Цинк ( химический символ — Zn , от лат. Zincum ) — химический элемент 12-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы второй группы, IIB), четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева , с атомным номером 30.

Простое вещество цинк при нормальных условиях — хрупкий переходный металл голубовато-белого цвета (тускнеет на воздухе, покрываясь тонким слоем оксида цинка ).

История

Сплав цинка с медью — латунь — был известен ещё в Древней Греции , Древнем Египте , Индии ( VII век ), Китае ( XI век ). Долгое время не удавалось выделить чистый цинк. В 1738 году в Англии был запатентован дистилляционный способ получения цинка . В промышленном масштабе выплавка цинка началась также в XVIII веке : в 1743 году в Бристоле начал работать первый цинковый завод, основанный Уильямом Чемпионом, где получение цинка проводилось дистилляционным способом ^:15 . В 1746 году А. С. Маргграф в Германии разработал похожий способ получения чистого цинка путём прокаливания смеси его оксида с углём без доступа воздуха в глиняных огнеупорных ретортах с последующей конденсацией паров цинка в холодильниках . Маргграф описал свой метод во всех деталях и этим заложил основы теории производства цинка. Поэтому его часто называют первооткрывателем цинка .

В 1805 году Чарльз Гобсон и Чарльз Сильвестр из Шеффилда запатентовали способ обработки цинка — прокатка при 100—150 °C ^:28 . Первый в России цинк был получен на заводе « Алагир » 1 января 1905 года ^:86 . Первые заводы, где цинк получали электролитическим способом, появились в 1915 году в Канаде и США ^:82 .

Происхождение названия

Слово «цинк» впервые встречается в трудах Парацельса , который назвал этот металл словом лат. zincum или zinken в книге Liber Mineralium II . Это слово, вероятно, восходит к нем. Zinke , означающее «зубец» (кристаллиты металлического цинка похожи на иглы) .

Нахождение в природе

В разделе не хватает ссылок на источники (см. рекомендации по поиску ). Информация должна быть проверяема , иначе она может быть удалена. Вы можете статью, добавив ссылки на авторитетные источники в виде сносок . ( 9 января 2022 )

Известно 66 минералов цинка, в частности цинкит , сфалерит , виллемит , каламин , смитсонит , франклинит . Наиболее распространённый минерал — сфалерит , или цинковая обманка. Основной компонент минерала — сульфид цинка ZnS, а разнообразные примеси придают этому веществу всевозможные цвета. Из-за трудности определения этого минерала его называют обманкой ( др.-греч. σφαλερός — обманчивый). Цинковую обманку считают первичным минералом, из которого образовались другие минералы цинка ^{[ источник не указан 737 дней ]} : смитсонит ZnCO ₃ , цинкит ZnO, каламин 2ZnO · SiO ₂ · Н ₂ O. На Алтае нередко можно встретить полосатую «бурундучную» руду — смесь цинковой обманки и бурого шпата . Кусок такой руды издали действительно похож на затаившегося полосатого зверька ^{[ стиль ]} .

Среднее содержание цинка в земной коре — 8,3⋅10 ⁻³ %, в основных изверженных породах его несколько больше (1,3⋅10 ⁻² %), чем в кислых (6⋅10 ⁻³ %). Цинк — энергичный водный мигрант, особенно характерна его миграция в термальных водах вместе со свинцом . Из этих вод осаждаются сульфиды цинка, имеющие важное промышленное значение. Цинк также энергично мигрирует в поверхностных и подземных водах, главным осадителем для него является сероводород , меньшую роль играет сорбция глинами и другие процессы.

Цинк — важный биогенный элемент, в живых организмах содержится в среднем 5⋅10 ⁻⁴ % цинка. Но есть и исключения — так называемые организмы-концентраторы (например, некоторые фиалки ).

Месторождения

Месторождения цинка известны в Иране , Австралии , Боливии , Казахстане . В России крупнейшим производителем свинцово-цинковых концентратов является ОАО «ГМК » ^{[ неавторитетный источник ]} . На территории Красноярского края в Нижнем Приангарье разрабатывается уникальное Горевское месторождение полиметаллов с запасами цинка 1004,5 тыс. тонн по категориям А + В + С1 и 798,4 тыс. тонн по категории С2. Месторождение было открыто в 1956 году, эксплуатация начата в 1975 году, однако первые сведения о наличии руд в прилегающих районах относятся к 1770-м годам. В 2012 году добыча цинка составила 25,8 тыс. тонн. Разработку месторождения ведёт группа компаний. Также разведаны месторождения Партизанское и Суровое на западе Таймырского полуострова. Прогнозные ресурсы цинка — 500 тыс. тонн.

