Цинк — химический элемент 12-й группы четвертого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 30.
1‑я: 906,40 (9,3942) кДж/моль (эВ)
2‑я: 1733,30 (17,9644) кДж/моль (эВ)
3‑я: 3832,7 (39,723)[9] кДж/моль (эВ) Термодинамические свойства простого вещества Плотность (при н. у.) 7,13 г/см3 Температура плавления 692,7 K (419,55 °C, 787,19 °F) Температура кипения 1179,4 K (906,25 °C, 1663,25 °F)[10] Тройная точка 693 К (420°C), 0,065[11] кПа Мол. теплота плавления 7,24 кДж/моль Мол. теплота испарения 115,3 кДж/моль Молярная теплоёмкость 25,44[12] Дж/(K·моль) Кристаллическая решётка простого вещества Структура решётки Гексагональная (плотноупакованная) Параметры решётки a=2,6654, c=4,94, d=2,6654 Å Отношение c/a 1,86[13] Прочие характеристики Модуль сдвига 38 ГПа Модуль объёмной упр. 69,4 ГПа Коэффициент Пуассона 0,249[14] Твёрдость Мооса 2,5—2,9[15] Твёрдость Бринелля 412[8] МПа Номер CAS 7440-66-6 Эмиссионный спектр
Цинк (химический символ — Zn, от лат. Zincum) — химический элемент 12-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы второй группы, IIB) четвертого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 30.
Цинк представляет собой голубовато-белый переходный металл, покрывающийся на воздухе плёнкой оксида цинка➤.
Металл был известен еще с древности, так как использовался при производстве латуни. Впервые был открыт как индивидуальный металл в Индии в XIII веке, а затем переоткрыт в Европе в 1726 году➤.
По химическим свойствам цинк — типичный амфотерный металл, реагирующий и с кислотами, и с щелочами➤.
История
Еще в древности, более 2500 лет назад, его соединения применялись для лечения ран и изготовления латуни. Несмотря на широкое использование цинковых руд в производстве сплавов меди, сам металл долго оставался неизвестным[16].
В античности цинковые соединения, такие как каламин, упоминались в трудах римских авторов, но тогда металл считался разновидностью руды[17].
Самым известным цинковым минералом был галмей, или каламин (ZnCO3). При прокаливании этого карбоната получался оксид, который имел довольно широкое применение, например, при лечении болезней глаз. Хотя сам оксид цинка легко восстанавливается до металла углем, получить чистый цинк удалось намного позже, чем были получены такие металлы, как медь, железо, олово и свинец, потому что для этого процесса требуется довольно высокие температуры (около 1100 °С)[18].
В XIII веке в Индии был впервые получен металлический цинк путем восстановления каламина с помощью органических веществ[16]. В Европе металлический цинк был впервые открыт Андреасом Маргграфом в 1746 году[16][19].
Первые эксперименты по горячему цинкованию стальных изделий погружением металлические пластин в расплавленный цинк для получения устойчивого к коррозии покрытие были проведены Полем-Жаком Малуэном в 1742 году.
В 1802 году Карл Фридрих Бушендорф предложил предварительное травления железных листов в хлориде аммония, что значительно повысило качество цинкового покрытия. В отличие от олова, цинк обеспечивает не только изолирующую, но и активную гальваническую защиту железа при повреждении покрытия.
Изучение механизмов электрохимической защиты продолжалось в XVIII—XIX веках: Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта выявили зависимость электрических процессов при контакте разнородных металлов. Их исследования привели к созданию шкалы стандартных электродных потенциалов, которая объясняла, почему цинк может «жертвовать собой», защищая железо от коррозии. Сэр Хамфри Дэви и Майкл Фарадей подтвердили это явление и ввели концепцию катодной защиты[20].
Промышленное производство цинка началось в Европе XVIII веке. Металлургия цинка была разработана в 1721 году немецким металлургом И. Генкелем. В 1743 году в Бристоле был открыт первый завод для получения цинка[21].
Происхождение названия
Исконно славянское образование слова «цинк» сомнительно[22]. Название ввел в русский язык Ломоносов, который произвел его от нем. Zink[23]. В свою очередь, это слово возможно родственно нем. Zinke — «штырь», «острие». Считается, что впервые его использовал Парацельс, обративший внимание на форму имеют кристаллы цинка после выплавки[24].
