Государственное образовательное учреждение
среднего профессионального образования Ленинградской области Подпорожский Политехнический техникум
Поисково-исследовательская работа по химии
Тема:
«Цинк и его свойства»
Выполнил(а): студент группы № 89
Фамилия, имя, отчество: Юриков Алексей Александрович
Проверил преподаватель: Ядыкина Людмила Алексеевна
Оценка:
Подпорожье
2010
Оглавление
1.
Положение в периодической системе и строение атома
2.
История открытия
3.
Нахождение в природе
4.
Физические свойства
5.
Химические свойства
6.
Получение металлического цинка
7.
Применение и значение для здоровья человека
8.
Мои исследования
9.
Литература
Положение в периодической системе
и строение атома
Элемент цинк (Zn)
в таблице Менделеева имеет порядковый номер 30.
Он находится в четвертом периоде второй группы.
атомный вес = 65,37
валентность II
заряд 2+
Природный цинк состоит из смеси пяти стабильных нуклидов: 64Zn (48,6% по массе), 66Zn (27,9%), 67Zn (4,1%), 68Zn (18,8%) и 70Zn (0,6%).
Конфигурация двух внешних электронных слоев 3 s
2
p
6
d
10
4 s
2
.
История открытия
Сплавы цинка с медью — латуни — были известны еще древним грекам и египтянам. Цинк получали в 5 в. до н. э. в Индии. Римский историк Страбон в 60-20 годах до н. э. писал о получении металлического цинка, или «фальшивого серебра». В дальнейшем секрет получения цинка в Европе был утерян, так как образующийся при термическом восстановлении цинковых руд цинк при 900°C переходит в пар. Пары цинка реагируют с кислородом воздуха, образуя рыхлый оксид цинка, который алхимики называли «белой шерстью».
Металлический цинк
В XVI веке были предприняты первые попытки выплавлять цинк в заводских условиях. Но производство «не пошло», технологические трудности оказались непреодолимыми. Цинк пытались получать точно также как и другие металлы. Руду обжигали, превращая цинк в окись, затем эту окись восстанавливали углем...
Цинк, естественно, восстанавливался, взаимодействуя с углем, но ... не выплавлялся. Не выплавлялся потому, что этот металл уже в плавильной печи испарялся – температура его кипения всего 906° С. А в печи был воздух. Встречая его, пары активного цинка реагировали с кислородом, и вновь образовывался исходный продукт – окись цинка.
Наладить цинковое производство в Европе удалось лишь после того, как руду стали восстанавливать в закрытых ретортах без доступа воздуха. Примерно так же «черновой» цинк получают и сейчас, а очищают его рафинированием. Пирометаллургическим способом сейчас получают примерно половину производимого в мире цинка, а другую половинугидрометаллургическим.
Следует иметь в виду, что чисто цинковые руды в природе почти не встречаются. Соединения цинка (обычно 1-5% в пересчете на металл) входят в состав полиметаллических руд. Полученные при обогащении руды цинковые концентраты содержат 48-65% цинка, до 2% меди, до 2% свинца, до 12% железа. И плюс доли процента рассеянных и редких металлов...
Сложный химический и минералогический состав руд, содержащих цинк, был одной из причин, по которым цинковое производство рождалось долго и трудно. В переработке полиметаллических руд и сейчас еще есть нерешенные проблемы... Но вернемся к пирометаллургии цинка – в этом процессе проявляются сугубо индивидуальные особенности этого элемента.
При резком охлаждении пары цинка сразу же, минуя жидкое состояние, превращаются в твердую пыль. Это несколько осложняет производство, хотя элементарный цинк считается нетоксичным. Часто бывает нужно сохранить цинк именно в виде пыли, а не переплавлять его в слитки.
