Цинк и его сплавы: химический состав, физические свойства, применение

Основные методы литья цинка

В цветной металлургии применяют несколько технологий получения отливок, и это несколько затрудняет работу технолога в части определения того, каким образом будет изготовлена деталь. Перед тем как сделать окончательный выбор в пользу той или иной технологии необходимо понять следующее:

Метод центробежного литья

1. Выбранный метод отливки должен гарантировать то, что полученные детали будут полностью отвечать требованиям нормативно-технической и рабочей документации. Все, параметры, заложенные в деталь будут соблюдены, а припуски на механическую обработку не должны превышать норм, определенных в соответствующих стандартах.
2. Техпроцесс должен обладать соответствующей производительностью и экономичностью.
3. Использование избранного процесса, должно основываться на эксплуатации существующего оборудования и оснастки.

Метод литья цинка в песчаные формы

Для получения отливок из цинковых сплавов используют следующие основные разновидности литья, при этом надо учитывать их особенности. Например, литье в песчаные или металлические формы – это самый распространенный и, наверное, экономичный вид получения необходимых заготовок. Но необходимо учитывать то, что после литья в песок потребуется проведение дополнительной обработки поверхности, так как ее качество оставляет желать лучшего. В условиях производства небольших партий деталей имеет смысл подумать о литье в кокиль. Но в этом случае препятствием может стать высокая стоимость оснастки.

Центробежное литье

Результатом постоянного совершенствования литейных технологий стало появление машин для выполнения центробежного литья. Принцип этого способа получения отливок прост – расплав подается в формы, вращающиеся вокруг своей оси, под воздействием центробежной силы его «размазывает» по форме и через заранее определенное время будет сформирована готовое изделие. Такая технология позволяет выплавлять изделия без пузырьков воздуха.

Существуют машины горизонтального и вертикального действия. Их применяют для получения отливок с большими размерами. Использование оборудования такого класса оправдано с точки зрения экономики при организации массового производства.

Эта технология позволяет получать пустотелые отливки, при этом нет необходимости в использовании дополнительных приспособлений, например, стержней. Отливка, полученная по такой технологии, имеет плотную и мелкозернистую структуру материала. Вместе с тем оборудование для выполнения работ по этой технологии стоит довольно дорого. Кроме того, в силу ряда причин, в частности, из-за малой податливости формы, возможно, появление дефектов в виде трещин.

Литье под давлением

Литье под давлением цинковых сплавов основано на следующем принципе – расплав подается в форму под воздействием давления от 7 до 700 МПа.

Его уровень зависит от состава сплава и характеристик будущей детали. На существующем оборудовании, возможно, изготовление деталей весом от нескольких грамм до десятков килограмм. Достоинства и недостатки технологии литья Из множества литьевых технологий для работы с цинковым сплавами применяют следующие

Литье в кокиль

Гарантирует получение заготовок с высоким качеством поверхности, как правило, такие детали не нуждаются в операциях по механической обработке. Но, кокиль, обладает высокой ценой ввиду высокой трудоемкости его получения.

Высокая скорость охлаждения приводит к тому, что снижается текучесть расплава и это может привести к появлению разного рода дефектов. Практическое отсутствие газопроницаемости формы приводит к тому, что газы, образующиеся в процессе литья, остаются в заготовке. Литье цинковых сплавов под давлением позволяет получать сложные изделия с минимизированными размерами стенок. Качество получаемой продукции позволяет избежать дальнейшей мехобработки. Такое литье отличает уровень производительности.Вместе с тем для его обеспечения требуется дорогое оснащение. Кроме этого, существуют ограничения на габаритные размеры отливаемых деталей.

Свойства металла

Наш хрупкий герой — переходный металл синевато-белого цвета. На воздухе быстро окисляется, темнеет от пленки оксида.

В таблице Менделеева этот химический элемент находится в 12 группе (по старой классификации во II группе четвертого периода).

Особенности цинка:

• атомный номер 30;
• атомная масса 65,38 г/моль;
• металлический блеск;
• непрозрачность;
• плотность 7,14 г/см3;
• структура кристаллической решетки гексагональная.

