Цинк. Химичен елемент със символ Zn, атомно число 30 и атомно тегло 65,37. Това е ковък, пластичен и сив метал. Известни са 15 изотопа, пет от които са стабилни и имат атомни маси 64, 66, 67, 68 и 70. Около половината от обикновения цинк се намира като изотоп с атомна маса 64.
Обобщение
- 1 Основни характеристики
- 2 История
- 3 Приложения
- 4 Биологична роля
- 5 Изобилие и получаване
- 6 Биохимия
- 7 Предпазни мерки
- 8 Ефекти на цинка върху здравето
- 9 Източници
Основните функции
Цинкът е метал, понякога класифициран като преходен метал, въпреки че не е така, тъй като и металът, и неговите оперативни видове представляват пълния орбитален набор. Този елемент има известна прилика с магнезия и кадмия от своята група, но живакът е много различен поради уникалните си физични и химични свойства (свиване на лантанида и мощни релативистки ефекти върху свързващите орбитали).
Това е 23-ият най-разпространен елемент на Земята и едно от най-важните му приложения е поцинковането на стоманата. Това е синкаво-бял метал, който гори във въздуха със синкаво-зелен пламък. Сухият въздух не го атакува, но при наличие на влага се образува повърхностен слой оксид или основен карбонат, който изолира метала и го предпазва от корозия.
На практика единственото състояние на окисление, което има, е +2. През 2004 г. първото и единствено познато цинково съединение в степен на окисление +1, основано на органометален комплекс с лиганда пентаметилциклопентадиен, беше публикувано в списание Science.
Той реагира с неокислителни киселини, преминавайки в +2 степен на окисление и освобождавайки водород и може да се разтвори в основи и оцетна киселина. Металът има голяма устойчивост на пластична деформация, когато е студена, която намалява, когато е гореща, което го принуждава да се търкаля над 100 ° C. Той не може да бъде втвърден от изработката и представя явлението пълзене при стайна температура - за разлика от повечето метали и сплави - и малките товари най-важното.
История
Етимологията на цинка изглежда идва от немския, Zincken или Zacken, за да посочи аспекта с назъбени ръбове на минерала каламин, по-късно се предполага, че за метала, получен от него, [цитиране е необходимо], въпреки че други източници считат, че той идва от думата персийски за камък.
Цинковите сплави се използват от векове - месингови парчета, датиращи от 1000-1500 г. пр. Н. Е. C. са открити в Ханаан, а други обекти със съдържание на цинк до 87% са се появили в древния регион на Трансилвания - въпреки това, поради ниската си точка на топене и химическата реактивност, металът има тенденция да се изпарява, така че истинската природа на метал не е бил разбираем от древните.
Известно е, че производството на месинг е било известно на римляните около 30 г. пр. Н. Е. C. Plinio и Dioscorides описват получаването на аурихалкум (месинг) чрез нагряване на смес от кадмия (каламин) с мед в тигел; получената по-късно месинг е била отливана или кована, за да се правят предмети.
Топенето и извличането на нечист цинк се извършват около 1000 г. в Индия - процедурата е описана в произведението Rasarnava (ок. 1200) от неизвестен автор - а по-късно в Китай и в края на 14 век индийците вече знаеше за съществуването на цинк като метал, различен от седемте известни в древността, осмият метал.
През 1597 г. Андреас Либавий описва „особен вид калай“, приготвен в Индия и дошъл при него в малки количества чрез свой приятел; От описанията му се извежда, че това е цинк, въпреки че той не го е разпознал като метала от каламин.
На Запад, около 1248 г., Алберто Маньо описва производството на месинг в Европа, а през 16 век съществуването на метала вече е известно. Георгиус Агрикола (1490-1555) наблюдава през 1546 г., че кондензиран бял метал може да бъде надраскан от стените на пещите, в които се топят цинкови руди; добавяйки в своите бележки, че подобен метал, наречен цинк, е произведен в Силезия.
Парацелз беше първият, който предположи, че цинкът е нов метал и че свойствата му се различават от тези на известните метали, без обаче да дава никакви указания за произхода му; в писанията на Базилио Валентино има и споменавания за цинкума.
Въпреки това, в по-късните трактати честите препратки към цинка, с различните му имена, обикновено се отнасят до минерала, а не до свободния метал и понякога се бърка с бисмут.
Йохан Кункел през 1677 г. и малко по-късно Щал през 1702 г. сочат, че при приготвянето на месинг с мед и каламин, последният преди това се редуцира до състоянието на свободен метал, цинк, който е изолиран от химика Антон фон Суаб през 1742 г. и от Андреас Маргграф през 1746 г., чиято цялостна и методична работа по метода за извличане на цинк от истинската му руда, каламин циментира цинкова металургия и репутацията му на откривател на метала.