В пиротехнике цинковую пыль применяют, чтобы получить голубое пламя. Цинковая пыль используется в производстве редких и благородных металлов. В частности, таким цинком вытесняют золото и серебро из цианистых растворов. Как ни парадоксально, но при получении самого цинка (и кадмия) гидрометаллургическим способом применяется цинковая пыль для очистки раствора сульфата меди и кадмия. Но это еще не все. Вы никогда не задумывались, почему металлические мосты, пролеты заводских цехов и другие крупногабаритные изделия из металла чаще всего окрашивают в серый цвет?
Главная составная часть применяемой во всех этих случаях краски - все та же цинковая пыль. Смешанная с окисью цинка и льняным маслом, она превращается в краску, которая отлично предохраняет от коррозии. Эта краска к тому же дешева, пластична, хорошо прилипает к поверхности металла и не отслаивается при температурных перепадах. Мышиный цвет скорее достоинство, чем недостаток. Изделия, которые покрывают такой краской, должны быть не марки и в то же время опрятны.
На свойствах цинка сильно сказывается степень его чистоты. При 99,9 и 99,99% чистоты цинк хорошо растворяется в кислотах. Но стоит «прибавить» еще одну девятку (99,999%), и цинк становится нерастворимым в кислотах даже при сильном нагревании. Цинк такой чистоты отличается и большой пластичностью, его можно вытягивать в тонкие нити. А обычный цинк можно прокатить в тонкие листы, лишь нагрев его до 100-150° С. Нагретый до 250° С и выше, вплоть до точки плавления, цинк опять становится хрупким – происходит очередная перестройка его кристаллической структуры.
Листовой цинк широко применяют в производстве гальванических элементов. Первый “вольтов столб” состоял из кружочков цинка и меди. И в современных химических источниках тока отрицательный электрод чаще всего делается из цинка.
Значительна роль этого элемента в полиграфии. Из цинка делают клише, позволяющие воспроизвести в печати рисунки и фотографии. Специально приготовленный и обработанный типографский цинк воспринимает фотоизображение. Это изображение в нужных местах защищают краской, и будущее клише протравливают кислотой. Изображение приобретает рельефность, опытные граверы подчищают его, делают оттиски, а потом эти клише идут в печатные машины.
К полиграфическому цинку предъявляют особые требования: прежде всего он должен иметь мелкокристаллическую структуру, особенно на поверхности слитка. Поэтому цинк, предназначенный для полиграфии, всегда отливают в закрытые формы. Для «выравнивания» структуры применяют отжиг при 375°С с последующим медленным охлаждением и горячей прокаткой. Строго лимитируют и присутствие в таком металле примесей, особенно свинца. Если его много, то нельзя будет вытравить клише так, как это нужно. Если же свинца меньше 0,4%, то трудно получить нужную мелкокристаллическую структуру. Вот по этой кромке и «ходят» металлурги, стремясь удовлетворить запросы полиграфии.
Нахождение в природе
В природе цинк находиться только в виде соединений.
СФАЛЕРИТ
(цинковая обманка, ZnS) имеет вид кубических жёлтых или коричневых кристаллов; плотность 3,9-4,2 г/см3
, твёрдость 3-4 по шкале Мооса. В качестве примесей содержит кадмий, индий, галлий, марганец, ртуть, германий, железо, медь, олово, свинец.
В кристаллической решётке сфалерита атомы цинка чередуются с атомами серы и наоборот. Атомы серы в решётке образуют кубическую упаковку. Атом цинка располагается в этих тетраэдрических пустотах.
ВЮРТЦИТ
(ZnS) представляет собой коричнево-чёрные гексагональные кристаллы, плотностью 3,98 г/см3
и твердостью 3,5-4 по шкале Мооса. Обычно содержит цинка больше чем сфалерит. В решётке вюртцита каждый атом цинка тетраэдрически окружён четырьмя атомами серы и наоборот. Расположение слоёв вюртцита отличается от расположения слоёв сфалерита.
