Цинк как химический элемент¶

Цинк — химический элемент побочной подгруппы второй группы (по устаревшей классификации) четвёртого периода периодической системы, атомный номер 30, обозначается символом Zn (лат. Zincum). Относится к переходным металлам, при нормальных условиях представляет собой хрупкий металл серебристо-голубоватого цвета, тускнеющий на воздухе из-за образования тонкой плёнки оксида. Простое вещество цинк — типичный металл умеренной твёрдости и пластичности, один из важнейших цветных металлов по объёму мирового производства и потребления.

¶Общие сведения

Атомная масса цинка — 65,38 а. е. м. Известны пять стабильных изотопов, наиболее распространён изотоп ⁶⁴Zn. Температура плавления составляет около 419 °C, температура кипения — около 906 °C. Плотность — примерно 7,13 г/см³. В соединениях цинк проявляет степень окисления +2, реже встречается +1. По химической активности цинк уступает щелочным и щёлочноземельным металлам, но реагирует с разбавленными кислотами, вытесняя водород, и растворяется в щелочах с образованием цинкатов.

Название элемента, вероятно, происходит от немецкого Zink, связанного со словами, означающими «зубец» или «остриё» — из-за формы кристаллов, образующихся при выплавке. В чистом виде металл был выделен в Европе в XVIII веке, хотя его сплавы, прежде всего латунь, использовались с древности.

¶История

Сплавы цинка с медью — латунь — были известны ещё в античности: их получали в Древнем Риме, Индии и Китае, не выделяя сам цинк в чистом виде. Металлический цинк в Индии получали методом дистилляции уже в средние века, о чём свидетельствуют находки в Раджастхане, датируемые XII–XIII веками.

В Европе производство цинка как самостоятельного металла началось позже. В 1746 году немецкий химик Андреас Маргграф описал способ получения цинка путём прокаливания оксида с углём в закрытых сосудах, что считается началом научного изучения элемента. Промышленное производство развилось в XIX веке, а в XX веке цинк стал одним из базовых металлов металлургии.

¶Нахождение в природе

Цинк не встречается в самородном состоянии в значительных количествах. Основные минералы — сфалерит (цинковая обманка, ZnS), смитсонит (ZnCO₃), каламин и цинкит. Крупные месторождения сосредоточены в Китае, Австралии, Перу, США, Канаде и Мексике. В земной коре содержание цинка составляет около 0,0076 % по массе.

Цинк — биогенный элемент: он входит в состав более чем 300 ферментов, участвует в обмене веществ, росте и делении клеток. Суточная потребность человека в цинке невелика, но его дефицит приводит к нарушениям иммунитета, заживления ран и роста.

¶Получение

Основной способ получения цинка — пирометаллургический и гидрометаллургический. Сначала сульфидную руду обогащают флотацией, затем обжигают до оксида, который восстанавливают углём при высокой температуре. Образующиеся пары цинка конденсируют. Гидрометаллургический метод включает выщелачивание оксида серной кислотой и последующее электролитическое осаждение металла. Чистота получаемого цинка достигает 99,9 % и выше.

¶Применение

Цинк применяется в нескольких ключевых направлениях:

• Антикоррозионная защита. Оцинковка стали — нанесение цинкового покрытия — основной способ защиты от коррозии. Цинк работает как протектор: он окисляется раньше железа, предохраняя основной металл.
• Сплавы. Латунь (с медью), бронза, цинковые сплавы для литья под давлением применяются в машиностроении, приборостроении и производстве бытовых изделий.
• Химические источники тока. Цинк используется в качестве анода в сухих элементах, солевых и щелочных батарейках.
• Медицина и биология. Оксид цинка входит в состав мазей и солнцезащитных средств; препараты цинка применяются при дефиците элемента.
• Строительство и pigments. Оксид цинка (цинковые белила) используется как пигмент в красках.

¶Биологическая роль

Цинк — незаменимый микроэлемент для всех живых организмов. Он входит в активные центры ферментов, участвует в синтезе белков и нуклеиновых кислот, стабилизирует структуру ДНК-связывающих белков. Наиболее богаты цинком мясо, морепродукты, орехи и бобовые. Недостаток цинка в организме проявляется замедлением роста, дерматитами, снижением иммунитета; избыток также токсичен и приводит к нарушениям обмена меди и железа.

¶Токсичность и безопасность

Металлический цинк и его оксид при вдыхании паров могут вызывать так называемую «литейную лихорадку» — состояние, сопровождающееся ознобом и повышением температуры. Растворимые соли цинка в больших дозах токсичны. При работе с расплавленным цинком и его парами применяются средства защиты и вентиляция. В окружающей среде цинк накапливается в почвах и донных отложениях вблизи металлургических производств, что требует контроля выбросов.

¶Экономическое значение

Цинк занимает четвёртое место среди металлов по мировому производству после железа, алюминия и меди. Крупнейшие производители — Китай, Перу, Австралия, Индия и Канада. Значительная часть потребления связана со строительной отраслью и автомобилестроением. Цены на цинк формируются на биржевых площадках и зависят от баланса спроса и предложения, а также от запасов на складах.