Данный факт был занесен в резолюцию.

Георгиевский зал – один из великолепнейших и грандиозных залов Большого Кремлевского дворца в Москве имеет 18 витых колонн отлитых из цинка, которые обрамлены прекрасными орнаментами, статуями побед с венками из лавра и  памятными датами работы скульптора И. П. Витали. Одна из таких статуй создана в честь воссоединения Украины с Россией.

Хорошо известно, что много цинка содержится в яде змей, особенно гадюк и кобр. Но также известно, что соли цинка специфически угнетают активность этих же самых ядов; как показали опыты, под действием солей цинка яды не разрушаются. Казалось бы, это противоречие, но оно объясняется. Высокое содержание цинка в яде — это то средство, которым змея от собственного яда защищается!

На Алтае нередко можно встретить полосатую «бурундучную» руду — смесь цинковой обманки ZnS и бурого шпата. Кусок такой руды издали действительно похож на затаившегося полосатого зверька.

По преданиям, существующим у разных народов (в основном у славян), папоротник зацветает только в ночь под Ивана Купалу (24 июня), сорвавший такой цветок может увидеть спрятанные в земле сокровища, стать невидимым, узнать полезные свойства растений. Цветок папоротника мог предохранить поле от стихийных бедствий, наделить властью над нечистой силой. По этой причине ведьмы и черти якобы стремятся завладеть цветком и всячески мешают человеку добраться до него. В действительности папоротник как споровое растение не цветет вообще, однако, «папоротниковые цветы» встречаются — так называют характерные узоры цинковых покрытий. Такие узоры получают благодаря особым добавкам сурьмы (до 0,3%) или олова (до 0,5%), которые вводят в ванны горячего цинкования.

Уровень цинка значительно ниже в организме курильщиков и алкоголиков! Кроме того, в некоторых регионах (например, Ближнего Востока) в связи с небольшим содержанием цинка в почве снижена его концентрация в пищевых продуктах.

Многочисленные проявления дефицита цинка в организме часто сходны с теми, которые развиваются при синдроме преждевременного старения.

Количество цинка существенно снижается при чрезмерной очистке и переработке продуктов. Так, в коричневом рисе в 6 раз больше цинка, чем в белом рисе после его шлифовки.

История


Цинк не имеет истории открытия. Это относится и к другим металлам древности – медь, железо, серебро, золото, свинец, ртуть и олово. Имена первооткрывателей этих элементов нам не известны, потому что теряются в веках.

Ранняя известность цинка объясняется тем, что получение сплавов этого металла из полиметаллических руд не требует выделения самого цинка. Так латунь – сплав меди с цинком — использовалась в древнем мире (Греция, Египет) еще в 1500 г. до н. э., о чем свидетельствуют находки в Палестине, датированные 1400–1000 гг. до н. э. Причем в древнеегипетских образцах меди содержание цинка мало, что лишь отражает состав местных руд, но еще не говорит об использовании самого цинка. Однако в образцах палестинской латуни содержание цинка достигает порядка 23 %, что уже говорит о целенаправленном смешивании медной и цинковой руд.

У Аристотеля, Гомера и Плиния Старшего есть описание получения латуни путем восстановления особенного камня — χαδμεια (кадмея) углем в присутствии меди. Кроме того, Аристотель упоминал о меди, которую добывают в Индии, и которая «отличается от золота только вкусом». Латунь получали и на Кипре, позднее в Германии (район Кельна).

Точной даты первого получения металлического цинка нет. Исторические документы говорят о том, что в Индии его получали еще в V в. до н.э. Со времен Парацельса используются глазные капли на основе цинка (0,25%-ный раствор ZnSO4). Римский историк Страбопа описывает получение цинка («тутии» или фальшивое серебро), эти описания можно датировать 60-20 годами до н. э. Но можно ли доверять этим источникам, если в дальнейшем искусство получения металлического цинка в Европе было утрачено на многие века?

В Средневековой Европе производства цинка не было, получали его побочно в небольших количествах при производстве свинца, серебра и латуни. Хотя еще в конце XIII в. Марко Поло описывал, как получают этот металл в Персии. Зато с 1605 г. цинк активно импортировался из Китая, где его получали со времен династии Минь (1368–1644). При первых попытках выплавить металлический цинк у алхимиков получился белый налет, который они называли по-разному: либо «философской птерстью» (lana philosophica), либо «белым снегом (nix alba). На самом деле, это была окись цинка ZnO.

