Цинк: описание металла, свойства, характеристики, сферы применения

Цинк: описание металла, свойства, характеристики, сферы применения

Цинк – это хрупкий и пластичный переходный металл голубовато-белого цвета, получаемый из сульфидной руды. В отличие от других металлов, он может быть представлен во всех агрегатных состояниях, что обуславливает широту вариантов его использования. Цинк расплавляется при температуре 419 °С и достигает парообразного состояния при температуре 913 °С.

Другой важной особенностью цинка являются его антикоррозионные свойства. Изделия, обработанные при помощи данного металла, защищены от ржавчины и способны эксплуатироваться при любых погодных условиях. В связи с этим цинк широко применяется в металлургии, строительстве, сельском хозяйстве, а также дорожной и транспортной сферах.

В чистом виде цинк не встречается в природе. Его добывают в составах руд и минералов: клейофана, марматита, вюртцита, цинкита. Кроме того, цинк в обязательном порядке содержится в сплаве с алюминием, медью, оловом, никелем.

Химические свойства цинка

Элемент расположен в таблице Менделеева под номером 30 и обозначен латинскими буквами Zn. К химическим свойствам металла относятся:

• Быстрое окисление на воздухе, в результате чего металл покрывается тонкой пленкой оксида цинка, защищающей его от дальнейшей реакции.
• При нагревании вступает в реакцию с кислородом, хлором, серой, в результате чего образует оксиды, хлориды и сульфиды.
• Вступает в реакцию с разбавленной серной кислотой и растворами кислот неокислителей, вытесняет из них водород.
• Вступает в реакцию с концентрированной серной кислотой, в результате чего восстанавливает азот или серу.
• В процессе нагревания вступает в реакцию с растворами щелочей и образует гидроцинкаты.
• Способен вытеснять менее активные металлы из растворов солей.

Физические свойства цинка

В числе физических свойств металла выделяют следующие:

• Цинк обладает голубовато-белым цветом с характерным металлическим блеском.
• При нормальных условиях является хрупким металлом.
• Приобретает свойство гибкости при нагревании больше 100 °C.
• Характеризуется хорошей тепло- и электропроводностью.

Характеристики цинка

Цинк (Zn) имеет равные значения атомной и молекулярной масс – 65,38.

Электронная формула цинка выглядит следующим образом. Ядро атома металла содержит 30 протонов, 35 нейтронов. В атоме находится четыре энергетических уровня – 30 электронов.

Кристаллическая решетка элемента – шестиугольная кристаллическая система с плотно прижатыми атомами. Данные решетки: A=2.66У, С=4.94.

Структура и состав цинка

Металл до переработки содержит изотопы 64, 66, 67, электроны 2-8-18-2.

Если сравнивать его с другими элементами периодической системы по использованию, то он будет находиться на 23 месте. В природе он представляет собой сульфид с примесями свинца Pb, кадмия Cd, железа Fe, меди Cu, серебра Ag.

Цинк маркируется с опорой на то, какое количество примесей он содержит.

Месторождения и руды

Залежи цинковой руды можно найти практически во всех странах, а активно металл добывается в 50 государствах. Геологами доказано, что на нашей планете запасы цинка достигают около 1900 миллионов тонн, запасы, найденные и доступные для обработки – около 250 миллионов тонн.

В число самых популярных стран по добыче цинка входят (в порядке убывания):

В России также активно ведется добыча цинка, достигающая примерно 62 миллионов тонн, однако в процентном соотношении это всего лишь 3% мирового запаса. Среди «цинковых» регионов нашей страны выделяют Дальний Восток, Кольский полуостров и Камчатку.

Около 80% цинковых месторождений находятся под землей, 8% – на поверхности, а 12% металла добываются комбинированным способом.

Производство металла

Поскольку в чистом виде металл не добывается, его получают в промышленных условиях. Каждый завод располагает своими методами работы и собственным оборудованием, помогающим получить металл. В числе наиболее распространенных элементов технологической линии значатся:

• Вертикальные механизированные роторы.
• Шахтные и дуговые электропечи.
• Электролитные роторы.
• Транспортеры.
• Печи для обжига.
• Ванны для электролиза или целые электролизные комплексы.

