Цинк

Цинк Московская Государственная Академия Приборостроения и Информатики. ЦИНК. Студент: Жариков С. А. Факультет: ТИ-6 Москва 2001. Z=30 атомный вес = 65,37 заряд 2+ массовые числа основных природных изотопов: 64, 66, 68, 67, 70 2 ­¯ ¯ ¯ ­¯ ­¯ 3d10 ­¯ 4s2 ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА. РАСПРОСТРАНЕНИЕ В ПРИРОДЕ. (цинковая обманка, ZnS) имеет вид кубических жёлтых или коричневых кристаллов; плотность 3,9-4,2 г/см3 , твёрдость 3-4 по шкале Мооса. В качестве примесей содержит кадмий, индий, галлий, марганец, ртуть, германий, железо, медь, олово, свинец. В кристаллической решётке сфалерита атомы цинка чередуются с атомами серы и наоборот. Атомы серы в решётке образуют кубическую упаковку. Атом цинка располагается в этих тетраэдрических пустотах. ВЮРТЦИТ (ZnS) представляет собой коричнево-чёрные гексагональные кристаллы, плотностью 3,98 г/см3 и твердостью 3,5-4 по шкале Мооса. Обычно содержит цинка больше чем сфалерит. В решётке вюртцита каждый атом цинка тетраэдрически окружён четырьмя атомами серы и наоборот. Расположение слоёв вюртцита отличается от расположения слоёв сфалерита. СМИТСОНИТ (цинковый шпат, ZnCO3 ) встречается в виде белых (зелёных, серых, коричневых в зависимости от примесей) тригональных кристаллов плотностью 4,3-4,5 г/см3 и твёрдостью 5 по шкале Мооса. КАЛАМИН 24 *H2 O*ZnCO34 [Si2 O7 ](OH)4 *H23 ) представляет собой смесь карбоната и силиката цинка; образует белые (зелёные, синие, жёлтые, коричневые в зависимости от примесей) ромбические кристаллы плотностью 3,4-3,5 г/см3 ВИЛЛЕМИТ (Zn24 ) залегает в виде бесцветных или жёлто-коричневых ромбоэдрических кристаллов плотностью 3,89-4,18 г/см3 и твёрдостью 5-5,5 по шкале Мооса. ЦИНКИТ (Zn O) - гексагональные кристаллы жёлтого, оранжевого или красного цвета с решёткой типа вюртцита и твёрдостью 4-4,5 по шкале Мооса. ГАНИТ (Zn[Al2 O4 ]) имеет вид тёмно-зелёных кристаллов плотностью 4-4,6 г/см3 и твёрдостью 7,5-8 по шкале Мооса. Помимо приведённых, известны и другие минералы цинка: монгеймит (Zn, Fe)CO3 3 *2Zn(OH)2 трустит (Zn, Mn)SiO4 2 O4 ] франклинит (Zn, Mn)[Fe2 O4 ] халькофанит (Mn, Zn) Mn2 O5 *2H2 O госларит ZnSO42 O 4 *5H2 O адамин Zn2 (AsO4 )OH тарбуттит Zn2 (PO4 деклуазит (Zn, Cu)Pb(VO4 )OH леграндит Zn3 (AsO4 )2 *3H2 O 3 (PO42 O ПОЛУЧЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ЦИНКА. Цинк добывают из концентратов сфалерита, смитсонита и каламина. 2 S, галеннит PbS, халькопирит CuFeS2 и в меньшем количестве сфалерит после измельчения и размалывания подвергают обогащению сфалеритом методом селективной флотации. Если руда содержит магнетит, то для его удаления используют магнитный метод. При прокаливании (700°) концентратов сульфида цинка в специальных печах, образуется ZnO, который служит для получения металлического цинка. 2ZnS+3O22 +221 ккал Для превращения ZnS в ZnO измельчённые концентраты сфалерита предварительно нагревают в специальных печах горячим воздухом Окись цинка также получают прокаливанием смитсонита при 300°. Металлический цинк получают путём восстановления окиси цинка углеродом ZnO+CÞZn+CO-57 ккал водородом ZnO+H2 ÛZn+H2 O ZnO+FeSiÞ2Zn+Fe+SiO2 метаном 2ZnO+CH4 Þ2Zn+H2 окисью углерода ZnO+COÞZn+CO2 карбидом кальция 2 ÞZn+CaS+C 2 ÞZn+CaS+C Û2Zn+FeS 2ZnS+2CaO+7CÞZn+2CaC22 Металлургический процесс получения металлического цинка, применяемый в промышленном масштабе, заключается в восстановлении ZnO углеродом при нагревании. В результате этого процесса ZnO восстанавливается не полностью, теряется некоторое количество цинка, идущего на образование Zn[Al2 O4 ], и получают загрязнённый цинк. Цинк - блестящий серебристый белый металл с плотностью 7,13 г/ см3 при 20° (тяжелый металл), температура плавления 419,44°, температура кипения 906°, твердость 2,5 - 2,9 