СМИТСОНИТ
(цинковый шпат, ZnCO3
) встречается в виде белых (зелёных, серых, коричневых в зависимости от примесей) тригональных кристаллов плотностью 4,3-4,5 г/см3
и твёрдостью 5 по шкале Мооса.
КАЛАМИН
(Zn2
SiO4
*H2
O*ZnCO3
или Zn4
[Si2
O7
](OH)4
*H2
O*ZnCO3
) представляет собой смесь карбоната и силиката цинка; образует белые (зелёные, синие, жёлтые, коричневые в зависимости от примесей) ромбические кристаллы плотностью 3,4-3,5 г/см3
и твёрдостью 4,5-5 по шкале Мооса.
ВИЛЛЕМИТ
(Zn2
SiO4
) залегает в виде бесцветных или жёлто-коричневых ромбоэдрических кристаллов плотностью 3,89-4,18 г/см3
и твёрдостью 5-5,5 по шкале Мооса.
ЦИНКИТ
(ZnO) - гексагональные кристаллы жёлтого, оранжевого или красного цвета с решёткой типа вюртцита и твёрдостью 4-4,5 по шкале Мооса.
ГАНИТ
(Zn[Al2
O4
]) имеет вид тёмно-зелёных кристаллов плотностью 4-4,6 г/см3
и твёрдостью 7,5-8 по шкале Мооса.
Помимо приведённых, известны и другие минералы цинка:
монгеймит (Zn, Fe)CO3
гидроцикит ZnCO3
*2Zn(OH)2
трустит (Zn, Mn)SiO4
гетеролит Zn[Mn2
O4
]
франклинит (Zn, Mn)[Fe2
O4
]
халькофанит (Mn, Zn) Mn2
O5
*2H2
O
госларит ZnSO4
*7H2
O
цинкхальканит (Zn, Cu)SO4
*5H2
O
адамин Zn2
(AsO4
)OH
тарбуттит Zn2
(PO4
)OH
деклуазит (Zn, Cu)Pb(VO4
)OH
леграндит Zn3
(AsO4
)2
*3H2
O
гопеит Zn3
(PO4
)*4H2
O
Физические свойства
Ци
. При обыкновенной температуре цинк довольно хрупок, но при 100-110°С он хорошо гнется и прокатывается в листы.На воздухе покрывается защитной оксидной пленкой.
Химические свойства
На воздухе при температуре до 100°С Цинк быстро тускнеет, покрываясь поверхностной пленкой основных карбонатов. Во влажном воздухе, особенно в присутствии СО2
, происходит разрушение металла даже при обычных температурах. При сильном нагревании на воздухе или в кислороде Цинк интенсивно сгорает голубоватым пламенем с образованием белого дыма оксида цинка ZnO. Сухие фтор, хлор и бром не взаимодействуют с Цинком на холоду, но в присутствии паров воды металл может воспламениться, образуя, например, ZnCl2
. Нагретая смесь порошка Цинка с серой дает сульфид Цинк ZnS.Сильные минеральные кислоты энергично растворяют Цинк, особенно при нагревании, с образованием соответствующих солей. При взаимодействии с разбавленной НCl и H2
SO4
выделяется Н2
, а с НNО3
- кроме того, NO, NO2
, NH3
. С концентрированной НCl, H2
SO4
и HNO3
Цинк реагирует, выделяя соответственно Н2
, SO2
, NO и NO2
. Растворы и расплавы щелочей окисляют Цинк с выделением Н2
и образованием растворимых в воде цинкитов. Интенсивность действия кислот и щелочей на Цинк зависит от наличия в нем примесей. Чистый Цинк менее реакционноспособен по отношению к этим реагентам из-за высокого перенапряжения на нем водорода. В воде соли Цинка при нагревании гидролизуются, выделяя белый осадок гидрооксида Zn(OH)2
. Известны комплексные соединения, содержащие Цинк, например [Zn(NH3
)4
]SО4
и другие.