Наладить производство металлического цинка в Европе удалось после того, как цинкосодержащую руду стали восстанавливать в закрытых ретортах без доступа воздуха. Технология получения такого «чернового» цинка используется и в наше время. Затем его очищают рафинированием. Европейская цинковая промышленность появилась в районе Бристоля (Англия) в начале XVIII века, ее продукция быстро проникла в Бельгию и Силезию.

Современное латинское название zincum переводится как «белый налет». Этимологию этого слова точно установить сложно. Некоторые историки при поддержке лингвистов считают, что оно восходит к персидскому «ченг», но это обозначение не относится конкретно к цинку, подразумеваются камни. Историки и лингвисты из другого «лагеря» считают, что это слово связано с древнегерманским «цинко», означавшим, в частности, бельмо на глазу. Есть и третье мнение, которое кажется наиболее правдоподобным. Согласно этой версии, слово zincum происходит от zinke, что по-немецки значит «острие», или «зуб». Это к тому же подтверждается и  внешним видом металла — кристаллы металлического цинка похожи на иглы. Следует учесть, что общепризнанным название «цинк» стало лишь в двадцатых годах этого столетия. За долгие столетия своей известности человечеству этот металл не один раз менял имя: «спелтер», «тутия», «шпиаутер».

Нахождение в природе


Общее содержание цинка в земной коре составляет приблизительно 0,01 % (масс.). Распределен он, естественно, неравномерно: в основных изверженных породах его концентрация выше (1,3•10-2 %), чем в кислых породах (6•10-3 %). Цинк распространен примерно так же, как рубидий (7,8•10–3 %), и немногим больше, чем медь (6,8•10–3 %).

В природе этот элемент как самородный металл не встречается. Кроме того, необходимо учесть, что почти не существует и чисто цинковых руд. Соединения этого металла (обычно 1...5 % в пересчете на металл) входят в состав полиметаллических руд. Только после обогащения цинковые концентраты содержат от 48 до 65 % Zn, до 12 % железа, до 2 % меди, до 2 % свинца и, кроме того доли процента рассеянных и редких металлов.

На данный момент науке известно 66 минералов элемента под номером 30, из которых важнейшими являются: сульфид цинка — сфалерит или цинковая обманка ZnS, карбонат цинка — каламин-смитсонит ZnCO3 (в Европе известный, как каламин, а в США смитсонит — в честь Джеймса Смитсона, основателя Смитсонианского Института в Вашингтоне), цинкит, виллемит. Франклинит ZnFe2O4 и гемиморфит Zn4Si2O7(OH)2•H2O — минералы меньшей значимости.

Цинк активно переносится водными потоками, особенно такая миграция этого металла характерна для термальных вод, где цинк переносится вместе со свинцом. Впоследствии из таких потоков осаждаются сульфиды цинка, которые занимают важнейшее место в промышленности. Активная миграция Zn происходит в поверхностных и грунтовых водах. Основным осаждающим элементом для цинка, содержащегося в водных пластах, является сероводород (H2S), гораздо менее интенсивно он поглощается песчано-глинистыми почвами, прочие процессы также незначительно осаждают цинк.

Цинк, как один из биогенных элементов постоянно присутствует в тканях животных и растений. Среднее содержание этого металла в большинстве живы организмов планеты — 5•10-4 %. Устрицы — основные концентраторы цинка, содержание металла в них достигает 0,7 % (в сухом веществе). Большое количество этого элемента содержится в грибах, лишайниках, хвойных растениях. Многие растения — накопители цинка, так подорожник может служить индикатором того, что почва богата этим элементом. В зонах повышенных содержаний цинка в горных породах встречаются концентрирующие цинк так называемые галмейные растения. К ним относится высокогорное растение ярутка из семейства крестоцветных, которая способна поглощать цинк и кадмий из почвы. В человеческом организме цинк находится во всех клетках, особенно накапливаясь в тканях мозга, глаз, мышц, печени и детородных органах. В среднем человек является носителем 2-2,5 грамм этого металла, что превышает приблизительно в двадцать раз содержание других микроэлементов (кроме железа).

