Цинк 2 (стр. 1 из 3)

ЦИНК (Zincum) Zn – химический элемент 12-й (IIb) группы Периодической системы. Атомный номер 30, относительная атомная масса 65,39. Природный цинк состоит из трех стабильных изотопов 64Zn (48,6%), 66Zn (26,9%) и 67Zn (4,1%). Известно несколько радиоактивных изотопов, важнейший из них – 65Zn с периодом полураспада 244 сут. Степень окисления +2.

ЦИНКОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

В древние времена было замечено, что свойства меди зависят от места, где добывалась руда. В конце концов изменения свойств были связаны с примесями, которые изменяли свойства металла. Фактически получалась не медь, а сплав с медью. Считается, что таким способом арсенид меди был впервые изготовлен в Египте, медно-никелевый сплав и коппертин (бронза) - в Германии, а медно-цинковый сплав (латунь) - в Индии. Лишь латунь, производившаяся задолго до цинка, выплавлялась из цинковых полиметаллических руд; это не вызывает удивления, поскольку цинк не существует в природе в виде чистого металла, а цинковые руды нельзя расплавить методами, пригодными для меди или свинца. Цинк плавится при сравнительно низкой температуре (419° С), однако руда восстанавливается до металла при значительно более высокой температуре, при которой цинк испаряется и должен быть далее сконденсирован. О таких процессах первобытные металлурги не имели представления.

Цинковые руды. Хотя металлический цинк впервые был получен из каламина, являющегося по существу карбонатом цинка ZnCO3, этот металл теперь почти всегда получают из сульфидных руд, содержащих некоторое количество свинца и часто серебро. Наиболее важные из этих руд - цинковая обманка (сфалерит) и марматит. Цинковые руды добываются в США, Канаде, Мексике, Австралии, Южной Америке, на юге центральной Африки, в России, Казахстане, Японии и других странах. Хотя руды обычно перерабатываются в металл в тех странах, где добываются, некоторые страны, особенно Бельгия, ввозят большие количества концентратов для внутреннего производства. США и Япония, будучи главными производителями цинковой руды, одновременно являются и ее крупными импортерами. Руды обогащаются либо селективным флотационным, либо мокрым гравитационным методами. Первый из отмеченных методов более важен, так как позволяет отделить цинк от свинца, а также от пустой породы.

Цинк добывают из полиметаллических руд, содержащих 1-4% Zn в виде сульфида, а также Cu, Pb, Ag, Au, Cd, Bi. Руды обогащают селективной флотацией, получая цинковые концентраты (50-60% Zn) и одновременно свинцовые, медные, иногда пиритные концентраты. Цинковые концентраты обжигают в печах в кипящем слое, переводя сульфид цинка в окись цинка (ZnO). Обожжённые концентраты обрабатывают серной кислотой; получаемый сульфатный раствор очищают от примесей и подвергают электролизу. Цинк осаждается на алюминиевых катодах, с которых его затем удаляют и плавят в индукционных печах. Чистота электролитного цинка может достигать 99,95%, полнота извлечения его из концентрата (при учёте переработки отходов) 93-94%. Из отходов производства получают цинковый купорос, Pb, Cu, Cd, Au, Ag; иногда также In, Ga, Ge, Tl.

Схема производства цинка:

СТАДИИ ПРОИЗВОДСТВА ЦИНКА.

Выплавка и очистка. Выплавка и очистка выполняются двумя главными способами - термическим и электролитическим. В любом случае первой стадией процесса является обжиг измельченной и обогащенной сульфидной руды в печах с кипящим слоем, в результате которого образуется оксид цинка и выделяется сернистый газ 2ZnS + 3O2 -> 2ZnO + 2SO2 С помощью электролитического и термического методов получают примерно половину всего производимого цинка.

Термический метод. По термическому методу концентрат оксида цинка, остающийся после обжига руды, часто смешивают с порошкообразным углем в цилиндрических ретортах, изготовленных из огнеупорной глины, которые вводят в печь в горизонтальном положении. Для восстановления цинка углем из оксида требуется температура от 1200 до 1300° С, а поскольку температура кипения металлического цинка составляет 907° С, он испаряется сразу же после восстановления ZnO + C -> Zn + CO. Этот метод, усовершенствованный позднее, применяли с первых лет коммерческого производства цинка; он известен под названием "процесс в горизонтальных ретортах". Альтернативный термический процесс был разработан так, чтобы обеспечить непрерывную подачу материала сверху в вертикальную реторту, изготовленную из карборунда; продукт реакции отводится со дна реторты. Этот процесс, названный процессом в вертикальной реторте, был разработан фирмой "Нью-Джерси цинк компани" в конце 1920-х годов. Посредством фракционной дистилляции цинка, произведенного таким способом, получают металл чистотой 99,99%. Процесс в вертикальной реторте высокоэффективен и обеспечивает большую производительность, чем процесс в горизонтальной реторте. В некоторых печах сернистый газ улавливается для производства побочного продукта - серной кислоты; из печей другого типа, расположенных главным образом в малонаселенных безлесных областях, он выбрасывается в атмосферу.