Получение чистого цинка

Для получения чистого цинка используются следующие способы:

Пирометаллургический (дистилляционный). Его суть заключается в том, что получившийся концентрат обжигается, подвергается спеканию и восстанавливается при помощи угля или кокса. В результате образуются пары металла, которые конденсируют и заливают в изложницы. Данная технология считается наиболее простой, однако не очень производительной. Кроме того, она не позволяет удалить из полученного цинка свинец и кадмий.

Электролитический (гидрометаллургический). Смысл второго способа состоит в том, что после обжига металл обрабатывается серной кислотой. Получившийся раствор освобождают от посторонних примесей и подвергают процессу электролиза. В данный момент более 80% от общего числа цинка обрабатывается именно этим методом. Гидрометаллургический способ считается самым оптимальным для производства цинка и отличается рядом неоспоримых преимуществ:

• Большое число полученного цинка и сопутствующих веществ.
• Комплексный характер переработки вещества.
• Высокое качество образовавшегося цинка.
• Технологичность процесса.

Выплавка цинка в печи

Окислительный отжиг является первой стадией проведения обоих методов переработки цинка. Его цель – перевод сульфида цинка и других металлов в форму оксидов. В процессе окисления сульфидов выделяется много тепла, благодаря чему сам обжиг можно проводить без применения других источников энергии.

При обжиге получается твердый продукт – огарок, который после этого направляют на выщелачивание. По окончании процесса огарок должен содержать не больше 0,5 % сульфидной серы, до 2-4 % сульфатной серы, а также иметь частицы не больше 0,15-0,2 мм и включать в себя как можно меньше ферритов и силикатов цинка. Для того, чтобы достичь такой эффект, на современных предприятиях обжиг производят в печах кипящего слоя при температурах 900-1000 °С. Применяются печи, площадь пода которых составляет от 21-35 до 72-123 квадратных метров, а обжигать в них можно от 100 до 800 тонн концентрата в сутки.

Применение металла

Одна из ключевых сфер применения цинка – это создание покрытия для стали и железа, обеспечивающего защиту от коррозии и последующую многолетнюю эксплуатацию изделия. На осуществление процедуры цинкования приходится примерно 60% от общего производства цинка. Ей подвергаются металлоконструкции любой толщины и габаритов, используемые в промышленности, строительстве, дорожной и транспортной сферах, сельском хозяйстве, городской инфраструктуре и других отраслях.

В последнее время широкое распространение получила оцинкованная сталь – легкий и удобный материал, применяющийся как в промышленности, так и в строительстве для проведения кровельных работ. Оцинкованная сталь получается в результате прохождения процедуры цинкования, при которой обычное листовое железо приобретает антикоррозионные свойства.

Цинковые листы на протяжении многих десятилетий используются в полиграфической промышленности, помогая создать печатные формы для ротационных машин.

В строительной сфере при помощи цинка создаются сточные желоба и трубы – изделия, которые в процессе эксплуатации особенно подвержены образованию ржавчины.

Окись цинка активно применяется в медицине в качестве антисептика. Кроме того, цинк обладает высокими противовоспалительными свойствами, поэтому зачастую используется в косметологии для предотвращения образования грибка и патогенной микрофлоры в средствах ухода и восстановления кожи.

Цинк в металлургии

Цинк является электроотрицательным металлом, вытесняющим никель, кобальт, свинец, олово и благородные металлы из растворов. Данное свойство широко используется в металлургической практике.

Так, чистый цинк применяется для восстановления благородных металлов, которые добываются подземным выщелачиванием – золото, серебро. Также при помощи цинка происходит извлечение серебра, золота и других металлов из черного свинца.

В сочетании с другими металлами цинк создает несколько промышленно важных сплавов: литейные сплавы, латуни, бронзы и другие. Благодаря свойствам литейных сплавов, в основе которых содержится цинк, удается получать изделия сложнейших форм, обладающих высокими механическими характеристиками и качественной поверхностью. Данные конструкции зачастую используются в промышленности.

