Цинк
от Уикипедия, свободната енциклопедия
|
||||||
Химическа серия | преходен метал | |||||
Група, Период, Блок | 2Б, 4, | |||||
Външен вид | синьо-сив метал |
|||||
Свойства на атома | ||||||
Атомна маса | 65,39 u | |||||
Атомен радиус (calc) | 135 (142) pm | |||||
Ковалентен радиус | 131 pm | |||||
Радиус на ван дер Ваалс | 139 pm | |||||
Електронна конфигурация | [Ar]3d104s2 | |||||
e- на енергийно ниво | 2, 8, 18, 2 | |||||
Оксидационни състояния (Оксид) |
2 (?) | |||||
Кристална структура | хексагонална | |||||
Физични свойства | ||||||
Агрегатно състояние | твърдо | |||||
Плътност | 7,1 kg/m³ | |||||
Температура на топене | 692,68 K (419,53 °C) | |||||
Температура на кипене | 1180 K (907 °C) | |||||
Моларен обем | 9,16*10-3 m³/mol | |||||
Специфична топлина на топене | 7,322 kJ/mol | |||||
Специфична топлина на изпарение | 115,3 kJ/mol | |||||
Налягане на парата | 192,2 Pa при 692,73 K | |||||
Скорост на звука | 3700 m/s при 293,15 K | |||||
Други | ||||||
Електроотрицателност | 1,65 (скала на Паулинг) | |||||
Специфичен топлинен капацитет | 390 J/(kg·K) | |||||
Специфична електропроводимост | 16,6*106 S/m | |||||
Топлопроводимост | 116 W/(m·K) | |||||
Йонизационен потенциал | ? kJ/mol
|
|||||
Периодична система на елементите |
Цинкът Zn е химичен елемент, преходен метал. Намира се във 2Б група, четвърти период от периодичната система на елементите. Поредният му номер Z е 30.
Съдържание |
[редактиране] История и разпространение
Цинкът е познат на човечеството от древността. Данни за неговото получаване и употреба има още от XІІІ век пр.н.е. Той спада към средно разпространените химични елементи - 2,10-3ат.%. Цинкът се среща в земната кора изключително в свързано състояние под формата на редица полиметални сулфидни руди, а също и като минералите сфалерит (ZnS) и смитсонит (ZnCO3), известен още като галмей. Други негови минерали с промишлено значение са цинкит (ZnO), вилемит (Zn2SiO4), троостит (Zn,Mg)2SiO4, франклинит (Zn,Mg)O.Fe2O и др.
Най-големи находища на цинкови руди има в Канада, Австралия и Перу.
Цинкът е познат от древни времена под формата на медна сплав - месинг. Месингът се получавал от мед, която се стапяла със "земя", известна на древните гърци като "кадмия". Тази земя, в последствие се оказала цинков карбонат (ZnCO3), който е получил и минераложкото название галмей. Като чист метал той е получен в края на Средновековието. В големи количества започва да се получава едва в края на ХVІІІ в.
[редактиране] Строеж на атома
Атомът на елемента се отличава с устойчива d10-конфигурация в предпоследния (трети) електронен слой и с два s-електрона в последния. Поредният му номер Z е равен на 30, т.е. той има 30 протона в ядрото си и 30 електрона в електронната си обвивка. Електронната му конфигурация има вида
-
- 1s22s22p63s23p63d104s2
Характерната за цинка атомна маса е равна на 65,37 а.е.м., атомният му радиус е 0,139 nm, а електроотрицателността му - 1,4 еV.
Цинкът има йонен радиус 0,074 nm, който е много по-малък от тези на представителите на ІІА група, а характерната за него йонизационна енергия е значително по-голяма - 9,39 еV. Затова и активността на този елемент е значително по-малка. Поради стабилността на d10-конфигурацията характерната степен на окисление на този елемент +2. Химичните връзки се образуват с участието на двата s-електрона. Проявява подчертана склонност към комплексообразуване.
Химичните свойства на цинка се определят от електронната му конфигурация. Тя се отличава от тази на калциевия атом само по това, че между неговите 3s23р6 и 4s2-електрони има десет 3d-електрона. Тъй като d-електроните са много здраво свързани, те не могат да се отделят, т.е. те не могат да влияят на валентността на цинка. Те обаче оказват влияние върху силата, с която се свързват двата външни валентни електрона (4s2) – по-силно свързани са с ядрото отколкото 4s2-електроните на калция, поради което цинка има по-слаб електрохимичен характер.