През 1743 г. в Бристол е създадено първото предприятие за топене на метал в индустриален мащаб, но процедурата му се пази в тайна, така че отнема 70 години, докато Даниел Дони разработи индустриална процедура за добив на метал и първата фабрика е създадена в европейската континент. След развитието на флотационната техника цинковият сулфид се премества в каламин като основна руда. Днес флотационният метод се използва за получаване на различни метали.
Приложения
Цинков оксид. Основното приложение на цинка - около 50% от годишната консумация - е поцинковането на стоманата, за да се предпази от корозия, ефективна защита, дори когато покритието се напука, тъй като цинкът действа като жертвен анод. Други употреби включват
- Zn-AgO батерии, използвани в космическата индустрия за ракети и космически капсули за тяхната оптимална производителност на единица тегло и цинково-въздушни батерии за лаптопи.
- Инжектирани чугунени части в автомобилната индустрия.
- Металургия на благородни метали и отстраняване на сребро от олово.
Биологична роля
Цинкът е основен химичен елемент за хората и някои животни. Човешкото тяло съдържа около 40 mg цинк на кг и много ензими работят с тяхна помощ: той се намесва в метаболизма на протеини и нуклеинови киселини, стимулира активността на приблизително 100 ензима, допринася за правилното функциониране на имунната система, това е необходим за заздравяване на рани, участващ във възприятията за вкус и мирис и в синтеза на ДНК.
Металът се намира в инсулина, протеините на цинковите пръсти и различни ензими като супероксиддисмутаза. Цинкът се съдържа в различни храни като стриди, червено месо, птици, някои риби и черупчести, боб и ядки. Препоръчителният дневен прием на цинк е около 20 mg за възрастни, по-нисък за бебета, деца и юноши (поради по-ниското им телесно тегло) и малко по-висок за бременни жени и по време на кърмене.
Недостигът на цинк уврежда имунната система, причинява забавяне на растежа и може да доведе до загуба на коса, диария, импотентност, увреждане на очите и кожата, загуба на апетит, загуба на тегло, забавено зарастване на рани и аномалии в обонянието.
Причините, които могат да причинят дефицит на цинк, са недостатъчният прием и малабсорбцията на минерала - случай на алкохолизъм, който благоприятства елиминирането му с урината или вегетарианските диети, при които абсорбцията на цинк е с 50% по-ниска от тази на месото. до прекомерното му елиминиране поради храносмилателни разстройства.
Твърде много цинк се свързва с ниски нива на мед, промени във функцията на желязо и намалена имунна функция и нива на добър холестерол. Смята се, че жилото на скорпионите съдържа цинк с чистота 1/4 част.
Изобилие и получаване
Цинкът е 23-ият най-разпространен елемент в земната кора. Най-богатите мини съдържат около 10% желязо и 40-50% цинк. Минералите, от които се добива, са: цинков сулфид, известен като сфалерит в САЩ и бленд в Европа; смитсонит (карбонат) в САЩ, но каламин в Европа; хемиморфит (силикат) и франклинит (оксид).
Според информацията, предоставена в годишния доклад на Геоложката служба на САЩ (USGS), прогнозите показват, че икономически използваемите запаси на цинк през 2009 г. в световен мащаб ще достигнат 220 милиона метрични тона. Разпространение между Китай, САЩ, Перу и Казахстан.
Известните запаси (включително тези, чиято експлоатация не е икономическа днес) са близо 2000 милиона тона. Производството на цинк започва с извличането на минерала, което може да се извърши както в открития рудник, така и в подземните находища. Впоследствие извлечените минерали се раздробяват и се подлагат на флотационен процес за получаване на концентрата.
Минералите с високо съдържание на желязо се обработват по сух начин: първо концентратът се изпича, за да трансформира сулфида в оксид, който се нарича калцин, а след това се редуцира с въглерод, като се получава металът (редуциращият агент на практика е образуваният въглероден окис).
Реакциите и в двата етапа са:
2 ZnS + 3 O2 → 2 ZnO + 2 SO2
ZnO + CO → Zn + CO2
Друг по-прост и евтин начин за намаляване на цинковия оксид е с въглерод, поставени са и двата; 2 мола или моларни порции цинков оксид (ZnO) и един мол въглерод (С) във вакуумен контейнер, за да се предотврати запалването на метала с въздуха по време на пречистването, в резултат на което отново се получава цинков оксид. На един етап редукцията на цинков оксид се изразява, както следва:
2 ZnO + C → 2 Zn + CO2
По мокър път първо се извършва печенето, като се получава окисът, който се излужава с разредена сярна киселина; получените луги се пречистват чрез разделяне на различните налични фази.