Добыча цинксодержащих руд производится в полусотне стран, лидирующие позиции принадлежат Канаде по данным конца 90-х годов XX века (16,5 % от общемировой добычи, а это 1113 тыс. т), кроме того, эта страна обладает самыми большими запасами цинковых руд. Другие страны, обладающие немалыми запасами цинка и активно разрабатывающими свои месторождения — Китай (13,5 %), Австралия (13 %), Соединенные Штаты Америки (10 %), Перу (10 %), Ирландия (3 %) и другие.

В Российской Федерации цинк в основном добывается из полиметаллических руд месторождений расположенных в горах Южной Сибири, Приморья, а также извлекается из медноколчеданных руд Урала.

Что касается стран СНГ, то большими запасами облает Казахстан (половина добываемого цинка во всех странах бывшего СССР), основным концентратором цинка, в котором является Рудный Алтай. Таджикистан, Азербайджан и Узбекистан также производят собственную добычу цинка.

Применение


Более половины производимого в мире цинка расходуется на защиту сталей от коррозии — оцинкование. Механизм этой защиты иной, чем у других антикоррозионных покрытий: кобальта, никеля, кадмия, олова — все эти элементы в ряду активности металлов стоят после железа. Это значит, что они химически более стойки, чем железо, они «прикрывают» стальную поверхность от воздействия окружающей среды. Цинк же, наоборот, химически активнее, чем железо, он реагирует с агрессивными компонентами атмосферы раньше. Получается, что цинк не просто механически защищает железо от внешних воздействий, он его химически защищает. При наличии влаги между цинком и железом образуется микрогальванопара, в которой в качестве анода выступает цинк. При возникающем электрохимическом процессе разрушается цинк, сохраняя в безопасности основной металл. Такое покрытие будет эффективно работать, даже если произошло нарушение целостности — скол или царапина.

Существует несколько способов нанесения цинка на стальную поверхность. Самый старый и давно проверенный — оцинкование стали, то есть погружение в расплавленный цинк. Современные методы — электролитическое осаждение, нанесение жидкого металла из краскопультов, метод шерардизации (по имени изобретателя), при котором происходит диффузия порошкообразного цинка и металла заготовки.

Оцинкованная жесть применяется в качестве кровельного материала, идет на изготовление предметов находящихся в частом контакте с водой (ведра, баки).

Велико значение и сплавов цинка с другими металлами. Так давно известная латунь (сплав меди и цинка) идет на изготовление конденсаторных трубок, патронных гильз, различной запорной арматуры, радиаторов и многого другого. Введенный в определенных концентрациях цинк всегда улучшает механические свойства меди (ее прочность, пластичность, коррозионную стойкость). Кроме того, такое введение удешевляет сплав – ведь цинк намного дешевле меди. 

Другой не менее известный сплав цинка с медью — бронза. Считается, что бронза — это сплав меди и олова, но сплав ОЦС-3-12-5 считается бронзой, но цинка в нем в четыре раза больше, чем олова, примерно такая же ситуация и с бронзой марки  БХ-1, в которой содержание олова от 4 до 7 %, а цинка от 5 до 8 %.

Не так давно появились антифрикционные сплавы на основе цинка. При небольших нагрузках они заметно уступают баббитам и бронзам, но эти материалы прекрасно выдерживают большие нагрузки при высоких скоростях в условиях, когда баббиты начинают выкрашиваться.

Цинковые сплавы стали использоваться в полиграфии, постепенно вытесняя сурьмяно-оловянно-свинцовый сплав гарт для отливки шрифтов. Теперь все чаще стали использовать сплав № 3, содержащий 95 % цинка, 3 % алюминия и магний. Из цинка делают клише, позволяющие воспроизвести в печати рисунки и фотографии.

Чистый цинк в виде пыли применяют для вытеснения золота и серебра из цианистых растворов; для очистки раствора сульфата цинка от меди и кадмия. Цинк применяется при отделении свинца от благородных металлов, так как образует с ними интерметаллиды  нерастворимые в жидком свинце. В пиротехнике цинковую пыль применяют, чтобы получить голубое пламя. Порошкообразный цинк используют в приготовлении специальной защитной краски для технических объектов и строений. Листы из чистого цинка широко применяют в производстве гальванических элементов.

Большое применение находят соединения цинка. Основное промышленное применение оксида цинка ZnO — производство резины, в котором он сокращает время вулканизации исходного каучука. При смешивании с олифой оксид цинка превращается в цинковые белила, используемые малярами. Кроме того, ZnO увеличивает срок жизни стекла и поэтому используется в производстве специальных стекол, эмалей и глазурей. Еще одна важная область применения — в составе нейтрализующих косметических паст и фармацевтических препаратов.

