Цинк — химический элемент

Что такое цинк? Цинк – серебристо-белый металл с голубоватым оттенком. В чистом виде в природе химический элемент цинк практически не встречается. Согласно таблице Менделеева. , цинк расположен под 30 номером.

В настоящее время хорошо исследованы пять стабильных изотопов цинка, с массовыми числами соответственно 64,66,67,68,70. Самым распространённым среди стабильных изотопов цинка считается Zn 64 (48.89%). Девять радиоактивных цинковых изотопов получены искусственным путем.  К ним относится 65 Zn. Это самый долгоживущий цинковый изотоп, период полураспада которого составляет 245 суток, поэтому он используется в качестве изотопного индикатора.

                                                                                                                                                                                                                                                                                        

Цинк при стандартных климатических условиях хрупкий металл. После нагревания цинка до 100 градусов и выше (до 150 градусов С) происходят изменения в кристаллической решетке, в результате чего металл становится пластичным, гибким, его можно подвергать дополнительной механической обработке. Строение кристаллической решетки – гексагональное.

Химический элемент цинк характеристика кристаллической решетки

Электронная формула цинка

Электронная формула цинка имеет вид:

1s2 2s2 2p⁶ 3s2 3p⁶ 4s2 3d1⁰

Она описывает распределение электронов по энергетическим уровням в атоме цинка. В электронной формуле цинка 30 электронов, распределенных по различным подуровням энергии. Первые два электрона находятся в первом энергетическом уровне (K-оболочке), следующие восемь электронов находятся на втором энергетическом уровне (L-оболочке), 18 электронов на третьем энергетическом уровне (M-оболочке), и последние два электрона находятся на четвертом энергетическом уровне (N-оболочке).

Запись электронной формулы цинка позволяет определить его валентность и химические свойства, а также использовать эту информацию при решении задач в области химии и физики.

Валентность химического элемента цинк

Валентность – это возможность химических элементов образовывать соединения (химические связи) на атомном уровне. Атомы содержат в своем строении электроны. Электронный показатель активности определяет валентность элемента в периодической таблице. Чем выше показатель, тем больше валентная характеристика.

Валентность — это число, которое показывает, сколько электронов может отдать или принять атом химического элемента при образовании химической связи. Для химического элемента цинк (Zn) валентность может изменяться в зависимости от соединения.

В большинстве своих соединений цинк имеет валентность +2, то есть он отдает два электрона. Например, в соединении цинка с хлором (ZnCl2), цинк имеет валентность +2, а хлор -1. Однако, в некоторых соединениях, например в оксиде цинка (ZnO), цинк может иметь валентность +1.

Валентность цинка зависит от его окружения в соединении и может изменяться в различных соединениях.

Электродный потенциал цинка (Zn)

Электродный потенциал цинка (Zn) — это мера того, как легко цинк может отдавать электроны, когда он находится в растворе или в контакте с другим металлом в электрохимической системе. Это является важным показателем для определения химических реакций и потенциального электрического тока.

Стандартный электродный потенциал цинка (Zn) — это электродный потенциал, который измеряется при 25°C, когда концентрация ионов цинка в растворе равна 1 моль/л, а давление водорода в газовой фазе равно 1 атмосфере. Стандартный электродный потенциал цинка обозначается как E°(Zn).

Электродный потенциал цинка равен -0,76 вольта относительно стандартного водородного электрода (SHE), который имеет нулевой потенциал. Это означает, что цинк имеет тенденцию отдавать электроны и окисляться при контакте с металлами, имеющими более высокий электродный потенциал.

Стандартный электродный потенциал цинка и меди (Cu) является важным показателем для определения электрохимической активности металлов в растворе. Стандартный электродный потенциал цинка и меди обозначается как E°(Zn/Cu).

Электродный потенциал цинка и меди зависит от отношения концентраций цинка и меди в растворе, поскольку это влияет на скорость реакции ионов между металлами. При соединении цинка и меди, электродный потенциал цинка будет равен -0,76 вольта, а электродный потенциал меди будет равен +0,34 вольта. Поэтому при соединении цинка и меди в электрохимической системе, происходит электрохимический потенциал и ток.

Электродный потенциал цинка в растворе ZnSO4 зависит от концентрации ионов цинка в растворе. При низких концентрациях ионов цинка, электродный потенциал цинка будет близок к стандартному электродному потенциалу цинка (-0,76 В), но при увеличении концентрации ионов цинка, электродный потенциал цинка будет уменьшаться из-за изменения активности ионов цинка.

Электродный потенциал цинка в 0,01 мольном растворе также зависит от концентрации ионов цинка в растворе. Однако, при более низких концентрациях ионов цинка, электродный потенциал цинка в 0,01 мольном растворе может отличаться от стандартного электродного потенциала цинка. Например, при более высокой концентрации ионов цинка, электродный потенциал цинка может стать более положительным (менее отрицательным) из-за изменения активности ионов.

Стандартный электродный потенциал цинка в водном растворе составляет -0,76 В относительно стандартного водородного электрода (SHE). Также следует учитывать, что значения электродных потенциалов могут варьироваться в зависимости от условий, таких как температура, концентрация ионов, давление и другие факторы.

Стандартный электродный потенциал цинка можно найти в таблице стандартных электродных потенциалов, где он обозначен как E°(Zn) и имеет значение -0,76 В.

Электродный потенциал цинка является важным показателем для определения электрохимической активности цинка в различных условиях. Он также является основой для расчета потенциала и тока в электрохимических системах, включающих цинк и другие металлы.

