Что такое цинк? Формула, соединения цинка. Применение цинка

Одним из металлов, которые были открыты достаточно давно, но и по сей день не потеряли своей актуальности в использовании благодаря замечательным своим свойствам, является цинк. Его физические и химические свойства позволяют применять материал в самых разных отраслях техники и быта. Он оказывает существенное влияние и на здоровье человека.

Краткая история открытия элемента

Что такое цинк, люди знали еще до нашей эры. Ведь именно тогда научились применять сплавы, содержащие этот металл. Египтяне использовали руды, содержащие медь и цинк, сплавляли их и получали очень прочный, устойчивый к окислению материал. Были найдены предметы быта, посуда, выполненные из этого материала.

Название zinc встречается в трудах врача Парацельса в XVI веке нашей эры. В этот же период металл активно начинают использовать китайцы, отливая из него монеты. Постепенно знания об этом веществе и его хороших технических свойствах переходят в Европу. Тогда и в Германии, Англии также узнали, что такое цинк и где его можно использовать.

Латунь была одним из первых и самых известных сплавов, используемых еще с древних веков на Кипре, а позже в Германии и других странах.

Название происходит от латинского zincum, однако этимология не совсем ясна. Есть несколько версий.

1. От немецкого zinke, что переводится как "острие".
2. От латинского zincum, что означает "белый налет".
3. Персидский "ченг", то есть камень.
4. Древнегерманский zinco, что переводится, как "налет", "бельмо на глазу".

Сегодняшнее название элемент получил только в начале XX века. О значении ионов цинка в организме человека также стало известно лишь сравнительно недавно (XX век). До этого никакие недуги с этим элементом не связывали.

Однако известно, что уже в древности многие народы использовали супы из мяса молодого барашка как средство восстановления после болезни и для скорейшей поправки. Сегодня можно сказать, что эффект достигался за счет ионов цинка, которых в этом блюде содержится достаточно много. Он помогал восстановлению кровообращения, снятию усталости и активизировал мозговую деятельность.

Элемент Цинк: характеристика

Данный элемент располагается в периодической системе во второй группе, побочной подгруппе. Порядковый номер 30, масса Цинка - 65,37. Единственная и постоянная степень окисления +2. Электронная конфигурация внешнего слоя атома 4s².

В таблице Цинк, Медь, Кадмий, Хром, Марганец и многие другие - это переходные металлы. К ним относятся все те, у которых электроны заполняют внешний и предвнешний d и f энергетические подуровни.

Переходные металлы включают в себя и группу платиновых (Золото, Иридий, Палладий, Платина, Осмий и другие). Для всех них характерно образование комплексных соединений, в которых они выступают в качестве комплексообразователя с разными координационными числами. Все это характерно и для рассматриваемого нами элемента.

Существует 5 устойчивых в природе изотопов с массовыми числами от 64 до 70. ⁶⁵Zn - радиоактивный, с периодом полураспада 244 дня.

Цинк как простое вещество

Что такое цинк в обычном виде? Это - металл, серебристо-голубой, быстро покрывающийся защитной оксидной пленкой на воздухе. Из-за этого кажется, что он не очень блестящий. Однако стоит пленку удалить, как цинк проявляет свойства всех металлов - красивый характерный блеск и сияние.

В природе содержится в составе многих минералов и руд. Так, самыми распространенными из них являются:

• цинковая обманка, или сфалерит;
• клейофан;
• марматит;
• вюртцит;
• смитсонит;
• каламин;
• цинкит;
• виллемит;
• франкленит и другие.

В составе смешанных руд Цинк обычно встречается вместе со своими постоянными спутниками, такими как:

• Таллий;
• Германий;
• Индий;
• Галлий;
• Кадмий.

Всего в земной коре на долю этого металла приходится 0,076%. Это чуть больше, чем на медь. Также 0,07 мг/л этого вещества содержится в морской воде.

Формула цинка как простого вещества - Zn. Кристаллическая решетка гексагональная, плотная. Тип химической связи - металлическая.

Физические свойства

Можно обозначить несколько характеристик.

1. Цвет - сребристо-голубой.
2. Плотность - 7,13 г/см³.
3. Температура плавления - 420 ^оС (относится к группе легкоплавких металлов).
4. При обычных условиях - хрупкое вещество.
5. Температура кипения - 906 ^оС.
6. При нагревании до 100-150 ^оС повышается ковкость и пластичность, возможно изготовление проволоки и прокатка в фольгу.
7. Свыше 200 ^оС легко растирается в серый порошок, теряя пластичность.
8. Является отличным проводником.
9. Теплопроводность хорошая, так же как и теплоемкость.

