Химические свойства цинка и его соединений. Что такое цинк? Формула, соединения цинка

Цинк является типичным представителем группы металлических элементов и обладает всем спектром их характеристик: металлическим блеском, пластичностью, электро- и теплопроводностью. Однако химические свойства цинка несколько отличаются от основных реакций, присущих большинству металлов. Элемент при определенных условиях может вести себя как неметалл, например, реагировать со щелочами. Такое явление называется амфотерностью. В нашей статье мы изучим физические свойства цинка, а также рассмотрим типичные реакции, характерные для металла и его соединений.

Положение элемента в периодической системе и распространение в природе

Металл располагается в побочной подгруппе второй группы периодической системы. В нее, кроме цинка, входят кадмий и ртуть. Цинк относится к d-элементам и находится в четвертом периоде. В химических реакциях его атомы всегда отдают электроны последнего энергетического уровня, поэтому в таких соединениях элемента, как оксид, средние соли и гидроксид, металл проявляет степень окисления +2. Строением атома объясняются все физико-химические свойства цинка и его соединений. Общее содержание металла в почве составляет примерно 0,01вес. %. Он входит в состав минералов, например, таких как галмей и цинковая обманка. Так как содержание цинка в них невысокое, сначала горные породы подвергаются обогащению, которое проводится в шахтных печах. Большинство цинксодержащих минералов представляют собой сульфиды, карбонаты и сульфаты. Это соли цинка, химические свойства которых лежат в основе процессов их переработки, например, таких как обжиг.

Получение металла

Реакция жесткого окисления карбоната или сульфида цинка приводит к получениюего оксида. Процесс происходит в кипящем слое. Это специальный метод, основанный на тесном контакте мелкоизмельченного минерала и струи горячего воздуха, движущейся с большой скоростью. Далее оксид цинка ZnO восстанавливают коксом и удаляют образовавшиеся пары металла из сферы реакции. Еще один способ получения металла, основанный на химических свойствах цинка и его соединений - это электролиз раствора сульфата цинка. Он представляет собой окислительно-восстановительную реакцию, проходящую под действием электрического тока. Металл высокой чистоты при этом осаждается на электроде.

Физическая характеристика

Голубовато-серебристый, при обычных условиях хрупкий металл. В интервале температур от 100° до 150° цинк становится гибким и его можно прокатывать в листы. При нагревании выше 200° металл становится необычайно хрупким. Под действием кислорода воздуха куски цинка покрываются тонким слоем оксида, а при дальнейшем окислении он превращается в гидроксокарбонат, который играет роль протектора и препятствует дальнейшему взаимодействию металла с кислородом воздуха. Физические и химические свойства цинка взаимосвязаны. Рассмотрим это на примере взаимодействия металла с водой и кислородом.

Жесткое окисление и реакция с водой

При сильном нагревании на воздухе цинковые стружки сгорают голубым пламенем, при этом образуется оксид цинка.

Он проявляет амфотерные свойства. В парах воды, разогретых до температуры красного каления, металл вытесняет водород из молекул Н 2 О, кроме этого, образуется оксид цинка. Химические свойства вещества доказывают его способность взаимодействовать как с кислотами, так и со щелочами.

Окислительно-восстановительные реакции с участием цинка

Так как элемент в ряду активности металлов стоит перед водородом, он способен вытеснять его из молекул кислот.

Продукты реакции между цинком и кислотами будут зависеть от двух факторов:

• вида кислоты
• ее концентрации

Оксид цинка

Белый пористый порошок, желтеющий при нагревании и возвращающий свой первоначальный цвет при охлаждении - это окись металла. Химические свойства оксида цинка, уравнения реакций его взаимодействия с кислотами и щелочами подтверждают амфотерный характер соединения. Так, вещество не может реагировать с водой, но взаимодействует как с кислотами, так и со щелочами. Продуктами реакций будут средние соли (в случае взаимодействия с кислотами) или комплексные соединения - тетрагидроксоцинкаты.

Оксид цинка применяют в производстве белой краски, которую называют цинковыми белилами. В дерматологии вещество входит в состав мазей, присыпок и паст, оказывающих на кожу противовоспалительное и подсушивающее действие. Большая же часть производимого оксида цинка применяется в качестве наполнителя для резины. Продолжая изучать химические свойства цинка и его соединений, рассмотрим гидроксид Zn(OH) 2 .

Амфотерный характер гидроксида цинка

Белый осадок, выпадающий под действием щелочи на растворы солей металла - это основание цинка. Соединение быстро растворяется под действием кислот или щелочей. Первый тип реакции заканчивается образованием средних солей, второй - цинкатов. В твердом виде выделены комплексные соли - гидроксоцинкаты. Особенностью гидроксида цинка является его способность растворяться в водном растворе аммиака с образованием гидроксида тетраамминцинка и воды. Основание цинка является слабым электролитом, поэтому как его средние соли, так и цинкаты в водных растворах поддаются гидролизу, то есть их ионы взаимодействуют с водой и образуют молекулы гидроксида цинка. Растворы таких солей металла, как хлорид или нитрат, будут иметь кислую реакцию вследствие накопления избытка ионов водорода.

Характеристика сульфата цинка

Рассмотренные нами ранее химические свойства цинка, в частности, его реакции с разбавленной сульфатной кислотой, подтверждают образование средней соли - сернокислого цинка. Это бесцветные кристаллы, нагревая которые до 600° и выше, можно получить оксосульфаты и трехокись серы. При дальнейшем нагревании сернокислый цинк преобразуется в оксид цинка. Соль растворима в воде и глицерине. Вещество выделяют из раствора при температуре до 39°C в виде кристаллогидрата, формула которого ZnSO 4 ×7H 2 O. В этом виде его называют цинковым купоросом.

В интервале температур 39°-70° получают шестиводную соль, а выше 70° в составе кристаллогидрата остается только одна молекула воды. Физико-химические свойства сульфата цинка позволяют применять его в качестве отбеливателя при изготовлении бумаги, в виде минерального удобрения в растениеводстве, как подкормку в рационе домашних животных и птицы. В текстильной промышленности соединение используют в производстве вискозной ткани, в окрашивании ситца.

Сернокислый цинк входит также в состав раствора электролита, применяемого в процессе гальванического покрытия слоем цинка железных или стальных изделий диффузным способом или методом горячего оцинкования. Слой цинка в течение длительного времени защищает такие конструкции от коррозии. Учитывая химические свойства цинка, нужно отметить, что в условиях высокой солености воды, значительных колебаний температуры и влажности воздуха оцинкование не дает желаемого эффекта. Поэтому в промышленности нашли широкое применение сплавы металла с медью, магнием и алюминием.

Применение сплавов, содержащих цинк

Для транспортировки многих химических веществ, например, аммиака, по трубопроводам, необходимы особые требования к составу металла, из которого изготовлены трубы. Они изготавливаются на основе сплавов железа с магнием, алюминием и цинком и обладают высокой антикоррозионной устойчивостью к действию агрессивной химической среды. Кроме этого, цинк улучшает механические свойства сплавов и нивелирует вредное влияние таких примесей, как никель и медь. В процессах промышленного электролиза широкое применение получили сплавы меди и цинка. Для транспортировки продуктов нефтепереработки используют танкеры. Они построены из алюминиевых сплавов, содержащих, кроме магния, хрома и марганца, большую долю цинка. Материалы такого состава обладают не только высокими антикоррозионными свойствами и повышенной прочностью, но еще и криогенной стойкостью.

Роль цинка в организме человека

Содержание Zn в клетках составляет 0,0003%, поэтому его относят к микроэлементам. Химические свойства, реакции цинка и его соединений играют важную роль в обмене веществ и поддержании нормального уровня гомеостаза, как на уровне клетки, так и всего организма в целом. Ионы металла входят в состав важных ферментов и других биологически активных веществ. Например, известно, о серьезном влиянии цинка на формирование и функции мужской половой системы. Он входит в состав кофермента гормона тестостерона, отвечающего за фертильность семенной жидкости и формирование вторичных половых признаков. Небелковая часть еще одного важнейшего гормона - инсулина, вырабатываемого бета-клетками островков Лангерганса поджелудочной железы, также содержит микроэлемент. Иммунный статус организма тоже напрямую связан с концентрацией в клетках ионов Zn +2 , которые находятся в гормоне тимуса - тимулине и тимопоэтине. Высокая концентрация цинка регистрируется в структурах ядра - хромосомах, содержащих дезоксирибонуклеиновую кислоту и участвующих в передаче наследственной информации клетки.

