Цинк давно зарекомендовал себя как важный химический элемент. Еще до нашей эры люди знали о нем многое и широко применяли в различных сферах. Свойства этого материала позволяют использовать цинк во многих отраслях и в быту. Материал с успехом применяют в химической промышленности, в машиностроении и в строительстве. Поэтому сегодня мы рассмотрим полезные свойства и характеристика металла цинка и сплавов на его основе, цену за кг, особенности использования, а также изготовления материала.
Понятие и особенности
Для начала вашему вниманию предлагается общая характеристика цинка. Этот продукт является не только необходимым производственным металлом, но и важным биологическим элементом. В любом живом организме он присутствует до 4 % от всех элементов.Самые богатые месторождения цинка это Боливия, Иран, Казахстан и Австралия. В нашей стране одним из крупных производителей считается предприятие ОАО «ГМК Дальполиметалл».
Если рассматривать цинк со стороны периодической системе Менделеева, то он относится к переходным металлам и имеет следующие характеристики:
- Номер по порядку: 30
- Масса: 65,37.
- Степень окисления — +2.
- Цвет: синевато-белый.
Цинк – это радиоактивный изотоп, для которого характерен период полураспада 244 дня.
Если рассматривать цинк со стороны простого вещества, то этот материал имеет следующие характеристики:
- Вид материала – металл.
- Цвет – серебристо-голубой.
- Покрытие – защищен оксидной пленкой, под которой скрывается блеск и сияние.
Цинк содержится в коре земли. Доля металла в ней не очень большая: всего 0,0076%.
Как единичного материала цинка не существует. Он входит в состав многих руд и минералов.
- Наиболее распространенными являются: цинковая обманка, клейофан, марматит. Кроме этого, цинк можно встретить в следующих природных материалах: вюртцит, франкленит, цинкит, смитсонит, каламин, виллемит.
- Спутниками цинка обычно являются: германий, кадмий, таллий, галлий, индий, кадмий.
- Наиболее популярными являются сплавы цинка и алюминия, меди, .
О роли цинка в нашей жизни расскажут специалист в этом видео:
Металлы-конкуренты
С цинком могут конкурировать только 4 металла: титан, алюминий, хром и медь. Описанные материалы имеют следующие характеристики:
- Алюминий : серебристо-белый цвет, хорошо проводит электричество и тепло, поддается обработке давлением, устойчив к коррозии, имеет низкую плотность, применяется в процессе производства стали (для повышения жаростойкости).
- Титан : серебристо-белый цвет, большая температура плавления, при соприкосновении с воздухом окисляется, низкая теплопроводность, легко поддается ковке и штамповке, при высокой температуре на поверхности образуется прочная защитная пленка.
- Хром : синевато-блестящий цвет, высокая твердость, хрупкость, стойкость к окислению в условиях атмосферы и воды, используется для декоративного покрытия.
- : красный металл, имеет высокую пластичность, хорошую электропроводность, высокую теплопроводность, стойкость к коррозионным процессам, применяется в кровельных материалах.
Для строительных целей наиболее часто (кроме цинка) применяют и другие цветные металлы. К ним относятся: , силумин, баббит, дюралюминий и несколько других.
Цинк отличается от прочих металлов тем, что легко поддается деформации при температуре от 100 ºС до 150 ºС. В таком температурном диапазоне цинк так же поддается ковке и прокату в тонкие листы.
Плюсы и минусы
Плюсы:
- Хорошая жидкотекучесть, благодаря чему легко заполняются литейные формы.
- Высокая пластичность во время проката.
- Чистый цинк хорошо поддается ковке.
- Благодаря своим свойствам и воздействию температуры способен принимать различные состояния.
- Отлично защищает изделие от коррозии, благодаря чему охотно пользуется спросом в строительстве и машиностроении.
- При нагреве вместе с фосфором или серой может взорваться.
- На воздухе теряет блеск.
- При комнатной температуре имеет маленькую пластичность.
- Не находится в природе в чистом виде.
Масса, механические, химические и физические свойства цинка, его основные характеристики будут рассмотрены нами ниже.