Химические свойства цинка обусловлены его «темпераментом». До щелочноземельных металлов ему далековато, но в реакции он вступает охотно. В реакциях проявляет степени окисления 0; +2.

• Цинк хороший восстановитель и активный металл.
• Наш герой охотно реагирует с разбавленной азотной кислотой, с концентрированными серной и азотной кислотами.
• С галогенами в присутствии паров воды может воспламениться.
• С растворами щелочей образует гидрокомплексы.
• При температуре красного каления (550-600°С) вступает в реакцию с водой, с сероводородом. При реакции выделяется водород.

Рекомендуем:  Зеленые самоцветы: ТОП-18

Взаимодействие с металлами происходит в расплавленном состоянии, но это мало касается химических реакций.

Свойства атома
Название, символ, номер	Цинк / Zincum (Zn), 30
Атомная масса (молярная масса)	65,38(2) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	3d10 4s2
Радиус атома	138 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	125 пм
Радиус иона	(+2e) 74 пм
Электроотрицательность	1,65 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	-0,76 В
Степени окисления	0; +2
Энергия ионизации (первый электрон)	905,8(9,39) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	7,133 г/см³
Температура плавления	419,6 °C
Температура кипения	906,2 °C
Уд. теплота плавления	7,28 кДж/моль
Уд. теплота испарения	114,8 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	25,4 Дж/(K·моль)
Молярный объём	9,2 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	гексагональная
Параметры решётки	a=2,6648 c=4,9468 Å
Отношение c/a	1,856
Температура Дебая	234 K
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 116 Вт/(м·К)
Номер CAS	7440-66-6

Физические свойства цинка:

1. Температуры плавления и кипения равны соответственно 427 и 907 ºС.
2.  Нагрев до 100-150 градусов дает возможность прокатки и вытягивания металла; чем больше примесей в металле, тем более хрупким он становится.
3. Хотите услышать «оловянный крик» — сгибайте и разгибайте пруток или металлическую пластинку. Правда, на крик это мало похоже, скорее треск или скрип. Но для незамысловатого фокуса на вечеринке сойдет.

В природе металл состоит из пяти изотопов:

• Zn64;
• Zn66;
• Zn67;
• Zn68;
• Zn70.

Смесь металлов — это сплав

Сплавы для  промышленного использования содержат Zn-Al и Zn-Al-Cu. Почти всегда в состав добавляется магний (не более 0,1%). Сплавы цинка делятся на антифрикционные и литейные.

• Марки антифрикционных сплавов: ЦАМ9-1,5; ЦАМ10-5.
• Литейные марки: ЦА4, ЦА4М1, ЦА30М5.

История открытия.

Известно, что цинк, в качестве композиционного материала, использовался с древних времен. Самые первые находки латунных предметов (латунь – сплав меди +цинка) относятся к 1500 году до н.э. (раскопки производились в Палестине). Упоминания о процессах выплавки латуни можно найти в трудах Аристотеля и Гомера, Плиния (Старшего). В трактатах древности описываются различные способы литья. В одном из них подробно разбирается способ приготовления латуни путем восстановления углем особого цинкового камня (т.н. кадмея) в присутствии медной составляющей. Особо отмечалось в научном труде, что добавление цинк в сплав может решить сразу несколько вопросов:

1. изменение цветовой гаммы готового медного изделия (в результате осветления оттенок изменялся до «золотого»),
2. кардинально менялись в лучшую сторону механические свойства готового выплавляемого изделия, возрастала пластичность, упругость, полученный сплав можно было раскатать в лист. При этом, меняя процентное соотношение цинка к меди в латуни, можно было изменять диапазон механических характеристик.

Первые упоминания о процессе получения металлического цинка были найдены в Индии (5 век до н.э.). Также методику выплавки «фальшивого серебра» можно найти в исторических трактатах Страбопа (Рим, 60 – 20 г.г. до н.э.). В конце 13 века знаменитый путешественник Марко Поло в своих заметках подробно описывал процесс получения металлического цинка, который наблюдал в Персии. Еще в16 веке Парацельс и Агрикола пытались организовать в своей лаборатории плавильное цинковое производство. Однако попытки закончились неудачей.