По другой версии, нем. Zinc (первое употребление в современном значении зафиксировано в 1651 году[25]) произошло от нем. Zinn — «олово». Последнее слово было заимствовано славянскими языками и было расширено славянским суффиксом k, а затем перешло в немецкий язык (отсюда фр. Zinc)[26].
Изотопы
Основная статья: Изотопы цинкаЦинк имеет пять стабильных природных изотопов: 64Zn (природная атомная концентрация 48,6 %), 66Zn (27,9 %), 67Zn (4,1 %), 68Zn (18,8 %) и 70Zn (0,6 %)[27].
Физические свойства
Цинк — голубовато-белый металл[8]. На воздухе цинк тускнеет, покрываясь тонким слоем оксида.
При комнатной температуре влажный воздух (особенно в присутствии сернистого или углекислого газа) разрушает цинк[14]. Цинк хрупок на холоде; при 100—150 °С довольно пластичен: при этой температуре он легко прокатывается в фольгу очень малой толщины (сотые доли миллиметра). При 250 °С становится снова хрупким[28]. Вследствие удлинения кристаллов вдоль оси шестого порядка, не обладает совершенной гексагональной упаковкой[29]. Кристаллическая решетка цинка схожа с кристаллической решёткой бериллия и магния. Цинк легко плавится и имеет относительно низкую температуру кипения, поэтому является одним из наиболее легко летучих металлов)[30].
Цинк диамагнитен[31] и обладает хорошей электропроводностью[32].
Химические свойства
Химические свойства цинка и кадмия довольно схожи, но химические свойства ртути, металла из этой же подгруппы химических элементов, несколько отличаются[33].
Взаимодействие со сложными веществами
Цинк пассивируется в воде[34], но реагирует с парами воды при высокой температуре[35].
Металл проявляет амфотерные свойства, поэтому может растворяться в водных растворах щелочей (c образованием солей — цинкатов[33])[36]:
Zn + 2 NaOH + 2 H 2 O ⟶ Na 2 [ Zn ( OH ) 4 ] + H 2 ↑ {\displaystyle {\ce {Zn + 2 NaOH + 2 H2O -> {Na2}[Zn(OH)4] + H2 ^}}} .При действии на цинк азотной кислотой в зависимости от ее концентрации образуется различные соединения — NH 4 NO 3 {\displaystyle {\ce {NH4NO3}}} , NO {\displaystyle {\ce {NO}}} или NO 2 {\displaystyle {\ce {NO2}}} , а при взаимодействии с концентрированной серной кислотой, в зависимости от условий, — H 2 S {\displaystyle {\ce {H2S}}} или SO 2 {\displaystyle {\ce {SO2}}} [37].
В отличие от алюминия, тоже имеющего амфотерные свойства, цинк растворяется в водном растворе аммиака:
Zn + 4 NH 3 + 4 H 2 O ⟶ [ Zn ( NH 3 ) 4 ] ( OH ) 2 + H 2 ↑ + 2 H 2 O {\displaystyle {\ce {Zn + 4 NH3 + 4 H2O -> [Zn(NH3)4](OH)2 + H2 ^ + 2 H2O}}} .В сильнощелочной среде цинк является сильным восстановителем[38]:
4 Zn + NaNO 3 + 7 NaOH + 6 H 2 O ⟶ 4 Na 2 [ Zn ( OH ) 4 ] + NH 3 {\displaystyle {\ce {4 Zn + NaNO3 + 7 NaOH + 6 H2O -> 4 Na2[Zn(OH)4] + NH3}}} ; 3 Zn + NaNO 2 + 5 NaOH + 5 H 2 O ⟶ 3 Na 2 [ Zn ( OH ) 4 ] + NH 3 {\displaystyle {\ce {3Zn + NaNO2 + 5NaOH + 5H2O -> 3Na2[Zn(OH)4] + NH3}}} .Цинк обладает сравнительно высокой реакционной способностью[39]. Реагирует с кислотами (например, 20%-м раствором серной кислоты) в аппарате Киппа для лабораторного получения водорода[40]:
Zn + H 2 SO 4 ⟶ ZnSO 4 + H 2 ↑ {\displaystyle {\ce {Zn + H2SO4 -> ZnSO4 + H2 ^}}} .При нагревании реагирует с хлористым тионилом, образуя оксид серы(II)[41]:
Zn + SOCl 2 ⟶ ZnCl 2 + SO {\displaystyle {\ce {Zn + SOCl2 -> ZnCl2 + SO}}} .
