Реферат: Цинк

МосковскаяГосударственная Академия Приборостроения и Информатики.

ЦИНК.

Студент: Жариков С.А.

Факультет: ТИ-6

Преподаватель: МосинаГ.Н.

Москва 2001.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ.

Z=30

атомный вес = 65,37

валентность II

заряд 2+

массовые числа основных природных изотопов: 64, 66, 68, 67,70

электронная структура атома цинка: KLM4s2

      3d10

4s2

ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА.

С древних времён известны латуни, являющиеся сплавами Cu-Zn. Металлический цинк впервыеполучен в 1746 году в Англии нагреванием каламина с древесным углём.

РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВПРИРОДЕ.

В природе цинк находиться только в виде соединений.

СФАЛЕРИТ (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 сатомами серы и наоборот. Атомы серы в решётке образуют кубическую упаковку.Атом цинка располагается в этих тетраэдрических пустотах.

ВЮРТЦИТ (ZnS) представляетсобой коричнево-чёрные гексагональные кристаллы, плотностью 3,98 г/см3 итвердостью 3,5-4 по шкале Мооса. Обычно содержит цинка больше чем сфалерит. Врешётке вюртцита каждый атом цинка тетраэдрически окружён четырьмя атомами серыи наоборот. Расположение слоёв вюртцита отличается от расположения слоёвсфалерита.

 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 пошкале Мооса.

КАЛАМИН (Zn2SiO4*H2O*ZnCO3 или Zn4[Si2O7](OH)4*H2O*ZnCO3)представляет собой смесь карбоната и силиката цинка; образует белые (зелёные,синие, жёлтые, коричневые в зависимости от примесей) ромбические кристаллыплотностью 3,4-3,5 г/см3 и твёрдостью 4,5-5 по шкале Мооса.

ВИЛЛЕМИТ (Zn2SiO4) залегает в виде бесцветных илижёлто-коричневых ромбоэдрических кристаллов плотностью 3,89-4,18 г/см3 итвёрдостью 5-5,5 по шкале Мооса.

ЦИНКИТ (Zn O) — гексагональные кристаллы жёлтого, оранжевого иликрасного цвета с решёткой типа вюртцита и твёрдостью 4-4,5 по шкале Мооса.

ГАНИТ (Zn[Al2O4]) имеет вид тёмно-зелёных кристаллов плотностью4-4,6 г/см3 и твёрдостью 7,5-8 по шкале Мооса.

Помимо приведённых, известны и другие минералы цинка:

монгеймит (Zn, Fe)CO3

гидроцикит ZnCO3*2Zn(OH)2

трустит (Zn, Mn)SiO4

гетеролит Zn[Mn2O4]

франклинит (Zn, Mn)[Fe2O4]

халькофанит (Mn, Zn)Mn2O5*2H2O

госларит ZnSO4*7H2O

цинкхальканит (Zn, Cu)SO4*5H2O

адамин Zn2(AsO4)OH

тарбуттит Zn2(PO4)OH

деклуазит (Zn, Cu)Pb(VO4)OH

леграндит Zn3(AsO4)2*3H2O

гопеит Zn3(PO4)*4H2O

ПОЛУЧЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ЦИНКА.

Цинк добывают из концентратов сфалерита, смитсонита икаламина.

Сульфидные полиметаллические руды, которые содержат пирит Fe2S, галеннит PbS,

халькопирит CuFeS2 и вменьшем количестве сфалерит после измельчения и размалывания подвергаютобогащению сфалеритом методом селективной флотации. Если руда содержитмагнетит, 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+3O2=2ZnO+2SO2+221ккал

Для превращения ZnS в ZnO измельчённые концентраты сфалерита предварительнонагревают в специальных печах горячим воздухом

Окись цинка также получают прокаливанием смитсонита при 300°.

Металлический цинк получают путём восстановления окиси цинкауглеродом

ZnO+CÞZn+CO-57 ккал

водородом

ZnO+H2ÛZn+H2O

ферросилицием

ZnO+FeSiÞ2Zn+Fe+SiO2

метаном

2ZnO+CH4Þ2Zn+H2O+C

окисью углерода

ZnO+COÞZn+CO2

карбидом кальция

ZnO+CaC2ÞZn+CaS+C

Металлический цинк также можно получить сильным нагреванием ZnS с железом, с углеродом в присутствии CaO,с карбидом кальция

ZnS+CaC2ÞZn+CaS+C

ZnS+FeÛ2Zn+FeS

2ZnS+2CaO+7CÞZn+2CaC2+2CO+CS2

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 некотороеколичество цинка, идущего на образование Zn[Al2O4], иполучают загрязнённый цинк.

ФИЗИЧЕСКИЕ ИХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА.

Цинк — блестящий серебристый белый металл с плотностью 7,13г/ см3  при 20° (тяжелыйметалл), температура плавления 419,44°,температура кипения 906°, твердость 2,5- 2,9 по шкале Мооса. Имеет плотную гексагональную структуру кристаллов. Цинкстановится при 100 — 150° и хрупким — выше 200°, он геомагнитен и имеет пятьприродных изотопов.