До середины 18 века чистый цинк в Европе считался редкостью. Его в основном ввозили из стран Востока, Китая, Индии.

В 1738 году Чемпион У. разработал и запатентовал способ получения металлического цинка методом дистилляции.

В 1743 г. в городе Бристоле им же был построен первый в Европе завод по производству металлического цинка.

Слово «цинк» впервые встречается в трудах Парацельса, который назвал этот металл словом «zincum» или «zinken» в книге Liber Mineralium . Это слово, вероятно, происходит от немецкого Zinke, означающее «зубец» (кристаллиты металлического цинка похожи на иглы).

Маргграф А.С. в 1746 г. в Германии опубликовал новый способ получения чистого металлического цинка. Сущность метода заключалось в том, что смесь угля с оксидом цинка прокаливалась в специальных сосудах без доступа воздуха с последующим охлаждением в холодильнике. В результате пары цинка конденсировались, образуя чистый цинк. В качестве герметичных сосудов для опытов использовались реторты, изготовленные из огнеупорной глины.

В 1805 г. был изобретен очередной способ получения цинка – прокат в температурном диапазоне от 100- 150 градусов С. Разработчиками новой технологической методики стали Гобсон Ч. и СильвестрЧ. (Шеффилд).

Электролитический способ литья начали использовать в 1915 г. (Канада, США).

Олово и цинк

Данный сплав не менее популярен, чем другие, уже рассмотренные нами ранее. В 1917-1918-х годах в Болгарии он широко использовался для изготовления специальных сосудов, которые держали теплую жидкость долгое время (аналоги современных термосов). В наше время сплав цинк-олово очень широко используется в радио- и электропромышленности. Это связано с тем, что состав с содержанием Zn 20% очень хорошо паяется, и полировка осадка сохраняется продолжительное время.

Конечно же, как антикоррозионное покрытие данный сплав также может быть использован. По своим характеристикам он очень похож на кадмиевое покрытие, но при этом менее дорогостоящий.

Общая характеристика цинка

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 ZnCO₃ 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 100-150oС он хорошо гнется и прокатывается в листы. При нагревании выше 200oС 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.

Производств цинка

Добыча металла

Цинк как самородный металл в природе не встречается. Добывается из полиметаллических руд, содержащих 1–4% металла в виде сульфида, а также меди, свинца, золота, серебра, висмута и кадмия. Руды обогащаются селективной флотацией и получаются цинковые концентраты (50–60% Zn).

Концентраты цинка обжигают в печах. Сульфид цинка переводится в оксид ZnO. При этом выделяется сернистый газ SO2, который используется в производстве серной кислоты.

Получение металла

Существуют два способа получения чистого цинка из оксида ZnO.

Самый древний метод — дистилляционный. Обожженный концентрированный состав подвергают термообработке, чтобы придать ему зернистость и газопроницаемость.

Затем концентрат восстанавливают коксом или углем при температуре 1200–1300 °C. В процессе образуются пары металла, которые конденсируют и разливают в изложницы. Жидкий металл отстаивают от железа и свинца при температуре 500 °C. Так достигается цинк чистотой 98,7%.

Иногда используется сложная и дорогая обработка цинка ректификацией — разделением смесей за счет обмена теплом между паром и жидкостью. Такая чистка позволяет получить металл чистотой 99,995% и извлечь кадмий.

Второй метод производства цинка — электролитический. Обожженный концентрат обрабатывается серной кислотой. Готовый сульфатный раствор очищается от примесей, после чего подвергается электролизу в свинцовых ваннах. Цинк дает осадок на алюминиевых катодах. Полученный металл удаляют с ванн и плавят в индукционных печах. После этого получается электролитный цинк чистотой 99,95%.

Литье металла

Горячий цинк — жидкий и текучий металл. Благодаря таким свойствам он легко заполняется в литейные формы.

Примеси влияют на величину натяжения поверхности цинка. Технологические свойства металла можно улучшить, добавив небольшое количество лития, магния, олова, кальция, свинца или висмута.

Чем выше температура перегрева цинка, тем лучше он заполняет формы. При литье металла в чугунные изложницы его объем уменьшается на 1,6%. Это затрудняет получение крупных и длинных цинковых отливок.