Электролитический метод. Электролитический метод выплавки и очистки цинка запущен в производство в штате Монтана и Канаде в период Первой мировой войны. В этом процессе обожженный цинковый концентрат обрабатывают серной кислотой, чтобы перевести окись цинка в сульфатный раствор. Присутствующие в концентрате примеси тоже растворяются и должны быть удалены из раствора до его электролиза. Цинк, получаемый электролитическим методом, имеет высокую степень чистоты.

Литой цинк. Конечным продуктом выплавки и очистки является литой цинк. Цинк отливается в пластины массой около 25 кг. Содержание цинка в этих пластинах может варьировать от примерно 98% до почти 100%. Производство литого цинка классифицируется как первичное или вторичное в зависимости от того, что служит его источником - руда или лом. На рынок поступает литой цинк следующих сортов: особо высококачественный (выше 99,99% Zn), высококачественный, сортовой, промежуточный, латунный специальный и прайм-вестерн (98,4%). Сорта указывают количество присутствующих примесей; вид применения цинка определяет выбор его сорта.

Ломовый и вторичный цинк. Выплавка и очистка цинка могут также включать стадию переплавки цинкового лома. Переплавка производится как в рудных печах, так и в печах, специально предназначенных для обработки лома. Существуют два вида лома - новый и старый. Основная часть лома представляет собой "новый лом", состоящий из побочных продуктов технологических операций цинкования, получения слитков латуни и изготовления гипосульфита натрия. Другой вид, "старый лом", состоит главным образом из гравировальных пластин, старых кокильных отливок и других отслуживших изделий, содержащих значительные количества цинковых сплавов.

Химические свойства:

При нагревании цинк взаимодействуют с неметаллами (кроме водорода, углерода и азота). Активно реагирует с кислотами:

Zn + H2SO4(разб.) = ZnSO4 + H2

Цинк – единственный элемент группы, который растворяется в водных растворах щелочей с образованием ионов [Zn(OH)4]2– (гидроксоцинкатов):

Zn + 2OH– + 2H2O = [Zn(OH)4]2– + H2

При растворении металлического цинка в растворе аммиака образуется аммиачный комплекс:

Zn + 4NH3·H2O = [Zn(NH3)4](OH)2 + 2H2O + H2

Исходное сырье для получения металлического цинка – сульфидные цинковые и полиметаллические руды. Выделение цинка начинается с концентрирования руды методами седиментации или флотации, затем ее обжигают до образования оксидов:

2ZnS + 3O2 = 2ZnO + SO2

Образующийся диоксид серы используют в производстве серной кислоты, а оксид цинка перерабатывают электролитическим методом или выплавляют с коксом.

В первом случае цинк выщелачивают из сырого оксида разбавленным раствором серной кислоты. При этом цинковой пылью осаждают кадмий:

Zn + Cd2+ = Zn2+ + Cd

Затем раствор сульфата цинка подвергают электролизу. Металл 99,95%-ной чистоты осаждается на алюминиевых катодах.

Восстановление оксида цинка коксом описывается уравнением:

2ZnO + C = 2Zn + CO2

Применение. Положение цинка в таблице электрохимических потенциалов металлических элементов указывает, что он способен защитить железо, сталь и медные сплавы от коррозии. Это свойство известно как анодная защита, и половина производимого в мире цинка расходуется на покрытие стали. Старейший метод цинкования путем погружения в расплав все еще остается наиболее удобным методом нанесения покрытий на металлические оконные рамы и другие механически обработанные изделия. Следующее по важности применение цинка - латунь и другие литейные сплавы на основе цинка. Такие сплавы имеют хорошую коррозионную стойкость; цинк, расходуемый на их получение, потребляется примерно в том же количестве, что и цинк, идущий на цинкование. Цинковые сплавы прочны, стойки и обладают прочностью на растяжение до 300 МПа. Легкость и точность, с которыми могут формоваться изделия из них методами литья в кокиль, обусловливают их использование в качестве материалов для автомобильных деталей, скобяных изделий, игрушек и другой продукции. Оксид цинка применяется в покрытиях, а цинковая пыль - в антикоррозийных красках. Литопон - продукт соосаждения сульфида цинка и сульфата бария - используется в красках и пластмассах. Цинк с небольшими добавками других металлов применяется как кровельный материал, для изготовления фрикционных накладок барабанных тормозов, сухих гальванических элементов и электрических конденсаторов.

Добыча цинка. В мире ежегодно добывается более 9 млн т цинка. По оценкам, при нынешнем уровне добычи цинка выявленных запасов металла хватит лишь на несколько десятилетий. А объемы извлечения цинка из земной коры постоянно возрастают. По запасам цинка в мире выделяются две страны — Китай и Австралия. У каждой в недрах около 30 млн т цинка. Следом идут США (25 млн т), далее с большим отрывом — Канада и Перу.

Возможно, в будущем, чтобы обеспечить промышленность цинком, научатся добывать его со дна океанов и морей. Уже сейчас в рифтовых зонах Мирового океана (Галапагосский рифт, Срединно-Атлантический хребет, Калифорнийский залив) на глубинах 2700—2900 м обнаружены высокотемпературные рудоносные растворы, содержащие медь и цинк в промышленных масштабах. Около 2,5 млн т цинка содержится во впадине Красного моря.