Свойства и характеристики
Итак, какими свойствами обладает цинк?
Физические
Физические свойства:
- Является металлом средней твердости.
- Цинк не имеет полиморфных модификаций.
- Холодный цинк становится хрупким металлом.
- Приобретает пластичность при температуре 100-100 ºС.
- При более высокой температуре в 250 ºС снова превращается в хрупкий металл.
- Температура плавления твердого цинка равна 419,5 ºС.
- Температура перехода в пар – 913ºС.
- Температура кипения равна 906 ºС.
- Плотность цинка в твердом состоянии равна 7,133 г/см 3 , в жидком — 6, 66 г/см 3.
- Относительное удлинение 40-50%.
- Легко растворим в кислотах.
- Легко растворим в щелочах.
О том, как правильно плавить цинк, смотрите в видеоролике:
Химические
Химические свойства цинка:
- 3d 10 4s 2 — конфигурация атома.
- Цинк считается активным металлом.
- Является энергетическим восстановителем.
- Электродный потенциал: -0,76 В.
- При температуре ниже 100 ºС теряет блеск и имеет покрытие пленкой.
- Во влажном воздухе (особенно если в нем есть углекислый газ) металл разрушается.
- Во время сильного нагрева цинк сильно сгорает с образованием голубоватого пламя.
- Степень окисления: .
- Кислоты и щелочи действуют на цинк различно в зависимости от присутствия в металле различных примесей.
- При нагревании цинка в воде происходит процесс гидролизации с образованием белого осадка.
- Минеральные кислоты большой силы способны легко растворить цинк.
Структура и состав
Формула цинка следующая: Zn. Конфигурация внешнего слоя атома — 4s 2 . Цинк имеет химическую связь металлическую, кристаллическую решетку – гексагональную, плотную.
Цинк в природе состоит их трех стабильных изотопов (перечислим их: 64 Zn (48,6%), 66 Zn (26,9%) и 67 Zn (4,1%)) и нескольких радиоактивных. Самый важный из радиоактивных имеет полураспад равный 244 суткам.
Производство
Как говорилось, цинк не содержится в природе в чистом виде. Его в основном получают из полимерных руд. В этих рудах цинк присутствует в форме сульфида. С ним всегда идут сопутствующие металлы, перечисленные выше.
С помощью процесса обогащения селективной флотацией получают концентрат цинка. Параллельно этому процессу из полиметаллических руд выходят другие концентраты веществ. Например, и медные.
Полученные цинковые концентраты обжигают в печи. В результате действия высоких температур цинк переходит из сульфидного состояния в оксидное. В процессе производства выделяется сернистый газ, который идет на производство серной кислоты. из оксида цинка двумя способами: пирометаллургическим и электролитическим.
- Пирометаллургический способ имеет очень давнюю историю. Концентрат обжигают и подвергают процессу спекания. Затем цинк восстанавливают с применение угля или кокса. Цинк, полученный этим способом, доводят до чистого состояния с помощью отстаивания.
- При электролитическом способе концентрат цинка обрабатывают с помощью серной кислоты. В результате получается раствор, который подвергают процессу электролиза. Здесь цинк осаждается и его подвергают плавлению в специальных печах.
Области применения
Цинк, как элемент, содержится в достаточном количестве в земной коре и в водных ресурсах.
Цинк так же использует в виде порошка для осуществления ряда химико-технологических процессов.
О том, как снять цинк, вам поведает данное видео:
Цинк - один из важнейших элементов для каждого человека. Он входит в состав сотни ферментов, белков, выполняющих защитные функции. Его содержание в организме невелико и варьируется в пределах от двух и до трех грамм. Больше всего этого вещества находится в нервной, мышечной, костной тканях, а также в почках, печени и железах.
Чтобы нарастить внушительную мышечную массу, бодибилдеру нередко прибегают к приему разнообразных пищевых добавок. Употребление цинка, моногидрата креатина, HMB и подобных веществ представляет собой важнейшее дополнение к рациону каждого всерьез занимающегося спортом человека.
