Металлический цинк – это один из наиболее распространенных металлов, который используется во многих отраслях промышленности, включая производство автомобилей, строительство, электронику и др. Металлический цинк – это металл серебристо-белого цвета с хорошей пластичностью и тугоплавкостью. Он химически стабилен, не реагирует с водой при обычных условиях, а также устойчив к коррозии. Металлический цинк обладает высокой электропроводностью и теплопроводностью.
Металлический цинк – основные характеристики
Имеет химическую формулу Zn и соответствует ГОСТу 3640-94. Он может быть представлен в различных формах, в том числе в виде гранул. Для получения высокой степени очистки используют метод электролиза.
Металлический цинк обладает гексагональной кристаллической решеткой, которая состоит из атомов цинка, расположенных в узлах шестиугольных ячеек. Каждый атом цинка окружен шестью ближайшими атомами, образуя тригональную призму. Эта структура определяет его основные механические и физические свойства.
Металлический цинк является важным элементом в кристаллической решетке оксида цинка, которая образуется при взаимодействии цинка с водой и кислородом.
Металлический цинк может взаимодействовать с кислотами и растворами солей.
Zn + HX → znx₂ + h₂,
где X обозначает анион кислоты. Например, если к металлическому цинку добавить концентрированную серную кислоту (H₂SO₄), произойдет реакция:
Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂
При добавлении Zn в концентрированную серную кислоту происходит химическая реакция, в результате которой образуется водород и сульфат цинка. Образовавшаяся соль, в данном случае сульфат цинка (ZnSO₄), останется в растворе, а водород будет выделен в виде газа и может быть обнаружен по характерному шипящему звуку и плавающим пузырькам.
Zn имеет металлическую связью. Металлическая связь происходит между положительно заряженными ионами металла (цинк) и свободными электронами в металлической решетке. В металлической решетке атомы цинка упорядочены в регулярную кристаллическую структуру, и каждый атом в данной решетке обладает несколькими валентными электронами, которые могут свободно передвигаться по всей решетке.
Для промышленных нужд цинк может использоваться в различной форме, в виде:
- металлического порошка,
- гранул,
- литых чушек,
- литых пластин.
Металлический порошок чаще всего используют при термодиффузионном цинковании.
Цинк металлический гранулированный представляет собой крупнозернистую форму цинка. Благодаря высокой химической активности цинка, его гранулы широко применяются в качестве катализаторов и сорбентов. Они также используются для получения различных сплавов и покрытий, а также в производстве батареек и других электронных устройств.
Литые чушки и пластины активно применяют в процессах гальванического и горячего цинкования.
Свойства металлического цинка
- Металлический блеск, серебристо-белый цвет.
- Низкая температура плавления: температура плавления цинка составляет около 420 °C, что делает его одним из наиболее низкотемпературных металлов.
- Хорошая пластичность — поддается прокатке, гнутию, вытягиванию и другим видам механической обработки.
- Хорошая термическая проводимость — является хорошим теплопроводником и быстро передает тепло. Это свойство часто используется в производстве литейных сплавов и при производстве олова и меди.
- Хорошая химическая стойкость — обладает хорошей стойкостью к коррозии и окислению. Он образует защитную пленку оксида, которая предотвращает дальнейшую коррозию металла.
- Эффект гальванической защиты. В этом случае цинк выступает в роли анода, обеспечивая защиту металла, покрытого им, от коррозии.
- Эффект самоочищения: Zn обладает свойством самоочищения от окислов и загрязнений. Это свойство позволяет металлическому цинку сохранять свой блеск и чистоту даже при длительной эксплуатации.
- Свойства биологической совместимости. Широко используется в медицинских имплантатах, таких как зажимы, штифты и пластины для фиксации костей, благодаря своей низкой токсичности и отсутствию аллергических реакций у большинства людей.
- Используется для покрытия металлических изделий цинком. Это делается для защиты от коррозии и повышения стойкости к внешним воздействиям. Для покрытия металлических изделий цинком существует большое разнообразие методов:
- электролитическое осаждение — для покрытия цинком металлических изделий в электролитическую ванну помещен специальный раствор, содержащий ионы цинка, к которому подключаются аноды из цинка. При подаче электрического тока на катоды, на поверхности металлических изделий начинается осаждение металла, образуя равномерное и прочное цинковое покрытие,
- горячее цинкование,
- термодиффузионное цинкование,
- механическое цинкование,
- цинковая металлизация напылением,
- холодное цинкование.
Способы получения металлического цинка
- Электролиз оксида цинка: это один из самых распространенных способов получения металлического цинка. При этом процессе оксид цинка редуцируется в металлический цинк. Процесс происходит в электролитической ванне с использованием алюминиевых катодов. Этот способ является довольно эффективным, но требует значительных затрат энергии.
- Термическое восстановление: при этом методе оксид цинка редуцируется в металлический цинк путем нагрева в присутствии угля или другого редуктора при высокой температуре. Этот способ требует значительных затрат на энергию и обычно используется для получения цинка в мелком масштабе.
