ГОУ ВПО Кемеровський Державний Університет
Хімічний факультет
Кафедра неорганічної хімії
Реферат
ЦИНК І ДОСВІДИ З НИМ
Виконав: студентка гр. Х-051
Тарасова Ксенія
Перевірив: Кожухова Тетяна
Юріївна
Кемерово 2008
Цинк
Елемент цинк (Zn) у таблиці Менделєєва має порядковий номер 30. Він знаходиться в четвертому періоді другої групи. Атомна вага - 65,37.
Розподіл електронів по верствам 2-8-18-2.
Цинк являє собою синювато - білий метал, що плавиться при 419 ° С, а при 913 ° С перетворюється на пару; густина його дорівнює 7,14 г/см3. При звичайній температурі цинк досить крихкий, але при 100-110 ° С він добре гнеться й прокочується в листи. На повітрі цинк вкривається тонким шаром оксиду або основного карбонату, що оберігає його від подальшого окислення.
Вода майже не діє на цинк, хоча він і стоїть у ряду напруг значно лівіше водню. Це пояснюється тим, що утворюється на поверхні цинку при взаємодії з водою гідроокис практично нерозчинний і перешкоджає подальшому перебігу реакції. У розведених ж кислотах цинк легко розчиняється з утворенням відповідних солей.
Крім того, цинк подібно берилію та інших металів, що створює амфотерні гідроокису, розчиняється в лугах. Якщо нагріти цинк на повітрі до температури кипіння, то пари його запалали і згоряють зеленувато-білим полум'ям, утворюючи оксид цинку.
Трохи історії
Сполуки цинку і його сплави відомі людству з глибокої давнини, металевий ж цинк був отриманий значно пізніше, ніж залізо, свинець і олово. Ця обставина пояснюється тим, що звичайні способи плавлення руди з вугіллям тут не досягали мети; щоб відновити цинк, його треба швидко нагріти до температури близько 1000 градусів, але при цьому він кипить і у вигляді пари втрачається разом із димовими газами. Тільки після того як навчилися конденсувати пари цинку в глиняному посуді, стало можливим отримання металу у вільному стані. Вважають, що такий дистиляційний спосіб отримання вільного цинку вперше був винайдений у Китаї.
Латунь (сплав міді з цинком) була відома грекам, індусам та іншим народам Сходу, вживали її для виготовлення різних предметів домашнього побуту, художнього лиття й прикрас. Окремі предмети з латуні, що відносяться до періоду за 1500 років до н.е., були знайдені в Палестині. Приготування латуні відновленням особливої землі кадмію (так називали в давнину багато мінералів, що містять цинк, відмінність між якими не проводили) вугіллям у присутності міді описує Арістотель (384 - 322 рр.. До н.е.), Пліній Старший (23-79 рр.. н.е.) і Гомер. Пліній Старший І ст з Аназарбуса описує лікарські засоби, що містять сполуки цинку. Які вживалися для загоєння ран і при лікуванні очних хвороб.
У доісторичних дакійських руїнах у Трансільванії був знайдений ідол, відлитий зі сплаву, що містить 87% цинку. Отримання металевого цинку з галмея Zn4 (Si2O7) * H2O вперше описує Страбон (60 - 20 рр.. До н.е.). Цинк у цей період називали тутіей або фальшивим сріблом.
Завдяки досить складною виробленні цинку з руд в X-XI ст. н.е. мистецтво отримання цинку в Європі було втрачено, і він ввозився сюди під назвою індійського олова з Китаю та Індії.
В кінці XIII в. н.е. італійський мандрівник Марко Поло описав спосіб отримання металевого цинку в Персії. У 1637 році метод виплавки цинку і його властивості описуються в китайській книзі "Цієн конг кан у". Здавалося б, якщо метод отримання описаний у літературі, то його легко могли перейняти інші народи і застосовувати в себе на батьківщині. Але цього не сталося. Економічна і культурна роз'єднаність народів, слабкі транспортні зв'язки, а головне, прагнення багатьох вчених описувати свої відкриття незрозумілою мовою - все це перешкоджало швидкому поширенню технічних досягнень.
Вдруге отримання цинку в Європі стало відомо на початку XVI століття, коли про спосіб його виплавки згадують у своїх творах Георг Агрікола (1494-1555) і Теофраст Парацельс. Однак і після цього цинк в Європі був великою рідкістю, що тривало майже до кінця XVIII ст. Назва ж "цинк" походить від латинського слова, що позначає більмо або білий наліт, і вперше зустрічається в Парацельса в 1530 році.
Роберт Бойль назвав цинк "спелтером". У нас цинк І. Шлаттер (1736) називав "туціей", Ломоносов (1742) ввів назву "цинк", але вона не мала успіхом і цинк найчастіше називали "шпіаутер".
У 8-му виданні "Основ хімії" (1906) Д.І. Менделєєв вживає сучасна назва цинку, але поряд з цим ставить у дужках і інша його назва-"шпіаутер". З цього можна зробити висновок, що за часів Менделєєва стара назва цинку було досить поширене.
Металевий цинк
У XVI столітті були зроблені перші спроби виплавляти цинк у заводських умовах. Але виробництво "не пішло", технологічні труднощі виявилися нездоланними. Цинк намагалися одержувати точно також, як і інші метали. Руду обпалювали, перетворюючи цинк на оксид, потім цю окис відновлювали вугіллям.
Цинк, природно, відновлювався, взаємодіючи з вугіллям, але не виплавляється. Не виплавляли тому, що цей метал уже в плавильній печі випаровувався - температура його кипіння всього 906 ° С. А в печі було повітря.
Зустрічаючи його, пари активного цинку реагували з киснем, і знову утворювався вихідний продукт-окис цинку.
Налагодити цинкове виробництво в Європі вдалося лише після того, як руду почали відновлювати в закритих ретортах без доступу повітря.
Приблизно так само "чорнової" цинк одержують і зараз, а очищають його рафінуванням. Пірометаллургічним спосіб зараз отримують приблизно половину виробленого в світі цинку, а іншу половину-гідрометалургійним.