В нашей статье мы изучили химические функции цинка и его соединений, а также определили его роль в жизнедеятельности организма человека.

Цинк - элемент периодической системы 2 подгруппы 4 периода с атомным номером 30 и атомным весом 65,39.

Хрупкий переходный метал цинк.

• Прямое влияние на химические свойства цинка оказывает его отношение к блоку d-элементов. Данная группа образует химические связи только внешними электронами d-орбитали. Поэтому элемент имеет характерную степень окисления +2 и схожесть со свойствами магния.
• Гексагональная решетка цинка была описана еще в Швейцарии в XVI веке и упоминалась как «кристалловидные иглы». Металл переходного типа в своих разновидностях имеет множество изотопов. Самый стабильный из радиоактивных — 65 zn с периодом полураспада в 245 суток.
• Металлический цинк в обычных условиях - это хрупкое вещество. Его плотность составляет 7,13 г/см³. На свету присущий всем металлам блеск отливает голубовато-серым цветом. Температура плавления начинается от 46 °C, а температура кипения - от 906 °C. Проявляя амфотерные свойства, элемент уступает по активности только щелочноземельным металлам. Окислительно-восстановительный потенциал равен 0,76 B.
  
  Цинк является коррозиестойким металлом. В интервале водородного показателя кислотности pH 9–11 наблюдается максимальная устойчивость. В атмосферных условиях коррозия не протекает из-за появления на поверхности защитной пленки - оксида цинка. Коррозия будет проходить с применением водородной или кислородной деполяризации.

Роль в металлургии

Гидро- и пирометаллургический процессы - наиболее распространенные способы производства металлического цинка из руды. В своих свойствах ничем не уступает хрому в качестве антикоррозионного покрытия. Половина всего производимого цинка затрачивается именно для нанесения защитного слоя для железа и стали.

Антикоррозийное применение цинка.

За счет низкой температуры плавления цинка и его сплавов с другими металлами появляется проблема чувствительности к перегреву. Поэтому чрезмерный перегрев в производстве вызывает нарушение процесса с последующим окислением сплава. Наиболее распространенными считаются сплавы с медью (латунь), а также со свинцом. Их повсеместно используют в технике, щелочных аккумуляторах, гальванических элементах и сплавах с другими благородными металлами.

Характеристика свойств элемента меняется под влиянием примесей. К примеру: тройная эвтектика сплава свинца и цинка с примесью олова плавится гораздо легче самого цинка и разрушается под горячим давлением. Добавление в состав цинка всего 0,2% железа в несколько раз повышает его хрупкость. Труднорастворимые в элементе висмут и мышьяк вообще отрицательно сказываются на технологических характеристиках получаемого вещества.

В промышленности восстанавливающие свойства элемента имеют важную функцию. Он принимает участие в осаждении золота из растворов, в производстве гидросульфита, добыче из руды меди и кадмия.

Реакции с элементами

Взаимодействие с кислотами

Хорошая реакция цинка с большинством кислот обусловлена его положением по отношению к водороду в электрохимическом ряду активности металлов. Так образуется множество важных цинковых солей. Эти соли преимущественно бесцветные, представляют гигроскопичные кристаллы, растворы которых вследствие гидролиза имеют кислотную среду. В случае с солями других металлов он будет также вытеснять их из раствора, если они стоят в ряду напряжения правее от элемента.

При взаимодействии с кислотами образуются соли цинка.

В растворе элемента с серной кислотой при температуре ниже 38 °C образуется цинковый купорос, научное название которого сульфат ZnSO4. Его используют в производстве вискозы, некоторых отраслях металлургии, в медицине как обеззараживающее средство. Хлорид ZnCl2 получают из раствора соляной кислоты с цинком. Его используют в производстве батареек, антисептической пропитке дерева и бумажной фибры.

