Цинк (Zn)

Цинк (лат. Zincum), Zn, химический элемент II группы периодической системы Менделеева; атомный номер 30, атомная масса 65,38, синевато-белый металл. Известно 5 стабильных изотопов с массовыми числами 64, 66, 67, 68 и 70; наиболее распространен ⁶⁴Zn (48,89%). Искусственно получен ряд радиоактивных изотопов, среди которых наиболее долгоживущий ⁶⁵Zn с периодом полураспада Т_½ = 245 сут; применяется как изотопный индикатор. 
Историческая справка
Сплав цинка с медью - латунь - был известен еще древним грекам и египтянам. Чистый цинк долгое время не удавалось выделить. В 1746 году А. С. Маргграф разработал способ получения металла прокаливанием смеси его оксида с углем без доступа воздуха в глиняных огнеупорных ретортах с последующей конденсацией паров цинка в холодильниках. В промышленном масштабе выплавка цинка началась в 17 веке. 
Распространение цинка в природе 
Среднее содержание цинка в земной коре (кларк) - 8,3·10^-3% по массе, в основных изверженных породах его несколько больше (1,3·10^-2%), чем в кислых (6·10^-3%). Известно 66 минералов цинка, важнейшие из них - цинкит, сфалерит, виллемит, каламин, смитсонит, франк-линит ZnFe₂O₄. Цинк - энергичный водный мигрант; особенно характерна его миграция в термальных водах вместе с Рb; из этих вод осаждаются сульфиды цинка, имеющие важное промышленное значение. Цинк также энергично мигрирует в поверхностных и подземных водах; главным осадителем для него является H₂S, меньшую роль играет сорбция глинами и другие процессы. Цинк - важный биогенный элемент; в живом веществе содержится в среднем 5·10^-4% цинка, но имеются и организмы-концентраторы (например, некоторые фиалки). 
Физические свойства цинка
Цинк - металл средней твердости. В холодном состоянии хрупок, а при 100-150 °С весьма пластичен и легко прокатывается в листы и фольгу толщиной около сотых долей миллиметра. При 250 °С вновь становится хрупким. Полиморфных модификаций не имеет. Кристаллизуется в гексагональной решетке с параметрами а = 2,6594Å, с = 4,9370Å. Атомный радиус 1,37Å; ионный Zn²⁺ -0,83Å. Плотность твердого Цинка 7,133 г/см³ (20 °С), жидкого 6,66 г/см³ (419,5 °С); t_пл 419,5 °С; t_кип 906 °С. Температурный коэффициент линейного расширения 39,7·10^-3 (20-250 °С), коэффициент теплопроводности 110,950 вт/(м ·К) 0,265 кал/см·сек·°С (20 °С), удельное электросопротивление 5,9·10^-6 ом·см (20 °С), удельная теплоемкость цинка 25,433 кдж/(кг·К.) [6,07 кал/(г·°С)]. Предел прочности при растяжении 200-250 Мн/м² (2000-2500 кгс/см²), относительное удлинение 40-50%, твердость по Бринеллю 400-500 Мн/м²(4000-5000 кгс/см²). Цинк диамагнитен, его удельная магнитная восприимчивость -0,175·10^-6. 
