Цинк и его сплавы: химический состав, физические свойства, применение

Цинк и его сплавы: химический состав, физические свойства, применение

Цинк — хрупкий голубовато-белый металл. В природе без примесей не встречается. В 1738 году Уильям Чемпион добыл чистые пары цинка с помощью конденсации. В периодической системе Менделеева находится под номером 30 и обозначается символом Zn.

Свойства металла

Наш хрупкий герой — переходный металл синевато-белого цвета. На воздухе быстро окисляется, темнеет от пленки оксида.

В таблице Менделеева этот химический элемент находится в 12 группе (по старой классификации во II группе четвертого периода).

• атомный номер 30;
• атомная масса 65,38 г/моль;
• металлический блеск;
• непрозрачность;
• плотность 7,14 г/см3;
• структура кристаллической решетки гексагональная.

Химические свойства цинка обусловлены его «темпераментом». До щелочноземельных металлов ему далековато, но в реакции он вступает охотно. В реакциях проявляет степени окисления 0; +2.

• Цинк хороший восстановитель и активный металл.
• Наш герой охотно реагирует с разбавленной азотной кислотой, с концентрированными серной и азотной кислотами.
• С галогенами в присутствии паров воды может воспламениться.
• С растворами щелочей образует гидрокомплексы.
• При температуре красного каления (550-600°С) вступает в реакцию с водой, с сероводородом. При реакции выделяется водород.

Взаимодействие с металлами происходит в расплавленном состоянии, но это мало касается химических реакций.

Физические свойства цинка:

1. Температуры плавления и кипения равны соответственно 427 и 907 ºС.
2. Нагрев до 100-150 градусов дает возможность прокатки и вытягивания металла; чем больше примесей в металле, тем более хрупким он становится.
3. Хотите услышать «оловянный крик» — сгибайте и разгибайте пруток или металлическую пластинку. Правда, на крик это мало похоже, скорее треск или скрип. Но для незамысловатого фокуса на вечеринке сойдет.

В природе металл состоит из пяти изотопов:

• Zn64;
• Zn66;
• Zn67;
• Zn68;
• Zn70.

Смесь металлов — это сплав

Сплавы для промышленного использования содержат Zn-Al и Zn-Al-Cu. Почти всегда в состав добавляется магний (не более 0,1%). Сплавы цинка делятся на антифрикционные и литейные.

• Марки антифрикционных сплавов: ЦАМ9-1,5; ЦАМ10-5.
• Литейные марки: ЦА4, ЦА4М1, ЦА30М5.

Физические и химические свойства цинка

Элемент Zn, с атомной (молярной) массой 65,37 г/моль занимает в таблице Менделеева ячейку под номером 30. Чистый цинк – это металл сине-белого цвета с характерным металлическим блеском. Его основные характеристики:

• плотность – 7,13 г/см 3
• температура плавления – 419,5 о С (692,5 К)
• температура кипения – 913 о С (1186 К)
• удельная теплоемкость цинка – 380 дж/кг
• удельная электропроводность – 16,5*10 -6 см/м
• удельное электрическое сопротивление – 59,2*10 -9 ом/м (при 293 К)

Контакт цинка с воздухом приводит к образованию оксидной пленки и потускнению поверхности металла. Элемент Zn легко образует оксиды, сульфиды, хлориды и фосфиды:

Цинк взаимодействует с водой, сероводородом, отлично растворяется в кислотах и щелочах:

Также цинк взаимодействует с раствором CuSO₄, вытесняя медь, поскольку она менее активна, нежели Zn, а значит, первой выводится из раствора соли.

Цинк может находиться не только в твердом или пылеобразном виде, но и в виде газа. В частности, пары цинка возникают при сварочных работах. В данном виде Zn представляет собой яд, который становится причиной появления цинковой (металлической) лихорадки.

Способы оцинкования

Металлургические заводы отличительны не только своим оборудованием, но и применяемыми методами производства. Это зависит от ценовой политики, и месторасположения (природных ресурсов, используемых для металлургической промышленности). Есть несколько методов оцинкования, которые рассматриваются ниже.