Цинк в природе

Чистый цинк не встречается. Добывается из металлических руд, где его содержится не более 1-4%. Крупнейшие месторождения расположены в Казахстане, Австралии, Боливии.

Самая распространенная руда, содержащая этот металл – сфалерит. Из-за примесей может быть любого цвета, потому называется еще цинковой обманкой. Встречаются также другие минералы:

• цинкит;
• смитсонит;
• каламин;
• смесь цинковой обманки и бурого шпата.

Полученную руду концентрируют, осаждают и обжигают. Получается оксид. Из него путем электролиза добывают цинк с чистотой 98,7-99,9%. Из примесей могут присутствовать свинец, олово, железо, медь.

Применение

Цинк является одним из наиболее востребованных металлов в мире: он находится на третьем месте по объему добычи среди цветных металлов, уступая только меди и алюминию. Этому способствует и его невысокая цена. Чаще всего его применяют для защиты от коррозии и в качестве части сплава, например, латуни.

1. В металлургии цинк особенно ценен. Его наносят тонким слоем на стальную поверхность многих металлоконструкций, чтобы полностью защитить их от ржавчины на механическом и химическом уровне. На это расходуется до 40% от всей добычи. Поскольку цинк, в отличие от никеля, кобальта, олова и кадмия, активнее железа, он первым начинает контактировать с недружелюбной внешней средой, полностью защищая основу.
2. Чистый металл используют для восстановления благородных металлов после добычи путем выщелачивания. Также с его помощью происходит добыча золота и серебра из чернового свинца.
3. Цинк является наиболее электроположительным металлом, практически не реагирующим на воду. Это позволило создать большое число разнообразных химических источников тока: воздушно-цинковые, серебряно-цинковые, ртутно-цинковые, «сухие» элементы Лекланше.
4. Цинковую пыль используют в фейерверках и пиротехнике для создания голубого огня, в краске, особенно в цинковых белилах — для антикоррозийной защиты и лучшего прилипания к основе. Она же применяется для вытеснения драгоценных металлов из цианистых растворов и для очистки раствора сульфата цинка от кадмия и меди.
5. В полиграфии цинк применяют для отливки шрифтов и печать иллюстраций: цинкография применяется с XIX века. При этом типографское клише готовится на цинковой основе с небольшим — не более 5% — добавлением других металлов. Перед каждым травлением пластину отжигают и прокатывают в нагретом состояние.
6. В медицине оксид цинка используют в качестве антисептика в мазях «Паста Лассара», «Судокрем», «Цинковая мазь», а также в качестве присыпки, зубных паст и материала для цементирования зубов. Применяют металл для создания бактерицидных потолков и самоочищающихся поверхностей. Раньше цинк применяли для фотокаталитической очистки воды в промышленных масштабах.

Цинковый сплав в бижутерии

Внешне цинковые сплавы напоминают благородные металлы. Поэтому их используют в бижутерии для создания недорогих украшений. Бижутерия из цинкового сплава выглядит дорого, но легко создается.

Вреден ли цинковый сплав? На самом деле, он никак не влияет на организм человека. Но, тем не менее, лучше приобретать бижутерию хорошего качества. Обычно для создания украшений используется особый сплав, который так и называется – бижутерный. Чаще всего применяется латунь или сплав с алюминием. Внешне такие изделия напоминают золотые и серебряные.

Вреден ли цинковый сплав в бижутерии? Нет, поэтому изделия из него можно смело покупать. Ведь если бы он негативно воздействовал, изготовление украшений из него было бы запрещенным.

Таким образом, цинк и цинковые сплавы широко распространены. Их используют в медицине, автомобилестроении и даже в бижутерии. Это качественные и устойчивые материалы, которые практически не меняются под воздействием условий окружающей среды.