[редактиране] Физични свойства
Цинкът е сребристобял метал. Плътността му е 7,1 g/cm3, a стандартния електроден потенциал – 0,763 М/М+2. При обикновенна температура е подчертано крехък и не може да се обработва механически. При повишаване на температурата става ковък и при 100–150 °С е толкова мек, че може да се валцува и изтегля на жица. Над 200 °С става отново крехък и към 300 °С може да се стрива дори на прах. Примесите към цинка оказват влияние върху ковкостта му. Така 0,12% желязо понижава силно способността му да се валцува. Това отнасяне на цинка се обяснява с неговите алотропни форми, които значително се различават по своите механически показатели. Освен това се променят и относителното тегло, както и твърдостта. Все пак относителното тегло е от порядъка на 7,14. Цинкът се топи при 420 °С, а кипи при 907 °С. Топлопроводимостта му е 61-64%, а електропроводимостта – 27% от тези на среброто.
Естествените изотопи на цинка са пет на брой: 64Zn – 48,7 мас. %, 66Zn – 27,8 мас. %, 67Zn – 4,1 мас. %, 68Zn – 18,8 мас. % и 70Zn – 0,6 мас. %.
[редактиране] Химични свойства
При сравнение на свойствата му с тези на А-групата и със съседните групи преходни метали изпъкват сравнително ниските температури на топене и кипене, както и сравнително високото електросъпротивление – 5,8 µΩ.см. Обяснението на тези факти се търси в значителната стабилност на d10-конфигурацията при този метал. d-Електроните не участват нито в ковалентна, нито в метална връзка между металните атоми, а запазват характерното за изолираните атоми разпределение на електронната плътност около ядрата. По такъв начин металната връзка се осъществява само от s-електроните от последния електронен слой. Връзката е по-слаба и свързаните с нея показатели (какъвто е температурата на топене) – по-ниски.
По химична активност, цинкът значително отстъпва на представителите на А-групата.
Изложен на въздух, губи металния си блясък, като бързо се покрива с корица от основен карбонат, която го предпазва от по-нататъшно окисление.
Стойностите на стандартните електродни потенциали показват, че цинкът е сравнително добър редуктор и се разтваря в киселини
-
- Zn + 2H3O+ + 2H2O → [Zn(H2O)4]2+ + H2,
а при нягряване и в основи
-
- Zn + 2OH- + 2H2O → [Zn(OH)4]2+ + H2
При взаимодействие с киселини, който са и силни окислители, цинкът се отнася като по-силен редуктор. С разредена азотна киселина например, се извършва взаимодействието:
-
- 4Zn + 10HNO3 → 4Zn(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O
и част от азотната киселина се редуцира до амониев йон.
Когато цинкът е отчасти примесен с метали, които се намират след него в реда на относителната активност на металите, в зависимост от тяхната природа скоростта на разтварянето на цинка в киселината се увеличава повече или по-малко.
Цинкът не реагира с вода, тъй като се образува корица от цинков хидроксид, която го предпазва от по-нататъшно взаимодействие. Взаимодейства с амоняк и разтвори на амониеви соли, особено ако температурата е по-висока, при което се получава [[Zn3N2]]
-
- 3Zn + 2NH3 → Zn3N2 + 3H2
При нагряване цинкът взаимодейства с повечето неметали.
[редактиране] Практическо приложение
Практическото използване на цинка и неговите съединения е широко и разнообразно. Основното количество цинк се използва като антикорозионно покритие на желязото. Използва се за месингови сплави, които съдържат мед и от 20 до 50% цинк. Още участва в състава на сплави, в които освен мед, се съдържа и алуминий. Според съдържанието на цинк, мед и алуминий тези сплави носят различни наименования: целко-сплав, бял месинг и др.
Цинков прах намира приложение като редуктор в лабораторната практика и в химичната технология. Поради своята трошливост цинкът не е подходящ като конструкционен материал. В това отношение обаче редица негови сплави имат отлични качества – сплавите му с медта, алуминия и никела. В металургията цинкът се използва за отлъчване на среброто от оловно – сребърната стопилка, както и за отделяне на златото от неговата комплексна сол, при извличането му по цианидния метод. В лабораторната практика се употребява най-често за получаване на водород при взаимодействието му със сярна киселина.