Горячий способ оцинкования

Данный способ заключается в обмакивании металлической детали в жидком растворе. Происходит это так:

1. Деталь или изделие обезжиривается, очищается, промывается и сушится.
2. Далее, цинк расплавляется до жидкого состояния при температуре до 480 °С.
3. В жидкий раствор опускается подготовленное изделие. При этом оно хорошо смачивается в растворе и образуется покрытие толщиной до 450 мкм. Это является 100% защитой от воздействия внешних факторов на изделие (влага, прямые солнечные лучи, вода с химическими примесями).

Горячее цинкование металлоконструкций

Но, данный метод имеет ряд недостатков:

• Цинковая пленка на изделии получается неравномерного слоя.
• Нельзя использовать данный метод для деталей, отвечающих точным стандартам по ГОСТу. Где каждый миллиметр считается браком.
• После горячего оцинкования, не каждая деталь останется прочной и износостойкой, поскольку после прохождения высокой температуры появляется хрупкость.

А также данный метод не подходит для изделий, покрытых лакокрасочными материалами.

Холодное оцинкование

Этот метод носит 2 названия: гальванический и электролитический. Методика покрытия изделия защитой от коррозии такова:

1. Металлическая деталь, изделие подготавливается (обезжиривается, очищается).
2. После этого проводится «метод окрашивания» — применяется специальный состав, имеющий главный компонент – цинк.
3. Деталь покрывается данным составом методом распыления.

Благодаря этому методу защитой покрываются детали с точным допуском, изделия, покрытые лакокрасочными материалами. Повышается стойкость к внешним факторам, приводящим к коррозии.

Недостатки данного метода: тонкий защитный слой – до 35 мкм. Это приводит к меньшей защите и небольшим срокам защиты.

Термодиффузионный способ

Данный метод делает покрытие, которое является электродом с положительной полярностью, в то время как металл изделия (сталь) становится отрицательной полярности. Появляется электрохимический защитный слой.

Метод применим только в случае, если детали произведены из углеродистой стали, чугуна, стали с примесями. Цинк используется таким образом:

1. При температуре от 290 °С до 450 °С в порошковой среде, поверхность детали насыщается Zn. Здесь маркировка стали, а также тип изделия имеют значение – выбирается соответствующая температура.
2. Толщина защитного слоя достигает 110 мкм.
3. В закрытый резервуар помещается изделие из стали, чугуна.
4. Добавляется туда специальная смесь.
5. Последним шагом является специальная обработка изделия от появления белых высолов от солёной воды.

В основном данным методом пользуются в случае, если требуется покрыть детали, имеющие сложную форму: резьбу, мелкие штрихи. Образование равномерного защитного слоя является важным, поскольку данные детали претерпевают множественное воздействие внешней агрессивной среды (постоянная влага).

Данный метод дает самый большой процент защиты изделия от коррозии. Оцинкованное напыление является износостойким и практически нестираемым, что очень важно для деталей, которые время о времени крутятся и разбираются.

Применение

• Цинкование — 45-60%
• В медицине (оксид цинка как антисептик) — 10%
• Производство сплавов — 10%
• Производство резиновых шин — 10%
• Масляные краски — 10%

Чистый металлический цинк используется для восстановления благородных металлов, добываемых подземным выщелачиванием (золото, серебро). Кроме того, цинк используется для извлечения серебра, золота (и других металлов) из чернового свинца в виде интерметаллидов цинка с серебром и золотом (так называемой «серебристой пены»), обрабатываемых затем обычными методами аффинажа.