Виды сплавов

По назначению цинковые сплавы делятся на:

• Деформируемые. Основу этих сплавов составляет цинк. По свойствам они подобны латуням. Методом литья получают слитки, а из них изготовляют прутки, полосы, листы.
• Литейные. Имеют высокую текучесть. Отлично заполняют форму, не прилипая к ней. Получаются качественные отливки сложной конфигурации литьем под давлением.
• Антифрикционные. Сплавы обладают низким коэффициентом трения и хорошей прирабатываемостью подшипника к шейке вала.
• Припои. Применяются для пайки изделий, обладают хорошей пластичностью и прочностью.
• Типографские. Используют для отливки шрифтов ручного и машинного набора. Заменяют токсичные свинцовые сплавы. Стойкие к истиранию.
• Протекторные. Защищают внутренние и внешние части морских судов от коррозии. Используют их со специальным лакокрасочным покрытием.

Отражение недостатка цинка на здоровье человека

Недостаток данного микроэлемента в организме обуславливается появлением некоторых возникающих симптомов. А именно могут появиться: аллергия, головокружение, высыпания на теле, ухудшение зрения и слуха, повышенная утомляемость.

Многие люди замечают появление у себя подобных симптомов, но редко связывают это с переизбытком или недостатком каких-либо микроэлементов. Хотя зачастую при регулировании их нормального потребления все патологические процессы самостоятельно исчезают.

Для того, чтобы регулировать нормальное содержание витаминов и минералов, врачи нередко назначают цинксодержащие препараты. Они положительно влияют не только на внутреннее состояние здоровья человека, но и благотворно влияют на его внешний вид. 

Очень часто назначается пиколинат цинка. По сути это смесь цинка с пиколиновой кислотой. Такое сочетание усиливает благоприятное воздействие на здоровье человека.

Усваиваемость данного микроэлемента разная у каждого человека. Поэтому врачи должны учитывать данный факт. В некоторых случаях назначается глюконат цинка. В других — ацетат. Для лечения назначается и сульфат цинка, но его содержание должно строго регулироваться лечащим врачом.

Виды цинковых сплавов по назначению

По назначению сплавы цинка могут быть нескольких видов:

• Деформируемые.15% – алюминий, 5%- медь, более 1% – магний. Изготавливается в виде листов или прутьев. По свойствам схожи с латунью.
• Литейные. Их изготавливают путем добавления в цинк 3-4% меди и алюминия, а также 0,05% магния. Имеют хорошую текучесть. Поэтому их изготавливают посредством литья под давлением или литья в формы.
• Антифрикционные. В их состав входит 10% алюминия, 5% меди и 0,1% магния. Изготавливаются посредством литья под давлением. Имеют низкий коэффициент трения и используются в автомобилестроении.
• Припои. Их используют для пайки алюминиевых деталей. Обычно включают в себя примеси – металлы. От этого повышается их прочность.
• Типографические. В их состав входит 7,5% алюминия, 2% магния и примерно 4% меди. Такие сплавы очень прочные, отлично льются в формы.
• Протекторные. В их состав входит не более 1% алюминия и мизерное количество кремния и магния. Устойчивы к коррозии даже во влажной среде. Поэтому такие сплавы применяются в качестве защитных материалов.

Цинковые сплавы хорошо себя зарекомендовали и получили широкое распространение. Но при их создании должны точно учитываться пропорции, иначе будет получен материал плохого качества.

Цинк — общая характеристика элемента, химические свойства цинка и его соединений

Цинк — элемент побочной подгруппы второй группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 30. Обозначается символом Zn (лат. Zincum). Простое вещество цинк при нормальных условиях — хрупкий переходный металл голубовато-белого цвета (тускнеет на воздухе, покрываясь тонким слоем оксида цинка).

В четвертом периоде цинк является последним d-элементом, его валентные электроны 3d104s2.

В образовании химических связей участвуют только электроны внешнего энергетического уровня, поскольку конфигурация d10 является очень устойчивой. В соединениях для цинка характерна степень окисления +2.

Цинк – химически активный металл, обладает выраженными восстановительными свойствами, по активности уступает щелочно-земельным металлам. Проявляет амфотерные свойства.

Взаимодействие цинка с неметаллами

При сильном нагревании на воздухе сгорает ярким голубоватым пламенем с образованием оксида цинка: 2Zn + O2 → 2ZnO.

При поджигании энергично реагирует с серой: Zn + S → ZnS.

