Государственное образовательное учреждение

среднего профессионального образования Ленинградской области Подпорожский Политехнический техникум

Поисково-исследовательская работа по химии

Тема:

«Цинк и его свойства»

Выполнил(а): студент группы № 89

Фамилия, имя, отчество: Юриков Алексей Александрович

Проверил преподаватель: Ядыкина Людмила Алексеевна

Подпорожье

1. Положение в периодической системе и строение атома

2. История открытия

3. Нахождение в природе

4. Физические свойства

5. Химические свойства

6. Получение металлического цинка

7. Применение и значение для здоровья человека

8. Мои исследования

9. Литература

Положение в периодической системе

и строение атома

Элемент цинк (Zn) в таблице Менделеева имеет порядковый номер 30.

Он находится в четвертом периоде второй группы.

атомный вес = 65,37

валентность II

Природный цинк состоит из смеси пяти стабильных нуклидов: 64Zn (48,6% по массе), 66Zn (27,9%), 67Zn (4,1%), 68Zn (18,8%) и 70Zn (0,6%).

Конфигурация двух внешних электронных слоев 3 s 2 p 6 d 10 4 s 2 .

История открытия

Сплавы цинка с медью - латуни - были известны еще древним грекам и египтянам. Цинк получали в 5 в. до н. э. в Индии. Римский историк Страбон в 60-20 годах до н. э. писал о получении металлического цинка, или «фальшивого серебра». В дальнейшем секрет получения цинка в Европе был утерян, так как образующийся при термическом восстановлении цинковых руд цинк при 900°C переходит в пар. Пары цинка реагируют с кислородом воздуха, образуя рыхлый оксид цинка, который алхимики называли «белой шерстью».

Металлический цинк

В XVI веке были предприняты первые попытки выплавлять цинк в заводских условиях. Но производство «не пошло», технологические трудности оказались непреодолимыми. Цинк пытались получать точно также как и другие металлы. Руду обжигали, превращая цинк в окись, затем эту окись восстанавливали углем...

Цинк, естественно, восстанавливался, взаимодействуя с углем, но... не выплавлялся. Не выплавлялся потому, что этот металл уже в плавильной печи испарялся – температура его кипения всего 906° С. А в печи был воздух. Встречая его, пары активного цинка реагировали с кислородом, и вновь образовывался исходный продукт – окись цинка.

Наладить цинковое производство в Европе удалось лишь после того, как руду стали восстанавливать в закрытых ретортах без доступа воздуха. Примерно так же «черновой» цинк получают и сейчас, а очищают его рафинированием. Пирометаллургическим способом сейчас получают примерно половину производимого в мире цинка, а другую половинугидрометаллургическим.

Следует иметь в виду, что чисто цинковые руды в природе почти не встречаются. Соединения цинка (обычно 1-5% в пересчете на металл) входят в состав полиметаллических руд. Полученные при обогащении руды цинковые концентраты содержат 48-65% цинка, до 2% меди, до 2% свинца, до 12% железа. И плюс доли процента рассеянных и редких металлов...

Сложный химический и минералогический состав руд, содержащих цинк, был одной из причин, по которым цинковое производство рождалось долго и трудно. В переработке полиметаллических руд и сейчас еще есть нерешенные проблемы... Но вернемся к пирометаллургии цинка – в этом процессе проявляются сугубо индивидуальные особенности этого элемента.

При резком охлаждении пары цинка сразу же, минуя жидкое состояние, превращаются в твердую пыль. Это несколько осложняет производство, хотя элементарный цинк считается нетоксичным. Часто бывает нужно сохранить цинк именно в виде пыли, а не переплавлять его в слитки.

В пиротехнике цинковую пыль применяют, чтобы получить голубое пламя. Цинковая пыль используется в производстве редких и благородных металлов. В частности, таким цинком вытесняют золото и серебро из цианистых растворов. Как ни парадоксально, но при получении самого цинка (и кадмия) гидрометаллургическим способом применяется цинковая пыль для очистки раствора сульфата меди и кадмия. Но это еще не все. Вы никогда не задумывались, почему металлические мосты, пролеты заводских цехов и другие крупногабаритные изделия из металла чаще всего окрашивают в серый цвет?

Главная составная часть применяемой во всех этих случаях краски - все та же цинковая пыль. Смешанная с окисью цинка и льняным маслом, она превращается в краску, которая отлично предохраняет от коррозии. Эта краска к тому же дешева, пластична, хорошо прилипает к поверхности металла и не отслаивается при температурных перепадах. Мышиный цвет скорее достоинство, чем недостаток. Изделия, которые покрывают такой краской, должны быть не марки и в то же время опрятны.

На свойствах цинка сильно сказывается степень его чистоты. При 99,9 и 99,99% чистоты цинк хорошо растворяется в кислотах. Но стоит «прибавить» еще одну девятку (99,999%), и цинк становится нерастворимым в кислотах даже при сильном нагревании. Цинк такой чистоты отличается и большой пластичностью, его можно вытягивать в тонкие нити. А обычный цинк можно прокатить в тонкие листы, лишь нагрев его до 100-150° С. Нагретый до 250° С и выше, вплоть до точки плавления, цинк опять становится хрупким – происходит очередная перестройка его кристаллической структуры.

Листовой цинк широко применяют в производстве гальванических элементов. Первый “вольтов столб” состоял из кружочков цинка и меди. И в современных химических источниках тока отрицательный электрод чаще всего делается из цинка.