Способы цинкования

Цинкование – это защита металлического изделия от образования коррозии. Выделяют следующие наиболее распространенные методы цинкования:

• Цинкирование. В настоящее время данный метод считается наиболее оптимальным для обработки металлоконструкций разных габаритов и толщины. Изделия покрываются специальным составом класса Zinker, который содержит не менее 96% активного цинка. При цинкировании наносится только один слой материала, при этом производить процедуру можно в любом помещении или на открытом пространстве, используя кисть, валик, распылитель или аэрозольный баллончик. Благодаря особой форме частиц, которая обеспечивает катодную защиту цинка на протяжении всего срока эксплуатации изделия, технология считается наиболее надежным и долговечным вариантом антикоррозионной защиты металла.

• Горячее цинкование. Данный метод предполагает опускание металла в специальную ванну с расплавленным цинком при высокой температуре. В процессе обработки изделие покрывается тонким слоем из железа и цинка, являющимся своеобразным барьером против контакта элемента с кислородом, провоцирующим образование коррозии. На сегодняшний день горячее цинкование признано надежным, однако трудозатратным и дорогим способом цинкования, требующим использование промышленного оборудования и специально оборудованного цеха. При этом технология в большей степени подходит для обработки крупногабаритных конструкций, по размеру не превышающих ванну,

• Гальваническое цинкование. В основе метода лежит химический процесс осаждения цинка из электролитического раствора на металл, подключенный к отрицательному полюсу источника питания. Технология подходит для обработки мелких деталей, например, крепежей, инструментов, опор или подвесок. При этом в числе ее недостатком выделяют низкую адгезию, или сцепление образовавшегося покрытия с поверхностью металла. По этой причине изделие, подвергающееся гальваническому цинкованию, требует тщательной очистки.

• Газотермическое напыление. Данная технология предполагает использование специальных материалов, поставляемых в виде порошка, проволоки или прутков. Помещенная в камеру заготовка нагревается до пластичного или жидкого состояния, после чего в камеру под большим давлением подается газ. При помощи него защитный материал распыляется на предварительно подготовленную поверхность. Взаимодействуя с поверхностью изделия, частицы деформируются и заполняют поры и неровности металлоконструкции. Одним из существенных недостатков технологии является необходимость использования специального крупногабаритного оборудования.

• Термодиффузионное цинкование. Суть метода заключается в насыщении металлоконструкции цинком с применением термической обработки в специальной порошковой смеси. Для ее осуществления деталь погружается в камеру цилиндрической формы, засыпается цинкосодержащий порошок, после чего конструкция вращается в течение 1-4 часов под воздействием высокой температуры. В таких условиях цинк проникает в изделие, формируя защитный слой.

Другие сферы применения цинка

Цинк является важным компонентом латуни. Его сплавы с алюминием и магнием, обладая повышенными механическими и литейными качествами, широко применяются в машиностроении для точного литья. Например, в оружейном деле из сплава с магнием иногда отливают затворы пистолетов, предназначенных для использования слабых или травматических патронов.

Кроме того, из цинковых сплавов производят разнообразную техническую фурнитуру, например, автомобильные ручки, корпусы карбюраторов.

Хлорид цинка активно используется для пайки металлов и компонент в процессе производства фибры. Сульфид цинка применяется в синтезе люминофоров временного действия и разнообразных люминесцентов на базе смеси ZnS и CdS. Данные вещества используются в электронной промышленности для изготовления светящихся гибких панелей и экранов.

Цинк (Zn) является материалом для отрицательного электрода в химических источниках тока – батарейках и аккумуляторах.

Если сравнивать в процентном соотношении разные сферы применения цинка, то получится следующее соотношение:

• Цинкование – 60%
• Медицина – 10%
• Изготовление сплавов – 10%
• Производство резиновых шин – 10%
• Масляные краски (цинковые белила) – 10%.