Реферат: История получения цинка, его химические св-ва и применение цинка в промышленности

                           Доклад по химии(автор: Зверев Иван, г. Москва.)

Zn  65,38

Цинк

<img src="/cache/referats/4506/image001.gif" v:shapes="_x0000_s1037"> <img src="/cache/referats/4506/image002.gif" " v:shapes="_x0000_s1030"> <img src="/cache/referats/4506/image003.gif" v:shapes="_x0000_s1026">


 

Элемент цинк(Zn) в таблице Менделеева имеетпорядковый номер 30. Он находится вчетвертом периоде второй группы. Атомный вес — 65,37. Распределение электронов по слоям 2-8-18-2.

         Цинк представляет собой синевато- белый металл, плавящийся при 419 С,а при 913 С превращающийся в пар; плотность его равна 7,14 г/см3. При обыкновенной температуре цинк довольно хрупок, но при 100-110 С он хорошогнется и прокатывается в листы. На воздухе цинк покрывается тонким слоем окиси,предохраняющим его от дальнейшего окисления. Вода почти не действует на цинк,хотя он и стоит в ряду активности значительно левее водорода. Это объясняетсятем, что образующаяся на поверхности цинка при взаимодействии его с водойгидроокись практически нерастворима и препятствует дальнейшему течению реакции.В разбавленных же кислотах цинк легко растворяется с образованиемсоответствующих солей. Кроме того, цинк подобно бериллию и другим металлам,образующим амфотерные гидроокиси, растворяется в щелочах. Если нагреть цинк навоздухе до температуры кипения, то пары его воспламеняются и сгорают зеленовато-белымпламенем, образуя окись цинка.

<img src="/cache/referats/4506/image004.gif" v:shapes="_x0000_s1031">


                                                                      Немного истории

         Соединенияцинка и его сплавы известны человечеству с глубокой древности, металлический жецинк был получен значительно позднее, чем железо, свинец и олово. Это обстоятельствообъясняется тем, что обычные способы плавки руды с углем здесь не достигалицели; чтобы восстановить цинк, его надо быстро нагреть до температуры около1000 градусов, но при этом он кипит и в виде паров теряется вместе с дымовыми газами.Только после того как научились конденсировать пары цинка в глиняных сосудах,стало возможных получение металла  всвободном состоянии. Полагают, что такой дистилляционный способ получениясвободного цинка впервые был изобретен в Китае.

        

 Латунь (сплав меди с цинком) былаизвестна грекам, индусам и другим народам Востока, употреблявшим ее дляизготовления различных предметов домашнего обихода, художественного литья иукрашений. Отдельные предметы из латуни, относящиеся к периоду за 1500 лет дон.э., были найдены в Палестине. Приготовление латуни восстановлением особойземли кадмия (так назывались в древности многие минералы, содержащие цинк, отличиемежду которые не делали) углем в присутствии меди описывают Аристотель (384-322 гг. до н.э.), Плиний Старший (23-79 гг. н.э.) и Гомер. Плиний Старший иДиоскрид из Аназарбуса описывают лекарственные средства, содержащие соединенияцинка. Лекарства эти употреблялись для заживления ран и при лечении глазныхболезней.

        

В доисторических дакийских развалинах вТрансильвании был найден идол, отлитый из сплава, содержащего около 87% цинка.Получение металлического цинка из галмея (Zn4*H2O) впервые описывает Страбон(60-20 гг. до н.э.). Цинк в этот период называли тутией или фальшивым серебром.

         Благодарядовольно сложной выработке цинка из руд в X-XI вв. н.э. искусство полученияцинка в Европе было утрачено, и он ввозился сюда под названием индийского оловаиз Китая и Индии.

         Вконце XIII в. н.э. итальянский путешественник Марко Поло описал способ полученияметаллического цинка в Персии. В 1637 году метод выплавки цинка и его свойства описываютсяв китайской книге “Циан коняг канн у”. Казалось бы, что раз метод полученияописан в литературе, то его легко могли перенять другие народы и применить усебя на родине. Но этого не случилось. Экономическая и культурная разобщенностьнародов, слабые транспортные связи, а главное, стремление многих ученыхописывать свои открытия на непонятном языке — все это препятствовало быстромураспространению технических достижений.

         Вторично получение цинка в Европе стало известно в начале XVI века. Оспособе его выплавки упоминают в своих сочинениях Георг Агрикола (1494-1555) иТеофраст Парацельс. Однако и после этого цинк в Европе был большой редкостью,что продолжалось почти до конца XVIII в.