Значительна роль этого элемента в полиграфии. Из цинка делают клише, позволяющие воспроизвести в печати рисунки и фотографии. Специально приготовленный и обработанный типографский цинк воспринимает фотоизображение. Это изображение в нужных местах защищают краской, и будущее клише протравливают кислотой. Изображение приобретает рельефность, опытные граверы подчищают его, делают оттиски, а потом эти клише идут в печатные машины.

К полиграфическому цинку предъявляют особые требования: прежде всего он должен иметь мелкокристаллическую структуру, особенно на поверхности слитка. Поэтому цинк, предназначенный для полиграфии, всегда отливают в закрытые формы. Для «выравнивания» структуры применяют отжиг при 375°С с последующим медленным охлаждением и горячей прокаткой. Строго лимитируют и присутствие в таком металле примесей, особенно свинца. Если его много, то нельзя будет вытравить клише так, как это нужно. Если же свинца меньше 0,4%, то трудно получить нужную мелкокристаллическую структуру. Вот по этой кромке и «ходят» металлурги, стремясь удовлетворить запросы полиграфии.

Нахождение в природе

В природе цинк находиться только в виде соединений.

СФАЛЕРИТ (цинковая обманка, ZnS) имеет вид кубических жёлтых или коричневых кристаллов; плотность 3,9-4,2 г/см 3 , твёрдость 3-4 по шкале Мооса. В качестве примесей содержит кадмий, индий, галлий, марганец, ртуть, германий, железо, медь, олово, свинец.

В кристаллической решётке сфалерита атомы цинка чередуются с атомами серы и наоборот. Атомы серы в решётке образуют кубическую упаковку. Атом цинка располагается в этих тетраэдрических пустотах.

ВЮРТЦИТ (ZnS) представляет собой коричнево-чёрные гексагональные кристаллы, плотностью 3,98 г/см 3 и твердостью 3,5-4 по шкале Мооса. Обычно содержит цинка больше чем сфалерит. В решётке вюртцита каждый атом цинка тетраэдрически окружён четырьмя атомами серы и наоборот. Расположение слоёв вюртцита отличается от расположения слоёв сфалерита.

СМИТСОНИТ (цинковый шпат, ZnCO 3) встречается в виде белых (зелёных, серых, коричневых в зависимости от примесей) тригональных кристаллов плотностью 4,3-4,5 г/см 3 и твёрдостью 5 по шкале Мооса.

КАЛАМИН (Zn 2 SiO 4 *H 2 O*ZnCO 3 или Zn 4 (OH) 4 *H 2 O*ZnCO 3) представляет собой смесь карбоната и силиката цинка; образует белые (зелёные, синие, жёлтые, коричневые в зависимости от примесей) ромбические кристаллы плотностью 3,4-3,5 г/см 3 и твёрдостью 4,5-5 по шкале Мооса.

ВИЛЛЕМИТ (Zn 2 SiO 4) залегает в виде бесцветных или жёлто-коричневых ромбоэдрических кристаллов плотностью 3,89-4,18 г/см 3 и твёрдостью 5-5,5 по шкале Мооса.

ЦИНКИТ (ZnO) - гексагональные кристаллы жёлтого, оранжевого или красного цвета с решёткой типа вюртцита и твёрдостью 4-4,5 по шкале Мооса.

ГАНИТ (Zn) имеет вид тёмно-зелёных кристаллов плотностью 4-4,6 г/см 3 и твёрдостью 7,5-8 по шкале Мооса.

Помимо приведённых, известны и другие минералы цинка:

монгеймит (Zn, Fe)CO 3

гидроцикит ZnCO 3 *2Zn(OH) 2

трустит (Zn, Mn)SiO 4

гетеролит Zn

франклинит (Zn, Mn)

халькофанит (Mn, Zn) Mn 2 O 5 *2H 2 O

госларит ZnSO 4 *7H 2 O

цинкхальканит (Zn, Cu)SO 4 *5H 2 O

адамин Zn 2 (AsO 4)OH

тарбуттит Zn 2 (PO 4)OH

деклуазит (Zn, Cu)Pb(VO 4)OH

леграндит Zn 3 (AsO 4) 2 *3H 2 O

гопеит Zn 3 (PO 4)*4H 2 O

Физические свойства

Цинк представляет собой синевато – белый металл средней твердости, плавящийся при 419° С, а при 913° С превращающийся в пар; плотность его равна 7,14 г/см 3 . При обыкновенной температуре цинк довольно хрупок, но при 100-110°С он хорошо гнется и прокатывается в листы.На воздухе покрывается защитной оксидной пленкой.