Чисто цинкові руди в природі майже не зустрічаються. Сполуки цинку (зазвичай 1-5% в перерахунку на метал) входять до складу поліметалевих руд. Отримані при збагаченні руди цинкові концентрати містять 48-65% цинку, до 2% міді, до 2% свинцю, до 12% заліза.
Складний хімічний і мінералогічний склад руд, що містять цинк, був однією з причин, за якими цинкове виробництво народжувалося довго і важко. У переробці поліметалічних руд і зараз ще є невирішені проблеми.
При різкому охолодженні пари цинку відразу ж, минаючи рідкий стан, перетворюються на тверду пил. Це дещо ускладнює виробництво, хоча елементарний цинк вважається нетоксичним. Часто буває потрібно зберегти цинк саме у вигляді пилу, а не перерплавлять його в злитки.
У піротехніці цинковий пил застосовують, щоб отримати блакитне полум'я. Цинковий пил використовується у виробництві рідкісних і благородних металів. Зокрема, таким цинком витісняють золото й срібло з ціаністих розчинів. Як не парадоксально, але при отриманні самого цинку (і кадмію) гідрометалургійним способом застосовується цинковий пил-для очищення розчину сульфату міді і кадмію. Але це ще не все. Ви ніколи не замислювалися, чому металеві мости, прольоти заводських цехів та інші великогабаритні вироби з металу найчастіше забарвлюють у сірий колір? Головна складова частина застосовуваної у всіх цих випадках фарби - все та ж цинковий пил. Змішана з окисом цинку і лляною олією, вона перетворюється на фарбу, яка відмінно оберігає від корозії. Ця фарба до того ж дешева, пластична, добре прилипає до поверхні металу і не відшаровується при температурних перепадах. Мишачий колір швидше гідність, ніж недолік. Вироби, які покривають такою фарбою, повинні бути не марки і в той же час охайні.
На властивостях цинку сильно позначається ступінь його чистоти. При 99,9 і 99,99% чистоти цинк добре розчиняється в кислотах. Але варто "додати" ще одну дев'ятку (99,999%), і цинк стає нерозчинним у кислотах навіть при сильному нагріванні. Цинк такої чистоти відрізняється й великою пластичністю, його можна витягати в тонкі нитки. А звичайний цинк можна прокатати в тонкі листи, лише нагріваючи його до 100-150 (С. Нагрітий до 250 (С і вище, аж до точки плавлення, цинк знову стає крихким - відбувається чергова перебудова його кристалічної структури. Листовий цинк широко застосовують у виробництві гальванічних елементів. Перший "вольтів стовп" складався з кружечків цинку і міді. І в сучасних хімічних джерелах струму негативний електрод найчастіше робиться з цинку.
Значна роль цього елемента в поліграфії. З цинку роблять кліше, що дозволяють відтворити у пресі малюнки та фотографії. Спеціально приготовлений і оброблений типографський цинк сприймає фотозображення. Це зображення в потрібних місцях захищають фарбою, і майбутнє кліше протравлюють кислотою. Зображення набуває рельєфності, досвідчені гравери підчищають його, роблять відбитки, а потім ці кліше йдуть у друкарські машини.
До поліграфічного цинку пред'являють особливі вимоги: перш за все він повинен мати мелкокристаллическую структуру, особливо на поверхні злитка. Тому цинк, призначений для поліграфії, завжди відливають у закриті форми. Для "вирівнювання" структури застосовують відпал при 375 (З подальшим повільним охолоджуванням і гарячої прокаткою. Строго лімітують і присутність у такому металі домішок, особливо свинцю. Якщо його багато, то не можна буде витравити кліше так, як це потрібно. Якщо ж свинцю менше 0 , 4%, то важко отримати потрібну мелкокристаллическую структуру. Ось по цій крайці і "ходять" металурги, прагнучи задовольнити запити поліграфії.
Сполуки цинку
Ще при перших спробах виплавити цинк із руди в середньовічних хіміків виходив білий наліт, який у книгах того часу називали подвійно: або "білим снігом" (nix alba), або "філософської шерстю" (lana philosophica). Неважко здогадатися, що це була окис цинку ZnO - речовина, яка є в житлі кожного міського жителя наших днів.
Цей "сніг", будучи замішаним на оліфі, перетворюється на цинкові білила - найрозповсюдженіші з усіх білил. Окис цинку потрібна не тільки для малярських справ, нею широко користуються багато галузей промисловості.
Скляна - для отримання молочного скла і (в малих дозах) для збільшення термостійкості звичайних стекол. У гумовій промисловості й виробництві лінолеуму окис цинку використовують як наповнювач. Відома цинкова мазь насправді не цинкова, а оксіноцінковая. Препарати на основі ZnO ефективні при шкірних захворюваннях.
Нарешті, з кристалічною окисом цинку пов'язана одна з найбільших наукових сенсацій 20-х років нашого століття. У 1924 році один із радіоаматорів міста Томська встановив рекорд дальності прийому. Детекторним приймачем він у Сибіру приймав передачі радіостанцій Франції й Німеччини, причому чутність була більш виразною, ніж у власників однолампових приймачів. Як це могло статися? Справа в тому, що детекторний приймач томського любителя був змонтований за схемою співробітника нижегородської радіолабораторії О.В. Лосєва.
Лосєв установив, що якщо в коливальний контур певним чином включити кристал окису цинку, то останній підсилюватиме коливання високої частоти і навіть порушувати незгасаючі коливання. У наші "веселі транзисторні дні" таке подія пройшла б майже непоміченим, але в 1924 році винахід Лосєва уявлялося революційним. Ось що говорилося в редакційній статті американського журналу "Radio-News", повністю присвяченій роботі нижегородського винахідника: "Винахід О. В. Лосева з Державної радіоелектричних лабораторії в Росії робить епоху, і тепер кристал замінить лампу!" Автор статті виявився провидцем: кристал справді замінив лампу, справедливість, це не Лосевський кристал окису цинку, а кристали інших речовин. Але, між іншим, серед широко вживаних напівпровідникових матеріалів є сполуки цинку. Це його селеніди і теллуріди, антимода і арсенід.
Ще більш важливе застосування деяких сполук цинку, передусім його сульфіду, для покриття світяться екранів телевізорів, осцилографів, рентгенівських апаратів. Під дією короткохвильового випромінювання або електронного променя сірчистий цинк набуває здатності світитися, причому ця здатність зберігається і після того, як припинилося опромінення. Резерфорд, вперше зіткнувшись з явищем післясвічення сірчистого цинку, скористався ним для підрахунку вилітають з ядра альфа-часток. У нескладному приборчике, спінтаріскопе, вдаряючись про екран, покритий сульфідом цинку, ці частинки висікали спалах, видиму оком. А якщо частинки падають на екран досить часто, то замість спалахів з'являється постійне світіння.
Біологічна роль цинку
Фармацевти і медики шанують багато сполук цинку. З часів Парацельса до наших днів у фармакопеї значаться очні цинкові краплі (0,25%-ний розчин ZnSO4). Як присипка здавна застосовується цинкова сіль стеаринової кислоти. Феносульфат цинку - добрий антисептик. Суспензія, до якої входять інсулін, протамін і хлорид цинку - новий ефективний засіб проти діабету, що діє краще, ніж чистий інсулін. І разом з тим багато сполук цинку, передусім його сульфат і хлорид, токсичні.
Цинк - один з важливих мікроелементів. І в той же час надлишок цинку для рослин шкідливий.
Біологічна роль цинку двояка і не до кінця з'ясована. Встановлено, що цинк - обов'язкова складова частина ферменту крові, карбоангідрази.
Цей фермент міститься в еритроцитах. Карбоангідраза прискорює виділення вуглекислого газу в легенях. Крім того, вона допомагає перетворити частину СО2 в іон НСО3, що грає важливу роль в обміні речовин.
Але навряд чи тільки карбоангидразой обмежується роль цинку в житті тварин і людини. І якби було так, то важко було б пояснити токсичність сполук цього елемента.
Відомо, що досить багато цинку міститься в отруті змій, особливо гадюк і кобр. Але в той же час відомо, що солі цинку специфічно пригнічують активність цих самих отрут, хоча, як показали досліди, під дією солей цинку отрути не руйнуються. Як пояснити таке протиріччя?
Вважають, що високий вміст цинку в отруті - це той засіб, яким змія від власного отрути захищається. Але таке твердження ще вимагає суворої експериментальної перевірки. Чекають з'ясування і багато тонких деталі загальної проблеми "цинк і життя".
Це цікаво!
Бурундучная руда.
Найбільш поширений мінерал цинку - сфалерит, або цинкова обманка ZnS. Різноманітні домішки надають цій речовині всілякі кольори. Мабуть, за це мінерал і називають обманкою. Цинкову обманку вважають первинним мінералом, з якого утворилися інші мінерали цього елемента: Смітсона ZnCO3, цинкіт ZnO, каламін 2ZnO * SiO2 * H2O. На Алтаї нерідко можна зустріти смугасту "бурундучную" руду - суміш цинкової обманки і бурого шпату. Шматок такої руди видали дійсно схожий на зачаївся смугастого звіра.
Не в ніч під Івана Купала
За старовинним переказам, папороть цвіте лише в ніч під Івана
Купалу, і охороняє цю квітку нечиста сила. У дійсності папороть як споровое рослина не цвіте взагалі, але слова "папоротеві квіти" можна зустріти на сторінках цілком серйозних наукових журналів. Так називають характерні візерунки цинкових покриттів. Ці візерунки виникають завдяки спеціальним добавкам сурми (до 0,3%) або олова (до 0,5%), які вводять у ванни гарячого цинкування. На деяких заводах "квіти" отримують інакше, - притискаючи гарячий оцинкований лист до рифленого транспортеру.
Демонстраційні досліди з цинком
"Сатурнова дерево"
Реактиви. Водний (0,4-1%-ний) розчин ацетату свинцю Pb (CH3COO) 2, металевий цинк Zn у вигляді пластини або смуги розміром 10 150 мм, водний (30%-ний) розчин оцтової кислоти CH3COOH.
Посуд і прилади. Скляний циліндр або високий хімічний стакан ємністю 1-2 л, скляна паличка, капронова волосінь або міцна мотузка, дрібнозернистий наждачний папір, крапельниця для оцтової кислоти, фільтрувальний папір.
Опис досвіду. Цинкову смужку спочатку зачищають наждачним папером, а потім витирають фільтрувальним папером. Злегка надрізають і загинають її краю, а потім прив'язують її волосінню (мотузкою) до скляної палички. У циліндр на 3 / 4 його об'єму наливають розчин ацетату свинцю, додають кілька крапель оцтової кислоти, щоб зменшити гідроліз солі. У розчин опускають цинкову пластинку - так, щоб під нею залишався шар розчину висотою 5-6 см, а скляну паличку з прив'язаною ниткою кладуть на горловину циліндра. Циліндр з розчином і цинкової смужкою залишають на тиждень, намагаючись не переміщати його, не струшувати і не перемішувати розчин.
Платівка цинку поступово покривається красивими довгими темно-сірими кристалами свинцю:
Pb (CH3COO) 2 + Zn = Pb + Zn (CH3COO) 2
утворюючи "сатурнова дерево" ("Сатурн" алхімічний символ свинцю). З плином часу кристали збільшуються в розмірі.
Дана реакція протікає мимовільно, оскільки значення різниці потенціалів окисно-відновних пар Pb2 + / Pb ( 0,126 В) і Zn2 + / Zn ( 0,763 В) більше нуля: Δε = 0,637 В.
Примітка. Якщо замість цинкової пластини використовувати гранулу металу, то вийде "волосатий" куля з кристалів свинцю.
