Цинк и его сплавы: химический состав, физические свойства, применение

Химические свойства цинка

Цинк — активный металл. При комнатной температуре тускнеет и покрывается слоем оксида цинка.

  • Вступает в реакцию со многими неметаллами: фосфором, серой, кислородом.
  • При повышении температуры взаимодействует с водой и сероводородом, выделяя водород.
  • При сплавлении с щелочами образует цинкаты — соли цинковой кислоты.
  • Реагирует с серной кислотой, образуя различные вещества в зависимости от концентрации кислоты.
  • При сильном нагревании вступает в реакции со многими газами: газообразным хлором, фтором, йодом.
  • Не реагирует с азотом, углеродом и водородом.

Физические свойства цинка

Цинк — твердый металл, но становится пластичным при 100–150 °C. При температуре выше 210 °С может деформироваться. Температура плавления — очень низкая для металлов. Несмотря на это, цинк имеет хорошую электропроводность.

  • Плотность — 7,133 г/см³.
  • Теплопроводность — 116 Вт/(м·К).
  • Температура плавления цинка — 419,6 °C.
  • Температура кипения — 906,2 °C.
  • Удельная теплота испарения — 114,8 кДж/моль.
  • Удельная теплота плавления — 7,28 кДж/моль.
  • Удельная магнитная восприимчивость — 0,175·10-6.
  • Предел прочности при растяжении — 200–250 Мн/м 2 .

Подробный химический состав цинка различных марок указан в таблице ниже.

Обозначение марок Цинк, не менее Примесь, не более
свинец кадмий железо медь олово мышьяк алюминий всего
ЦВ00 99,997 0,00001 0,002 0,00001 0,00001 0,00001 0,0005 0,00001 0,003
ЦВ0 99,995 0,003 0,002 0,002 0,001 0,001 0,0005 0,005 0,005
ЦВ 99,99 0,005* 0,002 0,003 0,001 0,001 0,0005 0,005 0,01
Ц0А 99,98 0,01 0,003 0,003 0,001 0,001 0,0005 0,005 0,02
Ц0 99,975 0,013 0,004 0,005 0,001 0,001 0,0005 0,005 0,025
Ц1 99,95 0,02 0,01 0,01 0,002 0,001 0,0005 0,005 0,05
Ц2 98,7 1,0 0,2 0,05 0,005 0,002 0,01 0,010** 1,3
Ц3 97,5 2,0 0,2 0,1 0,05 0,005 0,01 2,5
* В цинке, применяемом для производства сплава марки ЦАМ4-1о, массовая доля свинца должна быть не более 0,004%. ** В цинке, применяемом для проката, массовая доля алюминия должна быть не более 0,005%.

Содержание примесей в цинке зависит от способа производства и качества сырья.

В России основной процент цинка получают гидрометаллургическим способом — металл восстанавливают из солей в растворах. Такой способ позволяет получить наиболее чистый металл. Но часть цинка обрабатывают при высоких температурах. Такой метод называют пирометаллургическим.

Свинец — особая примесь в цинке, так как основная его часть оседает из-за нерастворимых анодов, содержащихся в металле. Катодный цинк, помимо всех указанных примесей, состоит из хлора и фтора.

Химические и физические свойства и история металла

Несмотря на использование с давних времён в различных целях, чистый цинк получить никак не удавалось. Только в начале восемнадцатого века Уильям Чемпион сумел открыть способ выделения этот элемент из руды с помощью дистилляции. В 1838 году он запатентовал своё открытие, а спустя 5 лет, в 1843 году, Уильямом Чемпионом был запущен первый в истории завод по выплавке этого металла. Спустя некоторое время Андреас Сигизмунд Маргграф открыл ещё один метод. Этот способ был признан более совершенным. Поэтому именно Маргграфа зачастую считают открывателем чистого цинка. Последующие открытия только поспособствовали расширению его популярности.

СВОЙСТВА

При комнатной температуре хрупок, при сгибании пластинки слышен треск от трения кристаллитов (обычно сильнее, чем «крик олова»). Имеет низкую температуру плавления. Объем металла при плавлении увеличивается в соответствии со снижением плотности. С повышением температуры уменьшается кинетическая вязкость и электропроводность цинка и возрастает его удельное электрическое сопротивление. При 100—150 °C цинк пластичен. Примеси, даже незначительные, резко увеличивают хрупкость цинка. Является диамагнетиком.

Применение цинка и его сплавов

Цинк — один из самых востребованных элементов. Он занимает 3-е место по объему производства среди цветных металлов. Первенство принадлежит меди и алюминию. Но в чистом виде он используется редко: при высоких температурах металл становится мягким, а при низких — хрупким. Процесс, где он применяется в чистом виде — восстановление драгоценных металлов из червонного свинца.