Хлорид цинка ZnCl2 применяют в производстве текстиля, кроме того, он используется как антисептик для древесины и при изготовлении пергамента. Хлорид цинка используют в ряде металлургических флюсов. С помощью раствора ZnCl2 очищают металлы перед пайкой.

Теллурид цинка ZnTe используется как материал для фоторезисторов, приемников инфракрасного излучения, дозиметров и счетчиков радиоактивного излучения. Кроме того, он служит люминофором и полупроводниковым материалом, в том числе в лазерах.

Производство


Известно, что чисто цинковые руды в природе почти не встречаются. Соединения цинка входят в состав полиметаллических руд, обычно содержащих 1-5 % Zn в пересчете на металл. Поэтому их предварительно обогащают, получая цинковый концентрат, который может содержать 50–65 % цинка, до 12 % железа, до 2 % меди, до 2 % свинца, плюс доли процента рассеянных и редких металлов. Такой сложный состав цинковых концентратов и руд — одна из причин, по которым цинковое производство так долго зарождалось. Современные технологии до сих пор сталкиваются с проблемами переработки полиметаллических руд цинка.
Цинковые концентраты подвергают обжигу, при этом сульфид цинка превращается в оксид:

2ZnS + 2O2 = 2ZnO + 2SO2↑

Образующийся сернистый газ SO2 расходуется на производство серной кислоты.
Получение же чистого металлического цинка из оксида возможно двумя способами.
На данный момент электролитический или гидрометаллургический является основным способом получения цинка. Он заключается в электролитическом выделении цинка из сульфата, который получается обработкой обожженных концентратов серной кислотой. Получившийся сульфатный раствор очищают от примесей — путем осаждения их цинковой пылью — затем электролизуют в специальных ваннах, поверхность которых выложена свинцом или винипластом. Здесь цинк осаждается на алюминиевых катодах, откуда его ежесуточно удаляют для дальнейшей переплавки в индукционных печах.
При таком методе получения цинка удается выработать руду на 93-94 % (если перерабатывать отходы), то есть извлечение цинка происходит почти на 100 %. Притом, что чистота получаемого металла составляет 99,95 %. Из отходов такого производства можно получить цинковый купорос, а также кадмий, свинец, медь и даже золото и серебро! Иногда получают In, Ga, Ge, Tl.

Другой способ (существующий издавна) получения металлического цинка — пирометаллургический или метод обработки в «кипящем слое». Этот метод заключается в следующем. Сквозь слой дробленой руды (порошкообразного состояния), размещенной на решетке, подают снизу воздух или какой-нибудь газ с такой скоростью, что его струи проходят сквозь материал, интенсивно перемешивая его. Получается как бы «кипение» порошкообразной руды, которая находится в «псевдоожиженном» состоянии, ведь кипеть могут только жидкости. Из обожженного концентрата цинк извлекают, восстанавливая его коксом при температуре 1200-1300° C: 

ZnO + C = Zn + CO

и конденсируя образующиеся пары цинка с последующим разлитием их в изложницы.
Ранее восстановление проводили в ретортах из обожженной глины, которые приходилось обслуживать вручную, позднее их заменили вертикальные механизированные реторты из огнеупорного материала — карборунда.
За счет плотного контакта твердых частиц руды и газа химические реакции в «кипящем слое» протекают с очень большой скоростью. Применение обжига в «кипящем слое» дает повышение производительности печей в 3-4 раза при более тщательном извлечении цинка из концентрата.
Этот метод очень эффективен при обжиге сульфидных руд и концентратов, сублимации сравнительно летучих металлов, прокаливании, охлаждении и сушке различных веществ.
Из свинцово-цинковых концентратов цинк получают в шахтных печах с дутьем. Дистилляционный цинк очищают ликвацией – разделение жидкого цинка от железа и части свинца при температуре 500° C. При такой очистке удается достигнуть чистоты металла 98,7 %. Иногда применяется более сложная и дорогостоящая очистка ректификацией, которая дает металл чистоты 99,995 %, позволяя извлекать ценный кадмий.

