Химический элемент периодической системы Д.И. Менделеева – цинк

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ФАКУЛЬТЕТ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

КАФЕДРА ИНЖЕНЕРНЫХ ПРОБЛЕМ ЭКОЛОГИИ (ИПЭ)

КУРСОВАЯ РАБОТА

студента 1-го курса д/о направления 022000 - «Экология и природопользование»

по дисциплине «Неорганическая химия. Коллоидная и физическая химия»

на тему: «Химический элемент периодической системы Д.И. Менделеева - цинк»

Новосибирск 2013

Введение

Цинк -- элемент побочной подгруппы второй группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, с атомным номером 30. Обозначается символом Zn (лат. Zincum). Простое вещество цинк при нормальных условиях - хрупкий переходный металл голубовато-белого цвета (тускнеет на воздухе, покрываясь тонким слоем оксида цинка).

Слово «цинк» впервые встречается в трудах Парацельса, который назвал этот металл словом «zincum» или «zinken» в книге Liber Mineralium II. Это слово, вероятно, восходит к нем. Zinke, означающее «зубец» (кристаллиты металлического цинка похожи на иглы).

Сплав цинка с медью -- латунь -- был известен ещё в Древней Греции, Древнем Египте, Индии (VII в.), Китае (XI в.).

Долгое время не удавалось выделить чистый цинк. В 1738 году в Англии Уильямом Чемпионом был запатентован дистилляционный способ получения цинка. В промышленном масштабе выплавка цинка началась также в XVIII в.: в 1743 году в Бристоле вступил в строй первый цинковый завод, основанный Уильямом Чемпионом, где получение цинка проводилось дистилляционным способом. В 1746 А.С. Маргграф в Германии разработал похожий на способ Чемпиона дистилляционный способ получения чистого цинка, путём прокаливания смеси его окисис углём без доступа воздуха в глиняных огнеупорных ретортах с последующей конденсацией паров цинка в холодильниках. Маргграф описал свой метод во всех деталях и этим заложил основы теории производства цинка. Поэтому его часто называют первооткрывателем цинка.

В 1805 году Чарльз Гобсон и Чарльз Сильвестр из Шеффилда запатентовали способ обработки цинка - прокатка при 100 - 150 градусах. Первый в России цинк был получен на заводе «Алагир» 1 января 1905 года. Первые заводы, где цинк получали электролитическим способом, появились в 1915 году в Канаде и США.

1. Нахождение в природе

Известно 66 минералов цинка, вчастности цинкит, сфалерит, виллемит, каламин, смитсонит, франклинит. Наиболее распространенный минерал - сфалерит, или цинковая обманка. Основной компонент минерала - сульфид цинка ZnS, а разнообразные примеси придают этому веществу всевозможные цвета. Из-за трудности определения этого минерала его называют обманкой (др.-греч. Уцблесьт -- обманчивый). Цинковую обманку считают первичным минералом, из которого образовались другие минералы элемента № 30: смитсонит ZnCO3, цинкит ZnO, каламин 2ZnO · SiO2 · Н2O. На Алтае нередко можно встретить полосатую «бурундучную» руду - смесь цинковой обманки и бурого шпата. Кусок такой руды издали действительно похож на затаившегося полосатого зверька.

Среднее содержание цинка в земной коре -- 8,3·10-3%, в основных извержённых породах его несколько больше (1,3·10-2%), чем в кислых (6·10-3%). Цинк - энергичный водный мигрант, особенно характерна его миграция в термальных водах вместе со свинцом. Из этих вод осаждаются сульфиды цинка, имеющие важное промышленное значение. Цинк также энергично мигрирует в поверхностных и подземных водах, главным осадителем для него является сероводород, меньшую роль играет сорбция глинами и другие процессы.

Цинк - важный биогенный элемент, в живых организмах содержится в среднем 5·10-4% цинка. Но есть и исключения - так называемые организмы-концентраторы (например, некоторые фиалки).

2. Физические свойства цинка

Цинк - металл синевато-белого цвета, обладающий металлическим блеском.

На воздухе его поверхность покрывается оксидной пленкой и тускнеет. Атомная масса цинка - 65,37 г/моль.