С галогенами реагирует при обычных условиях в присутствии паров воды в качестве катализатора: Zn + Cl2 → ZnCl2.

При действии паров фосфора на цинк образуются фосфиды: Zn + 2P → ZnP2 или 3Zn + 2P → Zn3P2.

С водородом, азотом, бором, кремнием, углеродом цинк не взаимодействует.

Взаимодействие цинка с водой

Реагирует с парами воды при температуре красного каления с образованием оксида цинка и водорода: Zn + H2O → ZnO + H2.

Взаимодействие цинка с кислотами

В электрохимическом ряду напряжений металлов цинк находится до водорода и вытесняет его из неокисляющих кислот: Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2; Zn + H2SO4 → ZnSO4 + H2.

Взаимодействует с разбавленной азотной кислотой, образуя нитрат цинка и нитрат аммония: 4Zn + 10HNO3 → 4Zn(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O.

Реагирует с концентрированными серной и азотной кислотами с образованием соли цинка и продуктов восстановления кислот: Zn + 2H2SO4 → ZnSO4 + SO2 + 2H2O; Zn + 4HNO3 → Zn(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O

Взаимодействие цинка со щелочами

Реагирует с растворами щелочей с образованием гидроксокомплексов: Zn + 2NaOH + 2H2O → Na2 + H2

при сплавлении образует цинкаты: Zn + 2KOH → K2ZnO2 + H2.

Взаимодействие с аммиаком

С газообразным аммиаком при 550–600°С образует нитрид цинка: 3Zn + 2NH3 → Zn3N2 + 3H2; растворяется в водном растворе аммиака, образуя гидроксид тетраамминцинка: Zn + 4NH3 + 2H2O → (OH)2 + H2.

Взаимодействие цинка с оксидами и солями

Цинк вытесняет металлы, стоящие в ряду напряжения правее него, из растворов солей и оксидов: Zn + CuSO4 → Cu + ZnSO4; Zn + CuO → Cu + ZnO.

Оксид цинка (II) ZnO

– белые кристаллы, при нагревании приобретают желтую окраску. Плотность 5,7 г/см3, температура возгонки 1800°С. При температуре выше 1000°С восстанавливается до металлического цинка углеродом, угарным газом и водородом: ZnO + C → Zn + CO; ZnO + CO → Zn + CO2; ZnO + H2 → Zn + H2O.

С водой не взаимодействует. Проявляет амфотерные свойства, реагирует с растворами кислот и щелочей: ZnO + 2HCl → ZnCl2 + H2O; ZnO + 2NaOH + H2O → Na2.

При сплавлении с оксидами металлов образует цинкаты: ZnO + CoO → CoZnO2.

При взаимодействии с оксидами неметаллов образует соли, где является катионом: 2ZnO + SiO2 → Zn2SiO4, ZnO + B2O3 → Zn(BO2)2.

Гидроксид цинка (II) Zn(OH)2

– бесцветное кристаллическое или аморфное вещество. Плотность 3,05 г/см3, при температуре выше 125°С разлагается: Zn(OH)2 → ZnO + H2O.

Гидроксид цинка проявляет амфотерные свойства, легко растворяется в кислотах и щелочах: Zn(OH)2 + H2SO4 → ZnSO4 + 2H2O; Zn(OH)2 + 2NaOH → Na2;

также легко растворяется в водном растворе аммиака с образованием гидроксида тетраамминцинка: Zn(OH)2 + 4NH3 → (OH)2.

Получается в виде осадка белого цвета при взаимодействии солей цинка со щелочами: ZnCl2 + 2NaOH → Zn(OH)2 + 2NaCl.

Нахождение в природе

Известно 66 минералов цинка, в частности цинкит, сфалерит, виллемит, каламин, смитсонит, франклинит. Наиболее распространённый минерал — сфалерит, или цинковая обманка. Основной компонент минерала — сульфид цинка ZnS, а разнообразные примеси придают этому веществу всевозможные цвета. Из-за трудности определения этого минерала его называют обманкой (др.-греч. σφαλερός — обманчивый). Цинковую обманку считают первичным минералом, из которого образовались другие минералы элемента № 30: смитсонит ZnCO₃, цинкит ZnO, каламин 2ZnO · SiO₂ · Н₂O. На Алтае нередко можно встретить полосатую «бурундучную» руду — смесь цинковой обманки и бурого шпата. Кусок такой руды издали действительно похож на затаившегося полосатого зверька.