         Названиеже “цинк” происходит от латинского слова, обозначающего бельмо или белый налет,и впервые встречается у Парацельса в 1530 году. Роберт Бойль назвал цинк“спелтером”. У нас цинк И.Шлаттер (1736) называл “туцией”, Ломоносов (1742)ввел название “цинк”, но оно не пользовалось успехом и цинк чаще всего называли“шпиаутер”.

         В  8-м издании “Основ химии”(1906)  Д.И.Менделеев употребляетсовременное название цинка, но наряду с этим ставит в скобках и другое егоназвание — ”шпиаутер”. Из этого можно заключить, что во времена Менделеевастарое название цинка было достаточно широко распространено.

<img src="/cache/referats/4506/image005.gif" v:shapes="_x0000_s1032">                                                                      Металлический цинк.

В XVI веке были предпринятыпервые попытки выплавлять цинк в заводских условиях. Но производство “непошло”, технологические трудности оказались непреодолимыми. Цинк пыталисьполучать точно так же, как и другие металлы. Руду обжигали, превращая цинк вокись, затем эту окись восстанавливали углем...

         Цинк,естественно, восстанавливался, взаимодействуя с углем, но… не выплавлялся.Не выплавлялся потому, что этот металл уже в плавильной печи испарялся — температураего кипения всего 906 С. А в печи был воздух. Встречая его, пары активногоцинка реагировали с кислородом, и вновь образовывался исходный продукт-окисьцинка.

         Наладить цинковое производство в Европе удалось лишь после того, какруду стали восстанавливать в закрытых ретортах без доступа воздуха. Примернотак же “черновой” цинк получают и сейчас, а очищают его рафинированием. Следуетиметь в виду, что чисто цинковые руды в природе почти не встречаются.   

Сложный химический и минералогический состав руд,содержащих цинк, был одной из причин, по которым цинковое производстворождалось долго и трудно. В переработке полиметаллических руд и сейчас еще естьнерешенные проблемы…

Вернемся же к теме использования цинка. Цинк частоиспользуется в металлургии и при производстве пиротехники. При этом онпроявляет свои особенности.

         Прирезком охлаждении пары цинка сразу же, минуя жидкое состояние, превращаются в твердуюпыль. Часто бывает нужно сохранить цинк именно в виде пыли, а не переплавлятьего в слитки.

         Впиротехнике цинковую пыль применяют, чтобы получить голубое пламя. Цинковаяпыль используется в производстве редких и благородных металлов. В частности, такимцинком вытесняют золото и серебро из цианистых растворов. Но это еще не все. Выникогда не задумывались, почему металлические мосты, пролеты заводских цехов идругие крупногабаритные изделия из металла чаще всего окрашивают в серый цвет?

          Главная составная часть применяемой вовсех этих случаях краски — все та же цинковая пыль. Смешанная с окисью цинка ильняным маслом, она превращается в краску, которая отлично предохраняет откоррозии. Эта краска к тому же дешева, хорошо прилипает к поверхности металла ине отслаивается при температурных перепадах. Изделия, которые покрывают такойкраской, должны быть не марки и в то же время опрятны.

         Насвойствах цинка сильно сказывается степень его чистоты. При 99,9 и 99,99% чистотыцинк хорошо растворяется в кислотах. Но стоит “прибавить” еще одну девятку(99,999%), и цинк становится нерастворимым в кислотах даже при сильномнагревании. Цинк такой чистоты отличается и большой пластичностью, его можновытягивать в тонкие нити. А обычный цинк можно прокатить в тонкие листы, лишьнагрев его до 100-150 С. Нагретый до 250 С и выше, вплоть до точки плавления,цинк опять становится хрупким — происходит очередная перестройка егокристаллической структуры.

         Листовой цинк широко применяют в производстве гальванических элементов.Первый “вольтов столб” состоял из кружочков цинка и меди.

         Значительнароль этого элемента в полиграфии. Из цинка делают клише, позволяющиевоспроизвести в печати рисунки и фотографии. Специально приготовленный и обработанныйтипографский цинк воспринимает фотоизображение. Это изображение в нужных местахзащищают краской, и будущее клише протравливают кислотой. Изображение приобретаетрельефность, опытные граверы подчищают его, делают оттиски, а потом эти клишеидут в печатные машины.