Сухите галванични елементи се конструират най-вече с участието на цинк или метали от групата на цинка. Въглерод-цинковият елемент е конструиран през 1866 г. от Лекланше. Положителният полюс е от въглерод, окръжен от манганов двуокис (MnO2), а отрицателният – от цинк. Електролитът е нишадър (NH4Cl), който обикновено се пропива в пясък. При работа с елемента се извършват обикновено процесите:
- на отрицателния полюс
-
- Zn → Zn2+ + 2e-;
-
- на положителния полюс
-
- 2MnO2 + 2H2O + 2e- → 2MnO(OH) + 2OH-;
-
- в електролита
-
- Zn + 2MnO2 + 2NH4Cl + 2OH- → Zn(NH3)2Cl2 + H2O
-
- или сумарно
-
- Zn + 2MnO2 + 2NH4Cl → Zn(NH3)2Cl2 + 2MnO(OH),
-
т.е. електрическата енергия се получава за сметка на окислението на цинка от пиролузита.
Живачният галваничен елемент има цинкова амалгама на отрицателния полюс, а положителният полюс е от живачен(ІІ)оксид. Електролитът е концентрирана калиева основа (КОН). При работа с елемента протичат процесите:
- на отрицателния полюс
-
- Zn + 2OH- → ZnO + H2O + 2e-
-
- на положителния полюс
-
- HgO + H2O + 2e- → Hg + 2OH-
-
- или сумарно
-
- Zn + HgO → Hg + ZnO
-
В този случай цинкът се окислява от живачния оксид.
Цинкът е отрицателен полюс и при алкално-мангановия галваничен елемент. Отново окислително-редукционният процес е взаимодействието на цинка с манганов двуокис:
-
- Zn + 2MnO2 → ZnO + Mn2O3.
Тук обаче условията за взаимодействие и крайните продукти са различни от елемента на Лекланше. Електролит е калиева основа (КОН), а положителният полюс – пресован графит и MnO2. На електродите се извършват процесите:
- на отрицателния полюс
-
- Zn + 2OH- → ZnO + H2O + 2e-
-
- на положителния полюс
-
- 2MnO2 + H2O + 2e- → Mn2O3 +2OH-.
-
[редактиране] Биохимия
Цинкът не е токсичен. Неговите соли обаче притежават известно токсично действие.
Същевременно това е елемент, необходим за нормалното функциониране на клетъчните системи. Човешкото тяло съдържа около 2g цинк. Той е съсредоточен предимно в състава на някои ензими. Карбонанхидразата например ускорява достигането на равновесието
-
- CO2 + H2O ↔ HCO3- + H+
Правата реакция протича в тъканите, докато обратната се извършва в белите дробове и води до отделянето на СО2 от кръвта. Без действието на този фермент не би било възможно дишането. Цинкът е и в състава на хормона инсулин, който регулира съдържанието на захар в кръвта и усилва действието на хормоните на хипофизата.
Цинкът има голям афинитет към кислорода. Загрят на въздуха при достатъчно висока температура, той може да изгори със синкаво-зелен пламък, както е в праховидно състояние или в състояние на тънки нишки до цинков оксид (ZnO).
Нагрят до тъмночервено, той отнема кислорода дори и от водните пари и от СО2:
-
- Zn + H2O → ZnO + H2
- Zn + CO2 → ZnO + CO.
Оксидът на цинкът се получава при пряко взаимодействие на цинк и кислород при загряване.
-
- 2Zn + O2 → 2ZnO
Съответстващият на оксида цинков хидроксид Zn(OH)2 се получава при алкализиране на разтвори на соли на Zn(ІІ).
Взаимодействието с водорода не е характерно за цинка. Малка е и разтворимостта на водорода в него. Хидрид, съответстващ на формулата ZnH2, може да се получи при взаимодействието на цинков йодид с LiAlH4
-
- 2ZnI2 + LiAlH4 → 2ZnH2 + LiI + AlI3
Взаимодействието се извършва в диетилов етер.Това е твърдо нестабилно вещество, което се разлага при 90оС. При нагряване се разлага на съставните си части. С вода реагира, като се получава Zn(OH)2 и H2.