Производные соединения

1. Цинк и его амфотерные свойства передаются гидроксидам цинка Zn (OH)2. Этим веществам присуще химическое поведение кислот и оснований одновременно. Получить гидроксид в виде белого осадка можно действием щелочи на сульфат. В естественном состоянии гидроксид - это кристалловидное вещество, разлагающееся при температуре свыше 130 °C. Применяется для синтеза солей цинка.
2. Эффектным можно назвать старый способ добычи оксида ZnO, именуемый ранее как «французский процесс». В присутствии сильно нагретого воздуха вокруг пластины элемента начнут выделяться пары цинка, которые затем воспламеняются голубоватым светом, образуя оксид. На крупном производстве его добывают из природного минерала цинкита. Кроме того, для производства оксида широко применяют термическое разложение более сложных соединений, как, например, гидроксида.
3. Бесцветный белый порошок оксида, не растворяющийся в воде, выражает свою химическую двойственность. При сплавлении оксида цинка со щелочами получают цинкаты. При сплавлении с оксидами - силикаты. Собственная теплопроводность позволяет ему быть полупроводником, ширина запрещенной зоны которого равна 3,36 эВ. Оксид имеет широкий спектр применения в химической промышленности, став наполнителем многих пластмасс. В электронике без него не обходится ни одна лучевая трубка телевизора. Он также входит в состав большинства дерматологических мазей.
   

Без «защиты» их съедает коррозия. Спасает именно цинк . Бело -голубой металл наносят на основу тонкой пленкой.

На слуху прилагательное «оцинкованный ». Его часто подставляют к словам: — ведра, покрытия для крыш, проволока. В таблице химических элементов цинк находится перед .

Это значит, что он более активен, то есть первым вступает в реакции с воздухом.

Коррозия, как известно, вызывается именно соприкосновением влаги из атмосферы с металлом.

Металл цинк первый берет на себя удар, спасая металл, расположенный под ним. Поэтому, ведра именно оцинковывают, а не , покрывают или .

Эти элементы в расположены после железа. Они дождутся, пока этот металл разрушится и, уже потом начнут распадаться сами.

Атомный номер цинка – 30. Это цифра 2-ой группы 4-го периода таблицы химических веществ. Обозначение металла – Zn.

Он составная часть горных руд, минералов, переносится водой и, даже содержится в живых тканях.

Так, к примеру, металл активно накапливают некоторые разновидности фиалок. Но, выделить чистый цинк удалось лишь в 18-ом столетии.

Сделал это немец Андреас Сигизмунд Маргграф. Он прокалил смесь оксида цинка с .

Опыт удался, потому что проводился без доступа воздуха, то есть кислорода. Резервуаром для реакции стал огнеупорный сосуд из .

Полученные металлические пары химик поместил в холодильник. Под воздействием низких температур частицы цинка осели на его стенки.

Месторождения и добыча цинка

Теперь же каждый год в мире добывают около 10-ти миллионов тонн голубоватого металла в чистом виде. Его содержание в земной коре 6-9%.

Проценты эти распределили между собой 50 стран. В лидерах Перу, США, Канада, Узбекистан, , но больше всего месторождений цинка в Австралии и .

На каждую из этих стран приходится примерно 3 десятка миллионов тонн металла с порядковым номером 30.

Однако, в будущем на первое место в рейтинге может встать океан. Основные запасы цинка сосредоточенны в его водах, на его дне.

Разрабатывать, правда, морское месторождение еще не научились. Технологии есть, но они слишком дорогостоящие.

Поэтому практически 3 миллиона тонн цинка так и лежат на дне Красного моря, не говоря уже о запасах Карибского бассейна и Срединно-Атлантического хребта.

Применение цинка

Цинк нужен . Металл добавляют в на основе . Минимальные дозы цинка делают их тягучими, легко поддающимися , послушными в руках мастера.