Изотопы

Цинк имеет пять стабильных изотопов ( ⁶⁴ Zn, ⁶⁶ Zn, ⁶⁷ Zn, ⁶⁸ Zn и ⁷⁰ Zn).

Получение

Этот раздел не завершён . Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

В разделе не хватает ссылок на источники (см. рекомендации по поиску ). Информация должна быть проверяема , иначе она может быть удалена. Вы можете статью, добавив ссылки на авторитетные источники в виде сносок . ( 9 января 2022 )

Цинк в природе как самородный металл не встречается.

Цинк 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 цинка в оксид ZnO; образующийся при этом сернистый газ SO ₂ расходуется на производство серной кислоты . Чистый цинк из оксида ZnO получают двумя способами. По пирометаллургическому (дистилляционному) способу, существующему издавна, обожжённый концентрат подвергают спеканию для придания зернистости и газопроницаемости, а затем восстанавливают углём или коксом при 1200—1300 °C: ZnO + С → Zn + CO. Образующиеся при этом пары́ 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 цинк получают в шахтных печах с дутьём . Производительность постепенно повышалась, но цинк содержал до 3 % примесей, в том числе ценный кадмий . Дистилляционный цинк очищают ликвацией (то есть отстаиванием жидкого металла от железа и части свинца при 500 °C), достигая чистоты 98,7 %. Применяющаяся иногда более сложная и дорогая очистка ректификацией даёт металл чистотой 99,995 % и позволяет извлекать кадмий.

Основной способ получения цинка — 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 . 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 (при учёте переработки отходов) — 93—94 %. Из отходов производства получают цинковый купорос, Pb, Cu, Cd, Au, Ag; иногда также In, Ga, Ge, Tl.

Физические свойства

В разделе не хватает ссылок на источники (см. рекомендации по поиску ). Информация должна быть проверяема , иначе она может быть удалена. Вы можете статью, добавив ссылки на авторитетные источники в виде сносок . ( 9 января 2022 )

В чистом виде — довольно пластичный серебристо-белый металл . Обладает гексагональной решеткой с параметрами а = 0,26649 нм, с = 0,49431 нм, пространственная группа P 6 ₃ /mmc, Z = 2. При комнатной температуре хрупок, при сгибании пластинки слышен треск от трения кристаллитов (обычно сильнее, чем « крик олова »). При 100—150 °C цинк пластичен. Примеси, даже незначительные, резко увеличивают хрупкость цинка. Собственная концентрация носителей заряда в цинке — 13,1⋅10 ²⁸ м ⁻³ .

Химические свойства

В разделе не хватает ссылок на источники (см. рекомендации по поиску ). Информация должна быть проверяема , иначе она может быть удалена. Вы можете статью, добавив ссылки на авторитетные источники в виде сносок . ( 9 января 2022 )

Типичный пример металла, образующего амфотерные соединения. Амфотерными являются соединения цинка ZnO и Zn(OH) ₂ . Стандартный электродный потенциал −0,76 В, в ряду стандартных потенциалов расположен до железа.

На воздухе цинк покрывается тонкой плёнкой оксида ZnO. При сильном нагревании сгорает с образованием амфотерного белого оксида ZnO:

${\displaystyle {\ce {2 Zn + O2 -> 2 ZnO}}}$

Оксид цинка реагирует как с растворами кислот:

${\displaystyle {\ce {ZnO + 2 HCl -> ZnCl2 + H2O}}}$

так и со щелочами:

${\displaystyle {\ce {ZnO + 2 NaOH + H2O -> Na2[Zn(OH)4]}}}$

Цинк обычной чистоты активно реагирует с растворами кислот:

${\displaystyle {\ce {Zn + 2 HCl -> ZnCl2 + H2 ^}}}$

и растворами щелочей:

${\displaystyle {\ce {Zn + 2 NaOH + 2 H2O -> Na2[Zn(OH)4] + H2 ^}}}$

образуя гидроксоцинкаты. С растворами кислот и щелочей очень чистый цинк не реагирует. Взаимодействие начинается при добавлении нескольких капель раствора сульфата меди CuSO ₄ .

При нагревании цинк реагирует с галогенами с образованием галогенидов ZnHal ₂ . С фосфором цинк образует фосфиды Zn ₃ P ₂ и ZnP ₂ . С серой и её аналогами — селеном и теллуром — различные халькогениды, ZnS, ZnSe, и ZnTe.