Цинк плавится при 419,5 оС, кипит при 913 оС. Плотность литого твердого цинка составляет 7,13 г/см3, плотность вальцованного цинка несколько выше. При температуре плавления плотность цинка равна 6,92 г/см3. На холоде цинк довольно хрупок, но при температуре 100-150 оС, легко поддается прокатке и вытягиванию. Легко образует сплавы с другими металлами. Кристаллическая решетка цинка - гексагональная кристаллическая сингония с плотной упаковкой атомов и параметрами решетки а = 0,266 нм. и с = 0,494 нм (рис. 1).

Рисунок 1 Гексагональная решётка цинка

Цинк - не полиморфен. Цинк по сравнению со многими элементами имеет более отрицательный электродный потенциал, благодаря которому является хорошим протектором для защиты от коррозии, в частности стальных изделий.

Электронная формула - 1s22s22p63s23p63d104s2

Электронная конфигурация - [18Ar] 3d10 4s2

3. Химические свойства цинка

Цинк - химически активный металл, обладает выраженными восстановительными свойствами, по активности уступает щелочноземельным металлам. Проявляет амфотерные свойства. Электроотрицательность - 1,65. Степень окисления - +2.

Взаимодействие с неметаллами

При сильном нагревании на воздухе сгорает ярким голубоватым пламенем с образованием оксида цинка:

2Zn + O2 = 2ZnO (оксид цинка).

При поджигании энергично реагирует с серой:

Zn + S = ZnS (сульфид цинка).

С галогенами реагирует при обычных условиях в присутствии паров воды в качестве катализатора:

Zn + Cl2 = ZnCl2 (хлорид цинка).

При действии паров фосфора на цинк образуются фосфиды:

Zn + 2P = ZnP2

3Zn + 2P = Zn3P2 (фосфид цинка).

С водородом, азотом, бором, кремнием, углеродом цинк не взаимодействует.

Взаимодействие с водой

Реагирует с парами воды при температуре красного каления с образованием оксида цинка и водорода:

Zn + H2O = ZnO (оксид цинка) + H2.

Взаимодействие с кислотами

В электрохимическом ряду напряжений металлов цинк находится до водорода и вытесняет его из неокисляющих кислот:

Zn + 2HCl = ZnCl2 (хлорид цинка) + H2;

Zn + H2SO4 = ZnSO4 (сульфат цинка)+ H2.

Взаимодействует с разбавленной азотной кислотой, образуя нитрат цинка и нитрат аммония:

4Zn + 10HNO3 = 4Zn(NO3)2 (нитрат цинка) + NH4NO3 + 3H2O.

4. Реагирует с концентрированными серной и азотной кислотами собразованием соли цинка и продуктов восстановления кислот

Zn + 2H2SO4 = ZnSO4 (сульфат цинка) + SO2 + 2H2O;

Zn + 4HNO3 = Zn(NO3)2 (нитрат цинка) + 2NO2 + 2H2O

Взаимодействие со щелочами

Реагирует с растворами щелочей с образованием гидроксокомплексов:

Zn + 2NaOH + 2H2O = Na2[Zn(OH)4] (тетрагидроксоцинкат натрия) + H2

при сплавлении образует цинкаты:

Zn + 2KOH = K2ZnO2 (цинкат калия) + H2.

Взаимодействие с аммиаком

С газообразным аммиаком при 550-600 °С образует нитрид цинка:

3Zn + 2NH3 = Zn3N2 (нитрид цинка) + 3H2

растворяется в водном растворе аммиака, образуя гидроксид тетраамминцинка:

Zn + 4NH3 + 2H2O = [Zn(NH3)4](OH)2 (гидроксид тетраамминцинка) + H2.

Взаимодействие с оксидами и солями

Цинк вытесняет металлы, стоящие в ряду напряжения правее него, из растворов солей и оксидов:

Zn + CuSO4 = Cu + ZnSO4 (сульфат цинка);

Zn + CuO = Cu + ZnO (оксид цинка).