Цинк является довольно активным металлом.
Он легко взаимодействует с кислородом, галогенами, серой и фосфором:
2 Zn + О2
= 2 ZnО (оксид цинка);
Zn + Сl2
= ZnСl2
(хлорид цинка);
Zn + S = ZnS (сульфид цинка);
3 Zn + 2 Р = Zn3
Р2
(фосфид цинка).
При нагревании взаимодействует с аммиаком, в результате чего образуется нитрид цинка:
3 Zn + 2 NН3
= Zn2
N3
+ 3 Н2
,
а также с водой:
Zn + Н2
О = ZnО + Н2
и сероводородом:
Zn + Н2
S = ZnS + Н2
.
Образующийся на поверхности цинка сульфид предохраняет его от дальнейшего взаимодействия с сероводородом.
Цинк хорошо растворим в кислотах и щелочах:
Zn + Н2
SO4
= ZnSO4
+ Н2
;
4 Zn + 10 НNО3
= 4 Zn(NО3
)2
+ NН4
NО3
+ 3 Н2
О;
Zn + 2 КОH + 2 Н2
О = К2
[Zn(ОН)4
] + Н2
.
В отличие от алюминия цинк растворяется в водном растворе аммиака, так как образует хорошо растворимый аммиакат:
Zn + 4 NН4
ОН = [Zn(NН3
)4
](ОН)2
+ Н2
+ 2 Н2
О.
Цинк вытесняет менее активные металлы из растворов их солей.
СuSO4
+ Zn = ZnSO4
+ Сu;
СdSO4
+ Zn = ZnSO4
+ Сd.
Получение металлического цинка
Цинк добывают из концентратов сфалерита, смитсонита и каламина.
Сульфидные полиметаллические руды, которые содержат пирит Fe2
S, галенит PbS,
халькопирит CuFeS2
и в меньшем количестве сфалерит после измельчения и размалывания подвергают обогащению сфалеритом методом селективной флотации. Если руда содержит магнетит, то для его удаления используют магнитный метод.
При прокаливании (700°) концентратов сульфида цинка в специальных печах, образуется ZnO, который служит для получения металлического цинка.
2ZnS+3O2
=2ZnO+2SO2
+221 ккал
Для превращения ZnS в ZnO измельчённые концентраты сфалерита предварительно нагревают в специальных печах горячим воздухом
Окись цинка также получают прокаливанием смитсонита при 300°.
Металлический цинк получают путём восстановления окиси цинка углеродом
ZnO+CÞZn+CO-57 ккал
водородом
ZnO+H2
ÛZn+H2
O
ферросилицием
ZnO+FeSiÞ2Zn+Fe+SiO2
метаном
2ZnO+CH4
Þ2Zn+H2
O+C
окисьюуглерода
ZnO+COÞZn+CO2
карбидомкальция
ZnO+CaC2
ÞZn+CaS+C
Металлический цинк также можно получить сильным нагреванием ZnS с железом, с углеродом в присутствии CaO, с карбидом кальция
ZnS+CaC2
ÞZn+CaS+C
ZnS+FeÛ2Zn+FeS
2ZnS+2CaO+7CÞZn+2CaC2
+2CO+CS2
Металлургический процесс получения металлического цинка, применяемый в промышленном масштабе, заключается в восстановлении ZnO углеродом при нагревании. В результате этого процесса ZnO восстанавливается не полностью, теряется некоторое количество цинка, идущего на образование Zn[Al2
O4
], и получают загрязнённый цинк.
Применение и значение для здоровья человека
Основная часть производимого цинка расходуется на изготовление антикоррозионных покрытий железа и стали. Цинк применяют в аккумуляторах и сухих элементах питания. Листовой цинк используют в типографском деле. Сплавы цинка (латунь, нейзильбер и другие) применяются в технике. ZnO служит пигментом в цинковых белилах. Соединения цинка являются полупроводниками. Раствором хлорида цинка ZnCl2 пропитывают железнодорожные шпалы, предохраняя их от гниения.
Значение цинка для человека определяется тем, что он входит в состав всех существующих ферментных систем организма и является компонентом более 300 металлоферментов, участвующих в обмене белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот. Цинк участвует в росте, делении и дифференцировке клеток, что обусловлено его влиянием на белковый, нуклеиновый обмен, работу генетического аппарата клетки. Цинк входит в состав костной щелочной фосфатазы и связан с кальцификацией скелета, формированием гидроксиапатита, что определяет его роль в созревании костной системы. Цинк важен для реализации линейного роста человека как внутриутробно, так и постнатально. Отмечается высокая активность цинка в процессе регенерации тканей после ранений и ожогов. Доказана уникальная роль цинка для развития и деятельности центральной нервной системы и поведения. В эксперименте показано, что при дефиците цинка медленнее вырабатываются условные рефлексы, снижается способность к обучению. Считается, что в условиях дефицита цинка изменяется ядерно-цитоплазматическое соотношение клеток мозга, задерживается развитие мозга, структурное созревание мозжечка. Дефицит цинка наиболее опасен в критические периоды развития мозга (антенатальный этап, возраст от рождения до трех лет) На фоне дефицита цинка может заметно нарушаться вкус, обоняние. Трудно преувеличить роль цинка в работе зрительного анализатора, поскольку цинк совместно с витамином А способствует образованию зрительного фермента родопсина.
Мои исследования
В условиях кабинета химии ППТ мы провели исследования Цинка и его свойств.
Цинк - это металл серебристого цвета, мягкий и ковкий. Цинк является активным металлом. Нам удалось наблюдать взаимодействия цинка со следующими веществами:
1. Действие воды на цинк:
Zn + H2
O = ZnO + H2
Вывод: так как цинк является активным металлом, то цинк взаимодействует с водой с образованием оксидной пленки. Даная оксидная пленка защищает цинк от разрушения. Это свойство цинка нашло применение для создания цинковых покрытий на изделиях.
2. Действие серной кислоты на цинк:
Zn + H2
SO4
= ZnSO4
+ H2
Вывод: Цинк взаимодействует с серной кислотой с выделением водорода.
3. Действие сульфата меди (
II
) на цинк:
Zn + CuSO4
= ZnSO4
+ Cu
Вывод: так как цинк более активный металл чем медь, то он вытесняет медь из раствора сульфата меди2, при этом чистая медь восстанавливается
Коррозии металлов
| Название опыта
|
Ход
опыта
|
Наблюдения
|
Уравнения реакций
|
Вывод
|
1.
Взаимодействие цинка с водой |
К цинку прилили воду | Реакция протекает спокойно. Выделяется водород | Zn + H2
O = ZnO + H2 |
Доказали, что цинк провзаимодействовал с водой с образованием оксидной пленки |
| 2.
Действие цинка с серной кислотой |
К цинку добавили серную кислоту | Происходит выделение Н2
|
Zn + H2
SO4 = ZnSO4 + H2 |
Доказали, что цинк провзаимодействовал с серной кислотой |
| 3.
Взаимодействие цинка с серной кислотой в присутствии медного купороса |
К цинку добавили серную кислоту и капнули медного купороса | Активное выделение Н2
|
Zn + H2
SO4 = ZnSO4 + H2 |
Доказали, что цинк бурно реагирует с серной кислотой в присутствии медного купороса |
| 4.
Взаимодействие цинка с серной кислотой в присутствии меди |
К цинку добавили медную проволоку и серную кислоту | Активное выделение Н2
|
Zn + H2
SO4 = ZnSO4 + H2 |
Доказали, что цинк бурно реагирует с серной кислотой в присутствии меди |
Вывод: активность цинка возрастает в присутствии меди и ее ионов.