С водородом , азотом , углеродом , кремнием и бором цинк непосредственно не реагирует. Нитрид Zn ₃ N ₂ получают реакцией цинка с аммиаком при 550—600 °C.

В водных растворах ионы цинка Zn ²⁺ образуют аквакомплексы [Zn(H ₂ O) ₄ ] ²⁺ и [Zn(H ₂ O) ₆ ] ²⁺ .

Применение

В разделе не хватает ссылок на источники (см. рекомендации по поиску ). Информация должна быть проверяема , иначе она может быть удалена. Вы можете статью, добавив ссылки на авторитетные источники в виде сносок . ( 9 января 2022 )

Чистый металлический цинк используется для восстановления благородных металлов , добываемых подземным выщелачиванием ( золото , серебро ). Кроме того, цинк используется для извлечения серебра, золота (и других металлов) из чернового свинца в виде интерметаллидов цинка с серебром и золотом (так называемой «серебристой пены»), обрабатываемых затем обычными методами аффинажа .

Применяется для защиты стали от коррозии ( оцинковка поверхностей, не подверженных механическим воздействиям, или металлизация — для мостов, ёмкостей, металлоконструкций).

Цинк используется в качестве материала для отрицательного электрода в химических источниках тока , то есть в батарейках и аккумуляторах , например: марганцево-цинковый элемент , серебряно-цинковый аккумулятор (1,85 В , 150 Вт·ч /кг, 650 Вт·ч/дм ³ , малое сопротивление и колоссальные разрядные токи), ртутно-цинковый элемент (1,35 В, 135 Вт·ч/кг, 550—650 Вт·ч/дм ³ ), диоксисульфатно-ртутный элемент , иодатно-цинковый элемент , медно-окисный гальванический элемент (0,7—1,6 В, 84—127 Вт·ч/кг, 410—570 Вт·ч/дм ³ ), хром-цинковый элемент , цинк-хлоросеребряный элемент , никель-цинковый аккумулятор (1,82 В, 95—118 Вт·ч/кг, 230—295 Вт·ч/дм ³ ), свинцово-цинковый элемент , цинк-хлорный аккумулятор , цинк-бромный аккумулятор и др.

Очень важна роль цинка в цинк-воздушных аккумуляторах , которые отличаются весьма высокой удельной энергоёмкостью . Они перспективны для пуска двигателей (свинцовый аккумулятор — 55 Вт·ч/кг, цинк-воздух — 220—300 Вт·ч/кг) и для электромобилей (пробег до 900 км).

Пластины цинка широко используются в полиграфии , в частности, для печати иллюстраций в многотиражных изданиях. Для этого с XIX века применяется цинкография — изготовление клише на цинковой пластине при помощи вытравливания кислотой рисунка в ней. Примеси, за исключением небольшого количества свинца, ухудшают процесс травления. Перед травлением цинковую пластину подвергают отжигу и прокатывают в нагретом состоянии ^:30—31 .

Цинк вводится в состав многих твёрдых припоев для снижения их температуры плавления.

Окись цинка широко используется в медицине как антисептическое и противовоспалительное средство . Также окись цинка используется для производства краски — цинковых белил .

Цинк — важный компонент латуни . Сплавы цинка с алюминием и магнием (ЦАМ, ZAMAK ) благодаря сравнительно высоким механическим и очень высоким литейным качествам очень широко используются в машиностроении для точного литья. В частности, в оружейном деле из сплава ZAMAK (-3, -5) иногда отливают затворы пистолетов , особенно рассчитанных на использование слабых или травматических патронов. Также из цинковых сплавов отливают всевозможную техническую фурнитуру, вроде автомобильных ручек, корпусы карбюраторов, масштабные модели и всевозможные миниатюры, а также любые другие изделия, требующие точного литья при приемлемой прочности.

Хлорид цинка — важный флюс для пайки металлов и компонент при производстве фибры .

Сульфид цинка используется при изготовлении люминофоров краткого послесвечения и других люминесцирующих составов , обычно это смеси ZnS и CdS , активированные ионами других металлов. Люминофоры на базе сульфидов цинка и кадмия также применяются в электронной промышленности для изготовления светящихся гибких панелей и экранов в качестве электролюминофоров и составов с коротким временем высвечивания .

Теллурид , селенид , фосфид , сульфид цинка — широко применяемые полупроводники . Сульфид цинка — составная часть многих люминофоров . Фосфид цинка используется в качестве отравы для грызунов .