Химические свойства цинка
Внешняя электронная конфигурация атома Zn 3d¹⁰4s². Степень окисления в соединениях +2. Нормальный окислительно-восстановительный потенциал, равный 0,76 в, характеризует цинк как активный металл и энергичный восстановитель. На воздухе при температуре до 100 °С. Цинк быстро тускнеет, покрываясь поверхностной пленкой основных карбонатов. Во влажном воздухе, особенно в присутствии СО₂, происходит разрушение металла даже при обычных температурах. При сильном нагревании на воздухе или в кислороде цинк интенсивно сгорает голубоватым пламенем с образованием белого дыма оксида цинка ZnO. Сухие фтор, хлор и бром не взаимодействуют с цинком на холоду, но в присутствии паров воды металл может воспламениться, образуя, например, ZnCl₂. Нагретая смесь порошка цинка с серой дает сульфид цинка ZnS. Сульфид цинка выпадает в осадок при действии сероводорода на слабокислые или аммиачные водные растворы солей Zn. Гидрид ZnH₂ получается при взаимодействии LiАlН₄ с Zn(CH₃)₂ и других соединениями цинка; металлоподобное вещество, разлагающееся при нагревании на элементы. Нитрид Zn₃N₂ - черный порошок, образуется при нагревании до 600 °С в токе аммиака; на воздухе устойчив до 750 °С, вода его разлагает. Карбид цинка ZnC₂ получен при нагревании цинка в токе ацетилена. Сильные минеральные кислоты энергично растворяют цинк, особенно при нагревании, с образованием соответствующих солей. При взаимодействии с разбавленной НCl и H₂SO₄ выделяется Н₂, а с НNО₃ - кроме того, NO, NO₂, NH₃. С концентрированной НCl, H₂SO₄ и HNO₃ цинк реагирует, выделяя соответственно Н₂, SO₂, NO и NO₂. Растворы и расплавы щелочей окисляют цинк с выделением Н₂ и образованием растворимых в воде цинкитов. Интенсивность действия кислот и щелочей на цинк зависит от наличия в нем примесей. Чистый цинк менее реакционноспособен по отношению к этим реагентам из-за высокого перенапряжения на нем водорода. В воде соли цинка при нагревании гидролизуются, выделяя белый осадок гидрооксида Zn(OH)₂. Известны комплексные соединения, содержащие цинк, например [Zn(NH₃)₄]SО₄ и другие. 
Получение цинка
Цинк добывают из полиметаллических руд, содержащих 1-4% Zn в виде сульфида, а также Cu, Pb, Ag, Аu, 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 SO₂ расходуется на производство серной кислоты. От ZnO к Zn идут двумя путями. По пирометаллургическому (дистилляционному) способу, существующему издавна, обожженный концентрат подвергают спеканию для придания зернистости и газопроницаемости, а затем восстанавливают углем или коксом при 1200-1300 °С: ZnO + С = Zn + CO. Образующиеся при этом пары металла конденсируют и разливают в изложницы. 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 т. ч. ценный кадмий. Дистилляционный цинк очищают ликвацией (т. е. отстаиванием жидкого металла от железа и части свинца при 500 °С), достигая чистоты 98,7%. Применяющаяся иногда более сложная и дорогая очистка ректификацией дает металл чистотой 99,995% и позволяет извлекать кадмий. 
Основной способ получения цинка - электролитический (гидрометаллургический). Обожженные 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 учете переработки отходов) 93-94% . Из отходов производства получают цинковый купорос, Pb, Cu, Cd, Au, Ag; иногда также In, Ga, Ge, Tl. 
Применение цинка
Около половины производимого цинка расходуется на защиту стали от коррозии (цинкование). Поскольку цинк в ряду напряжений стоит до железа, то при попадании оцинкованного железа в коррозионную среду разрушению подвергается цинк. Благодаря хорошим литейным качествам и низкой температуре плавления из цинка отливают под давлением различные мелкие детали самолетов и других машин. Сплавы меди с цинком - латунь, нейзильбер, а также цинка со свинцом и других металлами широко применяются в технике. Цинк дает с золотом и серебром интерметаллиды (нерастворимые в жидком свинце) и поэтому цинк применяется для рафинирования свинца от благородных металлов. В виде порошка цинк служит восстановителем в ряде химико-технологических процессов: в производстве гидросульфита, при осаждении золота из промышленного цианистых растворов, меди и кадмия при очистке растворов цинкового купороса и других. Многие соединения цинка являются люминофорами, например, три основных цвета на экране кинескопа зависят от ZnS·Ag (синий цвет), ZnSe·Ag (зеленый цвет) и Zn₃(PO₄)₂·Mn (красный цвет). Важными полупроводниковыми материалами служат соединения цинка типа A^IIB^VI - ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnO. Наиболее распространенные химические источники тока имеют в качестве отрицательного электрода цинк.