Прием активных добавок не гарантирует полное восполнение требуемого количества веществ, витаминов, элементов. Это касается и цинка. Его дефицит испытывают многие, но особенно остро спортсмены. Большинство атлетов страдают от недостатка цинка, а без него невозможно добиться непрерывного и безопасного роста мускулатуры. Следовательно, каждому спортсмену необходимо четко контролировать достаточное поступление цинка в организм.
Элемент играет сразу несколько важных функций. Являясь компонентом ферментов, он влияет на обмен таких веществ, как жиры, углеводы, белки. Цинк содержится в ферменте карбоангидразы, который имеет не последнее значение в равновесии кислотно-щелочного баланса. Осуществление окислительно-восстановительных процессов невозможно без этого микроэлемента.
Цинк принимает участие в таком сложном процессе, как экспрессия генов. Он заключается в считывании закодированной в ДНК информации, последующей ее транскрипции в форме РНК и дальнейшего превращения в белок. Будучи неотъемлемой частью расшифровки информации из молекул ДНК, микроэлемент неразрывно связан как с внутриклеточным делением, так и с апоптозом - запрограммированной гибелью клеток.
Микроэлемент требуется для полноценного полового, интеллектуального, физического развития, поддержания общего тонуса и иммунной системы. Он воздействует на метаболизм ретинола - истинного витамина A и его производных, от которых зависит работа визуальных рецепторов. И если человек начинает плохо видеть в темноте, то это, прежде всего, может сигнализировать о недостатке цинка.
У цинка есть и еще одно важное свойство. От него зависит всасывание металлов, которые присутствуют в таких белках, как трансферрин и альбумин. Если регулярно употреблять не менее 50 миллиграмм данного микроэлемента, поглощение железа с медью будет подавлено и, наоборот, прием большего количества этих металлов снизит процесс абсорбции цинка.
Большего всего микроэлемента содержат мясо и печень. Вегетарианцам эти продукты могут заменить: бобовые и зерновые культуры, тыквенные семечки, миндаль, кунжут, грецкие орехи, подсолнечник. Часть этих продуктов имеет в своем составе фитат. Он ухудшает процесс впитывания минеральных веществ. Первые случаи недостатка цинка связаны именно с тем, что в еде в большом количестве присутствовала фитиновая кислота. В настоящее время приобрести продукты, которые насыщены цинком не составляет никакого труда.
Количество присутствующего в организме цинка обычно определяется его концентрацией в плазме. Этот показатель не является точным и не позволяет на сто процентов определить соотношение микроэлемента в целом.
Каковы последствия цинковой недостаточности?
Дефицит выполняющего важные биологические функции микроэлемента сказывается на работе многих систем в человеческом организме. К сожалению, диагностировать его крайне сложно. Это обусловлено тем фактом, что симптоматика не является ярко выраженной и свойственной исключительно недостатку цинка.
Являются свойственные нарушению синтеза белков, стероидных гормонов, иммунной системы:
- угревая сыпь;
- труднозаживающие и плохо затягивающиеся раны;
- утолщение и изменение цвета кожных покровов;
- уплотнения;
- появление растяжек;
- ломкость ногтей;
- выпадение волос;
- слабость в мышцах;
- диарея;
- постоянное чувство усталости;
- задержка в росте, физическом и половом развитии.
Дефицит микроэлемента может привести и к нарушению сексуальной функции, которая проявляется у представителей обоих полов. Может снизиться либидо, нарушиться менструальный цикл, наблюдаться эректильная дисфункция. Нарушения в процессе сперматогенеза способно стать причиной бесплодия.
На фоне нехватки цинка ослабевает иммунитет. Это делает организм уязвимым к различным аллергиям и инфекциям. Учитывая значение вещества для органов зрения, могут развиться такие глазные заболевания, как макулярная дегенерация, близорукость и катаракта. Нередко наблюдается смена вкуса, аппетита, обоняния. Если все эти признаки наблюдаются одновременно, это свидетельствует о тяжелом дефиците цинка.