Селенид цинка используется для изготовления оптических стёкол с очень низким коэффициентом поглощения в среднем инфракрасном диапазоне, например, в углекислотных лазерах .

В электронике используются никель-цинковые ферриты для подавления электромагнитных помех на самых высоких частотах, вплоть до гигагерц, часто их делают в виде бусин, которые одевают на ножки конденсаторов и других радиокомпонентов.

На разные применения цинка приходится:

• цинкование — 45—60 %,
• медицина (оксид цинка как антисептик) — 10 %,
• производство сплавов — 10 %,
• производство резиновых шин — 10 %,
• масляные краски — 10 %.

Мировое производство

Цинк — четвёртый по использованию металл в мире после железа, алюминия и меди, и третий среди цветных металлов. Производство цинка в мире за 2009 год составило 11,277 млн т, что на 3,2 % меньше, чем в 2008 г. производство цинка в мире может увеличиться в мире в 2024 году до 14 млн тонн в год. Цена цинка в октябре 2021 года поднялась в Лондоне до 3528,5 USD/т, +3,7 %.

Список стран по производству цинка в 2006 году (на основе «Геологического обзора Соединенных Штатов») :

Список стран по производству цинка

Место	Страна	Производительность (тонн)
—	Весь мир	10 000 000
1	Китай	0 2 600 000
2	Австралия	0 1 380 000
3	Перу	0 1 201 794
4	США	0 0 727 000
5	Канада	0 0 710 000
6	Мексика	0 0 480 000
7	Ирландия	0 0 425 700
8	Индия	0 0 420 800
9	Казахстан	0 0 400 000
10	Швеция	0 0 192 400
11	Россия	0 0 190 000
12	Бразилия	0 0 176 000
13	Боливия	0 0 175 000
14	Польша	0 0 135 600
15	Иран	0 0 130 000
16	Марокко	00 0 73 000
17	Намибия	00 0 68 000
18	Северная Корея	00 0 67 000
19	Турция	00 0 50 000
20	Вьетнам	00 0 48 000
21	Таиланд	00 0 45 000
22	Гондурас	00 0 37 646
23	Финляндия	00 0 35 700
24	ЮАР	00 0 34 444
25	Чили	00 0 31 725
26	Аргентина	00 0 30 300
27	Болгария	00 0 17 300
28	Румыния	00 00 9 600
29	Япония	00 00 7 169
30	Алжир	00 00 5 000
31	Саудовская Аравия	00 00 1 500
32	Грузия	00 000 400
33	Босния и Герцеговина	00 000 300
34	Мьянма	00 000 100

Биологическая роль

В разделе не хватает ссылок на источники (см. рекомендации по поиску ). Информация должна быть проверяема , иначе она может быть удалена. Вы можете статью, добавив ссылки на авторитетные источники в виде сносок . ( 9 января 2022 )

В организме взрослого человека содержится в среднем около 2 г цинка в виде его соединений, который концентрируется преимущественно в простате, мышцах, печени и поджелудочной железе. В 50 миллилитрах человеческой спермы содержится около 10 миллиграмов цинка. Более 400 ферментов содержат цинк. Среди них ферменты , катализирующие гидролиз пептидов, белков и сложных эфиров, образование альдегидов, полимеризацию ДНК и РНК . Ионы Zn ²⁺ в составе ферментов вызывают поляризацию молекул воды и органических веществ, содействуя их депротонированию по реакции

Zn ²⁺ + H ₂ O = ZnOH ⁺ + H ⁺

Наиболее изучен фермент карбоангидраза — белок, содержащий цинк и состоящий примерно из 260 аминокислотных остатков. Этот фермент содержится в эритроцитах крови и способствует превращению углекислого газа, образующегося в тканях в процессе их жизнедеятельности, в гидрокарбонат-ионы и угольную кислоту, которая кровью переносится в лёгкие, где выводится из организма в виде углекислого газа. В отсутствие фермента превращение СО ₂ в анион HCO ₃ ⁻ протекает с очень низкой скоростью. В молекуле карбоангидразы атом цинка связан с тремя имидазольными группами остатков аминокислоты гистидина и молекулой воды, которая легко депротонируется, превращаясь в координированный гидроксид. Атом углерода молекулы углекислого газа, на котором находится частичный положительный заряд, вступает во взаимодействие с атомом кислорода гидроксильной группы. Таким образом, координированная молекула СО ₂ превращается в гидрокарбонат-анион, который покидает активный центр фермента, замещаясь на молекулу воды. Фермент ускоряет эту реакцию гидролиза в 10 миллионов раз.

