Цинк

Цинк
← Медь | Галлий →
30 Zn ↓ Cd 30Zn
Внешний вид простого вещества
Образцы очищенного цинка
Свойства атома
Название, символ, номер	Цинк / Zincum (Zn), 30
Группа, период, блок	12 (устар. 2), 4, d-элемент
Атомная масса (молярная масса)	65,38(2)[1] а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Ar] 3d104s2 1s22s22p63s23p63d104s2
Радиус атома	138 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	125 пм
Радиус иона	(+2e) 74 пм
Электроотрицательность	1,65 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	−0,76 В
Степени окисления	0, +2
Энергия ионизации (первый электрон)	905,8 (9,39) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	7,133 г/см³
Температура плавления	419,6 °C
Температура кипения	906,2 °C
Мол. теплота плавления	7,28 кДж/моль
Мол. теплота испарения	114,8 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	25,4[2] Дж/(K·моль)
Молярный объём	9,2 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	Гексагональная
Параметры решётки	a = 2,6648, c = 4,9468 Å
Отношение c/a	1,856
Температура Дебая	234 K
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 116 Вт/(м·К)
Номер CAS	7440-66-6

Цинк (химический символ — Zn, от лат. Zincum) — химический элемент 12-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы второй группы, IIB), четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 30.

Простое вещество цинк при нормальных условиях — хрупкий переходный металл голубовато-белого цвета (тускнеет на воздухе, покрываясь тонким слоем оксида цинка).

Сплав цинка с медью — латунь — был известен ещё в Древней Греции, Древнем Египте, Индии (VII век), Китае (XI век). Долгое время не удавалось выделить чистый цинк. В 1738 году в Англии Уильямом Чемпионом^[англ.] был запатентован дистилляционный способ получения цинка^[3]. В промышленном масштабе выплавка цинка началась также в XVIII веке: в 1743 году в Бристоле начал работать первый цинковый завод, основанный Уильямом Чемпионом, где получение цинка проводилось дистилляционным способом^[4][5]:15. В 1746 году А. С. Маргграф в Германии разработал похожий способ получения чистого цинка путём прокаливания смеси его оксида с углём без доступа воздуха в глиняных огнеупорных ретортах с последующей конденсацией паров цинка в холодильниках. Маргграф описал свой метод во всех деталях и этим заложил основы теории производства цинка. Поэтому его часто называют первооткрывателем цинка^[4].

В 1805 году Чарльз Гобсон и Чарльз Сильвестр из Шеффилда запатентовали способ обработки цинка — прокатка при 100—150 °C^[5]:28. Первый в России цинк был получен на заводе «Алагир» 1 января 1905 года^[5]:86. Первые заводы, где цинк получали электролитическим способом, появились в 1915 году в Канаде и США^[5]:82.

Слово «цинк» впервые встречается в трудах Парацельса, который назвал этот металл словом лат. zincum или zinken в книге Liber Mineralium II^[6]. Это слово, вероятно, восходит к нем. Zinke, означающее «зубец» (кристаллиты металлического цинка похожи на иглы)^[7].

Известно 66 минералов цинка, в частности цинкит, сфалерит, виллемит, каламин, смитсонит, франклинит. Наиболее распространённый минерал — сфалерит, или цинковая обманка. Основной компонент минерала — сульфид цинка ZnS, а разнообразные примеси придают этому веществу всевозможные цвета. Из-за трудности определения этого минерала его называют обманкой (др.-греч. σφαλερός — обманчивый). Цинковую обманку считают первичным минералом, из которого образовались другие минералы цинка^[]: смитсонит ZnCO₃, цинкит ZnO, каламин 2ZnO · SiO₂ · Н₂O. На Алтае нередко можно встретить полосатую «бурундучную» руду — смесь цинковой обманки и бурого шпата. Кусок такой руды издали действительно похож на затаившегося полосатого зверька^[].