К недостатку вещества способна привести генетическая особенность транспортировки микроэлементов.
Причины возникновения недостатка цинка
Чтобы избежать дефицита этого важного элемента, необходимо тщательно следить за рационом. Недостаточность может быть спровоцирована как отсутствием богатой цинком продуктов, так и нехваткой требуемой организму пищи, в том числе при жестких диетах или неправильно составленном меню.
Недостаток может быть вызван заболеваниями печени, поджелудочной железы, которые приводят к нарушению всасывания этого микроэлемента. Негативно на количестве цинка в организме сказывается злоупотребление алкогольными напитками.
От цинковой недостаточности чаще всего страдают подростки и дети младшего возраста, женщины в период беременности и лактации.
Сколько цинка требуется человеку?
Суточная норма потребления этого микроэлемента зависит от возраста. Взрослому человеку необходимо примерно сорок миллиграмм , подростку и ребенку вещество требуется в меньших количествах. Есть категория людей, употребляющих цинк в гораздо большей концентрации. К ним, прежде всего, относятся культуристы.
Это обусловлено тем, что данный микроэлемент стимулирует рост мышечной массы, активно затрачивается во время тренировки, а, следовательно, должен восполняться. Получаемой вместе с пищей дозировки вещества недостаточно. Поэтому каждый культурист должен принимать специальные комплексы и добавки.
Источники цинка
Растительные
Орехи, зерновые, бобовые, тыквенные семечки, грибы, крупы, чеснок, капуста, спаржа, яблоки, грушы, сливы, вишня, картофель, свекла, морковь.
Животные
Говяжья печень, мясо, рыба и морепродукты, молоко, сыр, мясо птицы, яйца.
Цинк – это металл, стоящий в таблице Менделеева, под номером 30 и имеет обозначение Zn. Плавится при температуре 419 °С градусов, если же температура кипения 913 °С – начинает превращаться в пар. При температурном обычном режиме, состояние хрупкое, а при ста градусах начинает гнуться.
Цвет цинка сине-белый. При воздействии кислорода появляется окисление, а также покрытие карбоната, предохраняющего металл от дальнейшей реакции окисления. Появление на цинке гидроокиси обозначает то, что вода на химический элемент не действует.
Цинк — химический элемент, имеет свои отличительные свойства, преимущества и недостатки. Он широко применяется в повседневной жизни человека, в фармацевтике и металлургии.
Особенности цинка
Металл является необходимым и широко применяемым практически во всех отраслях повседневной жизни человека.
Добыча в основном, производится в Иране, Казахстане, Австралии, Боливии. В России изготовителем является ОАО «ГМК Дальполиметалл».
Это переходной металл, имеет степень окисления +2, радиоактивный изотоп, период полураспада 244 дня.
В чистом виде элемент не добывается. Содержится в рудах и минералах: клейофане, марматите, вюртците, цинките. Обязательно присутствует в сплаве с алюминием, медью, оловом, никелем.
Химические, физические свойства и характеристики цинка
Цинк – металл, обладает рядом свойств и характеристик, отличающих его от иных элементов периодической таблицы.
К физическим свойствам цинка относится его состояние. Основным фактором выступает температурный режим. Если при комнатной температуре это хрупкий материал, плотность цинка 7130 кг/м 3 (˃ плотности стали), который практически не гнётся, то при повышении он легко изгибается и прокатывается в листах на заводах. Если взять более высокий температурный режим – материал приобретает жидкое состояние, а если еще поднять температуру на 400-450 °С градусов, тогда он просто испарится. В этом уникальность – менять своё состояние. Если же подействовать кислотами и щелочами, он может рассыпаться, взорваться, расплавиться.
Формула цинка Zn – zincum. Атомная масса цинка 65.382 а.е.м.
Электронная формула: ядро атома металла содержит 30 протон, 35 нейтрон. В атоме 4 энергетических уровня – 30 электронов. (рис. строение атома цинка)1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 .
Кристаллическая решётка цинка – шестиугольная кристаллическая система с плотно прижатыми атомами. Данные решётки: A=2.66У, С=4.94.
Структура и состав цинка
Добытый и не переработанный материал имеет изотопы 64, 66, 67, электроны 2-8-18-2.
По применению среди всех элементов периодической таблицы металл стоит на 23 месте. В природе элемент выступает в виде сульфида с примесями свинца Pb, кадмия Cd, железа Fe, меди Cu, серебра Ag.
В зависимости от того, какое количество примесей, металл имеет маркировку.
Производство цинка
Как было сказано выше, чистого вида данного элемента в природе нет. Он добывается из иных пород, таких как руда – кадмий, галлий, минералы – сфалерит.
Металл получают на заводе. Каждый завод имеет свои отличительные особенности производства, поэтому оборудование для получения чистого материала различно. Оно может быть таким:
- Роторы, расположенные вертикально, электролитные.
- Специальные печи с достаточно высокой температурой для обжига, а также специальные электропечи.
- Транспортёры и ванны для электролиза.
В зависимости от принимаемого метода добычи металла, задействовано соответствующее оборудование.
Получение чистого цинка
Как упоминалось выше – в природе чистого вида нет. В основном добыча производится из руд, в которых он идет с различными элементами.
Для получения чистого материала задействован специальный флотационный процесс с избирательностью (селективностью). После проведения процесса руда распадается на элементы: цинк, свинец, медь и так далее.
Добытый таким методом чистый металл обжигается в специальной печи. Там при определенных температурах сульфидное состояние материала переходит в оксидное. При обжиге выделяется газ с содержанием серы, направляемый для получения серной кислоты.
Есть 2 способа получения металла:
- Пирометаллургический – идет процесс обжигания, после — полученная масса восстанавливается с помощью чёрного угля и кокса. Конечным процессом является отстаивание.
- Электролитический – добытая масса обрабатывается серной кислотой. Полученный раствор подвергают электролизу, при этом металл оседает, его плавят в печах.
Выплавка цинка в печи
Температура плавления цинка в печи 419-480 °С градусов. Если же температурный режим превышен, тогда материал начинает испаряться. При данной температуре допускается примесь железа 0.05%.
При процентной ставке 0.2 железа, лист невозможно будет прокатать.
Применяются различные способы выплавки чистого металла, вплоть до получения цинковых паров, которые направляются в специальные резервуары и там вещество опадает вниз.
Применение металла
Свойства цинка позволяют его применение во многих сферах. В процентном соотношении:
- Цинкование – до 60%.
- Медицина – 10%.
- Различные сплавы, содержащие данный металл 10%.
- Выпуск шин 10%.
- Производство красок – 10%.
А также применение цинка необходимо для восстановления таких металлов, как золото, серебро, платина.
Цинк в металлургии
Металлургическая промышленность задействует данный элемент периодической таблицы как основной для достижения определенных целей. Выплавка чугуна, стали является главной во всей металлургии страны. Но, данные металлы подвержены негативному влиянию окружающей среды. Без определенной обработки идет быстрое окисление металлов, что приводит к их порче. Наилучшей защитой служит оцинкование.
Нанесение защитной плёнки на чугун и сталь является лучшим средством от коррозии. На оцинкование уходит около 40% всего производства чистого материала.
Способы оцинкования
Металлургические заводы отличительны не только своим оборудованием, но и применяемыми методами производства. Это зависит от ценовой политики, и месторасположения (природных ресурсов, используемых для металлургической промышленности). Есть несколько методов оцинкования, которые рассматриваются ниже.
Горячий способ оцинкования
Данный способ заключается в обмакивании металлической детали в жидком растворе. Происходит это так:
- Деталь или изделие обезжиривается, очищается, промывается и сушится.
- Далее, цинк расплавляется до жидкого состояния при температуре до 480 °С.
- В жидкий раствор опускается подготовленное изделие. При этом оно хорошо смачивается в растворе и образуется покрытие толщиной до 450 мкм. Это является 100% защитой от воздействия внешних факторов на изделие (влага, прямые солнечные лучи, вода с химическими примесями).