Применяется для защиты стали от коррозии (оцинковка поверхностей, не подверженных механическим воздействиям, или металлизация — для мостов, емкостей, металлоконструкций). Также используется в качестве материала для отрицательного электрода в химических источниках тока, то есть в батарейках и аккумуляторах, например: марганцево-цинковый элемент, серебряно-цинковый аккумулятор (ЭДС 1,85 В, 150 Вт·ч/кг, 650 Вт·ч/дм³, малое сопротивление и колоссальные разрядные токи, ртутно-цинковый элемент (ЭДС 1,35 В, 135 Вт·ч/кг, 550—650 Вт·ч/дм³), диоксисульфатно-ртутный элемент, йодатно-цинковый элемент, медно-окисный гальванический элемент (ЭДС 0,7—1,6 Вольт, 84—127 Вт·ч/кг, 410—570 Вт·ч/дм³), хром-цинковый элемент, цинк-хлоросеребряный элемент, никель-цинковый аккумулятор (ЭДС 1,82 Вольт, 95—118 Вт·ч/кг, 230—295 Вт·ч/дм³), свинцово-цинковый элемент, цинк-хлорный аккумулятор, цинк-бромный аккумулятор и др). Очень важна роль цинка в цинк-воздушных аккумуляторах, в последние годы интенсивно разрабатываются на основе системы цинк-воздух — аккумуляторы для компьютеров (ноутбуки) и в этой области достигнут значительный успех (большие, чем у литиевых батарей, ёмкость и ресурс, меньшая в 3 раза стоимость), так же эта система очень перспективна для пуска двигателей (свинцовый аккумулятор — 55 Вт·ч/кг, цинк-воздух — 220—300 Вт·ч/кг) и для электромобилей (пробег до 900 км). Входит в состав многих твёрдых припоев для снижения их температуры плавления. Цинк — важный компонент латуни. Окись цинка широко используется в медицине как антисептическое и противовоспалительное средство. Также окись цинка используется для производства краски — цинковых белил.

Хлорид цинка — важный флюс для пайки металлов и компонент при производстве фибры.

Теллурид, селенид, фосфид, сульфид цинка — широко применяемые полупроводники.

Список стран по производству цинка в 2006 году (на основе «Геологического обзора Соединенных Штатов»):

Список стран по производству цинка
Место	Страна	Производительность (тонн)
—	Весь мир	10,000,000
1	Китай	2,600,000
2	Австралия	1,380,000
3	Перу	1,201,794
4	США	727,000
5	Канада	710,000
6	Мексика	480,000
7	Ирландия	425,700
8	Индия	420,800
9	Казахстан	400,000
10	Швеция	192,400
11	Россия	190,000
12	Бразилия	176,000
13	Боливия	175,000
14	Польша	135,600
15	Иран	130,000
16	Марокко	73,000
17	Намибия	68,000
18	Северная Корея	67,000
19	Турция	50,000
20	Вьетнам	48,000
21	Таиланд	45,000
22	Гондурас	37,646
23	Финляндия	35,700
24	ЮАР	34,444
25	Чили	31,725
26	Аргентина	30,300
27	Болгария	17,300
28	Румыния	9,600
29	Япония	7,169
30	Алжир	5,000
31	Саудовская Аравия	1,500
32	Грузия	400
33	Босния и Герцеговина	300
34	Мьянма	100

Цинковый сплав в бижутерии

Внешне цинковые сплавы напоминают благородные металлы. Поэтому их используют в бижутерии для создания недорогих украшений. Бижутерия из цинкового сплава выглядит дорого, но легко создается.

Вреден ли цинковый сплав? На самом деле, он никак не влияет на организм человека. Но, тем не менее, лучше приобретать бижутерию хорошего качества. Обычно для создания украшений используется особый сплав, который так и называется – бижутерный. Чаще всего применяется латунь или сплав с алюминием. Внешне такие изделия напоминают золотые и серебряные.

Вреден ли цинковый сплав в бижутерии? Нет, поэтому изделия из него можно смело покупать. Ведь если бы он негативно воздействовал, изготовление украшений из него было бы запрещенным.

Таким образом, цинк и цинковые сплавы широко распространены. Их используют в медицине, автомобилестроении и даже в бижутерии. Это качественные и устойчивые материалы, которые практически не меняются под воздействием условий окружающей среды.

Оцинковка

Цинковое покрытие позволяет защитить металл от коррозии, придать ему дополнительные свойства, продлить ресурс эксплуатации. Существует несколько методов нанесения цинкового покрытия, в том числе и в домашних условиях.

Чистый цинк для цинкования в домашних условиях проще всего добыть из корпуса старой солевой батарейки. Для цинкования используют гальванический метод, в основе которого лежит электрохимическая реакция. В процессе обработки ионы цинка создают защитную пленку на всей поверхности изделия.

Промышленный метод горячего цинкования позволяет получить особо прочное покрытие. Потеря цинка в результате такой обработки составляет около 10%. При этом образуется цинковая изгарь, которую вместе с гартцинком следует своевременно удалять согласно технологическим требованиям.