30-ый элемент также осветляет изделие, поэтому часто используется для создания, так называемого, .

Однако, с цинком главное не переборщить. Даже 3 десятых содержания металла в сделает непрочным, хрупким.

Снижает металл и температуру плавления сплава. Соединения меди с цинком, открытые, еще в древнем Египте, применяют в производстве . Сплав дешевый, легко поддается обработке, привлекательно выглядит.

Из-за невысокой температуры плавления цинк стал «героем» микросхем и всевозможных .

Он, как и олово, легко и прочно соединяет мелкие детали между собой. При низких температурах металл хрупок, но уже при 100-150 градусах становится тягучим, податливым.

Этим физическим свойством цинка и пользуются промышленники и мастера кустарного производства.

Интересно, что при еще большем накале, к примеру, до 500-та градусов, элемент снова превращается в ломкий и ненадежный.

Низкая планка плавления финансово выгодна промышленникам. Топлива надо меньше, переплачивать за дорогостоящее оборудование нет необходимости.

Экономят и на обработке полученных «отливок» из цинка. Их поверхность зачастую даже не требует дополнительной полировки.

Металл активно используют в автомобильной отрасли. Сплавы на основе цинка идут на ручки дверей, кронштейны, декор салона, замки, оформление зеркал, корпуса стеклоочистителей.

В автомобильном сплаве цинка высок процент . Последний, делает соединение более износостойким и прочным.

Окись цинка добавляют в автомобильные покрышки. Без нее резина получается низкого качества.

Ведущую роль в экономике многих стран играют чугун и . Их производство немыслимо без цинка. В латуни его от 30-ти до 50-ти процентов (в зависимости от разновидности сплава).

Латунь идет не только на дверные ручки. Из нее изготавливают и посуду, для , смесителей и высокотехнического оборудования для заводов разных профилей.

Широко используют и цинковые листы . Они – основа печатных форм в полиграфии.

Листы идут на изготовление источников тока, труб, покрытий для крыш и желобов для сточных вод.

Цинк – составная часть многих красителей. Так, окись цинка используют как белую краску. Кстати, именно такое покрытие используют в космонавтике.

Для ракет, спутников необходимы красители отражающие свет, а это лучше всего делают составы на основе цинка.

Он незаменим и в деле борьбы с радиацией. Под ее лучами сульфид металла вспыхивает, выдавая присутствие опасных частиц.

Позарились на элемент цинк и фармацевты. Цинк – антисептик . Его добавляют в мази для новорожденных, заживляющие составы.

Более того, некоторые медики уверены, что цинк, вернее, его недостаток, вызывает шизофрению.

Поэтому, заклинают врачи, обязательно надо употреблять продукты, содержащие металл.

Больше всего цинка в морепродуктах. Не зря же залежи металла хранятся в океанских глубинах.

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

ПРИМЕР 2

Цинк - самый молодой из тяжелых цветных металлов, и если в начале XIX в. его производство не превышало 900 т в год, то в настоящее время производство цинка только в зарубежных странах составляет около 6 млн. т в год.

Цинк занимает особое место среди металлов, применяемых в промышленности. Как конструкционный материал нелегированный цинк не нашел широкого применения, так как обладает недостаточно благоприятным комплексом механических, физических и технологических свойств. Однако дополнительное легирование цинка различными элементами существенно повышает вышеуказанные свойства и характеристики. Поэтому значительная часть цинка (до 20%) идет на приготовление цинковых сплавов, в которых основными легирующими компонентами являются алюминий и медь; широко используется цинк и для производства медных сплавов (латуни).

В зависимости от марки цинк используют для цинкования стали, получения цинковых сплавов, изготовления цинковых полуфабрикатов, а также для получения цинковых соединений.

Примерно 30% цинкового проката составляют цинковые листы общего назначения, которые подразделяются по толщине на четыре группы: 0,15-0,4 мм; 0,5-0,9 мм; 1,0-1,2 мм; 1,5 мм и более. Цинковые листы используют при изготовлении химических источников тока, оцинкованной посуды и др. Из цинковых листов изготавливают печатные формы к ротационным машинам в полиграфической промышленности. Цинковые аноды применяют для оцинкования деталей гальваническим способом. Большое количество цинковых листов расходуется в строительстве на кровельные покрытия, на изготовление труб, сточных желобов.