Физические свойства


Металлический цинк — пластичный голубовато-серебристый металл средней твердости. У цинка гексагональная структура, что объясняет резкую анизотропию его свойств. Плотность твердого цинка (при 20° С) 7,133 г/см3, жидкого — 6,66 г/см3, температура плавления (tпл) 419,58° С, температура кипения (Tкип) 906,2° С. Температурный коэффициент линейного расширения 39,7•10-6 (при 20—250° С), коэффициент теплопроводности 110,950 вт/(м •К) или 0,265 кал/см•сек•°С (при 20° С). Прочностные свойства в поперечном (к прокатке) направлении значительно выше, чем в продольном. При комнатной температуре цинк в литом состоянии малопластичен, но уже при 100—150° C легко подвергается обработке давлением — прессованию, штамповке и глубокой вытяжке, прокатывается в тонкие листы, фольгу толщиной около сотых долей миллиметра, проволоку. При дальнейшем нагревании (выше 200° C) цинк становится очень хрупким — вплоть до истончения в порошок. Примеси, даже незначительные, резко увеличивают хрупкость цинка. Кроме того, «чистота» цинка влияет на его растворимость в кислотах. Чистый металл (99,9 и 99,99 %) хорошо растворяется кислотами, в то время как чистота 99,999 % уже не позволяет растворить цинк в кислотах даже при сильном нагреве. Чистый цинк рекристаллизуется в процессе обработки давлением и не нуждается в смягчающем отжиге. Технологичность цинка в процессе обработки давлением зависит от его чистоты. Вредное воздействие на горячую обработку оказывает примесь олова, которая образует с цинком эвтектику с температурой плавления 199° С. Необычайно вредно единовременное присутствие олова и свинца, образующих с цинком тройную эвтектику с температурой плавления 150° С. Железо задерживает рекристаллизацию цинка. На воздухе металл покрывается тонким слоем оксида или основного карбоната, предохраняющим его от дальнейшего окисления. Вода на цинк практически не действует, несмотря на то, что он стоит в ряду напряжений значительно раньше водорода. Это легко объясняется – образующийся на поверхности цинка при взаимодействии его с водой гидроксид практически не растворим, и препятствует дальнейшему течению реакции. На этом основана коррозионная защита железа цинком: цинк — металл более активный — прежде, чем железо, реагирует с агрессивными компонентами атмосферы.

Что касается атомного строения элемента № 30, то цинк не имеет полиморфных модификаций. После расплавления кристаллизуется в гексагональной решетке со следующими параметрами: а = 2,6594Å, с = 4,9370Å. Атомный радиус этого элемента 1,37Å; ионный Zn2+ - 0,83Å. Радиус атома Zn 0,139 нм, радиус иона Zn2+ 0,060 нм (координационное число 4), 0,0740 нм (координационное число 6) и 0,090 нм (координационное число 8). Энергии последовательной ионизации атома соответствуют 9,394, 17,964, 39,7, 61,6 и 86,3 эВ.
Удельная теплоемкость цинка 25,433 кдж/(кг•К) или 6,07 кал/(г•°С), удельное электросопротивление 5,9•10-6 ом•см (при 20° С).

Что касается прочностных характеристик цинка, то предел прочности при растяжении 200-250 Мн/м2 или 2000-2500 кгс/см2, относительное удлинение 40—50 %, твердость по Бринеллю 400—500 Мн/м2 или 4000—5000 кгс/см2.

Известно, что цинк диамагнитен — его удельная магнитная восприимчивость —0,175•10-6. Электроотрицательность по Полингу 1,66.

Современные физики постоянно расширяют спектр производных цинка, причем новые соединения могут быть «настроены» так, что их физические свойства могут изменяться в широких пределах — от свойств меди до свойств палладия. Ученые уверены, что регулирование состава новых соединений (интерметаллидов) может придать им более сложные электронные и магнитные свойства — ферромагнетизм или даже сверхпроводимость. Состав таких веществ RT2Zn20 (R — редкоземельный металл, T — переходный металл, Zn — цинк) уникален тем, что возможность «настройки» свойств сохраняется даже при 85 % содержании цинка. Так один из полученных производных цинка – интерметаллид YFe2Zn20 проявляет магнитные свойства более чем палладий — ферромагнетик, традиционно используемый для изучения природы магнетизма.