         Кполиграфическому цинку предъявляют особые требования: прежде всего он должениметь мелкокристаллическую структуру, особенно на поверхности слитка. Поэтомуцинк, предназначенный для полиграфии, всегда отливают в закрытые формы. Для“выравнивания” структуры применяют обжиг при 375 С с последующим медленным охлаждениеми горячей прокаткой. Строго ограничивают и присутствие в таком металлепримесей, особенно свинца. Если его много, то нельзя будет вытравить клише так,как это нужно. Вот по этой кромке и “ходят” металлурги, стремясь удовлетворитьзапросы полиграфии.

<img src="/cache/referats/4506/image006.gif" v:shapes="_x0000_s1033">                                                                              Цинк и сталь.

Как бы громко ни называли внаше время: “век полимеров”, “век полупроводников”, “атомный век” и так далее,по сути дела мы не вышли еще из века железного. Этот металл по-прежнемуостается основным в промышленности. По выплавке чугуна и стали и сейчас судят омощи государства.

А чугун и сталь подвержены коррозии, и, несмотря назначительные успехи, достигнутые человечеством в борьбе с “рыжим врагом”,коррозия ежегодно губит десятки миллионов тонн металла.

         Нанесениена поверхность стали и чугуна тонких пленок коррозионно-стойких металлов — важнейшее средство защиты от коррозии. А на первом месте среди всех металлопокрытий,и по важности, и по масштабам стоят покрытия цинковые. На защиту стали идет 40%мирового производства цинка!

Оцинкованные ведра, оцинкованная жесть на крышахдомов — вещи настолько привычные, настолько будничные, что мы, как правило, незадумываемся, а почему, собственно, они оцинкованные, а не хромированные илиникелированные? Если же такой вопрос возникает, то “железная логика” мигомвыдает однозначный ответ: потому что цинк дешевле хрома и никеля. Но дело не водной дешевизне.

Цинковое покрытие часто оказывается более надежным,нежели остальные, потому что цинк не просто механически защищает железо отвнешних воздействий, но и химически защищает его.

       Кобальт, никель, кадмий, олово и другие металлы, применяемые для защитыжелеза от коррозии, в  ряду активностиметаллов стоят после железа. Это значит, что они более стойки, чем железо. Цинкже и хром, наоборот, активнее железа. Хром в ряду активности стоит почти рядомс железом (между ними только галлий), а цинк — перед хромом.

       Существенен и состав продукта, образующегося при “самопожертвовании”цинка. Активный цинк реагирует с влагой воздуха и одновременно с содержащимся внем углекислым газом. Образуется защитная пленка, имеющая достаточнуюхимическую стойкость, чтобы защитить от реакций и железо, и сам цинк. Но еслицинк коррозирует в среде, лишенной углекислоты, скажем, в умягченной водепарового котла, то пленка нужного состава образоваться не может, и в этомслучае цинковое покрытие разрушается намного быстрее.

        Как женаносят цинк на железо? Способов несколько. Можно оцинковывать сталь (это самыйстарый способ), просто окуная ее в расплавленный цинк. Кстати, плавится он присравнительно низкой температуре (419,5 С). Есть, конечно, электролитические способыцинкования. Есть, наконец, метод шерардизации (по имени изобретателя), применяемыйдля покрытия небольших деталей сложной конфигурации, когда особенно важно сохранитьнеизменными размеры.

<img src="/cache/referats/4506/image007.gif" v:shapes="_x0000_s1034">                                                                      Сплавы.

Уже упоминалось, что история с цинком достаточнозапутана. Но одно бесспорно: сплав меди и цинка — латунь — был получен намного раньше, чем металлический цинк. Самыедревние латунные предметы, сделанные примерно в 1500 году до н.э. найдены прираскопках в Палестине.

Приготовление латуни восстановлением особого камня-  (кадмия) углем в присутствии медиописано у Гомера, Аристотеля и Плиния Старшего. В частности Аристотель писал одобываемой в Индии меди, которая “отличается от золота только вкусом”.

Действительно, в довольно многочисленной группесплавов, носящих общее название латуней, есть один (Л-96, или томпак), по цветупочти неотличимый от золота. Между прочим, томпак содержит меньше цинка, чембольшинство латуней: цифра за индексом Л означает процентное содержание меди.Значит, на долю цинка в этом сплаве приходится не больше 4%.

         Цинквходит и в состав другого древнего сплава на медной основе. Речь идет о бронзе. Это раньше делили четко: медьплюс олово — бронза, медь плюс цинк — латунь. Но теперь эти грани стёрлись.

До сих пор я рассказывал только о защите цинком и олегировании цинком. Но есть и сплавы на основе этого элемента. Хорошие литейныесвойства и низкие температуры плавления позволяют отливать из таких сплавовсложные тонкостенные детали. Даже резьбу под болты и гайки можно получатьнепосредственно при отливке, если имеешь дело со сплавами на основе цинка.