Среднее содержание цинка в земной коре — 8,3⋅10⁻³ %, в основных изверженных породах его несколько больше (1,3⋅10⁻² %), чем в кислых (6⋅10⁻³ %). Цинк — энергичный водный мигрант, особенно характерна его миграция в термальных водах вместе со свинцом. Из этих вод осаждаются сульфиды цинка, имеющие важное промышленное значение. Цинк также энергично мигрирует в поверхностных и подземных водах, главным осадителем для него является сероводород, меньшую роль играет сорбция глинами и другие процессы.

Цинк — важный биогенный элемент, в живых организмах содержится в среднем 5⋅10⁻⁴ % цинка. Но есть и исключения — так называемые организмы-концентраторы (например, некоторые фиалки).

Месторождения цинка известны в Иране, Австралии, Боливии, Казахстане^[8]. В России крупнейшим производителем свинцово-цинковых концентратов является ОАО «ГМК Дальполиметалл»^[9][]. На территории Красноярского края в Нижнем Приангарье разрабатывается уникальное Горевское месторождение полиметаллов с запасами цинка 1004,5 тыс. тонн по категориям А + В + С1 и 798,4 тыс. тонн по категории С2. Месторождение было открыто в 1956 году, эксплуатация начата в 1975 году, однако первые сведения о наличии руд в прилегающих районах относятся к 1770-м годам. В 2012 году добыча цинка составила 25,8 тыс. тонн. Разработку месторождения ведёт группа компаний. Также разведаны месторождения Партизанское и Суровое на западе Таймырского полуострова. Прогнозные ресурсы цинка — 500 тыс. тонн.^[10]

Цинк имеет пять стабильных изотопов (⁶⁴Zn, ⁶⁶Zn, ⁶⁷Zn, ⁶⁸Zn и ⁷⁰Zn).

Цинк в природе как самородный металл не встречается.

Цинк добывают из полиметаллических руд, содержащих 1—4 % Zn в виде сульфида, а также Cu, Pb, Ag, Au, Cd, Bi. Руды обогащают селективной флотацией, получая цинковые концентраты (50—60 % Zn) и одновременно свинцовые, медные, а иногда также пиритные концентраты. Цинковые концентраты обжигают в печах в кипящем слое, переводя сульфид цинка в оксид ZnO; образующийся при этом сернистый газ SO₂ расходуется на производство серной кислоты. Чистый цинк из оксида ZnO получают двумя способами. По пирометаллургическому (дистилляционному) способу, существующему издавна, обожжённый концентрат подвергают спеканию для придания зернистости и газопроницаемости, а затем восстанавливают углём или коксом при 1200—1300 °C: ZnO + С → Zn + CO. Образующиеся при этом пары́ металла конденсируют и разливают в изложницы. Сначала восстановление проводили только в ретортах из обожжённой глины, обслуживаемых вручную, позднее стали применять вертикальные механизированные реторты из карборунда, затем — шахтные и дуговые электропечи; из свинцово-цинковых концентратов цинк получают в шахтных печах с дутьём. Производительность постепенно повышалась, но цинк содержал до 3 % примесей, в том числе ценный кадмий. Дистилляционный цинк очищают ликвацией (то есть отстаиванием жидкого металла от железа и части свинца при 500 °C), достигая чистоты 98,7 %. Применяющаяся иногда более сложная и дорогая очистка ректификацией даёт металл чистотой 99,995 % и позволяет извлекать кадмий.

Основной способ получения цинка — электролитический (гидрометаллургический). Обожжённые концентраты обрабатывают серной кислотой; получаемый сульфатный раствор очищают от примесей (осаждением их цинковой пылью) и подвергают электролизу в ваннах, плотно выложенных внутри свинцом или винипластом. Цинк осаждается на алюминиевых катодах, с которых его ежесуточно удаляют (сдирают) и плавят в индукционных печах. Обычно чистота электролитного цинка — 99,95 %, полнота извлечения его из концентрата (при учёте переработки отходов) — 93—94 %. Из отходов производства получают цинковый купорос, Pb, Cu, Cd, Au, Ag; иногда также In, Ga, Ge, Tl.