«Горіння цинку»
Нагрівають трохи цинку на деревному вугіллі в окислювальному полум'я паяльної лампи. Метал розплавиться і при високій температурі почне випаровуватися. Одночасно, однак, він буде згоряти з появою блакитно-білого полум'я. На поверхні біля полум'я випаде оксид цинку; в нагрітому стані він жовтого кольору, а в холодному - білий.
«Виявлення цинку»
Для виявлення цинку осадив гідроксид цинку їдким натром з розчину, що містить цинк, отфільтруем осад і напруженням його за допомогою паяльної лампи на шматочку вугілля, додавши кілька крапель дуже сильно (!) Розведеного розчину хлориду або нітрату кобальту.
Цинк виявиться по зеленому фарбуванню полум'я, яке викличе утворюється змішаний оксид цинку - кобальту (зелень Рінманна).
Цей досвід можна провести простіше. До досліджуваного розчину додають кілька крапель розчину солі кобальту. Потім занурюють у нього смужку фільтрувального паперу, чекають, поки що вбралася розчин висохне, спалюють смужку в світяться полум'я Бунзеновський пальника і прожарюють золу. При наявності цинку також з'явиться зелене забарвлення. За цих схемах визначень можливі перешкоди, якщо присутні деякі інші елементи. Так алюміній з кобальтом дають блакитний колір, який іноді заважає визначенню зеленого забарвлення присутнього одночасно цинку.
«Взаємодія цинку з кислотами, лугами та аміаком»
Реактиви. Цинк (гранули), розбавлена (20%-ная) сірчана кислота H2SO4, водний (20%-ний) розчин гідроксиду натрію, концентрований водний розчин аміаку NH3.
Посуд і прилади. Хімічні склянки ємністю 250-400 мл (3 шт.).
Опис досвіду. У склянки поміщають гранули цинку. В один зі склянок наливають по паличці розведену сірчану кислоту, а в іншій - розчин гідроксиду натрію. В обох склянках спостерігають розчинення металу і виділення водню:
Zn + 2 H3O + = Zn2 + + H2 ↑ + 2 H2O
Zn + 2 H2O + 2 OH = [Zn (OH) 4] 2 + H2 ↑
У третій стакан додають концентрований розчин аміаку. Спостерігається розчинення металу і виділення газу:
Zn + 4 (NH3. H2O) = [Zn (NH3) 4] 2 + + 2OH + H2 ↑ + 2 H2O
«Амфотерность гідроксиду цинку»
Реактиви. Водний (10-15%-ний) розчин хлориду цинку ZnCl2, розбавлена (10%-ная) сірчана кислота H2SO4, водний (10%-ний) розчин гідроксиду натрію NaOH, концентрований водний розчин аміаку NH3.
Посуд і прилади. Хімічні склянки ємністю 250-400 мл (4 шт.), Скляні палички.
Опис досвіду. У склянку наливають 50-75 мл розчину хлориду цинку. Невеликими порціями по скляній паличці додають розчин гідроксиду натрію до утворення осаду гідроксиду цинку Zn (OH) 2. Отриману суспензію ділять на чотири порції, три з яких поміщають в окремі склянки. Одну порцію залишають для порівняння. До суспензії в одній зі склянок додають надлишок розчину гідроксиду натрію. У другій склянку доливають розчин сірчаної кислоти, в третій - концентрований розчин аміаку. У всіх випадках спостерігають розчинення опадів за рахунок реакцій:
Zn (OH) 2 + 2OH = [Zn (OH) 4] 2
Zn (OH) 2 + 2 H3O + = [Zn (H2O) 4] 2 +
Zn (OH) 2 + 4 (NH3. H2O) = [Zn (NH3) 4] 2 + + 2OH + 4 H2O
«Олов'яна шуба»
З тонкої цинкової пластинки вирізують фігурку чоловічка, добре очищають і опускають у склянку з SnCl2. Піде реакція, в якій цинк витісняє з розчину олово. Фігурка покривається блискучою «олов'яної шубою».
«Спалах»
У ступці розтирають 6,35 г йоду і змішують з 1,6 г цинкового пилу. Ступку ставлять на лист жерсті. В отриману суміш капають декілька крапель води. Починається бурхлива реакція між металом і йодом.
«Відновлення цинку»
Щоб виділити цинк без струму, необхідно застосувати більш активний метал. Кілька крапель розчину сульфату цинку поміщають на шматок магнієвої стрічки або на тонку стружку електрона. Розчин сульфату цинку отримують, розчинивши шматочок цинку в розведеній сірчаній кислоті. Одночасно з сульфатом цинку додають кілька крапель денатурату. На магнії через короткий проміжок часу утворюється, що особливо видно під мікроскопом, що виділився у вигляді тонких кристалів цинк.
«Цинковий вулкан»
Можна змайструвати вулкан з 1,5 г цинкового пилу і 2 мл тетрахлориду вуглецю ССl4. Змішують ці речовини і додають до суміші 1-2 г оксиду магнію МgO або таку ж кількість оксиду цинку ZnO, щоб отримати густу масу. Потім на листі заліза або в старій мисці роблять з цієї маси гірку. Подальші операції треба виконувати у витяжній шафі або на відкритому повітрі. Розміщують залізний лист або миску з сумішшю на двох цеглинах, між якими розводять невелике багаття. Ясно, що в лабораторії замість багаття можна буде взяти спиртівку. Все це буде необхідно, щоб розігріти суміш до 150 - 200 оС. Як тільки така температура досягнута, починається бурхлива реакція. З суміші то з'являється, то зникає полум'я, виділяється густий чорний дим.
Тетрахлорид вуглецю і цинк реагують з утворенням хлориду цинку ZnCl2 і вуглецю (сажі):
СCl4 + 2Zn = 2ZnCl2 ↓ + C
Хлорид цинку легко випаровується, а на холоду конденсується в тверді частинки, жадібно поглинають з повітря вологу.