Химические свойства

На воздухе при температуре до 100°С Цинк быстро тускнеет, покрываясь поверхностной пленкой основных карбонатов. Во влажном воздухе, особенно в присутствии СО 2 , происходит разрушение металла даже при обычных температурах. При сильном нагревании на воздухе или в кислороде Цинк интенсивно сгорает голубоватым пламенем с образованием белого дыма оксида цинка ZnO. Сухие фтор, хлор и бром не взаимодействуют с Цинком на холоду, но в присутствии паров воды металл может воспламениться, образуя, например, ZnCl 2 . Нагретая смесь порошка Цинка с серой дает сульфид Цинк ZnS.Сильные минеральные кислоты энергично растворяют Цинк, особенно при нагревании, с образованием соответствующих солей. При взаимодействии с разбавленной НCl и H 2 SO 4 выделяется Н 2 , а с НNО 3 - кроме того, NO, NO 2 , NH 3 . С концентрированной НCl, H 2 SO 4 и HNO 3 Цинк реагирует, выделяя соответственно Н 2 , SO 2 , NO и NO 2 . Растворы и расплавы щелочей окисляют Цинк с выделением Н 2 и образованием растворимых в воде цинкитов. Интенсивность действия кислот и щелочей на Цинк зависит от наличия в нем примесей. Чистый Цинк менее реакционноспособен по отношению к этим реагентам из-за высокого перенапряжения на нем водорода. В воде соли Цинка при нагревании гидролизуются, выделяя белый осадок гидрооксида Zn(OH) 2 . Известны комплексные соединения, содержащие Цинк, например SО 4 и другие.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Цинк - тридцатый элемент Периодической таблицы. Обозначение - Zn от латинского «zincum». Расположен в четвертом периоде, IIB группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 30.

Главные природные соединения цинка, из которых его добывают, — минералы галмей ZnCO 3 и цинковая обманка ZnS. Общее содержание цинка в земной коре составляет приблизительно 0,01% (масс.).

Цинк - голубовато-серебристый металл (рис. 1). При комнатной температуре он довольно хрупок, но при 100-150 o С он хорошо гнется и прокатывается в листы. При нагревании выше 200 o С цинк становится очень хрупким. На воздухе он покрывается тонким слоем оксида или основного карбоната, предохраняющим его от дальнейшего окисления. Вода почти не действует на цинк.

Рис. 1. Цинк. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса цинка

Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии цинк существует в виде одноатомных молекул Zn, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 65,38.

Изотопы цинка

Известно, что в природе хром может находиться в виде пяти стабильных изотопов 64 Zn, 66 Zn, 67 Zn, 68 Zn и 70 Zn. Их массовые числа равны 64, 66, 67, 68 и 70 соответственно. Ядро атома изотопа цинка 64 Zn содержит тридцать протонов и тридцать четыре нейтрона, а остальные изотопы отличаются от него только числом нейтронов.

Существуют искусственные нестабильные изотопы цинка с массовыми числами от 54-х до 83-х, а также десять изомерных состояний ядер, среди которых наиболее долгоживущим изотопом является 65 Zn с периодом полураспада равным 243,66 суток.

Ионы цинка

На внешнем энергетическом уровне атома цинка имеется два электрона, которые являются валентными:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 .

В результате химического взаимодействия цинк отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:

Zn 0 -2e → Zn 2+ .

Молекула и атом цинка

В свободном состоянии цинк существует в виде одноатомных молекул Zn. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу цинка:

Сплавы цинка

Широкое промышленное значение имеют сплавы цинка с алюминием, медью и магнием. С медью цинк образует важную группу сплавов - латуни. Латуни содержат до 45% цинка. Различают простые и специальные латуни. В состав последних входят другие элементы, например железо, алюминий, олово, кремний.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Технический цинк массой 0,33 г обработали разбавленным раствором серной кислоты. Выделившийся водород занимает при нормальных условиях объем 112 мл. Рассчитайте массовую долю цинка в техническом металле.
Решение	Запишем уравнение реакции взаимодействия цинка с разбавленной серной кислотой: Zn + H 2 SO 4 (dilute) = ZnSO 4 + H 2 . Найдем количество моль выделившегося в ходе реакции водорода: n (H 2) = V (H 2) / V m ; n (H 2) = 112×10 -3 / 22,4 = 0,005 моль. Согласно уравнению реакции n (H 2):n (Zn) = 1:1, т.е. n (H 2) = n (Zn) =0,005 моль. Тогда, масса чистого цинка (без примесей) будет равна (молярная масса - 65 г/моль): m pure (Zn)= 0,005 × 65 = 0,325 г. Массовая доля цинка в техническом металле рассчитывается как: ω(Zn) = m pure (Zn)/ m tec (Zn) × 100%; ω(Zn) = 0,325/ 0,33 × 100%; ω(Zn) = 98,48%.
Ответ	Массовая доля цинка в техническом металле равна 98,48%.

ПРИМЕР 2

Задание	Рассчитайте массу цинка, который нужно растворить в соляной кислоте, чтобы получить водород, необходимый для восстановления оксида меди (II) массой 20 г до металла.
Решение	Запишем уравнения реакций, которые протекают согласно условию задачи: Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2 (1); H 2 + CuO = Cu + H 2 O (2). Рассчитаем количество вещества оксида меди (II) (молярная масса - 80 г/моль): n (CuO) = m (CuO) / M (CuO); n (CuO) = 20 / 80 = 0,25 моль. Согласно уравнению (2) n (CuO):n (H 2) = 1:1, т.е. n (CuO) = n (H 2) =0,25 моль. Тогда, число моль цинка вступившего в реакцию взаимодействия с соляной кислотой будет равно 0,25 моль, поскольку n (Zn):n (H 2) = 1:1, т.е. n (Zn) = n (H 2). Масса цинка (молярная масса равна 65 г/моль) равна: m pure (Zn) = n (Zn) × M (Zn); m pure (Zn)= 0,25 × 65 = 16,25 г.
Ответ	Масса цинка равна 16,25 г

Цинк – это металл, стоящий в таблице Менделеева, под номером 30 и имеет обозначение Zn. Плавится при температуре 419 °С градусов, если же температура кипения 913 °С – начинает превращаться в пар. При температурном обычном режиме, состояние хрупкое, а при ста градусах начинает гнуться.

