Цинк: властивості, характеристики, сфери застосування

Опубліковано: 04 Грудня 2024

Цинк – це унікальний хімічний елемент, який використовується для виробництва сплавів та покриттів, знаходить широке застосування у будівництві, металургії, медицині, різних галузях промисловості. За обсягами використання у світовому виробництві цинк стоїть на четвертому місці після заліза, міді та латуні.

Що таке цинк – метал чи неметал?

Цинк – це метал, який оточує нас усюди. Утворює кілька десятків мінералів, таких як сфалерит, цинкіт, каламін та інші. Активно мігрує у водоймах та підземних водах, утворюючи осад у вигляді сульфідів цинку. Вміст цинку в земній корі становить 8,3⋅10−3 %, а тілах більшості живих організмів, загалом, 5⋅10−4 %. 

Хімічний елемент

Хімічний елемент цинк позначається символом Zn з атомним номером 30. Належить до 12 групи четвертого періоду періодичної таблиці Менделєєва, має п’ять стабільних ізотопів. Атомна маса цинку 65,38 а. е. м., структура кристалічних ґрат – гексагональна.

Історія відкриття

Перша історія згадування цинку належить до епох існування Стародавнього Єгипту і Стародавню Грецію, де активно використовували латунь – сплав цинку і міді. Чистий хімічний елемент було вперше отримано дистиляційним методом 1738 року. Технологія складається з кількох етапів – цинк відновлюється з оксиду, далі відбувається випаровування хімічного елемента та конденсація парів Zn. Автор винаходу Вільям Чемпіон запатентував цей спосіб у 1743 році і відкрив перший завод із виробництва цинку у промислових масштабах. 

У 1746 році німецький хімік Андреас Сигізмунд Маргграф розробив схожу технологію отримання цинку і започаткував теоретичні основи виробництва цього хімічного елемента. Електролітичний спосіб, популярніший у наш час, запустили у виробництво в 1915 році в США та Канаді. З того часу стався активний розвиток технологій, інтерес до цинку не згасає досі. Сучасна промисловість має ефективну науково-технічну базу для отримання цинку та його подальшого використання в різних процесах.

Основні природні джерела та видобуток цинку

Цинк не зустрічається в природі у чистому вигляді та знаходить практичне застосування у вигляді сплавів, мінералів, хімічних сполук. Країни з найбільшим обсягом видобутку цинку – Китай, Австралія, Перу, США, Канада. Природними джерелами видобутку Zn є поліметалеві руди, які містять до 4% сульфіду цинку та інші домішки. Спеціальна технологія дозволяє збільшити вміст цинку у руді до 50%. Далі сульфід цинку піддається випалу печі з отриманням оксиду цинку ZnO, з якого дистиляційним способом виділяється концентрована суміш з 98% цинку. Електролітичний спосіб дозволяє досягти чистоти концентрату понад 99,9%. У промислових цілях використовують цинк із мінімальними домішками інших хімічних елементів – свинцю, заліза, кадмію, олова, алюмінію та інших. Кожен вид домішок впливає на властивості цинку: наприклад, залізо робить цинк твердішим, але менш пластичним.

Фізико-хімічні властивості цинку

Цинк активно взаємодіє з хімічними елементами, має відносно низьку температуру плавлення та схильність до зміни агрегатного стану при коливаннях температури та тиску. Має оптимальне поєднання теплопровідності та електропровідності для різних технічних застосувань.

Зовнішній вигляд та агрегатний стан

Чистий цинк Zn при кімнатній температурі – це метал сіро-білого кольору з блакитними включеннями та металевим блиском, який тьмяніє на повітрі в результаті контакту з киснем та утворення оксидної плівки. Схильний до тендітного руйнування, але при нагріванні вище 100°C набуває пластичності – не кришиться, не ламається під дією навантаження, що деформує, може застосовуватися для кування і прокату. У гарячому стані набуває вигляду текучого металу, який легко заповнює об’єм складних ливарних форм. Плинність та ливарні властивості визначаються процентним вмістом домішок. 