В чистом виде — довольно пластичный серебристо-белый металл. Обладает гексагональной решеткой с параметрами а = 0,26649 нм, с = 0,49431 нм, пространственная группа P 6₃/mmc, Z = 2. При комнатной температуре хрупок, при сгибании пластинки слышен треск от трения кристаллитов (обычно сильнее, чем «крик олова»). При 100—150 °C цинк пластичен. Примеси, даже незначительные, резко увеличивают хрупкость цинка. Собственная концентрация носителей заряда в цинке — 13,1⋅10²⁸ м⁻³.

Типичный пример металла, образующего амфотерные соединения. Амфотерными являются соединения цинка ZnO и Zn(OH)₂. Стандартный электродный потенциал −0,76 В, в ряду стандартных потенциалов расположен до железа.

На воздухе цинк покрывается тонкой плёнкой оксида ZnO. При сильном нагревании сгорает с образованием амфотерного белого оксида ZnO:

${\displaystyle {\ce {2 Zn + O2 -> 2 ZnO}}}$

Оксид цинка реагирует как с растворами кислот:

${\displaystyle {\ce {ZnO + 2 HCl -> ZnCl2 + H2O}}}$

так и со щелочами:

${\displaystyle {\ce {ZnO + 2 NaOH + H2O -> Na2[Zn(OH)4]}}}$

Цинк обычной чистоты активно реагирует с растворами кислот (лабораторный способ получения водорода):

${\displaystyle {\ce {Zn + 2 HCl -> ZnCl2 + H2 ^}}}$

${\displaystyle {\ce {Zn + H2SO4 -> ZnSO4 + H2 ^}}}$

и растворами щелочей:

${\displaystyle {\ce {Zn + 2 NaOH + 2 H2O -> Na2[Zn(OH)4] + H2 ^}}}$

образуя гидроксоцинкаты. С растворами кислот и щелочей очень чистый цинк не реагирует. Взаимодействие начинается при добавлении нескольких капель раствора сульфата меди CuSO₄.

C концентрированной серной кислотой реагирует в зависимости от её молекулярного соотношения с цинком:

${\displaystyle {\ce {4Zn + 5H2SO4 -> 4ZnSO4 + H2S ^ + 4H2O}}}$ (4 к 5 = 1,25)

${\displaystyle {\ce {3Zn + 4H2SO4 -> 3ZnSO4 + S v + 4H2O}}}$ (3 к 4 = 1,33)

${\displaystyle {\ce {Zn + 2H2SO4 -> ZnSO4 + SO2 ^ + 2H2O}}}$ (1 к 2 = 2,0)

образуя смеси продуктов в промежуточных случаях или при неравномерном внесении.

При нагревании цинк реагирует с галогенами с образованием галогенидов ZnHal₂. С фосфором цинк образует фосфиды Zn₃P₂ и ZnP₂. С серой и её аналогами — селеном и теллуром — различные халькогениды, ZnS, ZnSe, и ZnTe.

С водородом, азотом, углеродом, кремнием и бором цинк непосредственно не реагирует. Нитрид Zn₃N₂ получают реакцией цинка с аммиаком при 550—600 °C.

В водных растворах ионы цинка Zn²⁺ образуют аквакомплексы [Zn(H₂O)₄]²⁺ и [Zn(H₂O)₆]²⁺.

Чистый металлический цинк используется для восстановления благородных металлов, добываемых подземным выщелачиванием (золото, серебро). Кроме того, цинк используется для извлечения серебра, золота (и других металлов) из чернового свинца в виде интерметаллидов цинка с серебром и золотом (так называемой «серебристой пены»), обрабатываемых затем обычными методами аффинажа.

Применяется для защиты стали от коррозии (оцинковка поверхностей, не подверженных механическим воздействиям, или металлизация — для мостов, ёмкостей, металлоконструкций).