Сфалерит

Среднее содержание цинка в земной коре — 8,3⋅10-3%, в основных извержённых породах его несколько больше (1,3⋅10-2%), чем в кислых (6⋅10-3%). Цинк — энергичный водный мигрант, особенно характерна его миграция в термальных водах вместе со свинцом

Из этих вод осаждаются сульфиды цинка, имеющие важное промышленное значение. Цинк также энергично мигрирует в поверхностных и подземных водах, главным осадителем для него является сероводород, меньшую роль играет сорбция глинами и другие процессы

Цинк — важный биогенный элемент, в живых организмах содержится в среднем 5⋅10-4% цинка. Но есть и исключения — так называемые организмы-концентраторы (например, некоторые фиалки).

Месторождения

Месторождения цинка известны в Иране, Австралии, Боливии, Казахстане. В России крупнейшим производителем свинцово-цинковых концентратов является ОАО «ГМК Дальполиметалл».

Кальцинирование

После того, как минерал был сконцентрирован после процесса флотации и очистки горных пород, его необходимо прокалить, чтобы превратить сульфиды в соответствующие им. На этом этапе минерал просто нагревается в присутствии кислорода, что приводит к следующей химической реакции:

2 ZnS + 3 O₂(г) → 2 ZnO (т) + 2 SO₂(грамм)

SO₂ также реагирует с кислородом с образованием SO₃, соединение, предназначенное для синтеза серной кислоты.

После получения ZnO его можно подвергнуть пирометаллургическому процессу или электролизу, конечным результатом которого является образование металлического цинка.

Источники отравления и вредность

Прежде всего, весь источник вреда содержится в ионизированных формах этого металла, имеющую валентность 2 + точка из токсичных соединений можно назвать все растворимые соли, особенно с серной и соляной кислотой, то есть сульфаты и хлориды этого металла, а также, цитрат цинка. Находясь в растворах, ионизированный металл способен вызвать тяжелую интоксикацию. Вполне хватит всего лишь 1 грамма сульфата цинка для нанесения тяжелого вреда здоровью.

Сульфат цинка

Не следует думать, что эти соли встречаются только на химическом производстве. Они часто могут образоваться и в домашних условиях, особенно, если длительно хранить пищевые продукты в оцинкованной посуде. Простейшим примером служит длительное хранение квашеной капусты в таком ведре. Кислота, которая образуется в процессе закваски, извлекает металл из покрытия и может вызвать довольно сильное отравление. Очень ядовитым считается фосфид цинка – фосфористый цинк, этим ядохимикатом уничтожают грызунов, и его проникновение внутрь вызывает тяжелые отравления.

Оцинкованная посуда

При проникновении металла в организм через рот возникают патологические изменения в почках, а при значительной дозе – развивается желтуха. При длительном воздействии он влияет на уровень кальция в крови, который снижается вследствие антагонизма между этими металлами.

Цинк способствует вымыванию кальция из костной ткани, нарушается метаболизм фосфора, и развивается остеопороз. При длительном воздействии этот металл может способствовать развитию злокачественных новообразований, а также вызывает бесплодие.

Оксид, будучи твердым, химически инертен, и входит во многие лечебные мази, подсушивающие кожу. Вред оксида цинка возникает при ингаляционном воздействии. Характерным признаком такого отравления оксидом цинка будет являться небольшой привкус во рту (чаще всего – сладкий), сильное понижение аппетита и сильная жажда. Вообще, вред паров цинка и содержащих его веществ в промышленных условиях несравнимо выше, чем вред от случайного употребления внутрь химических соединений этого элемента.

Оксид цинка – применяется для изготовления различных косметических средств (мыла, кремов и т.д)

Основной источник проникновения вредных соединений элемента в организм – это органы дыхания. Наиболее часто этот путь реализуется у рабочих, занятых в горнодобывающей промышленности и при переработке руды. Чрезвычайно велик вред паров металла при вдыхании. Высокий риск получить так называемую литейную лихорадку у работников, занятых выплавка цинка и латуни, а также у сварщиков. Каковы же признаки отравления цинком? Как распознать, что произошло отравление парами цинка при сварке? И что такое «литейная лихорадка»?