«Цинковий вулкан-2»
Шведський хімік Георг Брандт досліджував властивості цинку і виконав досвід, схожий на реакцію Лемері. Він змішав тонко з мельченние сірку ( 1 г ) І цинк ( 2 г ), А потім доторкнувся до суміші розпеченим залізним шпателем. З'явилися полум'я і густий білий дим, що містить найдрібніші частинки сульфіду цинку ZnS:
Zn + S = ZnS
Список літератури
1. Гроссе Е., Вайсмантель Х. Хімія для допитливих. Основи хімії і цікаві досліди. - Л.: Хімія, 1985.
2. Леенсон І.А. Школярам для розвитку інтелекту. Цікава хімія. - М.: Росмен, 1999.
3. Стьопін Б.Д., Алікберова Л.Ю. Цікава хімія та ефектні досліди з хімії. - М.: Дрофа, 2002.
Хімічний факультет
Кафедра неорганічної хімії
Реферат
ЦИНК І ДОСВІДИ З НИМ
Виконав: студентка гр. Х-051
Тарасова Ксенія
Перевірив: Кожухова Тетяна
Юріївна
Кемерово 2008
Цинк
Елемент цинк (Zn) у таблиці Менделєєва має порядковий номер 30. Він знаходиться в четвертому періоді другої групи. Атомна вага - 65,37.
Розподіл електронів по верствам 2-8-18-2.
Цинк являє собою синювато - білий метал, що плавиться при 419 ° С, а при 913 ° С перетворюється на пару; густина його дорівнює 7,14 г/см3. При звичайній температурі цинк досить крихкий, але при 100-110 ° С він добре гнеться й прокочується в листи. На повітрі цинк вкривається тонким шаром оксиду або основного карбонату, що оберігає його від подальшого окислення.
Вода майже не діє на цинк, хоча він і стоїть у ряду напруг значно лівіше водню. Це пояснюється тим, що утворюється на поверхні цинку при взаємодії з водою гідроокис практично нерозчинний і перешкоджає подальшому перебігу реакції. У розведених ж кислотах цинк легко розчиняється з утворенням відповідних солей.
Крім того, цинк подібно берилію та інших металів, що створює амфотерні гідроокису, розчиняється в лугах. Якщо нагріти цинк на повітрі до температури кипіння, то пари його запалали і згоряють зеленувато-білим полум'ям, утворюючи оксид цинку.
Трохи історії
Сполуки цинку і його сплави відомі людству з глибокої давнини, металевий ж цинк був отриманий значно пізніше, ніж залізо, свинець і олово. Ця обставина пояснюється тим, що звичайні способи плавлення руди з вугіллям тут не досягали мети; щоб відновити цинк, його треба швидко нагріти до температури близько 1000 градусів, але при цьому він кипить і у вигляді пари втрачається разом із димовими газами. Тільки після того як навчилися конденсувати пари цинку в глиняному посуді, стало можливим отримання металу у вільному стані. Вважають, що такий дистиляційний спосіб отримання вільного цинку вперше був винайдений у Китаї.
Латунь (сплав міді з цинком) була відома грекам, індусам та іншим народам Сходу, вживали її для виготовлення різних предметів домашнього побуту, художнього лиття й прикрас. Окремі предмети з латуні, що відносяться до періоду за 1500 років до н.е., були знайдені в Палестині. Приготування латуні відновленням особливої землі кадмію (так називали в давнину багато мінералів, що містять цинк, відмінність між якими не проводили) вугіллям у присутності міді описує Арістотель (384 - 322 рр.. До н.е.), Пліній Старший (23-79 рр.. н.е.) і Гомер. Пліній Старший І ст з Аназарбуса описує лікарські засоби, що містять сполуки цинку. Які вживалися для загоєння ран і при лікуванні очних хвороб.
У доісторичних дакійських руїнах у Трансільванії був знайдений ідол, відлитий зі сплаву, що містить 87% цинку. Отримання металевого цинку з галмея Zn4 (Si2O7) * H2O вперше описує Страбон (60 - 20 рр.. До н.е.). Цинк у цей період називали тутіей або фальшивим сріблом.
Завдяки досить складною виробленні цинку з руд в X-XI ст. н.е. мистецтво отримання цинку в Європі було втрачено, і він ввозився сюди під назвою індійського олова з Китаю та Індії.
В кінці XIII в. н.е. італійський мандрівник Марко Поло описав спосіб отримання металевого цинку в Персії. У 1637 році метод виплавки цинку і його властивості описуються в китайській книзі "Цієн конг кан у". Здавалося б, якщо метод отримання описаний у літературі, то його легко могли перейняти інші народи і застосовувати в себе на батьківщині. Але цього не сталося. Економічна і культурна роз'єднаність народів, слабкі транспортні зв'язки, а головне, прагнення багатьох вчених описувати свої відкриття незрозумілою мовою - все це перешкоджало швидкому поширенню технічних досягнень.
Вдруге отримання цинку в Європі стало відомо на початку XVI століття, коли про спосіб його виплавки згадують у своїх творах Георг Агрікола (1494-1555) і Теофраст Парацельс. Однак і після цього цинк в Європі був великою рідкістю, що тривало майже до кінця XVIII ст. Назва ж "цинк" походить від латинського слова, що позначає більмо або білий наліт, і вперше зустрічається в Парацельса в 1530 році.
Роберт Бойль назвав цинк "спелтером". У нас цинк І. Шлаттер (1736) називав "туціей", Ломоносов (1742) ввів назву "цинк", але вона не мала успіхом і цинк найчастіше називали "шпіаутер".
У 8-му виданні "Основ хімії" (1906) Д.І. Менделєєв вживає сучасна назва цинку, але поряд з цим ставить у дужках і інша його назва-"шпіаутер". З цього можна зробити висновок, що за часів Менделєєва стара назва цинку було досить поширене.
Металевий цинк
У XVI столітті були зроблені перші спроби виплавляти цинк у заводських умовах. Але виробництво "не пішло", технологічні труднощі виявилися нездоланними. Цинк намагалися одержувати точно також, як і інші метали. Руду обпалювали, перетворюючи цинк на оксид, потім цю окис відновлювали вугіллям.