Цвет цинка сине-белый. При воздействии кислорода появляется окисление, а также покрытие карбоната, предохраняющего металл от дальнейшей реакции окисления. Появление на цинке гидроокиси обозначает то, что вода на химический элемент не действует.

Цинк — химический элемент, имеет свои отличительные свойства, преимущества и недостатки. Он широко применяется в повседневной жизни человека, в фармацевтике и металлургии.

Особенности цинка

Металл является необходимым и широко применяемым практически во всех отраслях повседневной жизни человека.

Добыча в основном, производится в Иране, Казахстане, Австралии, Боливии. В России изготовителем является ОАО «ГМК Дальполиметалл».

Это переходной металл, имеет степень окисления +2, радиоактивный изотоп, период полураспада 244 дня.

В чистом виде элемент не добывается. Содержится в рудах и минералах: клейофане, марматите, вюртците, цинките. Обязательно присутствует в сплаве с алюминием, медью, оловом, никелем.

Химические, физические свойства и характеристики цинка

Цинк – металл, обладает рядом свойств и характеристик, отличающих его от иных элементов периодической таблицы.

К физическим свойствам цинка относится его состояние. Основным фактором выступает температурный режим. Если при комнатной температуре это хрупкий материал, плотность цинка 7130 кг/м 3 (˃ плотности стали), который практически не гнётся, то при повышении он легко изгибается и прокатывается в листах на заводах. Если взять более высокий температурный режим – материал приобретает жидкое состояние, а если еще поднять температуру на 400-450 °С градусов, тогда он просто испарится. В этом уникальность – менять своё состояние. Если же подействовать кислотами и щелочами, он может рассыпаться, взорваться, расплавиться.

Формула цинка Zn – zincum. Атомная масса цинка 65.382 а.е.м.

Электронная формула: ядро атома металла содержит 30 протон, 35 нейтрон. В атоме 4 энергетических уровня – 30 электронов. (рис. строение атома цинка)1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 .

Кристаллическая решётка цинка – шестиугольная кристаллическая система с плотно прижатыми атомами. Данные решётки: A=2.66У, С=4.94.

Структура и состав цинка

Добытый и не переработанный материал имеет изотопы 64, 66, 67, электроны 2-8-18-2.

По применению среди всех элементов периодической таблицы металл стоит на 23 месте. В природе элемент выступает в виде сульфида с примесями свинца Pb, кадмия Cd, железа Fe, меди Cu, серебра Ag.

В зависимости от того, какое количество примесей, металл имеет маркировку.

Производство цинка

Как было сказано выше, чистого вида данного элемента в природе нет. Он добывается из иных пород, таких как руда – кадмий, галлий, минералы – сфалерит.

Металл получают на заводе. Каждый завод имеет свои отличительные особенности производства, поэтому оборудование для получения чистого материала различно. Оно может быть таким:

• Роторы, расположенные вертикально, электролитные.
• Специальные печи с достаточно высокой температурой для обжига, а также специальные электропечи.
• Транспортёры и ванны для электролиза.

В зависимости от принимаемого метода добычи металла, задействовано соответствующее оборудование.

Получение чистого цинка

Как упоминалось выше – в природе чистого вида нет. В основном добыча производится из руд, в которых он идет с различными элементами.

Для получения чистого материала задействован специальный флотационный процесс с избирательностью (селективностью). После проведения процесса руда распадается на элементы: цинк, свинец, медь и так далее.

Добытый таким методом чистый металл обжигается в специальной печи. Там при определенных температурах сульфидное состояние материала переходит в оксидное. При обжиге выделяется газ с содержанием серы, направляемый для получения серной кислоты.

Есть 2 способа получения металла:

1. Пирометаллургический – идет процесс обжигания, после — полученная масса восстанавливается с помощью чёрного угля и кокса. Конечным процессом является отстаивание.
2. Электролитический – добытая масса обрабатывается серной кислотой. Полученный раствор подвергают электролизу, при этом металл оседает, его плавят в печах.

Выплавка цинка в печи

Температура плавления цинка в печи 419-480 °С градусов. Если же температурный режим превышен, тогда материал начинает испаряться. При данной температуре допускается примесь железа 0.05%.

При процентной ставке 0.2 железа, лист невозможно будет прокатать.

Применяются различные способы выплавки чистого металла, вплоть до получения цинковых паров, которые направляются в специальные резервуары и там вещество опадает вниз.

Применение металла

Свойства цинка позволяют его применение во многих сферах. В процентном соотношении:

1. Цинкование – до 60%.
2. Медицина – 10%.
3. Различные сплавы, содержащие данный металл 10%.
4. Выпуск шин 10%.
5. Производство красок – 10%.

А также применение цинка необходимо для восстановления таких металлов, как золото, серебро, платина.

Цинк в металлургии

Металлургическая промышленность задействует данный элемент периодической таблицы как основной для достижения определенных целей. Выплавка чугуна, стали является главной во всей металлургии страны. Но, данные металлы подвержены негативному влиянию окружающей среды. Без определенной обработки идет быстрое окисление металлов, что приводит к их порче. Наилучшей защитой служит оцинкование.