Цинк используется в качестве материала для отрицательного электрода в химических источниках тока, то есть в батарейках и аккумуляторах, например: марганцево-цинковый элемент, серебряно-цинковый аккумулятор (1,85 В, 150 Вт·ч/кг, 650 Вт·ч/дм³, малое сопротивление и колоссальные разрядные токи), ртутно-цинковый элемент (1,35 В, 135 Вт·ч/кг, 550—650 Вт·ч/дм³), диоксисульфатно-ртутный элемент, иодатно-цинковый элемент, медно-окисный гальванический элемент (0,7—1,6 В, 84—127 Вт·ч/кг, 410—570 Вт·ч/дм³), хром-цинковый элемент, цинк-хлоросеребряный элемент, никель-цинковый аккумулятор (1,82 В, 95—118 Вт·ч/кг, 230—295 Вт·ч/дм³), свинцово-цинковый элемент, цинк-хлорный аккумулятор, цинк-бромный аккумулятор и др.

Очень важна роль цинка в цинк-воздушных аккумуляторах, которые отличаются весьма высокой удельной энергоёмкостью. Они перспективны для пуска двигателей (свинцовый аккумулятор — 55 Вт·ч/кг, цинк-воздух — 220—300 Вт·ч/кг) и для электромобилей (пробег до 900 км).

Пластины цинка широко используются в полиграфии, в частности, для печати иллюстраций в многотиражных изданиях. Для этого с XIX века применяется цинкография — изготовление клише на цинковой пластине при помощи вытравливания кислотой рисунка в ней. Примеси, за исключением небольшого количества свинца, ухудшают процесс травления. Перед травлением цинковую пластину подвергают отжигу и прокатывают в нагретом состоянии^[5]:30—31.

Цинк вводится в состав многих твёрдых припоев для снижения их температуры плавления.

Окись цинка широко используется в медицине как антисептическое и противовоспалительное средство. Также окись цинка используется для производства краски — цинковых белил.

Цинк — важный компонент латуни. Сплавы цинка с алюминием и магнием (ЦАМ, ZAMAK) благодаря сравнительно высоким механическим и очень высоким литейным качествам очень широко используются в машиностроении для точного литья. В частности, в оружейном деле из сплава ZAMAK (-3, -5) иногда отливают затворы пистолетов, особенно рассчитанных на использование слабых или травматических патронов. Также из цинковых сплавов отливают всевозможную техническую фурнитуру, вроде автомобильных ручек, корпусы карбюраторов, масштабные модели и всевозможные миниатюры, а также любые другие изделия, требующие точного литья при приемлемой прочности.

Хлорид цинка — важный флюс для пайки металлов и компонент при производстве фибры.

Сульфид цинка используется при изготовлении люминофоров краткого послесвечения и других люминесцирующих составов, обычно это смеси ZnS и CdS, активированные ионами других металлов. Люминофоры на базе сульфидов цинка и кадмия также применяются в электронной промышленности для изготовления светящихся гибких панелей и экранов в качестве электролюминофоров и составов с коротким временем высвечивания.

Теллурид, селенид, фосфид, сульфид цинка — широко применяемые полупроводники. Сульфид цинка — составная часть многих люминофоров. Фосфид цинка используется в качестве отравы для грызунов.

Селенид цинка используется для изготовления оптических стёкол с очень низким коэффициентом поглощения в среднем инфракрасном диапазоне, например, в углекислотных лазерах.

В электронике используются никель-цинковые ферриты для подавления электромагнитных помех на самых высоких частотах, вплоть до гигагерц, часто их делают в виде бусин, которые одевают на ножки конденсаторов и других радиокомпонентов.

На разные применения цинка приходится:

• цинкование — 45—60 %,
• медицина (оксид цинка как антисептик) — 10 %,
• производство сплавов — 10 %,
• производство резиновых шин — 10 %,
• масляные краски — 10 %.

