Описание на цинка

[Mozo]

Цинкът Zn е химичен елемент, преходен метал. Намира се във 2Б група, четвърти период от периодичната система на елементите. Поредният му номер Z е 30.
История и разпространение
Цинкът е познат на човечеството от древността. Данни за неговото получаване и употреба има още от XІІІ век пр.н.е. Той спада към средно разпространените химични елементи - 2,10-3ат.%. Цинкът се среща в земната кора изключително в свързано състояние под формата на редица полиметални сулфидни руди, а също и като минералите сфалерит (ZnS) и смитсонит (ZnCO3), известен още като галмей. Други негови минерали с промишлено значение са цинкит (ZnO), вилемит (Zn2SiO4), троостит (Zn,Mg)2SiO4, франклинит (Zn,Mg)O.Fe2O и др.
Най-големи находища на цинкови руди има в Канада, Австралия и Перу.
Цинкът е познат от древни времена под формата на медна сплав - месинг. Месингът се получавал от мед, която се стапяла със "земя", известна на древните гърци като "кадмия". Тази земя, в последствие се оказала цинков карбонат (ZnCO3), който е получил и минераложкото название галмей. Като чист метал той е получен в края на Средновековието. В големи количества започва да се получава едва в края на ХVІІІ в.
[редактиране] Строеж на атома
Атомът на елемента се отличава с устойчива d10-конфигурация в предпоследния (трети) електронен слой и с два s-електрона в последния. Поредният му номер Z е равен на 30, т.е. той има 30 протона в ядрото си и 30 електрона в електронната си обвивка. Електронната му конфигурация има вида
1s22s22p63s23p63d104s2
Характерната за цинка атомна маса е равна на 65,37 а.е.м., атомният му радиус е 0,139 nm, а електроотрицателността му - 1,4 еV.
Цинкът има йонен радиус 0,074 nm, който е много по-малък от тези на представителите на ІІА група, а характерната за него йонизационна енергия е значително по-голяма - 9,39 еV. Затова и активността на този елемент е значително по-малка. Поради стабилността на d10-конфигурацията характерната степен на окисление на този елемент +2. Химичните връзки се образуват с участието на двата s-електрона. Проявява подчертана склонност към комплексообразуване.
Химичните свойства на цинка се определят от електронната му конфигурация. Тя се отличава от тази на калциевия атом само по това, че между неговите 3s23р6 и 4s2-електрони има десет 3d-електрона. Тъй като d-електроните са много здраво свързани, те не могат да се отделят, т.е. те не могат да влияят на валентността на цинка. Те обаче оказват влияние върху силата, с която се свързват двата външни валентни електрона (4s2) – по-силно свързани са с ядрото отколкото 4s2-електроните на калция, поради което цинка има по-слаб електрохимичен характер.
[редактиране] Физични свойства
Цинкът е сребристобял метал. Плътността му е 7,1 g/cm3, a стандартния електроден потенциал – 0,763 М/М+2. При обикновенна температура е подчертано крехък и не може да се обработва механически. При повишаване на температурата става ковък и при 100–150 °С е толкова мек, че може да се валцува и изтегля на жица. Над 200 °С става отново крехък и към 300 °С може да се стрива дори на прах. Примесите към цинка оказват влияние върху ковкостта му. Така 0,12% желязо понижава силно способността му да се валцува. Това отнасяне на цинка се обяснява с неговите алотропни форми, които значително се различават по своите механически показатели. Освен това се променят и относителното тегло, както и твърдостта. Все пак относителното тегло е от порядъка на 7,14. Цинкът се топи при 420 °С, а кипи при 907 °С. Топлопроводимостта му е 61-64%, а електропроводимостта – 27% от тези на среброто.
Естествените изотопи на цинка са пет на брой: 64Zn – 48,7 мас. %, 66Zn – 27,8 мас. %, 67Zn – 4,1 мас. %, 68Zn – 18,8 мас. % и 70Zn – 0,6 мас. %.
[редактиране] Химични свойства
При сравнение на свойствата му с тези на А-групата и със съседните групи преходни метали изпъкват сравнително ниските температури на топене и кипене, както и сравнително високото електросъпротивление – 5,8 µ?.см. Обяснението на тези факти се търси в значителната стабилност на d10-конфигурацията при този метал. d-Електроните не участват нито в ковалентна, нито в метална връзка между металните атоми, а запазват характерното за изолираните атоми разпределение на електронната плътност около ядрата. По такъв начин металната връзка се осъществява само от s-електроните от последния електронен слой. Връзката е по-слаба и свързаните с нея показатели (какъвто е температурата на топене) – по-ниски.
По химична активност, цинкът значително отстъпва на представителите на А-групата.
Изложен на въздух, губи металния си блясък, като бързо се покрива с корица от основен карбонат, която го предпазва от по-нататъшно окисление.
Стойностите на стандартните електродни потенциали показват, че цинкът е сравнително добър редуктор и се разтваря в киселини
Zn + 2H3O+ + 2H2O > [Zn(H2O)4]2+ + H2,
а при нягряване и в основи
Zn + 2OH- + 2H2O > [Zn(OH)4]2+ + H2
При взаимодействие с киселини, който са и силни окислители, цинкът се отнася като по-силен редуктор. С разредена азотна киселина например, се извършва взаимодействието:
4Zn + 10HNO3 > 4Zn(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O
и част от азотната киселина се редуцира до амониев йон.
Когато цинкът е отчасти примесен с метали, които се намират след него в реда на относителната активност на металите, в зависимост от тяхната природа скоростта на разтварянето на цинка в киселината се увеличава повече или по-малко.
Цинкът не реагира с вода, тъй като се образува корица от цинков хидроксид, която го предпазва от по-нататъшно взаимодействие. Взаимодейства с амоняк и разтвори на амониеви соли, особено ако температурата е по-висока, при което се получава [[Zn3N2]]
3Zn + 2NH3 > Zn3N2 + 3H2
При нагряване цинкът взаимодейства с повечето неметали.
[редактиране] Практическо приложение
Практическото използване на цинка и неговите съединения е широко и разнообразно. Основното количество цинк се използва като антикорозионно покритие на желязото. Използва се за месингови сплави, които съдържат мед и от 20 до 50% цинк. Още участва в състава на сплави, в които освен мед, се съдържа и алуминий. Според съдържанието на цинк, мед и алуминий тези сплави носят различни наименования: целко-сплав, бял месинг и др.
Цинков прах намира приложение като редуктор в лабораторната практика и в химичната технология. Поради своята трошливост цинкът не е подходящ като конструкционен материал. В това отношение обаче редица негови сплави имат отлични качества – сплавите му с медта, алуминия и никела. В металургията цинкът се използва за отлъчване на среброто от оловно – сребърната стопилка, както и за отделяне на златото от неговата комплексна сол, при извличането му по цианидния метод. В лабораторната практика се употребява най-често за получаване на водород при взаимодействието му със сярна киселина.

Целият материал: