Цинк: свойства, характеристики, сферы применения

Опубликовано: 04 декабря 2024

Цинк — это уникальный химический элемент, который используется для производства сплавов и покрытий, находит широкое применение в строительстве, металлургии, медицине, различных отраслях промышленности. По объемам использования в мировом производстве цинк стоит на четвертом месте после железа, меди и латуни.

Что такое цинк — металл или неметалл?

Цинк — это металл, который окружает нас повсюду. Образует несколько десятков минералов, таких как сфалерит, цинкит, каламин и другие. Активно мигрирует в водоемах и подземных водах, образуя осадок в виде сульфидов цинка. Содержание цинка в земной коре составляет 8,3⋅10−3 %, а в телах большинства живых организмов, в среднем, 5⋅10−4 %. 

Химический элемент

Химический элемент цинк обозначается символом Zn с атомным номером 30. Относится к 12-й группе четвертого периода периодической таблицы Менделеева, имеет пять стабильных изотопов. Атомная масса цинка 65,38 а. е. м., структура кристаллической решетки — гексагональная.

История открытия

Первое в истории упоминание цинка относится к эпохам существования Древнего Египта и Древней Греции, где активно использовали латунь — сплав цинка и меди. Чистый химический элемент был впервые получен дистилляционным методом в 1738 году. Технология состоит из нескольких этапов — цинк восстанавливается из оксида, далее происходит испарение химического элемента и конденсация паров Zn. Автор изобретения Уильям Чемпион запатентовал этот способ в 1743 году и открыл первый завод по производству цинка в промышленных масштабах. 

В 1746 году немецкий химик Андреас Сигизмунд Маргграф разработал похожую технологию получения цинка и положил начало теоретическим основам производства этого химического элемента. Электролитический способ, более популярный в наше время, запустили в производство в 1915 году в США и Канаде. С тех пор произошло активное развитие технологий, интерес к цинку не угасает по сей день. Современная промышленность обладает эффективной научно-технической базой для получения цинка и его дальнейшего использования в различных процессах.

Основные природные источники и добыча цинка

Цинк не встречается в природе в чистом виде и находит практическое применение в виде сплавов, минералов, химических соединений. Страны с наибольшим объемом добычи цинка — Китай, Австралия, Перу, США, Канада. Природными источниками добычи Zn являются полиметаллические руды, которые содержат до 4% сульфида цинка и другие примеси. Специальная технология позволяет увеличить содержание цинка в руде до 50%. Далее сульфид цинка подвергается обжигу в печи с получением оксида цинка ZnO, из которого дистилляционным способом выделяется концентрированная смесь с 98% цинка. Электролитический способ позволяет достичь чистоты концентрата более 99,9%. В промышленных целях используют цинк с минимальными примесями других химических элементов — свинца, железа, кадмия, олова, алюминия и других. Каждый вид примесей влияет на свойства цинка: например, железо делает цинк более твердым, но менее пластичным.

Физико-химические свойства цинка

Цинк активно взаимодействует с химическими элементами, имеет относительно низкую температуру плавления и склонность к изменению агрегатного состояния при колебаниях температуры и давления. Обладает оптимальным сочетанием теплопроводности и электропроводности для различных технических применений.

Внешний вид и агрегатное состояние

Чистый цинк Zn при комнатной температуре — это металл серо-белого цвета с голубоватыми включениями и металлическим блеском, который тускнеет на воздухе в результате контакта с кислородом и образования оксидной пленки. Склонен к хрупкому разрушению, но при нагреве выше 100°C приобретает пластичность — не крошится, не ломается под действием деформирующих нагрузок, может применяться для ковки и проката. В горячем состоянии приобретает вид текучего металла, который легко заполняет  объем сложных литейных форм. Текучесть и литейные свойства определяются процентным содержанием примесей. 

Устойчивость к коррозии

Цинк активно используется в технологиях гальванизации металлов. На поверхность наносится тонкий слой цинка, который предотвращает появление ржавчины и обеспечивает длительный срок эксплуатации металлоконструкции. Защита от коррозии обеспечивается двумя факторами:

• Анодная защита. Цинк имеет более отрицательный электродный потенциал, за счет чего в среде электролита выполняет функцию анода, отдавая ионы под действием электрохимических процессов. Цинк “жертвует” собой в гальванической паре, в результате оголенный металл в местах повреждения цинкового слоя не корродирует.
• Образование оксидной пленки. Цинк вступает во взаимодействие с кислородом воздуха и образует оксид цинка. Это тончайшая оксидная пленка, которая делает цинковое покрытие пассивным к химическим реакциям. Цинк не реагирует с внешней средой, не поддается агрессивным воздействиями, поэтому не образует коррозии. Процесс образования оксидной пленки можно ускорить, используя технологию искусственной пассивации.

Химическая активность и основные реакции

Zn относится к химически активным металлам, которые вступают во взаимодействие с растворами кислот, щелочами, фосфором, кислородом, серой и некоторыми другими неметаллами, галогенами. Примеры химического взаимодействия цинка:

• 2Zn+O2→2ZnO — реакция окисления цинка с образованием оксидной пленки;
• ZnO+CO2+H2O→ZnCO3 — реакция оксида цинка с углекислым газом и водой с образованием карбоната цинка;
• Zn+2HCl⟶ZnCl2+H2 — реакция цинка с соляной кислотой с образованием хлорида цинка и водорода;
• Zn+H2SO4⟶ZnSO4+H2 — реакция цинка с серной кислотой с образованием сульфата цинка и водорода
• ZnO+2HCl⟶ZnCl2+H2O — реакция оксида цинка с соляной кислотой с образованием хлорида цинка и воды.

Цинк не вступает в химические реакции с азотом, углеродом, водородом, бором, кремнием. 

Теплопроводность и электропроводность

Теплопроводность цинка при комнатной температуре составляет 116 Вт/(м·К) — это средний уровень по сравнению с другими металлами. Способность проводить тепло обуславливает применение цинка в производстве электротехнических приборов, теплообменников, аккумуляторов. Электропроводность цинка при комнатной температуре составляет 16,6·10⁶ мкСм/см — цинк проводит электрический ток несколько хуже, чем медь и алюминий, но является лучшим проводником по сравнению с нержавеющей сталью. Этим обусловлено применение цинка в производстве гальванических элементов и электротехнических изделий.

Характеристики цинка

Рассмотрим комплекс характеристик, которые отличают цинк от других материалов и придают ему уникальные свойства, востребованные в промышленности, строительстве и медицине. 

Плотность, температура плавления и кипения

Плотность цинка составляет 7,133 г/см³ — в одном сантиметре кубическом содержится 7,133 грамма цинка. Цинк менее плотный по сравнению со сталью, медью, латунью и другими металлами. Температура плавления цинка 419,6 °C — более низкая по сравнению с многими другими металлами, что делает цинк оптимально подходящим для литья. При этой температуре цинк плавится — начинается переход из твердого состояния в жидкое. Температура кипения цинка 906,2°C — в этой точке начинается переход материала в газообразное состояние.

Механические свойства — прочность, твердость

При комнатной температуре чистый цинк — достаточно хрупкий материал с относительно невысокой прочностью (200-500 МПа). Твердость цинка по Бринеллю 0,412 ГПа — по этому показателю цинк отстает от меди, стали и алюминия. Минимальное содержание других металлов (меди, магния, алюминия и других) способно влиять на механические свойства цинка, поэтому в промышленности используется цинк с контролируемым содержанием примесей и цинковые сплавы — латунь (сплав меди и цинка), ЦАМ (сплав цинка, алюминия, меди, магния), а также составы для оцинковки.

Экологические характеристики и безопасность

При правильном использовании в промышленных и медицинских целях цинк является безопасным материалом, который не создает избыточной нагрузки на экологию. Цинк легко поддается переработке и повторному использованию — например, для производства расплава для горячего цинкования. За счет увеличения долговечности оцинкованных изделий снижается общий объем мировых отходов металла. Цинк является важным микроэлементом, необходимым для поддержания здоровья организма, но в больших концентрациях может быть токсичен для человека и опасен для экологии водоемов и грунта, особенно в составе солей — сульфатов и хлоридов. Технологии добычи цинка постоянно совершенствуются с целью снижения вредного воздействия на окружающую среду.

Сферы применения цинка

По объемам использования среди цветных металлов и сплавов в мире цинк уступает только меди и латуни. Где применяется цинк? Этот химический элемент используется для решения абсолютно разных задач — от изготовления металлургических сплавов, антикоррозионной обработки металлов и производства электротехнической продукции до изготовления антисептиков, медпрепаратов и биодобавок.

Промышленность

Цинк Zn выполняет функцию анода в гальванической паре с марганцем, серебром, хромом, никелем, бромом и другими металлами — этим свойством обусловлено применение цинка в изготовлении батареек и аккумуляторов. Цинк находит применение в полиграфической отрасли в изготовлении печатных пластин для цинкографии, в автомобильной промышленности для производства резиновых шин, в лакокрасочном производстве для изготовления масляных красок. Не менее важное применение чистого цинка — извлечение и восстановление благородных металлов.

Производство гальванического покрытия — оцинковка

Цинк служит основным компонентом покрытия, которое наносится на металл для длительной защиты от коррозии. Технология применяется для антикоррозионной обработки металлоконструкций, стальных и чугунных изделий, металлопроката — листа, швеллера, прутка, трубы, полосы и прочих видов оцинковки. Процесс цинкования реализуется различными методами — холодным, горячим, газотермическим, термодиффузионным, гальваническим. 

В состав цинкового расплава для горячего цинкования входит более 98,5% чистого цинка, остальной объем занимают примеси, которые повышают прочность и улучшают характеристики защитного покрытия. В гальванической технологии используются электрохимические свойства цинка: покрытие наносится за счет перемещения ионов цинкового анода к металлическому катоду в среде электролита. В результате цинкования на поверхности образуется защитный слой цинка, который препятствует образованию ржавчины и защищает металл от развития химической и электрохимической коррозии. 

Использование в цинковых сплавах

Цинк служит важнейшим компонентом латуни — одного из самых востребованных цветных сплавов. Латунь производится из меди, легированной цинком, с добавлением минимального количества других металлов — никеля, олова, марганца, свинца, железа. Материал обладает высокой прочностью, пластичностью и устойчивостью к коррозии, легко поддается механической обработке, сварке и ковке, широко применяется в литейном производстве. Также цинк используется для производства цинко-алюминиевых сплавов, которые обладают улучшенными литейными свойствами и используются в производстве сложных высокоточных отливок.

Медицина и фармакология

Цинк и химические соединения на его основе широко применяются в медицине и фармакологии — для изготовления антисептиков, противовоспалительных и противовирусных лечебных препаратов, минеральных добавок, иммуностимуляторов, косметических средств, поливитаминных комплексов. 

Строительство

Основное направление применения цинка в строительстве — изготовление оцинкованных металлоконструкций и проката. Металл с защитным цинковым покрытием используется для строительства дорожных сооружений, энергетических объектов, элеваторов, каркасных и бескаркасных строений. Оцинковка широко применяется для производства трубопроводов, ограждений, опор линий электропередач, вышек связи, бункеров, цистерн, кровельных материалов, фасадных панелей, несущих конструкций зданий и сооружений.

Во всех сферах применения защитные покрытия и сплавы на основе цинка демонстрируют уникальные свойства — долговечность, стойкость к коррозии, экологическую безопасность и надежность.

FAQ