Такие физические параметры позволяют использовать металл в соединениях с другими элементами. Например, широко известен сплав цинка - латунь.

Химические свойства

При обычных условиях поверхность куска металла мгновенно покрывается серо-белым тусклым налетом - оксидом цинка. Это происходит от того, что кислород воздуха мгновенно окисляет чистое вещество.

Если же долгое время хранить чистый металл на открытом влажном воздухе, то произойдет его разрушение под действием углекислого газа. Как простое вещество цинк реагирует с:

• галогенами;
• халькогенами;
• кислородом;
• кислотами;
• щелочами;
• аммиаком и аммонием (его солями);
• более слабыми металлами.

Не вступает в реакции с азотом. Если же взять химически абсолютно чистый цинк, то он не реагирует ни с чем из перечисленных веществ.

Очевидно, что цинк - металл амфотерный. При реакциях со щелочами образует комплексные соединения - гидроксоцинкаты.

Соединения цинка

Таковых можно назвать несколько основных категорий:

1. Силицид цинка.
2. Карбид тройного вида - Ni₃ZnC.
3. Галогениды цинка (хлорид, фторид, йодид, бромид).
4. Сульфид, селенид, арсенид цинка.
5. Фосфид и борид.
6. Аммиакатные комплексы, формирующиеся при взаимодействии металла с раствором аммиака.
7. Цианиды, тиосульфаты и тиоцианаты существуют в виде соответствующих комплексов в водном растворе.
8. Оксид и гидроксид цинка - амфотерные соединения, используемые для получения комплексов гидроксоцинкатов.

Большинство соединений рассматриваемого элемента используются в химической промышленности или других отраслях (технике, бытовых синтезах, лакокрасочной промышленности).

Оксид цинка находит широкое применение в медицине. Он обладает хорошим противовоспалительным действием, слегка подсушивает и убивает бактерии. Поэтому его используют в косметических средствах для лечения прыщей, камедонов, угрей и других заболеваний кожи.

Соли цинка

Практически все соли, которые не являются двойными и комплексными, то есть не содержат посторонних окрашенных ионов, - это бесцветные кристаллические вещества. Самыми популярными в плане использования человеком являются следующие из них.

1. Хлорид цинка - ZnCL_2. Другое название соединения - паяльная кислота. Внешне представляет собой белые кристаллики, хорошо впитывающие влагу воздуха. Используется для очищения поверхности металлов перед пайкой, получения фибры, в батарейках, для пропитки дерева перед обработкой в качестве дезинфектора.
2. Сульфид цинка. Белый порошок, быстро желтеющий при нагревании. Имеет высокую температуру плавления, в отличие от чистого металла. Используется при производстве люминесцирующих составов, наносимых на экраны, панели и прочие предметы. Является полупроводником.
3. Фосфид цинка - распространенная отрава, применяемая для избавления от грызущих животных (мышей, крыс).
4. Смитсонит, или карбонат цинка - ZnCO₃. Бесцветное кристаллическое соединение, нерастворимое в воде. Применяется в нефтехимическом производстве, а также в реакциях получения шелка. Является катализатором в органических синтезах, используется в качестве удобрения для почв.
5. Ацетат цинка - (CH₃COO)₂Zn. Бесцветные кристаллы, хорошо растворимые во всех растворителях любой природы. Находит широкое применение как в химической, так и в медицинской и пищевой промышленности. Используется для лечения нозафарингита. Применяется в качестве пищевой добавки Е650 - освежает дыхание, предупреждает появление налета на зубах, когда входит в состав жвачки. Его же используют для протравливания красителей, консервации древесины, производства пластмасс и прочих органических синтезах. Практически везде играет роль ингибитора.
6. Йодид цинка - белые кристаллы, используемые в рентгенографии, в качестве электролита в аккумуляторах, как краситель для электронных микроисследований.
7. Черные или темно-зеленые кристаллы, которые невозможно получить прямым синтезом, так как цинк с азотом не реагирует. Образуются из аммиаката металла. При высоких температурах разлагается с высвобождением цинка, поэтому применяется для его получения.
8. Нитрат цинка. Бесцветные гигроскопичные кристаллы. Применение цинка в таком виде осуществляется в текстильной и кожевенной промышленностях для протравки тканей.

Сплавы цинка

Как уже упоминалось выше, существует самый распространенный сплав цинка - латунь. Именно он известен с самой древности и активно используется людьми до сих пор. Что же он собой представляет?