Широко приложение за борба с гризачите в селското стопанство има цинковият фосфид, който се получава при директно взаимодействие на елементите
-
- 3Zn + 2P → Zn3P2
Той е сиво обагрен, силно отровен прах. Получен е и оранжев на цвят ZnP2, както и белия ZnPH.
Една от най-характерните цинкови соли е цинковият сулфид (ZnS).
Халогенидите на цинка се получават при непосредствено взаимодействие с халогенните елементи. Халогенидите са бели на цвят и имат сравнително високи температури на топене и йонна или молекулна кристална решетка. Флуоридът е слаборазтворим във вода, но останалите халогениди са със значителна разтворимост. Те дори притежават силно хигроскопични свойства. Разтварят се и в органични разтворители, като етилов алкохол, ацетон и др. Получени по мокър път някои от тях кристализират като хидрати – ZnCl2.4H2O. За сметка на свободните s-, p- и d-орбитали на металния йон тези халогениди са склонни към присъединителни реакции, които дават комплексни съединения с координационни числа 3, 4 и 6. Поляризуемостта на халогенидните йони нараства от флуора към йода.
При разтварянето на ZnO, Zn или ZnCO3 в солна киселина се получава цинков хлорид.
За цинка не са характерни съединения с въглерода и азота.
Цинкът образува най-различни съединения с кислородосъдържащи и други киселини. Солите цинков цианид, цинков фосфат и цинков карбонат са малкоразтворими. Цианидът - Zn(CN)2 е бяла утайка. Възможно е да се получи чрез утаяване на воден разтвор на разтворима цинкова сол с разтвор на калиев или натриев цианид
-
- ZnSO4 + 2KCN → Zn(CN)2 + K2SO4
Склонен е да образува колоидни разтвори. Може да се получи и в кристално състояние като ромбични призми. Разтваря се в излишък от утаителя, поради комплексообразуване:
-
- Zn(CN)2 + 2KCN → K2[Zn(CN)4].
Комплексните цинкови цианиди M2[Zn(CN)4] са също така отровни както и всеки друг разтворим цианид, тъй като комплексният катион [Zn(CN)4]2- има малка стабилитетна константа и поддържа в разтвор значителна концентрация на отровните цианидни аниони:
-
- [Zn(CN)4]2- → Zn2+ + 4CN-.
Други соли на цинка с кислородосъдържащи и безкислородни киселини са цинков сулфат и цинков нитрат.
Цинк-органичните съединения са първите получени метал-органични съединения.
Цинкът е важен микроелемент.
[редактиране] Получаване на цинк
Цинкът се получава от неговите сулфидни руди при металургична преработка. След обогатяване чрез флотация сфалерита се пържи, при което се получава цинков окис (ZnO), съдържащ и кадмий:
-
- 2ZnS + 3O2 → 2ZnO + 2SO2
По-нататък ZnO може да се обработи по два начина:
- пирометалургия - редуциране с въглища (кокс)
-
- ZnO + C → Zn + CO
- Редукцията се извършва при висока температура и цинкът се отделя във вид на па̀ри. При охлаждането може да стане окисляване на цинка вследствие равновесието, което се установява при тези условия
- Zn + CO2 ↔ ZnO + CO;
- За да се избегне това, охлаждането на цинковите пари става чрез впръскване на стопено олово. Стопилките от двата метала не се смесват и при тези условия се получава цинк с чистота около 99%. Пречистването му става чрез вакуумдестилация.
-
- хидрометалургия - цинковия оксид се разтваря в разредена сярна киселина и се подлага на електролиза.
- Електролитът е цинков сулфат, анодите са оловни, а катодите – алуминиеви. Оловните аноди не се разрушават при електролизата, а отделеният върху алуминиевите катоди цинк лесно се отделя механически от тях. Поради значителният си парен натиск цинкът лесно се пречиства чрез дестилация. Така се получава метал с чистота 99,99%.
Кадмият често съпътства цинка в неговите руди. Двата метала могат да се разделят при дестилация, тъй като температурата на кипене на кадмия е по-ниска от тази на цинка. При хидрометалургичното получаване на цинка примесите от кадмий и мед попадат в разтвора като сулфати. При прибавянето към този разтвор на цинков прах цинкът редуцира кадмиевите и медните соли и се отделя т.нар. медно-кадмиев кек. При обработването му със сярна киселина (H2SO4) се получава разтвор на кадмиев сулфат (CdSO4), който се подлага на електролиза.