цинк металл дистилляционный химический

5. Получение цинка

Цинк в природе как самородный металл не встречается. Цинк добывают из полиметаллических руд, содержащих 1-4% Zn в виде сульфида, а также Cu, Pb, Ag, Au, Cd, Bi. Руды обогащают селективной флотацией, получая цинковые концентраты (50-60% Zn) и одновременно свинцовые, медные, а иногда также пиритные концентраты. Цинковые концентраты обжигают в печах в кипящем слое, переводя сульфид цинка в оксид ZnO; образующийся при этом сернистый газ SO2 расходуется на производство серной кислоты. Чистый цинк из оксида ZnO получают двумя способами. По пирометаллургическому (дистилляционному) способу, существующему издавна, обожженный концентрат подвергают спеканию для придания зернистости и газопроницаемости, а затем восстанавливают углем или коксом при 1200--1300 оC: 2ZnO + С = 2Zn + CO2. Образующиеся при этом пары металла конденсируют и разливают в изложницы. Сначала восстановление проводили только в ретортах из обожженной глины, обслуживаемых вручную, позднее стали применять вертикальные механизированные реторты из карборунда, затем - шахтные и дуговые электропечи; из свинцово-цинковых концентратов цинк получают в шахтных печах с дутьем. Производительность постепенно повышалась, но цинк содержал до 3% примесей, в том числе ценный кадмий. Дистилляционный цинк очищают ликвацией (то есть отстаиванием жидкого металла от железа и части свинца при 500 оC), достигая чистоты 98,7%. Применяющаяся иногда более сложная и дорогая очистка ректификацией дает металл чистотой 99,995% и позволяет извлекать кадмий.

Основной способ получения цинка - электролитический (гидрометаллургический). Обожженные концентраты обрабатывают серной кислотой; получаемый сульфатный раствор очищают от примесей (осаждением их цинковой пылью) и подвергают электролизу в ваннах, плотно выложенных внутри свинцом или винипластом. Цинк осаждается на алюминиевых катодах, с которых его ежесуточно удаляют (сдирают) и плавят в индукционных печах. Обычно чистота электролитного цинка 99,95%, полнота извлечения его из концентрата (при учете переработки отходов) 93-94%. Из отходов производства получают цинковый купорос, Pb, Cu, Cd, Au, Ag; иногда также In (Индий), Ga (Галлий), Ge (Германий), Tl (Таллий)

6. Применение цинка

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).

Цинк используется в качестве материала для отрицательного электрода в химических источниках тока, то есть в батарейках и аккумуляторах, например: марганцево-цинковый элемент и т.д.

Очень важна роль цинка в цинк-воздушных аккумуляторах, которые отличаются весьма высокой удельной энергоёмкостью. Они перспективны для пуска двигателей (свинцовый аккумулятор - 55 Вт·ч/кг, цинк-воздух - 220--300 Вт·ч/кг) и для электромобилей.

Пластины цинка широко используется в полиграфии, в частности, для печати иллюстраций в многотиражных изданиях.

Цинк вводится в состав многих твёрдых припоев для снижения их температуры плавления.

Окись цинка широко используется в медицине как антисептическое и противовоспалительное средство. Также окись цинка используется для производства краски - цинковых белил.

Цинк - важный компонент латуни. Сплавы цинка с алюминием и магнием благодаря сравнительно высоким механическим и очень высоким литейным качествам очень широко используются в машиностроении для точного литья. В частности, в оружейном деле из сплава ЦАМ (Цинк - Алюминий - Медь) иногда отливают затворы пистолетов, особенно рассчитанных на использование слабых или травматических патронов.

Также из цинковых сплавов отливают всевозможную техническую фурнитуру, вроде автомобильных ручек, корпусы карбюраторов, масштабные модели и всевозможные миниатюры, а также любые другие изделия, требующие точного литья при приемлемой прочности.