Латунь - это медь и цинк, которые гармонично сочетаются с несколькими другими металлами, придающими дополнительный блеск, прочность и тугоплавкость сплаву. Цинк в составе как легирующий элемент, медь - как основной. Цвет материала желтый, блестящий, однако на открытом воздухе во влажной среде способен чернеть. Температура плавления около 950 ^оС, может варьироваться в зависимости от содержания цинка (чем больше его, тем температура ниже).

Материал хорошо прокатывается в листы, трубы, сваривается контактным способом. Имеет хорошие технические характеристики, поэтому из него изготавливаются следующие элементы:.

1. Детали машин и различные технические приборы.
2. Гильзы и штампованные изделия.
3. Гайки, болты, патрубки.
4. Арматуры, втулки, антикоррозийные детали разных видов транспорта.
5. Детали часов.

Большая часть добываемого в мире рассматриваемого нами металла уходит именно на изготовление данного сплава.

Еще один вид интерметаллического соединения - антимонид цинка. Формула его Zn₄Sb_3. Это также сплав, который используется как полупроводник в транзисторах, тепловизорах, магниторезистивных устройствах.

Очевидно, что применение цинка и его соединений очень широко и практически повсеместно. Данный металл так же популярен, как медь и алюминий, серебро и золото, марганец и железо. Особенно велико его значение в технических целях как антикоррозионного материала. Ведь именно цинком покрываются разные сплавы и изделия для защиты от этого разрушающего природного процесса.

Биологическая роль

Что такое цинк с точки зрения медицины и биологии? Имеет ли он значение для жизни организмов и насколько оно велико? Оказывается, ионы цинка просто обязательно должны присутствовать в живых существах. Иначе дефицит приведет к следующим последствиям:

• анемии;
• снижению инсулина;
• аллергии;
• потере веса и памяти;
• утомляемости;
• депрессии;
• ухудшению зрения;
• раздражительности и другим.

Основные места концентрации ионов цинка в организме человека - это поджелудочная железа, печень и мышцы. Также именно этот металл входит в состав большинства ферментов (например, карбоангидраза). Поэтому большинство реакций катализа происходит при участии цинка.

Что именно делают ионы?

1. Участвуют в синтезе мужских гормонов и семенной жидкости.
2. Способствуют усвоению витамина Е.
3. Участвуют в расщеплении молекул алкоголя в организме.
4. Являются непосредственными участниками синтеза многих гормонов (инсулина, гормона роста, тестостерона и других).
5. Принимает участие в кроветворении и заживлении поврежденных тканей.
6. Регулирует секрецию сальных желез, поддерживает нормальный рост волос и ногтей, способствует регенерационным процессам в коже.
7. Обладает способностью устранять из организма токсины и укреплять иммунитет.
8. Влияет на формирование вкусовых ощущений, а также обоняния.
9. Принимает участие в процессах транскрипции, обмене витамина А, нуклеиновых синтезах и распадах.
10. Является участником всех стадий роста и развития клетки, а также сопровождает процесс экспрессии гена.

Все это еще раз доказывает, насколько важным элементом является данный металл. Роль его в биологических системах была выяснена только в XX веке. Многих неприятностей и недугов в прошлом можно было бы избежать, если бы люди знали о лечении при помощи препаратов на основе цинка.

Каким же образом можно поддерживать нужное количество этого элемента в организме? Ответ очевиден. Необходимо употреблять продукты, содержащие цинк. Список может быть длинным, поэтому укажем только те, в которых максимальное количество рассматриваемого элемента:

• орехи и семечки;
• бобовые;
• мясо;
• морепродукты, особенно, устрицы;
• злаки и хлеб;
• молочная продукция;
• зелень, овощи и фрукты.

Использование человеком

Мы уже в целом обозначали, в каких отраслях и областях промышленности используется цинк. Цена на этот металл и его сплавы достаточно высока. Например, лист латуни размером 0,6 х 1,5 приблизительно оценивают в 260 рублей. И это вполне оправданно, ведь качество материала достаточно высокое.

Итак, металлический цинк, то есть как простое вещество, используется:

• для покрытия против коррозии на железных и стальных изделиях;
• в аккумуляторах;
• типографии;
• в качестве восстановителя и катализатора в органических синтезах;
• в металлургии для выделения других металлов из их растворов.

Оксид цинка используется не только в косметических целях, о которых мы уже упоминали, но и в качестве наполнителя при производстве резины, как белый пигмент в красках.

О том, где используются различные соли цинка, мы говорили при рассмотрении этих соединений. Очевидно, что в целом цинк и его вещества - это важные и значимые в промышленности, медицине и других отраслях компоненты, без которых многие процессы оказались бы невозможными или сильно затрудненными.