Цинк, природно, відновлювався, взаємодіючи з вугіллям, але не виплавляється. Не виплавляли тому, що цей метал уже в плавильній печі випаровувався - температура його кипіння всього 906 ° С. А в печі було повітря.
Зустрічаючи його, пари активного цинку реагували з киснем, і знову утворювався вихідний продукт-окис цинку.
Налагодити цинкове виробництво в Європі вдалося лише після того, як руду почали відновлювати в закритих ретортах без доступу повітря.
Приблизно так само "чорнової" цинк одержують і зараз, а очищають його рафінуванням. Пірометаллургічним спосіб зараз отримують приблизно половину виробленого в світі цинку, а іншу половину-гідрометалургійним.
Чисто цинкові руди в природі майже не зустрічаються. Сполуки цинку (зазвичай 1-5% в перерахунку на метал) входять до складу поліметалевих руд. Отримані при збагаченні руди цинкові концентрати містять 48-65% цинку, до 2% міді, до 2% свинцю, до 12% заліза.
Складний хімічний і мінералогічний склад руд, що містять цинк, був однією з причин, за якими цинкове виробництво народжувалося довго і важко. У переробці поліметалічних руд і зараз ще є невирішені проблеми.
При різкому охолодженні пари цинку відразу ж, минаючи рідкий стан, перетворюються на тверду пил. Це дещо ускладнює виробництво, хоча елементарний цинк вважається нетоксичним. Часто буває потрібно зберегти цинк саме у вигляді пилу, а не перерплавлять його в злитки.
У піротехніці цинковий пил застосовують, щоб отримати блакитне полум'я. Цинковий пил використовується у виробництві рідкісних і благородних металів. Зокрема, таким цинком витісняють золото й срібло з ціаністих розчинів. Як не парадоксально, але при отриманні самого цинку (і кадмію) гідрометалургійним способом застосовується цинковий пил-для очищення розчину сульфату міді і кадмію. Але це ще не все. Ви ніколи не замислювалися, чому металеві мости, прольоти заводських цехів та інші великогабаритні вироби з металу найчастіше забарвлюють у сірий колір? Головна складова частина застосовуваної у всіх цих випадках фарби - все та ж цинковий пил. Змішана з окисом цинку і лляною олією, вона перетворюється на фарбу, яка відмінно оберігає від корозії. Ця фарба до того ж дешева, пластична, добре прилипає до поверхні металу і не відшаровується при температурних перепадах. Мишачий колір швидше гідність, ніж недолік. Вироби, які покривають такою фарбою, повинні бути не марки і в той же час охайні.
На властивостях цинку сильно позначається ступінь його чистоти. При 99,9 і 99,99% чистоти цинк добре розчиняється в кислотах. Але варто "додати" ще одну дев'ятку (99,999%), і цинк стає нерозчинним у кислотах навіть при сильному нагріванні. Цинк такої чистоти відрізняється й великою пластичністю, його можна витягати в тонкі нитки. А звичайний цинк можна прокатати в тонкі листи, лише нагріваючи його до 100-150 (С. Нагрітий до 250 (С і вище, аж до точки плавлення, цинк знову стає крихким - відбувається чергова перебудова його кристалічної структури. Листовий цинк широко застосовують у виробництві гальванічних елементів. Перший "вольтів стовп" складався з кружечків цинку і міді. І в сучасних хімічних джерелах струму негативний електрод найчастіше робиться з цинку.
Значна роль цього елемента в поліграфії. З цинку роблять кліше, що дозволяють відтворити у пресі малюнки та фотографії. Спеціально приготовлений і оброблений типографський цинк сприймає фотозображення. Це зображення в потрібних місцях захищають фарбою, і майбутнє кліше протравлюють кислотою. Зображення набуває рельєфності, досвідчені гравери підчищають його, роблять відбитки, а потім ці кліше йдуть у друкарські машини.
До поліграфічного цинку пред'являють особливі вимоги: перш за все він повинен мати мелкокристаллическую структуру, особливо на поверхні злитка. Тому цинк, призначений для поліграфії, завжди відливають у закриті форми. Для "вирівнювання" структури застосовують відпал при 375 (З подальшим повільним охолоджуванням і гарячої прокаткою. Строго лімітують і присутність у такому металі домішок, особливо свинцю. Якщо його багато, то не можна буде витравити кліше так, як це потрібно. Якщо ж свинцю менше 0 , 4%, то важко отримати потрібну мелкокристаллическую структуру. Ось по цій крайці і "ходять" металурги, прагнучи задовольнити запити поліграфії.
Сполуки цинку
Ще при перших спробах виплавити цинк із руди в середньовічних хіміків виходив білий наліт, який у книгах того часу називали подвійно: або "білим снігом" (nix alba), або "філософської шерстю" (lana philosophica). Неважко здогадатися, що це була окис цинку ZnO - речовина, яка є в житлі кожного міського жителя наших днів.
Цей "сніг", будучи замішаним на оліфі, перетворюється на цинкові білила - найрозповсюдженіші з усіх білил. Окис цинку потрібна не тільки для малярських справ, нею широко користуються багато галузей промисловості.
Скляна - для отримання молочного скла і (в малих дозах) для збільшення термостійкості звичайних стекол. У гумовій промисловості й виробництві лінолеуму окис цинку використовують як наповнювач. Відома цинкова мазь насправді не цинкова, а оксіноцінковая. Препарати на основі ZnO ефективні при шкірних захворюваннях.
Нарешті, з кристалічною окисом цинку пов'язана одна з найбільших наукових сенсацій 20-х років нашого століття. У 1924 році один із радіоаматорів міста Томська встановив рекорд дальності прийому. Детекторним приймачем він у Сибіру приймав передачі радіостанцій Франції й Німеччини, причому чутність була більш виразною, ніж у власників однолампових приймачів. Як це могло статися? Справа в тому, що детекторний приймач томського любителя був змонтований за схемою співробітника нижегородської радіолабораторії О.В. Лосєва.