Наиболее широкое распространение цинк получил в качестве покрытия для предотвращения коррозии железа и сплавов на его основе (сталей). Для этой цели расходуется до 50 % получаемого промышленностью цинка. Цинкование - нанесение цинка или его сплавов на поверхность металлического изделия - применяется для защиты от коррозии стальных листов, проволоки, ленты, крепежных деталей, деталей машин и приборов, арматуры и трубопроводов.

Первоначально цинковое покрытие получали методом погружения детали в расплавленный цинк, так называемым горячим методом, который для крупногабаритных изделий, например трубопроводов, не потерял своего значения и в настоящее время. Для получения тонких цинковых покрытий чаще всего применяют электролитическое цинкование деталей. Оба рассмотренных метода выполнимы только в цеховых условиях. Для улучшения защитных свойств цинковых покрытий и продления срока их службы поверхность покрытий дополнительно пассивируют (фосфатируют, хроматируют), промасливают или окрашивают. На основании высоких защитных свойств цинковых покрытий были проделаны работы, направленные на создание способов их нанесения не в цеховых условиях, а на объекте без демонтажа изделий. Были созданы газотермические и другие способы напыления. Но хотя их применение позволило резко улучшить свойства покрытий, проблема упрощения нанесения покрытий оставалась не до конца разрешенной в условиях эксплуатации металлоконструкций и изделий. В связи с этим представляло интерес создание способов нанесения цинковых покрытий, по своей простоте и доступности не отличающихся от способов нанесения лакокрасочных материалов.

Были разработаны и получили достаточно широкое распространение цинкполимерные и цинксиликатные материалы, содержание цинка в которых составляет от 80 до 98 %. Такие цинксодержащие материалы наносят на защищаемые конструкции с помощью установок для распыления лакокрасочных материалов. Получаемые покрытия обладают более высокими изолирующими свойствами, чем металлические цинковые покрытия, повышают надежность защиты конструкций от коррозии и позволяют расширить области применения цинка и его сплавов для неконструкционных целей. Следует отметить, что цинкнаполненные покрытия могут служить для восстановления нарушенных участков металлических покрытий непосредственно на металлоконструкциях и изделиях без их демонтажа.

Цинковые покрытия получили широкое применение для различных металлоконструкций и изделий, эксплуатирующихся при коррозионном воздействии природных сред - атмосферы, морской, речной, озерной, пластовой, подтоварной воды, грунта, а также нейтральных и слабощелочных водных растворов. В зависимости от свойств коррозионной среды и состава металлических покрытий или осуществляется защита от коррозии путем изоляции поверхности, или проявляется протекторное действие покрытий при их нарушении. Цинкнаполненные покрытия позволили распространить применение цинка для крупногабаритных конструкций, например стационарных морских сооружений, танков и цистерн судов, плавучих и стационарных морских платформ, строительных сооружений, протяженных трубопроводов и коммуникаций и многих других металлоконструкций и изделий.

Одной из основных отраслей, потребляющих оцинкованный лист, является строительная индустрия: на нужды строительства расходуется до 65 % всего оцинкованного металла. Крупным потребителем оцинкованной стали является автомобильная промышленность. Преимущество применения оцинкованных листов в автомобильной и других отраслях промышленности в том, что создаются благоприятные условия для комплексной защиты стали от коррозии при наложении на металлическое покрытие слоя краски. Цинковое покрытие-идеальная основа под покраску, так как образующийся в местах пор основной карбонат цинка по объему мало отличается от цинка и поэтому не вызывает разрушения слоя краски.

На автомобильных заводах из оцинкованных полос и листов изготавливают днища, бензобаки, крышки багажников, надколесные кожухи, двери, глушители и др.

Потребление оцинкованных листов на душу населения составило в 1960 г.: в США 15,6 кг, в Японии 7,7 кг, в Англии 4,0 кг, по Франции 3,2 кг, в ФРГ 2,3 кг. К 1985 г. потребление продукции этого вида должно возрасти более чем в 3 раза.