Цинк — четвёртый по использованию металл в мире после железа, алюминия и меди, и третий среди цветных металлов. Производство цинка в мире за 2009 год составило 11,277 млн т, что на 3,2 % меньше, чем в 2008 г.^[11] производство цинка в мире может увеличиться в мире в 2024 году до 14 млн тонн в год.^[12] Цена цинка в октябре 2021 года поднялась в Лондоне до 3528,5 USD/т, +3,7 %.^[13]

Список стран по производству цинка в 2006 году (на основе «Геологического обзора Соединенных Штатов»)^[14]:

Список стран по производству цинка

Место	Страна	Производительность (тонн)
—	Весь мир	10 000 000
1	Китай	02 600 000[15]
2	Австралия	01 380 000
3	Перу	01 201 794
4	США	0 0727 000
5	Канада	0 0710 000
6	Мексика	0 0480 000[15]
7	Ирландия	0 0425 700
8	Индия	0 0420 800
9	Казахстан	0 0400 000[15]
10	Швеция	0 0192 400
11	Россия	0 0190 000[15]
12	Бразилия	0 0176 000[15]
13	Боливия	0 0175 000[15]
14	Польша	0 0135 600
15	Иран	0 0130 000[15]
16	Марокко	00 073 000[15]
17	Намибия	00 068 000[15]
18	Северная Корея	00 067 000[15]
19	Турция	00 050 000[15]
20	Вьетнам	00 048 000[15]
21	Таиланд	00 045 000[15]
22	Гондурас	00 037 646
23	Финляндия	00 035 700
24	ЮАР	00 034 444
25	Чили	00 031 725
26	Аргентина	00 030 300[15]
27	Болгария	00 017 300[15]
28	Румыния	00 009 600[15]
29	Япония	00 007 169
30	Алжир	00 005 000[15]
31	Саудовская Аравия	00 001 500[15]
32	Грузия	00 000400[15]
33	Босния и Герцеговина	00 000300[15]
34	Мьянма	00 000100[15]

В организме взрослого человека содержится в среднем около 2 г цинка в виде его соединений, который концентрируется преимущественно в простате, мышцах, печени и поджелудочной железе. В 50 миллилитрах человеческой спермы содержится около 10 миллиграмов цинка. Более 400 ферментов содержат цинк. Среди них ферменты, катализирующие гидролиз пептидов, белков и сложных эфиров, образование альдегидов, полимеризацию ДНК и РНК. Ионы Zn²⁺ в составе ферментов вызывают поляризацию молекул воды и органических веществ, содействуя их депротонированию по реакции

Zn²⁺ + H₂O = ZnOH⁺ + H⁺

Наиболее изучен фермент карбоангидраза — белок, содержащий цинк и состоящий примерно из 260 аминокислотных остатков. Этот фермент содержится в эритроцитах крови и способствует превращению углекислого газа, образующегося в тканях в процессе их жизнедеятельности, в гидрокарбонат-ионы и угольную кислоту, которая кровью переносится в лёгкие, где выводится из организма в виде углекислого газа. В отсутствие фермента превращение СО₂ в анион HCO₃⁻ протекает с очень низкой скоростью. В молекуле карбоангидразы атом цинка связан с тремя имидазольными группами остатков аминокислоты гистидина и молекулой воды, которая легко депротонируется, превращаясь в координированный гидроксид. Атом углерода молекулы углекислого газа, на котором находится частичный положительный заряд, вступает во взаимодействие с атомом кислорода гидроксильной группы. Таким образом, координированная молекула СО₂ превращается в гидрокарбонат-анион, который покидает активный центр фермента, замещаясь на молекулу воды. Фермент ускоряет эту реакцию гидролиза в 10 миллионов раз.

Цинк

• необходим для продукции спермы и мужских гормонов^[16],
• необходим для метаболизма витамина E,
• важен для нормальной деятельности простаты,
• участвует в синтезе разных анаболических гормонов в организме, включая инсулин, тестостерон и гормон роста^[16],
• необходим для расщепления алкоголя в организме, так как входит в состав алкогольдегидрогеназы^[16].