Около 40% произведенного металла используется для защиты стальных конструкций от механических повреждений и коррозии. Высокая степень антикоррозийной защиты объясняется большей, чем у железа, химической активностью. Поэтому цинковый слой вступает в реакции раньше, чем основная конструкция.

Раньше в типографиях использовалась цинковая краска для печати. В настоящее время ее относят к вредным веществам и вместо нее используют другие красители. Но цинковые белила используются и на сегодняшний день, хотя их производство сокращается. Главное их достоинство — высокая сцепляемость с окрашиваемой поверхностью, обеспечивающая качественное покрытие. Белила устойчивы к воздействию ультрафиолетового излучения, долго сохраняют свой цвет.

Цинковая пыль нашла применение в пиротехнике и фейерверках. Она придает пламени голубоватый оттенок.

Гораздо чаще применяются цинковые сплавы. Они имеют высокую температуру плавления и механическую прочность. Добавками служат медь, свинец, олово, алюминий, магний.

Сплавы широко применяются в автомобильной, авиационной промышленности, в производстве бытовой техники.

Широкое распространение получили источники тока с электродами из ртутно-цинковых и серебряно-цинковых сплавов.

Благодаря низкой температуре плавления цинковый лом можно расплавить в домашних условиях. Нагревателями могут служить пламя костра, газовой горелки, паяльной лампы, автогена. Расплавить цинк можно на электроплите, в микроволновой печи. Для сбора расплава нужна железная посуда.

Пары цинка представляют опасность для здоровья, поэтому плавку следует проводить на открытом воздухе или в хорошо проветриваемом помещении.

Чтобы получить чистый материал, применяется две технологии:

  1. Электролитический метод. Масса, полученная из руды, помещается в ёмкость, заполненную серной кислотой. Через раствор пропускают ток. Металл отделяется от примесей. Далее его запекают с помощью промышленных печей.
  2. Пирометаллургический метод. Сначала проводится обжиг. Далее применяется коксовый уголь для восстановления готовой массы. Последний этапом является процесс отстаивания.

Во время обжига руды выделяется газ, который содержит большое количество серы. Его используют для создания серной кислоты.

Цинк — популярный цветной металл. Он уступает алюминию, меди по количеству добычи. Слабые механические свойства не делают его плохим. Материал нашёл своё применение в разных направлениях промышленности.

[править] Химические свойства

Цинк является малоактивным металлом, проявляет амфотерные свойства. Из-за наличия на своей поверхности оксидной или карбонатного пленки, он практически не подвергается воздействию коррозии (благодаря этому свойству некоторые металлические изделии покрывают тонким слоем цинка). На воздухе цинк окисляется при нагревании выше 225 °C:

Разогретый цинк активно взаимодействия с водяным паром:

Обычно цинк вступает во взаимодействие только за значительного нагрева. Исключение составляют реакции с агрессивными окислителями, например, с галогенами:

Без нагрева реагирует с большим количеством кислот. Реакция вытеснения водорода широко используется в лабораторной практике для синтеза технического H2 (в аппарате Кипа):

При высоких температурах взаимодействует с неметаллами и их оксидами (кислотными оксидами):

Проявляя амфотерные свойства, цинк реагирует с также с щелочами. В конечных соединениях он выступает в качестве комплексообразователя, координируя вокруг себя четыре лиганды:

Читайте также  Серо буро малиновый цвет

В виде порошка цинк способен восстанавливать или даже вытеснять из солей менее активные металлы:

Известно, что в природе хром может находиться в виде пяти стабильных изотопов 64Zn, 66Zn, 67Zn, 68Zn и 70Zn. Их массовые числа равны 64, 66, 67, 68 и 70 соответственно. Ядро атома изотопа цинка 64Zn содержит тридцать протонов и тридцать четыре нейтрона, а остальные изотопы отличаются от него только числом нейтронов.

Существуют искусственные нестабильные изотопы цинка с массовыми числами от 54-х до 83-х, а также десять изомерных состояний ядер, среди которых наиболее долгоживущим изотопом является 65Zn с периодом полураспада равным 243,66 суток.

Свойства

При комнатной температуре хрупок, при сгибании пластинки слышен треск от трения кристаллитов (обычно сильнее, чем «крик олова»). Имеет низкую температуру плавления. Объем металла при плавлении увеличивается в соответствии со снижением плотности.

С повышением температуры уменьшается кинетическая вязкость и электропроводность цинка и возрастает его удельное электрическое сопротивление. При 100—150 °C цинк пластичен. Примеси, даже незначительные, резко увеличивают хрупкость цинка. Является диамагнетиком.

Способы плавления

Способов плавления двавнешний и внутренний. Каждый из способов по своему эффективен. Во время применений внешнего способа плавления, на металл или сплав воздействуют теплом с наружи, на пример в печи. А в случае с внутренним, через металл пропускается высокий разряд электрического тока или воздействуют электромагнитным полем.

На фото индукционный электромагнитный нагреватель металла для кузнечного дела.