Нанесение защитной плёнки на чугун и сталь является лучшим средством от коррозии. На оцинкование уходит около 40% всего производства чистого материала.

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).

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.

Иные сферы применения цинка

Помимо оцинкования, металл применяется и в других сферах промышленности.

1. Цинковые листы. Для производства листа выполняется прокатка, в которой важна пластичность. Это зависит от температурного режима. Температура в 25 °С дает пластичность только в одной плоскости, что создает определенные свойства металла. Тут главное для чего изготавливается лист. Чем выше температура, тем тоньше получается металл. В зависимости от этого идет маркировка изделия Ц1, Ц2, Ц3. После этого из листов создаются различные изделия для автомобилей, профиля для строительства и ремонта, для полиграфии и так далее.
2. Цинковые сплавы. Для улучшенных свойств металлических изделий, добавляется цинк. Данные сплавы создаются при высоких температурах в специальных печах. Чаще всего производятся сплавы из меди, алюминия. Данные сплавы применяются для производства подшипников, различных втулок, которые применимы в машиностроении, судостроении и авиации.

В домашнем обиходе оцинкованное ведро, корыто, листы на крыше – это норма. Применяется цинк, а не хром или никель. И дело не только в том, что оцинкование дешевле, чем покрытие другими материалами. Это наиболее надёжный и продолжительный по службе эксплуатации защитный материал нежели, хром или другие применяемые материалы.

В итоге – цинк наиболее распространенный металл, применяемый широко в металлургии. В машиностроении, строительстве, медицине – материал применим не только как защита от коррозии, но и для увеличения прочности, продолжительного срока эксплуатации. В частных домах оцинкованные листы защищают крышу от осадков, в зданиях выравниваются стены и потолки гипсокартонными листами на основе оцинкованных профилей.

Практически у каждой хозяйки в доме есть оцинкованное ведро, корыто, которым она пользуется длительное время.

Медь (Cu) относится к d-элементам и расположена в IB группе периодической таблицы Д.И.Менделеева. Электронная конфигурация атома меди в основном состоянии записывается виде 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 1 вместо предполагаемой формулы 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 9 4s 2 . Другими словами, в случае атома меди наблюдается так называемый «проскок электрона» с 4s-подуровня на 3d-подуровень. Для меди, кроме нуля, возможны степени окисления +1 и +2. Степень окисления +1 склонна к диспропорционированию и стабильна лишь в нерастворимых соединениях типа CuI, CuCl, Cu 2 O и т. д., а также в комплексных соединениях, например, Cl и OH. Соединения меди в степени окисления +1 не имеют конкретной окраски. Так, оксид меди (I) в зависимости от размеров кристаллов может быть темно-красный (крупные кристаллы) и желтый (мелкие кристаллы), CuCl и CuI — белыe, а Cu 2 S — черно-синий. Более химически устойчивой является степень окисления меди, равная +2. Соли, содержащие медь в данной степени окисления, имеют синюю и сине-зеленую окраску.

Медь является очень мягким, ковким и пластичным металлом с высокой электро- и теплопроводностью. Окраска металлической меди красно-розовая. Медь находится в ряду активности металлов правее водорода, т.е. относится к малоактивным металлам.

с кислородом

В обычных условиях медь с кислородом не взаимодействует. Для протекания реакции между ними требуется нагрев. В зависимости от избытка или недостатка кислорода и температурных условий может образовать оксид меди (II) и оксид меди (I):

с серой

Реакция серы с медью в зависимости от условий проведения может приводить к образованию как сульфида меди (I), так и сульфида меди (II). При нагревании смеси порошкообразных Cu и S до температуры 300-400 о С образуется сульфид меди (I):

При недостатке серы и проведении реакции при температуре более 400 о С образуется сульфид меди (II). Однако, более простым способом получения сульфида меди (II) из простых веществ является взаимодействие меди с серой, растворенной в сероуглероде:

Данная реакция протекает при комнатной температуре.

с галогенами

С фтором, хлором и бромом медь реагирует, образуя галогениды с общей формулой CuHal 2 , где Hal – F, Cl или Br:

Cu + Br 2 = CuBr 2

В случае с йодом — самым слабым окислителем среди галогенов — образуется иодид меди (I):

С водородом, азотом, углеродом и кремнием медь не взаимодействует.

с кислотами-неокислителями

Кислотами-неокислителями являются практически все кислоты, кроме концентрированной серной кислоты и азотной кислоты любой концентрации. Поскольку кислоты-неокислители в состоянии окислить только металлы, находящиеся в ряду активности до водорода; это означает, что медь с такими кислотами не реагирует.

с кислотами-окислителями

— концентрированной серной кислотой

С концентрированной серной кислотой медь реагирует как при нагревании, так и при комнатной температуре. При нагревании реакция протекает в соответствии с уравнением:

Поскольку медь не является сильным восстановителем, сера восстанавливается в данной реакции только до степени окисления +4 (в SO 2).