Но, данный метод имеет ряд недостатков:
- Цинковая пленка на изделии получается неравномерного слоя.
- Нельзя использовать данный метод для деталей, отвечающих точным стандартам по ГОСТу. Где каждый миллиметр считается браком.
- После горячего оцинкования, не каждая деталь останется прочной и износостойкой, поскольку после прохождения высокой температуры появляется хрупкость.
А также данный метод не подходит для изделий, покрытых лакокрасочными материалами.
Холодное оцинкование
Этот метод носит 2 названия: гальванический и электролитический. Методика покрытия изделия защитой от коррозии такова:
- Металлическая деталь, изделие подготавливается (обезжиривается, очищается).
- После этого проводится «метод окрашивания» — применяется специальный состав, имеющий главный компонент – цинк.
- Деталь покрывается данным составом методом распыления.
Благодаря этому методу защитой покрываются детали с точным допуском, изделия, покрытые лакокрасочными материалами. Повышается стойкость к внешним факторам, приводящим к коррозии.
Недостатки данного метода: тонкий защитный слой – до 35 мкм. Это приводит к меньшей защите и небольшим срокам защиты.
Термодиффузионный способ
Данный метод делает покрытие, которое является электродом с положительной полярностью, в то время как металл изделия (сталь) становится отрицательной полярности. Появляется электрохимический защитный слой.
Метод применим только в случае, если детали произведены из углеродистой стали, чугуна, стали с примесями. Цинк используется таким образом:
- При температуре от 290 °С до 450 °С в порошковой среде, поверхность детали насыщается Zn. Здесь маркировка стали, а также тип изделия имеют значение – выбирается соответствующая температура.
- Толщина защитного слоя достигает 110 мкм.
- В закрытый резервуар помещается изделие из стали, чугуна.
- Добавляется туда специальная смесь.
- Последним шагом является специальная обработка изделия от появления белых высолов от солёной воды.
В основном данным методом пользуются в случае, если требуется покрыть детали, имеющие сложную форму: резьбу, мелкие штрихи. Образование равномерного защитного слоя является важным, поскольку данные детали претерпевают множественное воздействие внешней агрессивной среды (постоянная влага).
Данный метод дает самый большой процент защиты изделия от коррозии. Оцинкованное напыление является износостойким и практически нестираемым, что очень важно для деталей, которые время о времени крутятся и разбираются.
Иные сферы применения цинка
Помимо оцинкования, металл применяется и в других сферах промышленности.
- Цинковые листы. Для производства листа выполняется прокатка, в которой важна пластичность. Это зависит от температурного режима. Температура в 25 °С дает пластичность только в одной плоскости, что создает определенные свойства металла. Тут главное для чего изготавливается лист. Чем выше температура, тем тоньше получается металл. В зависимости от этого идет маркировка изделия Ц1, Ц2, Ц3. После этого из листов создаются различные изделия для автомобилей, профиля для строительства и ремонта, для полиграфии и так далее.
- Цинковые сплавы. Для улучшенных свойств металлических изделий, добавляется цинк. Данные сплавы создаются при высоких температурах в специальных печах. Чаще всего производятся сплавы из меди, алюминия. Данные сплавы применяются для производства подшипников, различных втулок, которые применимы в машиностроении, судостроении и авиации.
В домашнем обиходе оцинкованное ведро, корыто, листы на крыше – это норма. Применяется цинк, а не хром или никель. И дело не только в том, что оцинкование дешевле, чем покрытие другими материалами. Это наиболее надёжный и продолжительный по службе эксплуатации защитный материал нежели, хром или другие применяемые материалы.
В итоге – цинк наиболее распространенный металл, применяемый широко в металлургии. В машиностроении, строительстве, медицине – материал применим не только как защита от коррозии, но и для увеличения прочности, продолжительного срока эксплуатации. В частных домах оцинкованные листы защищают крышу от осадков, в зданиях выравниваются стены и потолки гипсокартонными листами на основе оцинкованных профилей.
Практически у каждой хозяйки в доме есть оцинкованное ведро, корыто, которым она пользуется длительное время.