Сульфид цинка используется при изготовлении люминофоров краткого послесвечения и других люминесцирующих составов, обычно, это смеси ZnS и CdS, активированные ионами других металлов. Люминофоры на базе сульфидов цинка и кадмия, также применяются в электронной промышленности для изготовления светящихся гибких панелей и экранов в качестве электролюминофоров и составов с коротким временем высвечивания.Теллурид, селенид, фосфид, сульфид цинка - широко применяемые полупроводники. Сульфид цинка - составная часть многих люминофоров. Фосфид цинка используется в качестве отравы для грызунов.Селенид цинка используется для изготовления оптических стёкол с очень низким коэффициентом поглощения в среднем инфракрасном диапазоне, например, в углекислотных лазерах. На разные применения цинка приходится:

цинкование - 45-60%

медицина (оксид цинка как антисептик) - 10%

производство сплавов - 10%

производство резиновых шин - 10%

масляные краски - 10%

7. Биологическая роль цинка

Цинк:

Необходим для продукции спермы и мужских гормонов.

Необходим для метаболизма витамина E.

Важен для нормальной деятельности простаты.

Участвует в синтезе разных анаболических гормонов в организме, включая инсулин, тестостерон и гормон роста.

Необходим для расщепления алкоголя в организме, так как входит в состав алкогольдегидрогеназы.

Содержание в продуктах питания

Среди продуктов, употребляемых в пищу человеком, наибольшее содержание цинка - в устрицах. Однако в тыквенных семечках содержится всего на 26% меньше цинка, чем в устрицах. Например, съев 45 граммов устриц, человек получит столько же цинка, сколько содержится в 60 граммах тыквенных семечек. Практически во всех хлебных злаках цинк содержится в достаточном количестве и в легкоусваиваемой форме. Поэтому, биологическая потребность организма человека в цинке обычно полностью обеспечивается ежедневным употреблением в пищу цельнозерновых продуктов (нерафинированного зерна) (таблица).

Таблица Содержание цинка в продуктах

Недостаток цинка в организме приводит к ряду расстройств. Среди них: раздражительность, утомляемость, потеря памяти, депрессивные состояния, снижение остроты зрения. Так же уменьшение массы тела, накопление в организме некоторых элементов (железа, меди, кадмия, свинца), снижение уровня инсулина, аллергические заболевания, анемия и другие.

Для оценки содержания цинка в организме определяют его содержание в волосах, сыворотке и цельной крови.

8. Токсичность цинка

При длительном поступлении в организм в больших количествах все соли цинка, особенно сульфаты и хлориды, могут вызывать отравление из-за токсичности ионов Zn2+. 1 грамма сульфата цинка ZnSO4 достаточно, чтобы вызвать тяжелое отравление. В быту хлориды, сульфаты и оксид цинка могут образовываться при хранении пищевых продуктов в цинковой и оцинкованной посуде.

Отравление ZnSO4 приводит к малокровию, задержке роста, бесплодию.

Отравление оксидом цинка происходит при вдыхании его паров. Оно проявляется в появлении сладковатого вкуса во рту, снижении или полной потере аппетита, сильной жажде. Появляется усталость, чувство разбитости, стеснение и давящая боль в груди, сонливость, сухой кашель.

Заключение

В данной работе были рассмотрены вопросы открытия цинка, его основные свойства, получение и применение. Цинк - это элемент 2 группы, четвёртого периода Периодической системы Менделеева, порядковый номер 30.

Цинк (Zn), металл синевато-белого цвета, обладающий металлическим блеском. На воздухе его поверхность покрывается оксидной пленкой и тускнеет.

Применение цинка в промышленности весьма велико. Цинк, производимая в 34 странах мира (в том числе и России). Пользуется высоким спросом на мировом рынке и экспортируется во многие страны мира.

Нехватка цинка в организме может привести к замедлению роста, ослаблению иммунитета, дисфункции половых органов, выпадению волос, потере аппетита, дерматитам.

Без цинка невозможно быть здоровым.

Источники информации

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A6%D0%B8%D0%BD%D0%BA

2. http://ido.tsu.ru/schools/chem/data/res/neorg/uchpos/text/g4_7_3.html

3. Химия. Учебник для вузов. Гуров А.А., Бадаев Ф.З.

4. Химия. Избранные разделы общей, физической и коллоидной химии. О.В. Андрюшкова, Т.И. Вострикова.

Размещено на Allbest.ru