Рекомендуемая дневная норма цинка в рационе — 11 мг для мужчин и 8 мг для женщин^[17]. В периоды активной половой жизни суточная потребность цинка у мужчин возрастает и составляет 30—70 мг. Среди продуктов, употребляемых в пищу человеком, наибольшее содержание цинка — в устрицах, тыквенных и подсолнечных семечках, кунжуте, мясе, сыре, овсяной крупе, бобовых, шоколаде.

Содержание цинка в продуктах на 100 г^[18]:

• Орехи и семечки: тыквенные семечки — 10 мг, кунжут — 7 мг, кедровый орех — 6,4 мг, семена подсолнечника — 5,3 мг, миндаль — 3 мг, грецкие орехи — 3 мг.
• Мясо: говяжья печень — 4 мг, говядина — 3—8,4 мг, баранина — 2—6 мг, курятина — 0,8—3,5 мг, свинина — 0,8—3,5 мг.
• Бобовые: чечевица — 4,78 мг, арахис — 4 мг, горох — 1,2 мг, соевые бобы — 3 мг.
• Молочные продукты: твёрдый сыр — 3—4 мг, мороженое, йогурт — 0,7—0,8 мг, молоко — 0,4 мг.
• Злаки и хлеб: овёс — 3,97 мг, пшеница — 3,46 мг, рожь — 2,65 мг, рис — 1 мг, хлеб — 0,7—1,5 мг, печенье — 0,5—1 мг, мука пшеничная — 0,8 мг.
• Рыба и морепродукты: устрицы — 16—40 мг, анчоусы — 1,72 мг, осьминог — 1,68 мг, карп — 1,48 мг, икра — 1 мг, сельдь — 0,99 мг.
• Овощи и фрукты: зелёный горошек — 1,24 мг, ростки бамбука — 1,10 мг, кукуруза (варёная, консервированная) — 0,5—0,6 мг, финики — 0,44 мг, малина — 0,42 мг, брокколи — 0,41 мг, свёкла — 0,35 мг, картофель — 0,29 мг, чёрная смородина — 0,27 мг, инжир, бананы — 0,15 мг, апельсины — 0,07 мг, грейпфрут — 0,07 мг, лимоны — 0,06 мг, яблоки — 0,04 мг.
• Сладости: какао-порошок (неподслащенный) — 6,81 мг, шоколад — 2,3 мг, шоколадные конфеты — 1—2 мг, мёд — 0,22 мг.

Также цинк может присутствовать в минеральной воде.

Недостаток цинка в организме приводит к ряду расстройств. Среди них — раздражительность, утомляемость, потеря памяти, депрессивные состояния, снижение остроты зрения, уменьшение массы тела, накопление в организме некоторых элементов (железа, меди, кадмия, свинца), снижение уровня инсулина, аллергические заболевания, анемия и другие^[19].

Для оценки содержания цинка в организме определяют его содержание в волосах, крови и её сыворотке.

При длительном поступлении в организм в больших количествах всех солей цинка, особенно сульфатов и хлоридов, могут вызывать отравление из-за токсичности ионов Zn²⁺. 1 грамма сульфата цинка ZnSO₄ достаточно, чтобы вызвать тяжёлое отравление. В быту хлориды, сульфаты и оксид цинка могут образовываться при хранении пищевых продуктов в цинковой и оцинкованной посуде.

Отравление ZnSO₄ приводит к малокровию, задержке роста, бесплодию.

Отравление сульфатом цинка происходит при вдыхании его мелкодисперсных частиц (пыли). Оно проявляется в появлении сладковатого вкуса во рту, снижении или полной потере аппетита, сильной жажде. Появляется усталость, чувство разбитости, стеснение и давящая боль в груди, сонливость, сухой кашель.

• Категория:Соединения цинка
• Цинкаты

• Цинк на Webelements
• Цинк в Популярной библиотеке химических элементов Архивная копия от 8 августа 2006 на Wayback Machine
• Цинк и цинковые аноды