С химической точки зрения цинк менее активен, чем щелочные ищелочноземельные металлы, и более активен, чем олово, свинец, медь, ртуть,серебро, золото.

При сильном нагревании цинк воспламеняется и горитсине-зеленым пламенем.

Zn+ 1/2 O2 = ZnO +83,5ккал

Цинк окисляется кислородом воздуха при нагревании выше 225°, а в токе сухого кислорода выше 150°.

Металлический цинк не разлагает воду при комнатнойтемпературе или кипячении, поскольку в присутствии воды поверхность цинкапокрывается Zn(OH)2,который препятствует дальнейшему разрушению металла.

Цинк, нагретый почти до температуры плавления, энергичноразлагает поры воды с образованием ZnO и H2.

Zn +H2O Û ZnO + H2

При комнатной температуре  во влажном воздухе галогеныобразуют с цинком соответствующие гологениды. В сухом состоянии гологенывзаимодействуют с металлическим цинком при высокой температуре.

Zn+ F2 = Zn F2 + 172,7 ккал

Zn+ Cl2  = ZnCl2+99,55ккал

Zn+Br2 =ZnBr2 +78,4 ккал

Zn +I2 = ZnI2 + 49,8 ккал

Нагревание порошкообразного цинка порошком серы приводит кобразованию ZnS.

Zn +S = ZnS + 44 ккал

Под действием сероводорода поверхность металлического цинкапокрывается плотной защитной плёнкой ZnS.

Zn+H2SÛ ZnS + H2

Двуокись серы во влажной атмосфере и хлористый тионилвзаимодействуют с цинком при нагревании.

3Zn+ SO2 = ZnS + 2ZnO

Zn+SOCl2 = ZnCl2 + SO

Нагревание цинка в атмосфере аммиака дает нитрит  Zn3N2.

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 иливодорода приводят к образованию  Zn3P2 и ZnP2.

Поскольку нормальный потенциал системы Zn/Zn2+ = -0,761 В, металлический цинк легкорастворяется в кислотах и щелочах. При растворении цинка в разбавленныхкислотах образуются соответствующие соли и водород.

Zn +2HCl = ZnCl2 + H2

Zn +H2SO4 = ZnSO4 + H2

Чистый металлический цинк медленно взаимодействует сразбавленными кислотами, поскольку образовавшийся атомарный водород покрываетповерхность цинка и выделение водорода уменьшается.

При образовании гальванического элемента Zn- Cu  в соляной кислоте выделение водорода происходиточень интенсивно, и цинк легко растворяется, превращаясь в хлорид. Дляобразования гальванического элемента Zn — Cu в раствор соляной кислоты добавляют несколько капельсульфата меди. Медь, стоящая в электрохимическом ряду напряжений правее цинка,осаждается им, покрывает поверхность цинка и ускоряет, таким образом,растворение его в соляной кислоте.

По отношению к концентрированным серной и азотной кислотамцинк является восстановителем.

Zn +2H2SO4 = ZnSO4 + SO2 + 2H2O

4Zn+ 10HNO3 = 4Zn(NO3)2 + NH4NO3+3H2O

При действии щелочей на металлический цинк образуютсягидроцинкаты и водород.

Zn +NaOH + 2H2O = Na2[Zn(OH4)] + H2

Цинк вытесняет менее активныеметаллы из растворов их солей и восстанавливает хромовую, марганцевую имолибденовую кислоты, соли железа (III)  и олово (IV).

С помощью цинка можно осуществлятьцинкотермическое  разложение многих окислов, например: CdO,PbO, CuO, NiO.

Восстанавливая сероуглерод,цинковый порошок раскаляется.

С точки зрения физиологии цинк — необходимый элемент для живых организмов.

Цинк входит в состав фермента,имеющегося в красных кровяных тельцах (гемоглобин), с помощью которогопроисходит перенос двуокиси углерода в крови.

Для животных цинк загрязненныймышьяком, сурьмой, свинцом, кадмием становится токсичен.  Вдыхание ZnCl2  в больших дозах смертельно.

ПРИМЕНЕНИЕ.

Во влажном воздухе поверхностьцинка покрывается тонкой защитной пленкой окисла и основного карбоната, которыйв дальнейшем предохраняет металл от атмосферного действия атмосферныхреагентов. Благодаря этому свойству цинк применяется для покрытия железныхлистов и проволоки. Также цинк применяется для извлечения серебра изсеребросодержащего свинца по процессу Паркеса; для получения водорода врезультате разложения соляной кислоты; для вытеснения металлов с более низкойхимической активностью из растворов их солей; для изготовления гальваническихэлементов; в качестве восстановителя во многих химических реакциях; дляполучения многочисленных сплавов с медью, алюминием, магнием, свинцом, оловом идругими металлами.