Лосєв установив, що якщо в коливальний контур певним чином включити кристал окису цинку, то останній підсилюватиме коливання високої частоти і навіть порушувати незгасаючі коливання. У наші "веселі транзисторні дні" таке подія пройшла б майже непоміченим, але в 1924 році винахід Лосєва уявлялося революційним. Ось що говорилося в редакційній статті американського журналу "Radio-News", повністю присвяченій роботі нижегородського винахідника: "Винахід О. В. Лосева з Державної радіоелектричних лабораторії в Росії робить епоху, і тепер кристал замінить лампу!" Автор статті виявився провидцем: кристал справді замінив лампу, справедливість, це не Лосевський кристал окису цинку, а кристали інших речовин. Але, між іншим, серед широко вживаних напівпровідникових матеріалів є сполуки цинку. Це його селеніди і теллуріди, антимода і арсенід.
Ще більш важливе застосування деяких сполук цинку, передусім його сульфіду, для покриття світяться екранів телевізорів, осцилографів, рентгенівських апаратів. Під дією короткохвильового випромінювання або електронного променя сірчистий цинк набуває здатності світитися, причому ця здатність зберігається і після того, як припинилося опромінення. Резерфорд, вперше зіткнувшись з явищем післясвічення сірчистого цинку, скористався ним для підрахунку вилітають з ядра альфа-часток. У нескладному приборчике, спінтаріскопе, вдаряючись про екран, покритий сульфідом цинку, ці частинки висікали спалах, видиму оком. А якщо частинки падають на екран досить часто, то замість спалахів з'являється постійне світіння.
Біологічна роль цинку
Фармацевти і медики шанують багато сполук цинку. З часів Парацельса до наших днів у фармакопеї значаться очні цинкові краплі (0,25%-ний розчин ZnSO4). Як присипка здавна застосовується цинкова сіль стеаринової кислоти. Феносульфат цинку - добрий антисептик. Суспензія, до якої входять інсулін, протамін і хлорид цинку - новий ефективний засіб проти діабету, що діє краще, ніж чистий інсулін. І разом з тим багато сполук цинку, передусім його сульфат і хлорид, токсичні.
Цинк - один з важливих мікроелементів. І в той же час надлишок цинку для рослин шкідливий.
Біологічна роль цинку двояка і не до кінця з'ясована. Встановлено, що цинк - обов'язкова складова частина ферменту крові, карбоангідрази.
Цей фермент міститься в еритроцитах. Карбоангідраза прискорює виділення вуглекислого газу в легенях. Крім того, вона допомагає перетворити частину СО2 в іон НСО3, що грає важливу роль в обміні речовин.
Але навряд чи тільки карбоангидразой обмежується роль цинку в житті тварин і людини. І якби було так, то важко було б пояснити токсичність сполук цього елемента.
Відомо, що досить багато цинку міститься в отруті змій, особливо гадюк і кобр. Але в той же час відомо, що солі цинку специфічно пригнічують активність цих самих отрут, хоча, як показали досліди, під дією солей цинку отрути не руйнуються. Як пояснити таке протиріччя?
Вважають, що високий вміст цинку в отруті - це той засіб, яким змія від власного отрути захищається. Але таке твердження ще вимагає суворої експериментальної перевірки. Чекають з'ясування і багато тонких деталі загальної проблеми "цинк і життя".
Це цікаво!
Бурундучная руда.
Найбільш поширений мінерал цинку - сфалерит, або цинкова обманка ZnS. Різноманітні домішки надають цій речовині всілякі кольори. Мабуть, за це мінерал і називають обманкою. Цинкову обманку вважають первинним мінералом, з якого утворилися інші мінерали цього елемента: Смітсона ZnCO3, цинкіт ZnO, каламін 2ZnO * SiO2 * H2O. На Алтаї нерідко можна зустріти смугасту "бурундучную" руду - суміш цинкової обманки і бурого шпату. Шматок такої руди видали дійсно схожий на зачаївся смугастого звіра.
Не в ніч під Івана Купала
За старовинним переказам, папороть цвіте лише в ніч під Івана
Купалу, і охороняє цю квітку нечиста сила. У дійсності папороть як споровое рослина не цвіте взагалі, але слова "папоротеві квіти" можна зустріти на сторінках цілком серйозних наукових журналів. Так називають характерні візерунки цинкових покриттів. Ці візерунки виникають завдяки спеціальним добавкам сурми (до 0,3%) або олова (до 0,5%), які вводять у ванни гарячого цинкування. На деяких заводах "квіти" отримують інакше, - притискаючи гарячий оцинкований лист до рифленого транспортеру.
Демонстраційні досліди з цинком
"Сатурнова дерево"
Реактиви. Водний (0,4-1%-ний) розчин ацетату свинцю Pb (CH3COO) 2, металевий цинк Zn у вигляді пластини або смуги розміром 10 150 мм, водний (30%-ний) розчин оцтової кислоти CH3COOH.
Посуд і прилади. Скляний циліндр або високий хімічний стакан ємністю 1-2 л, скляна паличка, капронова волосінь або міцна мотузка, дрібнозернистий наждачний папір, крапельниця для оцтової кислоти, фільтрувальний папір.
Опис досвіду. Цинкову смужку спочатку зачищають наждачним папером, а потім витирають фільтрувальним папером. Злегка надрізають і загинають її краю, а потім прив'язують її волосінню (мотузкою) до скляної палички. У циліндр на 3 / 4 його об'єму наливають розчин ацетату свинцю, додають кілька крапель оцтової кислоти, щоб зменшити гідроліз солі. У розчин опускають цинкову пластинку - так, щоб під нею залишався шар розчину висотою 5-6 см, а скляну паличку з прив'язаною ниткою кладуть на горловину циліндра. Циліндр з розчином і цинкової смужкою залишають на тиждень, намагаючись не переміщати його, не струшувати і не перемішувати розчин.
Платівка цинку поступово покривається красивими довгими темно-сірими кристалами свинцю:
Pb (CH3COO) 2 + Zn = Pb + Zn (CH3COO) 2
утворюючи "сатурнова дерево" ("Сатурн" алхімічний символ свинцю). З плином часу кристали збільшуються в розмірі.