— с разбавленной азотной кислотой

Реакция меди с разбавленной HNO 3 приводит к образованию нитрата меди (II) и монооксида азота:

3Cu + 8HNO 3 (разб.) = 3Cu(NO 3) 2 + 2NO + 4H 2 O

— с концентрированной азотной кислотой

Концентрированная HNO 3 легко реагирует с медью при обычных условиях. Отличие реакции меди с концентрированной азотной кислотой от взаимодействия с разбавленной азотной кислотой заключается в продукте восстановления азота. В случае концентрированной HNO 3 азот восстанавливается в меньшей степени: вместо оксида азота (II) образуется оксид азота (IV), что связано с большей конкуренцией между молекулами азотной кислоты в концентрированной кислоте за электроны восстановителя (Cu):

Cu + 4HNO 3 = Cu(NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O

с оксидами неметаллов

Медь реагирует с некоторыми оксидами неметаллов. Например, с такими оксидами, как NO 2 , NO, N 2 O медь окисляется до оксида меди (II), а азот восстанавливается до степени окисления 0, т.е. образуется простое вещество N 2:

В случае диоксида серы, вместо простого вещества (серы) образуется сульфид меди(I). Связано это с тем, что медь с серой, в отличие от азота, реагирует:

с оксидами металлов

При спекании металлической меди с оксидом меди (II) при температуре 1000-2000 о С может быть получен оксид меди (I):

Также металлическая медь может восстановить при прокаливании оксид железа (III) до оксида железа (II):

с солями металлов

Медь вытесняет менее активные металлы (правее нее в ряду активности) из растворов их солей:

Cu + 2AgNO 3 = Cu(NO 3) 2 + 2Ag↓

Также имеет место интересная реакция, в которой медь растворяется в соли более активного металла – железа в степени окисления +3. Однако противоречий нет, т.к. медь не вытесняет железо из его соли, а лишь восстанавливает его со степени окисления +3 до степени окисления +2:

Fe 2 (SO 4) 3 + Cu = CuSO 4 + 2FeSO 4

Cu + 2FeCl 3 = CuCl 2 + 2FeCl 2

Последняя реакция используется при производстве микросхем на стадии травления медных плат.

Коррозия меди

Медь со временем подвергается коррозии при контакте с влагой, углекислым газом и кислородом воздуха:

2Cu + H 2 O + СО 2 + О 2 = (CuOН) 2 СO 3

В результате протекания данной реакции медные изделия покрываются рыхлым сине-зеленым налетом гидроксокарбоната меди (II).

Химические свойства цинка

Цинк Zn находится в IIБ группе IV-го периода. Электронная конфигурация валентных орбиталей атомов химического элемента в основном состоянии 3d 10 4s 2 . Для цинка возможна только одна единственная степень окисления, равная +2. Оксид цинка ZnO и гидроксид цинка Zn(ОН) 2 обладают ярко выраженными амфотерными свойствами.

Цинк при хранении на воздухе тускнеет, покрываясь тонким слоем оксида ZnO. Особенно легко окисление протекает при высокой влажности и в присутствии углекислого газа вследствие протекания реакции:

2Zn + H 2 O + O 2 + CO 2 → Zn 2 (OH) 2 CO 3

Пар цинка горит на воздухе, а тонкая полоска цинка после накаливания в пламени горелки сгорает в нем зеленоватым пламенем:

При нагревании металлический цинк также взаимодействует с галогенами, серой, фосфором:

С водородом, азотом, углеродом, кремнием и бором цинк непосредственно не реагирует.

Цинк реагирует с кислотами-неокислителями с выделением водорода:

Zn + H 2 SO 4 (20%) → ZnSO 4 + H 2

Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2

Особенно легко растворяется в кислотах технический цинк, поскольку содержит в себе примеси других менее активных металлов, в частности, кадмия и меди. Высокочистый цинк по определенным причинам устойчив к воздействию кислот. Для того чтобы ускорить реакцию, образец цинка высокой степени чистоты приводят в соприкосновение с медью или добавляют в раствор кислоты немного соли меди.

При температуре 800-900 o C (красное каление) металлический цинк, находясь в расплавленном состоянии, взаимодействует с перегретым водяным паром, выделяя из него водород:

Zn + H 2 O = ZnO + H 2

Цинк реагирует также и с кислотами-окислителями: серной концентрированной и азотной.

Цинк как активный металл может образовывать с концентрированной серной кислотой сернистый газ, элементарную серу и даже сероводород.

Zn + 2H 2 SO 4 = ZnSO 4 + SO 2 + 2H 2 O

Состав продуктов восстановления азотной кислоты определяется концентрацией раствора:

Zn + 4HNO 3 (конц.) = Zn(NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O

3Zn + 8HNO 3 (40%) = 3Zn(NO 3) 2 + 2NO + 4H 2 O

4Zn +10HNO 3 (20%) = 4Zn(NO 3) 2 + N 2 O + 5H 2 O

5Zn + 12HNO 3 (6%) = 5Zn(NO 3) 2 + N 2 + 6H 2 O

4Zn + 10HNO 3 (0,5%) = 4Zn(NO 3) 2 + NH 4 NO 3 + 3H 2 O

На направление протекания процесса влияют также температура, количество кислоты, чистота металла, время проведения реакции.