Стійкість до корозії

Цинк активно використовується у технологіях гальванізації металів. На поверхню наноситься тонкий шар цинку, який запобігає появі іржі та забезпечує тривалий термін експлуатації металоконструкції. Захист від корозії забезпечується двома факторами:

• Анодний захист. Цинк має більш негативний електродний потенціал, за рахунок чого серед електроліту виконує функцію анода, віддаючи іони під дією електрохімічних процесів. Цинк “жертвує” собою у гальванічній парі, внаслідок чого оголений метал у місцях пошкодження цинкового шару не корродує.
• Освіта оксидної плівки. Цинк вступає у взаємодію Космосу з киснем повітря і утворює оксид цинку. Це найтонша оксидна плівка, яка робить цинкове покриття пасивним до хімічних реакцій. Цинк не реагує із зовнішнім середовищем, не піддається агресивним впливам, тому не утворює корозії. Процес утворення оксидної плівки можна прискорити за допомогою технології штучної пасивації.

Хімічна активність та основні реакції

Zn відноситься до хімічно активних металів, які вступають у взаємодію з розчинами кислот, лугами, фосфором, киснем, сіркою та деякими іншими неметалами, галогенами. Приклади хімічної взаємодії цинку:

• 2Zn+O2→2ZnO – реакція окиснення цинку з утворенням оксидної плівки;
• ZnO+CO2+H2O→ZnCO3 – реакція оксиду цинку з вуглекислим газом та водою з утворенням карбонату цинку;
• Zn+2HCl⟶ZnCl2+H2 – реакція цинку з соляною кислотою з утворенням хлориду цинку та водню;
• Zn+H2SO4⟶ZnSO4+H2 – реакція цинку із сірчаною кислотою з утворенням сульфату цинку та водню
• ZnO+2HCl⟶ZnCl2+H2O – реакція оксиду цинку із соляною кислотою з утворенням хлориду цинку та води.

Цинк не входить у хімічні реакції з азотом, вуглецем, воднем, бором, кремнієм.

Теплопровідність та електропровідність

Теплопровідність цинку за кімнатної температури становить 116 Вт/(м·К) – це середній рівень порівняно з іншими металами. Здатність проводити тепло спричиняє застосування цинку у виробництві електротехнічних приладів, теплообмінників, акумуляторів. Електропровідність цинку за кімнатної температури становить 16,6·10⁶ мкСм/см – цинк проводить електричний струм дещо гірше, ніж мідь та алюміній, але є кращим провідником порівняно з нержавіючої сталлю. Цим обумовлено застосування цинку у виробництві гальванічних елементів та електротехнічних виробів.

Характеристики цинку

Розглянемо комплекс характеристик, які відрізняють цинк від інших матеріалів та надають йому унікальних властивостей, затребуваних у промисловості, будівництві та медицині. 

Щільність, температура плавлення та кипіння

Щільність цинку становить 7,133 г/см³ – в одному кубічному сантиметрі міститься 7,133 грама цинку. Цинк менш щільний у порівнянні зі сталлю, міддю, латунню та іншими металами. Температура плавлення цинку 419,6 °C – нижча порівняно з багатьма іншими металами, що робить цинк оптимальним для лиття. При цій температурі цинк плавиться – починається перехід із твердого стану в рідкий. Температура кипіння цинку 906,2°C – у цій точці починається перехід матеріалу в газоподібний стан.

Механічні властивості – міцність, твердість

При кімнатній температурі чистий цинк досить крихкий матеріал з відносно невисокою міцністю (200-500 МПа). Твердість цинку за Брінеллем 0,412 ГПа – за цим показником цинк відстає від міді, сталі та алюмінію. Мінімальний вміст інших металів (міді, магнію, алюмінію та інших) здатний впливати на механічні властивості цинку, тому в промисловості використовується цинк з контрольованим вмістом домішок та цинкові сплави – латунь (сплав міді та цинку), ЦАМ (сплав цинку, алюмінію, міді, магнію), а також склади для оцинкування.