Цинк

• необходим для продукции спермы и мужских гормонов ,
• необходим для метаболизма витамина E ,
• важен для нормальной деятельности простаты ,
• участвует в синтезе разных анаболических гормонов в организме, включая инсулин , тестостерон и гормон роста ,
• необходим для расщепления алкоголя в организме, так как входит в состав алкогольдегидрогеназы .

Содержание в продуктах питания

Рекомендуемая дневная норма цинка в рационе — 11 мг для мужчин и 8 мг для женщин . В периоды активной половой жизни суточная потребность цинка у мужчин возрастает и составляет 30—70 мг. Среди продуктов, употребляемых в пищу человеком, наибольшее содержание цинка — в устрицах , тыквенных и подсолнечных семечках , кунжуте , мясе, сыре, овсяной крупе, бобовых, шоколаде.

Содержание цинка в продуктах на 100 г :

• Орехи и семечки: тыквенные семечки — 10 мг, кунжут — 7 мг, кедровый орех — 6,4 мг, семена подсолнечника — 5,3 мг, миндаль — 3 мг, грецкие орехи — 3 мг.
• Мясо: говяжья печень — 4 мг, говядина — 3—8,4 мг, баранина — 2—6 мг, курятина — 0,8—3,5 мг, свинина — 0,8—3,5 мг.
• Бобовые: чечевица — 4,78 мг, арахис — 4 мг, горох — 1,2 мг, соевые бобы — 3 мг.
• Молочные продукты: твёрдый сыр — 3—4 мг, мороженое, йогурт — 0,7—0,8 мг, молоко — 0,4 мг.
• Злаки и хлеб: овёс — 3,97, пшеница — 3,46 мг, рожь — 2,65 мг, рис — 1 мг, хлеб — 0,7—1,5 мг, печенье — 0,5—1 мг, мука пшеничная — 0,8 мг.
• Рыба и морепродукты: устрицы — 16—40 мг, анчоусы — 1,72 мг, осьминог — 1,68 мг, карп — 1,48 мг, икра — 1 мг, сельдь — 0,99 мг.
• Овощи и фрукты: зелёный горошек — 1,24 мг, ростки бамбука — 1,10 мг, кукуруза (варёная, консервированная) — 0,5—0,6 мг, финики — 0,44 мг, малина — 0,42 мг, брокколи — 0,41 мг, свёкла — 0,35 мг, картофель — 0,29 мг, чёрная смородина — 0,27 мг, инжир , бананы — 0,15 мг, апельсины — 0,07 мг, грейпфрут — 0,07 мг, лимоны — 0,06 мг, яблоки — 0,04 мг.
• Сладости: какао-порошок (неподслащенный) — 6,81 мг, шоколад — 2,3 мг, шоколадные конфеты — 1—2 мг, мёд — 0,22 мг.

Также цинк может присутствовать в минеральной воде.

Основные проявления дефицита цинка

Недостаток цинка в организме приводит к ряду расстройств. Среди них — раздражительность, утомляемость, потеря памяти, депрессивные состояния, снижение остроты зрения, уменьшение массы тела, накопление в организме некоторых элементов ( железа , меди , кадмия , свинца ), снижение уровня инсулина , аллергические заболевания, анемия и другие .

Для оценки содержания цинка в организме определяют его содержание в волосах, крови и её сыворотке.

Токсичность

В разделе не хватает ссылок на источники (см. рекомендации по поиску ). Информация должна быть проверяема , иначе она может быть удалена. Вы можете статью, добавив ссылки на авторитетные источники в виде сносок . ( 9 января 2022 )

При длительном поступлении в организм в больших количествах всех солей цинка, особенно сульфатов и хлоридов, могут вызывать отравление из-за токсичности ионов Zn ²⁺ . 1 грамма сульфата цинка ZnSO ₄ достаточно, чтобы вызвать тяжёлое отравление. В быту хлориды, сульфаты и оксид цинка могут образовываться при хранении пищевых продуктов в цинковой и оцинкованной посуде.

Отравление ZnSO ₄ приводит к малокровию, задержке роста, бесплодию.

Отравление сульфатом цинка происходит при вдыхании его мелкодисперсных частиц (пыли). Оно проявляется в появлении сладковатого вкуса во рту, снижении или полной потере аппетита, сильной жажде. Появляется усталость, чувство разбитости, стеснение и давящая боль в груди, сонливость, сухой кашель.

Этот раздел не завершён . Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

См. также

• Категория:Соединения цинка
• Цинкаты

Примечания

Ссылки

• от 8 августа 2006 на Wayback Machine