Впоследствие цинковият сулфат се подлага на електролиза с оловен анод и алуминиев катод, върху който се отлага цинкът, образувайки плочи с дебелина няколко милиметра, които се отстраняват от време на време. Получените катоди се стопяват и металът се отлива за комерсиализация. Като странични продукти се получават различни метали като живак, германиев оксид, кадмий, злато, сребро, мед, олово в зависимост от състава на минералите.
Полученият серен диоксид при изпичането на минерала се използва за получаване на сярна киселина, която се използва повторно в филтрата, комерсиализирайки произведените излишъци. Видовете получен цинк се класифицират съгласно стандарта ASTM според тяхната чистота:
- SHG, специален висок клас (99,99%)
- HG, висок клас (99,90%)
- PWG Prime Western Grade (98%)
Стандартът EN 1179 разглежда пет степени Z1 до Z5 със съдържание на цинк между 99,995% и 98,5% и има еквивалентни стандарти в Япония и Австралия. За да ги хармонизира, Международната организация по стандартизация публикува през 2004 г. стандарта ISO 752 за класификация и изисквания за първичен цинк.
Биохимия
Най-широко използваните сплави са алуминий (3,5-4,5%, Zamak; 11-13%, Zn-Al-Cu-Mg; 22%, Prestal, сплав, която представя суперпластичност) и мед (около 1%), които подобряват механичните характеристики на цинка и неговата способност за формоване. Той е незначителен компонент в различни сплави, главно мед като месинг (3 до 45% цинк), никел сребро (Cu-Ni-Zn) и формовъчни бронзи (Cu-Sn).
Цинковият оксид е най-известният и използван в промишлеността, особено като основа за бели пигменти за боя, но също така и в каучуковата промишленост и в кремовете за слънце. Други важни съединения са: цинков сулфат (селскостопански хранителни вещества и добив), цинков хлорид (дезодоранти) и цинков сулфид (луминесцентни бои).
Природният цинк се състои от четири стабилни изотопа, Zn-64 (48,6%), Zn-66, Zn-67 и Zn-68. Охарактеризирани са 22 радиоизотопа, от които най-стабилни са Zn-65 и Zn-72 с полуживот съответно 244,26 дни и 46,5 часа; останалите радиоактивни изотопи имат период на полуразпад по-малко от 14 часа и повечето от тях по-малко от една секунда. Цинкът има четири метастабилни състояния.
Предпазни мерки
Цинковият метал не се счита за токсичен, но някои от неговите съединения като оксид и сяра са. През 40-те години се наблюдава, че с течение на времето на повърхността на поцинкована стомана се образуват „цинкови мустаци“, които могат да бъдат освободени в околната среда, причинявайки къси съединения и повреди в електронните компоненти. Тези мустаци се образуват след инкубационен период, който може да продължи дни или години и да расте със скорост от порядъка на 1 mm годишно.
Проблемът, причинен от тези мустаци, се влошава с времето, тъй като компютърните кабинети и компютърното оборудване са изградени на повдигнати подове, за да се улесни окабеляването, при което използването на поцинкована стомана е често срещано, както в носещата конструкция, така и в задната част на плочките.
Възрастта на тези стаи, в много случаи 20 или 30 години, води до съществуването на коса в опасни количества и дължини, които могат да причинят неизправности на компютъра. В допълнение, прогресивната миниатюризация на оборудването намалява дължината, необходима за причиняване на повреда, а малките работни напрежения предотвратяват достигането на температурата на топене на метала, причинявайки хронични повреди, които дори могат да бъдат периодични.
Ефекти на цинка върху здравето
Цинкът е много често срещано вещество, което се среща естествено. Много храни съдържат определени концентрации на цинк. Питейната вода съдържа и определено количество цинк. Което може да бъде по-голямо, когато се съхранява в метални резервоари. Индустриалните източници или местата за токсични отпадъци могат да бъдат причина за появата на цинк в питейната вода, достигайки нива, които създават проблеми.
Цинкът е микроелемент, който е от съществено значение за човешкото здраве. Когато хората имат лошо усвояване на цинк, те могат да получат загуба на апетит, намалена чувствителност, вкус и мирис. Малки рани и кожни обриви. Натрупването на цинк може дори да доведе до вродени дефекти.
Дори хората могат да понасят пропорционално големи количества цинк, въпреки че твърде много цинк може да причини здравословни проблеми като стомашна язва, дразнене на кожата, повръщане, гадене и анемия. Високите нива на цинк могат да увредят панкреаса и да нарушат метаболизма на протеините и да причинят артериосклероза.
Интензивното излагане на цинков хлорат може да причини дихателни нарушения. В работната среда контактът с цинк може да причини грип, известен като метална треска, това ще премине след два дни и е причинено от свръхчувствителност. Цинкът може да навреди на плода и новороденото. Когато майките им абсорбират големи концентрации на цинк, децата могат да бъдат изложени на него чрез кръвта или млякото на майките.