Широкое применение находит цинк в виде разнообразных соединений. Некоторые соединения цинка служат красками, например окись цинка (цинковые белила), литопон (смесь сульфата бария и сульфида цинка). Краска, приготовленная из сульфида цинка, оказалась наилучшей для покрытия космических кораблей, так как она обладает наилучшими отражательными свойствами. Очень важным свойством обладает сульфид цинка, вспыхивающий под действием а-, в- и у-лучей, что позволяет использовать его для обнаружения всех типов радиации. Сульфид цинка, легированный медью и серебром, обладает люминесцентными свойствами и в смеси с сульфидом кадмия широко применяется для изготовления телевизионных трубок и экранов.

Сульфат и хлорид цинка применяют в медицине в качестве антисептических средств. Безводный хлорид цинка часто используют как дегидратирующее средство при проведении разнообразных реакций конденсации в органической химии; его широко используют в производстве органических красителей, ситцепечатании, для пропитки древесины. Двойную соль - аммонийцинкхлорид (NH 4) 2 ZnCl 2 -используют для паяльных целей. Окись цинка широко используют при производстве резины. Она улучшает качество резиновых шин и ряда других резиновых изделий.

В США в последние годы цинк находит широкое применение в качестве покрытия стартовых конструкций для запуска ракет. Огромное количество тепла, выделяющегося при сгорании топлива в ракете, частично поглощается при испарении цинкового покрытия, чем предохраняются от разрушения металлические части стартовых конструкций. Цинк употребляют в так называемых стабилизирующих устройствах, которые корректируют отклонения спутников при движении в космосе. Цинковые соединения широко используют в качестве источников энергии в космических кораблях (цинк-серебряные оксидные батареи).

В последнее время цинк получил заслуженное признание как основа протекторного материала, используемого в системах электрохимической защиты корпусных конструкций судов, нефтяных резервуаров, судовых систем, аппаратов и других металлоконструкций.

Основное назначение цинка - получение цинковых сплавов, цинковые сплавы в литейном производстве широко используются для изготовления отливок методом литья под давлением.

Цинковые сплавы плавят в пламенных и электрических тигельных печах и индукционных печах промышленной частоты с железным сердечником. Шихту готовят из свежих металлов, переплава отходов (до 60-70%) известного химического состава и лигатур (алюминий - медь, алюминий - магний и медь - алюминий).

Плавка цинковых сплавов производится в следующей последовательности: в разогретую до 400° С печь загружают переплав отходов, лигатуры, цинк и засыпают хорошо прокаленный древесный уголь. После расплавления тщательно перемешивают металл и при необходимости загружают оставшуюся часть цинка. Температура во время плавки не должна превышать 480° С. После полного расплавления металл вновь перемешивают и разливают в изложницы при температуре 400-460° С.

Наряду с известными областями и масштабами использования нелегированного цинка сплавы на основе цинка также находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства в качестве как конструкционного материала, так и неконструкционного.

В качестве конструкционного материала цинковые сплавы главным образом применяются: в приборостроении, в полиграфической промышленности, в авиационной промышленности, в автомобильной промышленности, в судостроении, для изготовления предметов домашнего обихода.

В качестве неконструкционного материала цинковые сплавы применяются: для литья анодов-протекторов, для изготовления припоев в производстве подшипников и гальванических элементов, как покрытия стальных листов.

Изделия, полученные различными способами литья и деформации, широко применяются в приборостроении, судостроении, авиационной, автомобильной и других отраслях промышленности. Успешное использование цинковых сплавов для конструкционных и неконструкционных целей обусловлено их физико-химическими, технологическими и эксплуатационными свойствами. Так, низкая температура плавления и высокие литейные свойства цинковых сплавов позволяют при литье под давлением и в кокиль получать отливки высокой прочности с поверхностью хорошего качества, практически не требующей дополнительной обработки. Благодаря указанным свойствам доля отливок из цинковых сплавов в общем объеме отливок, получаемых литьем под давлением, достаточно высока. Например, в автомобилестроении литейные цинковые сплавы применяют для отливок корпусов карбюраторов, насосов, рам спидометров, решеток радиаторов, различных декоративных деталей и т.п.