Цинк реагирует с растворами щелочей, при этом образуются тетрагидроксоцинкаты и водород:

Zn + 2NaOH + 2H 2 O = Na 2 + H 2

Zn + Ba(OH) 2 + 2H 2 O = Ba + H 2

С безводными щелочами цинк при сплавлении образует цинкаты и водород:

В сильнощелочной среде цинк является крайне сильным восстановителем, способным восстанавливать азот в нитратах и нитритах до аммиака:

4Zn + NaNO 3 + 7NaOH + 6H 2 O → 4Na 2 + NH 3

Благодаря комплексообразованию цинк медленно растворяется в растворе аммиака, восстанавливая водород:

Zn + 4NH 3 ·H 2 O → (OH) 2 + H 2 + 2H 2 O

Также цинк восстанавливает менее активные металлы (правее него в ряду активности) из водных растворов их солей:

Zn + CuCl 2 = Cu + ZnCl 2

Zn + FeSO 4 = Fe + ZnSO 4

Химические свойства хрома

Хром - элемент VIB группы таблицы Менделеева. Электронная конфигурация атома хрома записывается как 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 4s 1 , т.е. в случае хрома, также как и в случае атома меди, наблюдается так называемый «проскок электрона»

Наиболее часто проявляемыми степенями окисления хрома являются значения +2, +3 и +6. Их следует запомнить, и в рамках программы ЕГЭ по химии можно считать, что других степеней окисления хром не имеет.

При обычных условиях хром устойчив к коррозии как на воздухе, так и в воде.

Взаимодействие с неметаллами

с кислородом

Раскаленный до температуры более 600 o С порошкообразный металлический хром сгорает в чистом кислороде образуя окcид хрома (III):

4Cr + 3O 2 = o t => 2Cr 2 O 3

с галогенами

С хлором и фтором хром реагирует при более низких температурах, чем с кислородом (250 и 300 o C соответственно):

2Cr + 3F 2 = o t => 2CrF 3

2Cr + 3Cl 2 = o t => 2CrCl 3

С бромом же хром реагирует при температуре красного каления (850-900 o C):

2Cr + 3Br 2 = o t => 2CrBr 3

с азотом

С азотом металлический хром взаимодействует при температурах более 1000 o С:

2Cr + N 2 = o t => 2CrN

с серой

С серой хром может образовывать как сульфид хрома (II) так и сульфид хрома (III), что зависит от пропорций серы и хрома:

Cr + S = o t => CrS

2Cr + 3S = o t => Cr 2 S 3

С водородом хром не реагирует.

Взаимодействие со сложными веществами

Взаимодействие с водой

Хром относится к металлам средней активности (расположен в ряду активности металлов между алюминием и водородом). Это означает, что реакция протекает между раскаленным до красного каления хромом и перегретым водяным паром:

2Cr + 3H 2 O = o t => Cr 2 O 3 + 3H 2

Взаимодействие с кислотами

Хром при обычных условиях пассивируется концентрированными серной и азотной кислотами, однако, растворяется в них при кипячении, при этом окисляясь до степени окисления +3:

Cr + 6HNO 3(конц.) =t o => Cr(NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O

2Cr + 6H 2 SO 4(конц) =t o => Cr 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O

В случае разбавленной азотной кислоты основным продуктом восстановления азота является простое вещество N 2:

10Cr + 36HNO 3(разб) = 10Cr(NO 3) 3 + 3N 2 + 18H 2 O

Хром расположен в ряду активности левее водорода, а это значит, что он способен выделять H 2 из растворов кислот-неокислителей. В ходе таких реакций в отсутствие доступа кислорода воздуха образуются соли хрома (II):

Cr + 2HCl = CrCl 2 + H 2

Cr + H 2 SO 4(разб.) = CrSO 4 + H 2

При проведении же реакции на открытом воздухе, двухвалентный хром мгновенно окисляется содержащимся в воздухе кислородом до степени окисления +3. При этом, например, уравнение с соляной кислотой примет вид:

4Cr + 12HCl + 3O 2 = 4CrCl 3 + 6H 2 O

При сплавлении металлического хрома с сильными окислителями в присутствии щелочей хром окисляется до степени окисления +6, образуя хроматы :

Химические свойства железа

Железо Fe, химический элемент, находящийся в VIIIB группе и имеющий порядковый номер 26 в таблице Менделеева. Распределение электронов в атоме железа следующее 26 Fe1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 , то есть железо относится к d-элементам, поскольку заполняемым в его случае является d-подуровень. Для него наиболее характерны две степени окисления +2 и +3. У оксида FeO и гидроксида Fe(OH) 2 преобладают основные свойства, у оксида Fe 2 O 3 и гидроксида Fe(OH) 3 заметно выражены амфотерные. Так оксид и гидроксид железа (lll) в некоторой степени растворяются при кипячении в концентрированных растворах щелочей, а также реагируют с безводными щелочами при сплавлении. Следует отметить что степень окисления железа +2 весьма неустойчива, и легко переходит в степень окисления +3. Также известны соединения железа в редкой степени окисления +6 – ферраты, соли не существующей «железной кислоты» H 2 FeO 4 . Указанные соединения относительно устойчивы лишь в твердом состоянии, либо в сильнощелочных растворах. При недостаточной щелочности среды ферраты довольно быстро окисляют даже воду, выделяя из нее кислород.