Химические свойства


Цинк — это типичный амфотерный металл, стандартный электродный потенциал которого 0,76В, что обуславливает его активность и свойства энергичного восстановителя. Степень окисления цинка +2, это причина, по которой химические свойства цинка очень похожи на свойства магния.
В разбавленных кислотах цинк легко растворяется с образованием соответствующих солей:
Zn + H2SO4 (разб.) = ZnSO4 + H2

Zn + 2HCl (разб.) = ZnCl2 + H2

Но это лишь относится к цинку чистоты 99,99 %, более чистый металл (99, 999 %) не растворяется кислотами даже при сильном нагреве. Реакция начнется только при добавлении нескольких капель раствора сульфата меди CuSO4.
Кроме того, цинк, подобно бериллию и другим металлам, образующим амфотерные гидроксиды, растворяется в щелочах, образуя гидроксоцинкаты (ионы [Zn(OH)4]2):

Zn + 2NaOH + 2H2O = Na2[Zn(OH)4] + H2

Элемент № 30 — единственный элемент группы, который растворяется в водных растворах щелочей с образованием гидроксоцинкатов:

Zn + 2OH– + 2H2O = [Zn(OH)4]2– + H2

При нагревании цинк взаимодействуют с неметаллами, образуя многочисленные бинарные соединения (некоторые из них обладают полупроводниковыми свойствами). Исключение в реакциях с неметаллами составляют азот, водород и углерод — с ними цинк не взаимодействует. Так же при нагреве цинк реагирует с галогенами с образованием галогенидов ZnHal2. С серой и ее аналогами — селеном и теллуром — различные халькогениды, ZnS, ZnSe, ZnSe2 и ZnTe. С фосфором цинк образует фосфиды Zn3P2 и ZnP2. Если сильно нагреть цинк в атмосфере воздуха, то пары его воспламеняются и сгорают зеленовато-белым пламенем, образуя оксид цинка ZnO — рыхлый белый порошок, желтеющий при нагревании, но при охлаждении снова становящийся белым:

2Zn + O2 = 2ZnO

Оксид цинка амфотерен, он растворяется в кислотах с образованием солей цинка:

ZnO + 2HNO3 = Zn(NO3)2 + H2O

и в щелочах с образованием гидроксоцинкатов, таких как [Zn(OH)3]– и [Zn(OH)4]2–:
         
 ZnO + 2OH– + H2O = [Zn(OH)4]2–

При растворении металлического цинка в растворе аммиака образуется аммиачный комплекс:

Zn + 4NH3•H2O = [Zn(NH3)4](OH)2 + 2H2O + H2

Соли цинка бесцветны (если не содержат окрашенных анионов), их растворы имеют кислотную среду вследствие гидролиза. При действии растворов щелочей и аммиака (начиная с pH ~ 5) основные соли осаждаются и переходят в гидроксид, который растворяется в избытке осадителя.
Гидроксид цинка Zn(OH)2 выпадает в виде белого осадка при действии щелочей на растворы солей цинка:

Zn2+ + 2OH- = Zn(OH)2↓

Осадок быстро растворим в кислотах с образованием солей цинка и в избытке щелочей с образованием цинкатов. Это значит, что гидроксид цинка, как и оксид – амфотерное соединение. Так, с NaOH протекает реакция:

Zn(OH)2 + 2NaOH = Na2ZnO2 + 2H2O

Гидроксид цинка — слабый электролит. Вследствие чего все соли, в том числе и цинкаты, в водной среде гидролизуются.
В водных растворах ионы цинка Zn2+ образуют аквакомплексы [Zn(H2O)4]2+ и [Zn(H2O)6]2+.
Сульфат цинка ZnSO4 из водного раствора выделяется в виде кристаллогидрата состава ZnSO4∙7H2O и в таком виде называется цинковым купоросом.
Хлорид цинка ZnCl2 — эту соль тяжело получить в безводном состоянии. Обычно она содержит 5 % воды и основного хлорида.
Сульфид цинка ZnS – один из немногих сульфидов, имеющих белый цвет. Его получают при действии сульфидов щелочных металлов или аммония на соли цинка:

Zn2+ + S2- = ZnS↓

В кислотной среде осадок сульфида цинка не выпадает. Сероводородная вода осаждает сульфид цинка лишь в присутствии анионов слабых кислот, например, ацетат-ионов, которые понижают кислотность среды, это приводит к повышению концентрации сульфид-ионов в растворе.