Дана реакція протікає мимовільно, оскільки значення різниці потенціалів окисно-відновних пар Pb2 + / Pb ( 0,126 В) і Zn2 + / Zn ( 0,763 В) більше нуля: Δε = 0,637 В.
Примітка. Якщо замість цинкової пластини використовувати гранулу металу, то вийде "волосатий" куля з кристалів свинцю.
«Горіння цинку»
Нагрівають трохи цинку на деревному вугіллі в окислювальному полум'я паяльної лампи. Метал розплавиться і при високій температурі почне випаровуватися. Одночасно, однак, він буде згоряти з появою блакитно-білого полум'я. На поверхні біля полум'я випаде оксид цинку; в нагрітому стані він жовтого кольору, а в холодному - білий.
«Виявлення цинку»
Для виявлення цинку осадив гідроксид цинку їдким натром з розчину, що містить цинк, отфільтруем осад і напруженням його за допомогою паяльної лампи на шматочку вугілля, додавши кілька крапель дуже сильно (!) Розведеного розчину хлориду або нітрату кобальту.
Цинк виявиться по зеленому фарбуванню полум'я, яке викличе утворюється змішаний оксид цинку - кобальту (зелень Рінманна).
Цей досвід можна провести простіше. До досліджуваного розчину додають кілька крапель розчину солі кобальту. Потім занурюють у нього смужку фільтрувального паперу, чекають, поки що вбралася розчин висохне, спалюють смужку в світяться полум'я Бунзеновський пальника і прожарюють золу. При наявності цинку також з'явиться зелене забарвлення. За цих схемах визначень можливі перешкоди, якщо присутні деякі інші елементи. Так алюміній з кобальтом дають блакитний колір, який іноді заважає визначенню зеленого забарвлення присутнього одночасно цинку.
«Взаємодія цинку з кислотами, лугами та аміаком»
Реактиви. Цинк (гранули), розбавлена (20%-ная) сірчана кислота H2SO4, водний (20%-ний) розчин гідроксиду натрію, концентрований водний розчин аміаку NH3.
Посуд і прилади. Хімічні склянки ємністю 250-400 мл (3 шт.).
Опис досвіду. У склянки поміщають гранули цинку. В один зі склянок наливають по паличці розведену сірчану кислоту, а в іншій - розчин гідроксиду натрію. В обох склянках спостерігають розчинення металу і виділення водню:
Zn + 2 H3O + = Zn2 + + H2 ↑ + 2 H2O
Zn + 2 H2O + 2 OH = [Zn (OH) 4] 2 + H2 ↑
У третій стакан додають концентрований розчин аміаку. Спостерігається розчинення металу і виділення газу:
Zn + 4 (NH3. H2O) = [Zn (NH3) 4] 2 + + 2OH + H2 ↑ + 2 H2O
«Амфотерность гідроксиду цинку»
Реактиви. Водний (10-15%-ний) розчин хлориду цинку ZnCl2, розбавлена (10%-ная) сірчана кислота H2SO4, водний (10%-ний) розчин гідроксиду натрію NaOH, концентрований водний розчин аміаку NH3.
Посуд і прилади. Хімічні склянки ємністю 250-400 мл (4 шт.), Скляні палички.
Опис досвіду. У склянку наливають 50-75 мл розчину хлориду цинку. Невеликими порціями по скляній паличці додають розчин гідроксиду натрію до утворення осаду гідроксиду цинку Zn (OH) 2. Отриману суспензію ділять на чотири порції, три з яких поміщають в окремі склянки. Одну порцію залишають для порівняння. До суспензії в одній зі склянок додають надлишок розчину гідроксиду натрію. У другій склянку доливають розчин сірчаної кислоти, в третій - концентрований розчин аміаку. У всіх випадках спостерігають розчинення опадів за рахунок реакцій:
Zn (OH) 2 + 2OH = [Zn (OH) 4] 2
Zn (OH) 2 + 2 H3O + = [Zn (H2O) 4] 2 +
Zn (OH) 2 + 4 (NH3. H2O) = [Zn (NH3) 4] 2 + + 2OH + 4 H2O
«Олов'яна шуба»
З тонкої цинкової пластинки вирізують фігурку чоловічка, добре очищають і опускають у склянку з SnCl2. Піде реакція, в якій цинк витісняє з розчину олово. Фігурка покривається блискучою «олов'яної шубою».
«Спалах»
У ступці розтирають
«Відновлення цинку»
Щоб виділити цинк без струму, необхідно застосувати більш активний метал. Кілька крапель розчину сульфату цинку поміщають на шматок магнієвої стрічки або на тонку стружку електрона. Розчин сульфату цинку отримують, розчинивши шматочок цинку в розведеній сірчаній кислоті. Одночасно з сульфатом цинку додають кілька крапель денатурату. На магнії через короткий проміжок часу утворюється, що особливо видно під мікроскопом, що виділився у вигляді тонких кристалів цинк.
«Цинковий вулкан»
Можна змайструвати вулкан з
Тетрахлорид вуглецю і цинк реагують з утворенням хлориду цинку ZnCl2 і вуглецю (сажі):
СCl4 + 2Zn = 2ZnCl2 ↓ + C
Хлорид цинку легко випаровується, а на холоду конденсується в тверді частинки, жадібно поглинають з повітря вологу.
«Цинковий вулкан-2»
Шведський хімік Георг Брандт досліджував властивості цинку і виконав досвід, схожий на реакцію Лемері. Він змішав тонко з мельченние сірку (
Zn + S = ZnS
Список літератури
1. Гроссе Е., Вайсмантель Х. Хімія для допитливих. Основи хімії і цікаві досліди. - Л.: Хімія, 1985.
2. Леенсон І.А. Школярам для розвитку інтелекту. Цікава хімія. - М.: Росмен, 1999.
3. Стьопін Б.Д., Алікберова Л.Ю. Цікава хімія та ефектні досліди з хімії. - М.: Дрофа, 2002.