Взаимодействие с простыми веществами

С кислородом

При сгорании в чистом кислороде железо образует, так называемую, железную окалину , имеющую формулу Fe 3 O 4 и фактически представляющую собой смешанный оксид, состав которого условно можно представить формулой FeO∙Fe 2 O 3 . Реакция горения железа имеет вид:

3Fe + 2O 2 =t o => Fe 3 O 4

С серой

При нагревании железо реагирует с серой, образуя сульфид двухвалентого железа:

Fe + S =t o => FeS

Либо же при избытке серы дисульфид железа :

Fe + 2S =t o => FeS 2

С галогенами

Всеми галогенами кроме йода металлическое железо окисляется до степени окисления +3, образуя галогениды железа (lll):

2Fe + 3F 2 =t o => 2FeF 3 – фторид железа (lll)

2Fe + 3Cl 2 =t o => 2FeCl 3 – хлорид железа (lll)

Йод же, как наиболее слабый окислитель среди галогенов, окисляет железо лишь до степени окисления +2:

Fe + I 2 =t o => FeI 2 – йодид железа (ll)

Следует отметить, что соединения трехвалентного железа легко окисляют иодид-ионы в водном растворе до свободного йода I 2 при этом восстанавливаясь до степени окисления +2. Примеры, подобных реакций из банка ФИПИ:

2FeCl 3 + 2KI = 2FeCl 2 + I 2 + 2KCl

2Fe(OH) 3 + 6HI = 2FeI 2 + I 2 + 6H 2 O

Fe 2 O 3 + 6HI = 2FeI 2 + I 2 + 3H 2 O

С водородом

Железо с водородом не реагирует (с водородом из металлов реагируют только щелочные металлы и щелочноземельные):

Взаимодействие со сложными веществами

Взаимодействие с кислотами

С кислотами-неокислителями

Так как железо расположено в ряду активности левее водорода, это значит, что оно способно вытеснять водород из кислот-неокислителей (почти все кислоты кроме H 2 SO 4 (конц.) и HNO 3 любой концентрации):

Fe + H 2 SO 4 (разб.) = FeSO 4 + H 2

Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2

Нужно обратить внимание на такую уловку в заданиях ЕГЭ, как вопрос на тему того до какой степени окисления окислится железо при действии на него разбавленной и концентрированной соляной кислоты. Правильный ответ – до +2 в обоих случаях.

Ловушка здесь заключается в интуитивном ожидании более глубокого окисления железа (до с.о. +3) в случае его взаимодействия с концентрированной соляной кислотой.

Взаимодействие с кислотами-окислителями

С концентрированными серной и азотной кислотами в обычных условиях железо не реагирует по причине пассивации. Однако, реагирует с ними при кипячении:

2Fe + 6H 2 SO 4 = o t => Fe 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O

Fe + 6HNO 3 = o t => Fe(NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O

Обратите внимание на то, что разбавленная серная кислота окисляет железо до степени окисления +2, а концентрированная до +3.

Коррозия (ржавление) железа

На влажном воздухе железо весьма быстро подвергается ржавлению:

4Fe + 6H 2 O + 3O 2 = 4Fe(OH) 3

С водой в отсутствие кислорода железо не реагирует ни в обычных условиях, ни при кипячении. Реакция с водой протекает лишь при температуре выше температуры красного каления (>800 о С). т.е..

2. Значения плотности ρ и атомного объема повышаются с увеличением атомной массы.

Химические свойства

1. Химическая активность уменьшается с увеличением атомной массы (в главной подгруппе –

наоборот).

2. Хорошие комплексообразователи (в отличие от элементов главной подгруппы).

Цинк и его соединения

Цинк - металл серебристо-белого цвета. В соединениях проявляет только одну степень окисления +2; соединения цинка неокрашены.

Нормальный окислительно-восстановительный потенциал в кислой среде системы Zn 2+ / Zn равен -0,76 в, а в щелочной среде системы ZnO 2 2- / Zn равен -1,22 в. Поэтому цинк растворяется в разбавленных кислотах и щелочах

Zn + 2НCl → ZnCl2 + H2

Zn + H2 SO4 (разб) → ZnSO4 + H2

Zn + 2NaOH + 2H2 O → Na2 + H2

Цинк не разлагает воду, т.к. в водном растворе он быстро покрывается защитной пленкой

оксида, которая предохраняет его от коррозии.

Цинк - сильный восстановитель и вытесняет менее активные металлы (стоящие справа в ряду

напряжений) из растворов их солей

Zn + CuSO4 → ZnSO4 + Cu

Оксид цинка проявляет амфотерный характер, растворяясь как в кислотах, так и в растворах щелочей:

ZnO + H2 SO4 → ZnSO4 + H2 O

ZnO + 2NaOH + H2 O → Na2

При нагревании комплексный тетрагидроксицинкат-анион дегидратируется:

2- → ZnO2 2- + 2H2 O

Гидроксид цинка также проявляет амфотерные свойства. Он нерастворим в воде, но растворяется в кислотах и щелочах;

Zn(OH)2 + 2HCl → ZnCl2 + 2H2 O

Zn(OH)2 + 2NaOH → Na2

Ион Zn 2+ является энергичным комплексообразователем с координационным числом 4. В отличие от гидроксида алюминия гидроксид цинка растворяется в водном растворе аммиака:

Zn(OH)2 + 2NH3 → (OH)2

Кадмий и его соединения

Кадмий - белый, блестящий, мягкий, ковкий металл; очень мало растворяется в неокисляющих кислотах, хорошо растворяется в разбавленной HNO 3 (нормальный потенциал Cd / Cd 2+ = -

Кадмий образует только один ряд соединений, где он двухвалентен. Ион Сd 2+ - бесцветен.