История открытия цинка

Известно, что цинк, в качестве композиционного материала, использовался с древних времен. Самые первые находки латунных предметов (латунь – сплав меди +цинка) относятся к 1500 году до н.э. (раскопки производились в Палестине). Упоминания о процессах выплавки латуни можно найти в трудах Аристотеля и Гомера, Плиния (Старшего). В трактатах древности описываются различные способы литья.  В одном из них подробно разбирается способ приготовления латуни путем восстановления углем  особого цинкового камня (т.н. кадмея) в присутствии медной составляющей. Особо отмечалось в научном труде, что добавление цинк в сплав может решить сразу несколько вопросов:

1.  изменение  цветовой гаммы готового  медного изделия (в результате осветления оттенок изменялся до «золотого»),
2. кардинально менялись в лучшую сторону механические свойства готового выплавляемого изделия, возрастала пластичность, упругость, полученный сплав можно было раскатать в лист. При этом, меняя процентное соотношение цинка к меди в латуни, можно было изменять диапазон механических характеристик.

Первые упоминания о процессе получения металлического цинка были найдены в Индии (5 век до н.э.). Также методику выплавки «фальшивого серебра» можно найти в исторических трактатах  Страбопа (Рим, 60 – 20 г.г. до н.э.).  В конце 13 века знаменитый путешественник Марко Поло в своих заметках подробно описывал процесс получения металлического цинка, который наблюдал в Персии. Еще в16 веке Парацельс и Агрикола пытались организовать в своей лаборатории плавильное цинковое производство. Однако попытки закончились неудачей.

До середины 18 века чистый цинк в Европе считался редкостью. Его в основном ввозили из стран Востока, Китая, Индии.

В 1738 году Чемпион У. разработал и запатентовал способ получения металлического цинка методом дистилляции.

В 1743 г. в городе Бристоле им же был построен первый в Европе завод по производству металлического цинка.

В 1805 г. был изобретен очередной способ получения цинка – прокат в температурном диапазоне от 100- 150 градусов С. Разработчиками новой технологической методики стали Гобсон Ч. и СильвестрЧ. (Шеффилд).

Электролитический способ литья начали использовать в 1915 г. (Канада, США).

Цинк в природе

Чистый металлический цинк можно получить только промышленным путем. В природе цинк встречается в виде минералов. На данный момент известно более 60 природных минеральных соединений.  Наиболее распространенные цинковые минералы — это виллемит, цинкит, сфалерит, каламин, франклинит. Самыми многочисленными считаются залежи сфалерита. Данный минерал состоит из

• сульфида цинка (ZnS) – основной компонент,
• различных примесей – дополнительные составляющие.

Дополнительные компоненты определяют окончательный цвет минерала. В простонародье минерал именуют «цинковой обманкой» (из-за трудности определения в природе, в переводе с др. греческого «обманчивый»). Так, например, смесь цинковой «обманки» и бурого шпата представляет собой полосатую структуру. Залежи такой «бурундучной» руды часто находят геологи в Алтайском крае (Россия).                                                                                                                                                            

Цинк в различных соединениях присутствует

1. в земной каре,
2. в воде,
3. в живых организмах.

Приблизительно около 10% цинка (в различном составе) содержится в земной коре. При этом исследования показали, что в основных породах извержения вулканов содержание цинковых соединений составляет от 1,5% до 10%, в кислых породах процент колеблется от 6 до 10.

Исследования выявили большое наличие цинка в водах термальных источников (в основном это были различные соединения цинка со свинцом). В промышленности в настоящее время активно используются сульфиды цинка, добываемые из термальных вод.

Цинк присутствует в растворенном виде, как в поверхностных, так и в подземных водах. В водной среде в качестве адсорбирующего элемента для «мигрирующего» цинка является сероводород, глина и многое др.

Наличие цинка в живых организмах колеблется от 5 до 10^-4 %.

Цинк химический элемент. Области применения

1. Цинк активно используется при добыче и извлечении благородных металлов (золото, серебро) из обогащенных пород. Так, например, если добыча драгоценных металлов производится методом подземного выщелачивания, то металлический цинк используется в качестве восстановителя.
2. В машиностроении используются различные способы цинкового покрытия для защиты металлического изделия от коррозионного разрушения.
3. При производстве аккумуляторов и батареек цинк используют в качестве материала для отрицательно заряженного электрода. Самой высокой удельной энергоемкостью обладают цинк-воздушные аккумуляторные батареи.          
4. В полиграфии применяются пластины для печати, выполненные из цинка.
5. Производство краски – цинковые белила (окись цинка).
6. Цинковые соединения используют в производстве по изготовлению п/проводников.
7. Для изготовления люминесцирующего состава используются сульфид цинка.
8. В приборостроении цинк специально вводят в некоторые виды твердых припоев для того, чтобы снизить температуру плавления.
9. Производство фибры – во флюс для пайки металлов и различных компонентов вводят хлорид цинка.
10.  Широка область применения сплава цинка с медью – латуни. Чаще всего данный сплав используют в машиностроении при производстве особо ответственных деталей (точное литье).
11. Цинковые соединения применяют при изготовлении автомобильных резиновых шин.
12. В оптике цинк используется при изготовлении специальных оптических стекол, которые имеют низкий коэффициент поглощения (в среднем инфракрасном спектральном диапазоне).
13.  Медицина. Цинк. Для производства антисептиков и противовоспалительных препаратов используют окись цинка.
14.  В отраве для грызунов также используются цинковые соединения (фосфид цинка).