- термическое восстановление оксида цинка (ZnO) с помощью угля или кокса при высокой температуре (около 1200-1300°C) в присутствии катализаторов. Реакция протекает по следующей схеме: ZnO + C → Zn + CO.
Полученный металлический цинк может быть дополнительно очищен с помощью электролиза или дистилляции.
- Металлический цинк может быть получен путем электролиза раствора соли цинка (цинкового хлорида, цинковой серной кислоты или сульфата цинка) в электролитической ванне, где в качестве анода используется цинковый стержень, а в качестве катода — металлический предмет, который требуется покрыть цинком. В этом процессе используют цинковую соль, растворенную в воде или в другом растворителе, как электролит. При подключении электрического тока к электродам происходит разложение соли на металлический цинк на отрицательном электроде (катоде) и свободный кислород на положительном электроде (аноде).
- Методом цинкования — покрытия поверхности металла слоем металлического цинка, который может быть нанесен электролитическим, горячим способом, термодиффузионным и др.
- Карбонатный метод. В этом методе сначала получают цинковый карбонат путем обработки цинковых руд или концентратов различными химическими реакциями. Затем цинковый карбонат нагревают, чтобы превратить его в оксид цинка, который затем восстанавливают водородом или углеродом, чтобы получить металлический цинк.
- Методом термического разложения цинкового оксида. В этом процессе цинковый оксид нагревают до высокой температуры в присутствии углерода, что приводит к реакции восстановления и образованию металлического цинка.
- Металлический цинк может быть получен извлечением из отходов производства и переработки других металлических изделий, содержащих цинк, или из цинкосодержащих минералов.
Металлический цинк. Применение
- Коррозионная защита: металлический цинк широко используется в качестве покрытия для защиты других металлических поверхностей от коррозии. Это обеспечивает эффективную защиту от окисления и позволяет продлить срок службы металлических изделий.
Металлический цинк используется в процессе гальванического осаждения. В этом процессе цинк вытесняет металл из раствора соли, что позволяет получать высококачественные металлические изделия. При электролитическом осаждении цинка металлические изделия помещаются в электролитическую ванну с раствором цинка, где на поверхности изделий осаждается металлический цинк. Этот метод позволяет получить равномерное и качественное покрытие.
Горячее цинкование осуществляется путем погружения металлических изделий в раствор расплавленного цинка. При этом на поверхности изделий образуется покрытие из металлического цинка, которое защищает металл от коррозии и других внешних воздействий.
- Производство литейных сплавов: металлический цинк часто используется в качестве компонента при производстве различных литейных сплавов, таких как латуни, бронза и цинковый сплав.
- Аккумуляторы: металлический цинк используется в производстве различных типов аккумуляторов, включая щелочные и цинково-углеродные аккумуляторы.
- Металлический цинк используется в производстве резиновых изделий в качестве активатора вулканизации, процесса, при котором каучук становится твердым и устойчивым к разрывам и износу. Вулканизация происходит при повышенных температурах и с применением вулканизирующих агентов.
Металлический цинк добавляют в резину в качестве коагулянта, который помогает разделить резину на фазы (жидкую и твердую). Коагуляция происходит путем образования цинкатов, которые служат ядрам для сгущения каучука.
Кроме того, металлический цинк используется как антиоксидант для предотвращения разрушения резины при эксплуатации в условиях высоких температур и окислительных воздействий. Он также может быть использован в качестве заполнителя для улучшения механических свойств резиновых изделий.
- Производство оцинкованной стали: цинк используется для покрытия стали и защиты ее от коррозии.
- Производство литейных сплавов: цинк используется в качестве компонента для производства легких и прочных сплавов.
- Производство батарей: цинк используется для изготовления отрицательных электродов в щелочных батареях.
- Производство красок и пигментов: цинк используется в качестве компонента для производства белых красок и пигментов.
- Производство лекарственных препаратов: используется в качестве компонента для производства лекарственных препаратов, таких как витамины и минеральные добавки.
- Производство свинцовых аккумуляторов: Zn используется в качестве компонента для производства положительных электродов в свинцовых аккумуляторах.
- Производство элементов световой и звуковой аппаратуры — для изготовления элементов световой и звуковой аппаратуры, таких как звуковые колонки и световые приборы.
- Цинк может использоваться для улавливания оксидов азота в выхлопных газах с помощью катализаторов на основе цинка, где цинк и оксид азота взаимодействуют между собой, образуя нитрат цинка и азот. Оксид цинка также может быть использован в качестве катализатора для селективного окисления оксида азота (NO) в диоксид азота (NO2), что может быть полезным в промышленности.
Металлический цинк — это важный промышленный металл, который широко используется во многих отраслях. Однако, необходимо помнить, что данный металл может иметь негативные экологические последствия при неправильном использовании. Например, при сжигании покрытых цинком материалов могут выделяться токсичные пары, что негативно влияет на окружающую среду. Поэтому, важно использовать металлический цинк и другие материалы с учетом их экологической безопасности и возможных негативных последствий.