Цинковые сплавы также используют для отливки деталей стиральных машин, пылесосов, оборудования для кухни, конторских машин, корпусов электрических часов, печатных машин, кассовых аппаратов, смесителей для приготовления напитков и т.п. Для защиты от коррозии на поверхность цинковых отливок наносят защитные покрытия (краски, эмали, пластмассы). Хорошим защитным эффектом обладают электролитические покрытия медью, никелем и хромом. Полуфабрикаты из деформируемых цинковых сплавов достаточно легко подвергаются прессованию, прокатке и штамповке.

Цинковые полированные листы используют в полиграфической промышленности для изготовления печатных форм (клише) путем однократного травления.

В работе отмечается, что использование цинк-алюминиевых сплавов в производстве более выгодно экономически, чем алюминиевых сплавов и латуней. Указанные сплавы, имея высокую твердость, нашли широкое применение для изготовления деталей, работающих в условиях абразивного износа. В связи с тем что сплавы не дают искрения, их можно использовать в огнеопасных производствах (шкивы, звездочки в шахтных подъемниках и т.п.). Кроме того, сплавы можно применять на производствах, где имеются пары бензина, т.е. с повышенной пожароопасностью. Эти сплавы могут работать также в подшипниках, заменяя латунь и бронзу.

В работе приводятся данные об использовании цинковых сплавов для получения высокоточных деталей стабильного качества с тонким рельефом. При переходе на изготовление из цинкового литья вентильных деталей газовой горелки, которые ранее вытачивались из латуни, произошло понижение стоимости изделий в 6 раз. Здесь же отмечается, что применение цинковых отливок для изделий радиопромышленности взамен пластмассовых деталей обеспечивает лучшее качество резьбы, повышает прочность и жесткость изделий, а также дает возможность заземлять изделия в радиоаппаратуре.

Цинковые сплавы успешно заменяют сплавы из литейного и ковкого чугуна, бронзы и некоторых алюминиевых сплавов.

Особое место занимают цинковые протекторные сплавы. В настоящее время они являются незаменимыми для целого ряда сложных и дорогостоящих конструкций практически во все развитых странах. Благодаря своим отличительным свойствам, которых не имеют другие протекторные материалы (сплавы на основе магния, алюминия, марганца), цинковые протекторные сплавы применяются в качестве протекторов для защиты от коррозии в морской, подтоварной, пластовой и других природных средах внутренней поверхности взрыво-пожароопасных помещений - танкеров и цистерн нефтеналивных судов, топливно-балластных цистерн судов всех назначений, нефте-резервуаров, судовых трубопроводов и систем, магистральных подземных нефтяных и газовых трубопроводов, ограниченных объемов и полостей, различных герметичных объемов, где не допускается накопление водорода, и других конструкций.

При многообразии условий эксплуатации протекторов электрохимические характеристики цинковых сплавов определяются величиной анодной плотности тока (рис.41), причем в подавляющем большинстве случаев рабочие режимы составляют 1-4 А/м 2 (заштрихованные области на рис. 41), при которых сплавы имеют высокие и стабильные значения потенциала и токоотдачи.

Независимо от закономерностей изменения свойств цинковых сплавов (см. рис. 41) для практического их применения нужны конструкции протекторов с заданным сроком службы и необходимой зоной защитного действия. Этих данных достаточно для проектирования и осуществления протекторной защиты. Вопросы эти имеют самостоятельное значение и достаточно хорошо освещены в литературе. Поэтому представляют интерес только данные, необходимые для грамотного применения протекторов из цинковых сплавов.

Несмотря на имеющуюся тенденцию к снижению выпуска отливок из цинковых сплавов, в дальнейшем прогнозируется рост их выпуска вследствие преимуществ этих сплавов при получении особо тонкостенных отливок и возможности нанесения хороших гальванических покрытий.

Администрация Общая оценка статьи: Опубликовано: 2012.08.15