по шкале Мооса. Имеет плотную гексагональную структуру кристаллов. Цинк становится при 100 - 150° и хрупким - выше 200°, он геомагнитен и имеет пять природных изотопов. С химической точки зрения цинк менее активен, чем щелочные и щелочноземельные металлы, и более активен, чем олово, свинец, медь, ртуть, серебро, золото. При сильном нагревании цинк воспламеняется и горит сине-зеленым пламенем. Zn + 1/2 O2 = ZnO +83,5 ккал Цинк окисляется кислородом воздуха при нагревании выше 225°, а в токе сухого кислорода выше 150°. Металлический цинк не разлагает воду при комнатной температуре или кипячении, поскольку в присутствии воды поверхность цинка покрывается Zn(OH)2 Цинк, нагретый почти до температуры плавления, энергично разлагает поры воды с образованием ZnO и H2 . 2Û ZnO + H2 При комнатной температуре во влажном воздухе галогены образуют с цинком соответствующие гологениды. В сухом состоянии гологены взаимодействуют с металлическим цинком при высокой температуре. Zn + F 2 = Zn F2 + 172,7 ккал Zn + Cl2 = ZnCl2 +99,55 ккал Zn +Br2 =ZnBr2 +78,4 ккал Zn + I2 = ZnI2 + 49,8 ккал Нагревание порошкообразного цинка порошком серы приводит к образованию ZnS. Zn + S = ZnS + 44 ккал Под действием сероводорода поверхность металлического цинка покрывается плотной защитной плёнкой ZnS. Zn+H2 S Û ZnS + H2 Двуокись серы во влажной атмосфере и хлористый тионил взаимодействуют с цинком при нагревании. 3Zn + SO2 Zn +SOCl2 = ZnCl2 + SO 3 N2 . Цинк непосредственно не вступает в реакцию с азотом, углеродом, водородом и другими элементами. Обработка парами фосфора, нагретого до 440 - 780°, металлического цинка в атмосфере азота или водорода приводят к образованию Zn3 P2 и ZnP2 . 2+ = -0,761 В, металлический цинк легко растворяется в кислотах и щелочах. При растворении цинка в разбавленных кислотах образуются соответствующие соли и водород. 22 Zn + H2 SO4 = ZnSO4 + H2 При образовании гальванического элемента Zn - Cu в соляной кислоте выделение водорода происходит очень интенсивно, и цинк легко растворяется, превращаясь в хлорид. Для образования гальванического элемента Zn - Cu в раствор соляной кислоты добавляют несколько капель сульфата меди. Медь, стоящая в электрохимическом ряду напряжений правее цинка, осаждается им, покрывает поверхность цинка и ускоряет, таким образом, растворение его в соляной кислоте. Zn + 2H2 SO4 = ZnSO4 + SO2 + 2H2 O 4Zn + 10HNO33 )2 + NH4 NO3 +3H2 O При действии щелочей на металлический цинк образуются гидроцинкаты и водород. Zn + NaOH + 2H2 O = Na2 [Zn(OH4 )] + H2 Цинк вытесняет менее активные металлы из растворов их солей и восстанавливает хромовую, марганцевую и молибденовую кислоты, соли железа (III) и олово (IV). Восстанавливая сероуглерод, цинковый порошок раскаляется. Цинк входит в состав фермента, имеющегося в красных кровяных тельцах (гемоглобин), с помощью которого происходит перенос двуокиси углерода в крови. Для животных цинк загрязненный мышьяком, сурьмой, свинцом, кадмием становится токсичен. Вдыхание ZnCl2 в больших дозах смертельно. ПРИМЕНЕНИЕ. Во влажном воздухе поверхность цинка покрывается тонкой защитной пленкой окисла и основного карбоната, который в дальнейшем предохраняет металл от атмосферного действия атмосферных реагентов. Благодаря этому свойству цинк применяется для покрытия железных листов и проволоки. Также цинк применяется для извлечения серебра из серебросодержащего свинца по процессу Паркеса; для получения водорода в результате разложения соляной кислоты; для вытеснения металлов с более низкой химической активностью из растворов их солей; для изготовления гальванических элементов; в качестве восстановителя во многих химических реакциях; для получения многочисленных сплавов с медью, алюминием, магнием, свинцом, оловом и другими металлами.