Екологічні характеристики та безпека

При правильному використанні у промислових та медичних цілях цинк є безпечним матеріалом, який не створює надмірного навантаження на екологію. Цинк легко піддається переробці та повторному використанню – наприклад, для виробництва розплаву для гарячого цинкування. За рахунок збільшення довговічності оцинкованих виробів знижується загальний обсяг світових відходів металу. Цинк є важливим мікроелементом, необхідним підтримки здоров’я організму, але у великих концентраціях може бути токсичний для людини і небезпечний для екології водойм і грунту, особливо у складі солей – сульфатів і хлоридів. Технології видобутку цинку постійно вдосконалюються з метою зниження шкідливого на довкілля.

Сфери застосування цинку

За обсягами використання серед кольорових металів і сплавів у світі цинк поступається тільки міді та латуні. Де застосовується цинк? .

Промисловість

Цинк Zn виконує функцію анода в гальванічній парі з марганцем, сріблом, хромом, нікелем, бромом та іншими металами – цією властивістю обумовлено застосування цинку у виготовленні батарей та акумуляторів. Цинк знаходить застосування у поліграфічній галузі у виготовленні друкарських пластин для цинкографії, в автомобільній промисловості для виробництва гумових шин, у лакофарбовому виробництві для виготовлення олійних фарб. Не менш важливе застосування чистого цинку – вилучення та відновлення шляхетних металів.

Виробництво гальванічного покриття – оцинковка

Цинк є основним компонентом покриття, яке наноситься на метал для тривалого захисту від корозії. Технологія застосовується для антикорозійної обробки металоконструкцій, сталевих та чавунних виробів, металопрокату – листа, швелера, прутка, труби, смуги та інших видів оцинкування. Процес цинкування реалізується різними методами – холодним, гарячим, газотермічним, термодифузійним, гальванічним. 

До складу цинкового розплаву для гарячого цинкування входить більше 98,5% чистого цинку, решта об’єму займають домішки, які підвищують міцність і поліпшують характеристики захисного покриття. поверхні утворюється захисний шар цинку, який перешкоджає утворенню іржі та захищає метал від розвитку хімічної та електрохімічної корозії.

Використання в цинкових сплавах

Цинк служить найважливішим компонентом латуні – одного з найбільш затребуваних кольорових сплавів. Латунь виготовляється з міді, легованої цинком, з додаванням мінімальної кількості інших металів – нікелю, олова, марганцю, свинцю, заліза. Матеріал має високу міцність, пластичність і стійкість до корозії, легко піддається механічній обробці, зварюванню і куванню, широко застосовується в ливарному виробництві. Також цинк використовується для виробництва цинко-алюмінієвих сплавів, які мають покращені ливарні властивості і використовуються у виробництві складних високоточних виливків.

Медицина і фармакологія

Цинк та хімічні сполуки на його основі широко застосовуються в медицині та фармакології – для виготовлення антисептиків, протизапальних та противірусних лікувальних препаратів, мінеральних добавок, імуностимуляторів, косметичних засобів, полівітамінних комплексів. 

Будівництво

Основний напрямок застосування цинку у будівництві – виготовлення оцинкованих металоконструкцій та прокату. Метал із захисним цинковим покриттям використовується для будівництва дорожніх споруд, енергетичних об’єктів, елеваторів, каркасних та безкаркасних будівель. Оцинкування широко застосовується для трубопроводів, огорож, опор ліній електропередач, вишок зв’язку, бункерів, цистерн, покрівельних матеріалів, фасадних панелей, несучих конструкцій будівель і споруд.

У всіх сферах застосування захисні покриття та сплави на основі цинку демонструють унікальні властивості – довговічність, стійкість до корозії, екологічну безпеку та надійність.

FAQ