<img src="/cache/referats/4506/image008.gif" v:shapes="_x0000_s1035">                                                       Коротко о соединениях цинка.

Еще при первых попытках выплавить цинк из руды усредневековых химиков получался белый налет, который в книгах того времениназывали двояко: либо “белым снегом” (nix alba), либо “философской шерстью”(lana philosophica). Нетрудно догадаться, что это была окись цинка ZnO — вещество, которое есть в жилище каждого городского жителя наших дней.

Этот “снег”, будучи замешанным на олифе,превращается в цинковые белила — самые распространенные из всех белил. Окисьцинка нужна не только для малярных дел, ею широко пользуются многие отраслипромышленности. Стекольная — для получения молочного стекла и (в малых дозах)для увеличения термостойкости обычных стекол. В резиновой промышленности ипроизводстве линолеума окись цинка используют как наполнитель. Известнаяцинковая мазь на самом деле не цинковая, а оксидоцинковая. Препараты на основеZnO эффективны при кожных заболеваниях.

          Наконец, с кристаллической окисью цинка связана одна из самых большихнаучных сенсаций 20-х годов нашего века. В 1924 году один из радиолюбителейгорода Томска установил рекорд дальности приема.

Детекторным приемником он в Сибири принимал передачирадиостанций Франции и Германии, причем слышимость была более отчетливой, чем увладельцев одноламповых приемников.

 

Как это могло произойти? Дело в том, что детекторныйприемник томского любителя был смонтирован по схеме сотрудника нижегородскойрадиолаборатории О.В.Лосева.

Дело в том, что Лосев включил в схему кристалл окисицинка. Это заметно улучшело чувствительность аппарата к слабым сигналам. Вотчто говорилось в редакционной статье американского журнала “Radio-News”,целиком посвященной работе нижегородского изобретателя: ”Изобретение О.В.Лосеваиз Государственной радиоэлектрической лаборатории в России делает эпоху, итеперь кристалл заменит лампу!”

Автор статьи оказался провидцем: кристаллдействительно заменил лампу; правда, это не лосевский кристалл  окиси цинка, а кристаллы других веществ.

        

Еще более важно применение некоторых соединенийцинка, прежде всего его сульфида, для покрытия светящихся экранов телевизорови  рентгеновских аппаратов. Под действиемкоротковолнового излучения или электронного луча сернистый цинк приобретаетспособность светиться, причем эта способность сохраняется и после того, какпрекратилось облучение.

        

                                                          

<img src="/cache/referats/4506/image009.gif" v:shapes="_x0000_s1036">                                                     Биологическая роль цинка.

Фармацевты и медики жалуют многие соединения цинка.Со врёмен Парацельса и до  наших дней вфармакопее значатся глазные цинковые капли (0,25%-ный раствор ZnSO4). Как присыпка издавнаприменяется цинковая соль. Феносульфат цинка — хороший антисептик. Суспензия, вкоторую входят инсулин, протамин и хлорид цинка — новое эффективное средствопротив диабета, действующее лучше, чем чистый инсулин.

И вместе с тем многие соединения цинка, прежде всегоего сульфат и хлорид, токсичны.

Цинк — один из важных микроэлементов. И в то же времяизбыток цинка для растений вреден.

         Биологическая роль цинка двояка и не до конца выяснена. Установлено, чтоцинк — обязательная составная часть фермента крови.

Известно, что довольно много цинка содержится в ядезмей, особенно гадюк и кобр. Но в то же время известно, что соли цинкаспецифически угнетают активность этих же самых ядов, хотя, как показали опыты,под действием солей цинка яды не разрушаются. Как объяснить такое противоречие?Считают, что высокое содержание цинка в яде — это то средство, которым змея отсобственного яда защищается. Но такое утверждение еще требует строгойэкспериментальной проверки.

Наиболее распространенный минерал цинка — сфалерит,или цинковая обманка ZnS. Раз-         нообразные примеси придают этому веществу всевозможные цвета. Видимо, заэто минерал и называют обманкой. Цинковую обманку считают первичным минералом,из которого образовались другие минералы этого элемента: смитсонит ZnCO3,цинкит  ZnO, каламин 2ZnO*SiO2*H2O. На Алтае нередко можновстретить полосатую “бурундучную” руду — смесь цинковой обманки и бурого шпата.Кусок такой руды издали действительно похож на затаившегося полосатого зверька.

                                                                           ( По материалам журнала «Химия и жизнь»)

еще рефераты
Еще работы по химии