Цинковое литьё

Технически чистый цинк обладает удовлетворительными ме­ханическими свойствами, хорошо поддается прокатке, прессова­нию, волочению и штамповке в холодном состоянии и в интервале температур 130… 170 °С. Цинк имеет высокую плотность в твер­дом (7130 кг/м3) и жидком (6810 кг/м3) состоянии, низкую тем­пературу плавления (419,5 °С) и кипения (907 °С), линейную усадку 1,6 %. Выпускают несколько марок цинка, различающихся коли­чеством примесей: от ЦВ00 с суммарным содержанием примесей менее 0,005 % до Ц3 — менее 2,5 %.

Цинковые сплавы маркируются буквой «Ц», далее следуют бук­вы элементов, входящих в химический состав (например, А — алюминий, М — медь), и цифры, указывающие их процентное содержание.

Широкое распространение получили цинковые литейные спла­вы ЦА4 и ЦАМ4-1 для литья под давлением и антифрикционные литейные сплавы ЦАМ9-1,5Л и ЦАМ10-5Л. Химический состав и механические свойства литейных цинковых сплавов по ГОСТ 21437—95 приведены в табл. 6.10.

Главным производителем цинковых литейных сплавов в России является ПАО «Челябинский цинковый завод».

Химический состав некоторых цинковых литейных сплавов

Марка сплава	Среднее содержание элемента, мас. %	Механические свойства*, не менее
Al	Cu	Mg	примеси	предел прочн., Н/мм2	относ. удлинение, %	HB
ЦА4Л	4,0	—	0,04	0,14	290	6…8	80
ЦАМ4-1Л	4,1	1,0	0,04	0,11	330	4…7	90
ЦАМ9-1,5Л	9,5	1,5	0,04	0,35	300	2…6	80
ЦАМ10-5Л	11	5,0	0,04	0,35	325	0,5 …4	9

Сплав ЦА4Л содержит 4,0 % Al. Его структура состоит из пер­вичных кристаллов α-твердого раствора алюминия в цинке (1,1 % Al), эвтектики, образующейся при температуре 382°С и состоя­щей из кристаллов того же α-раствора и кристаллов β-твердого раствора (правый угол диаграммы Al—Zn, см. рис. 6.4).

При температуре 265 °С должен происходить эвтектоидный распад, который при литье под давлением из-за большой скорости охлаждения блокируется. Но затем при комнатной температуре этот распад, получивший название «естественное старение», происходит с малой скоростью. В процессе старения изменяются свойства и уменьшаются примерно на 0,08 % линейные размеры. Для стабилизации размеров проводят отжиг — нагрев до 100 °С и выдержка в течение 3… 10 ч при этой температуре.

Следует отметить высокую чувствительность сплавов Zn—Al к межкристаллитной коррозии из-за загрязненности некоторыми примесями, особенно свинцом, оловом, кадмием. При этом содержание примесей ограничивается соответственно величинами, % (не более): Pb 0,015; Sn 0,001; Cd 0,003.

Магний в цинковых сплавах является полезной примесью, он повышает коррозионную стойкость и уменьшает объемные изменения.

Сплав ЦАМ4-1 отличается от ЦА4 добавкой меди (1,0 %), кото­рая целиком находится в твердом растворе, не вызывает появления новых фаз, придает сплаву более высокие прочность и твердость. Поэтому сплав ЦАМ4-1 находит более широкое применение.

Названные цинковые сплавы используются в автомобильной промышленности для изготовления корпусов карбюраторов, на­сосов и других деталей, а также для декоративных деталей.

Антифрикционные цинковые литейные сплавы являются, как правило, тройными Zn—Al—Cu с более высоким содержанием алюминия и меди. Для изготовления отливок используют литье под давлением, литье в кокиль и, реже, в песчано-глинистые формы.

Особенности литейных свойств цинковых сплавов. Цинковые сплавы являются «узкоинтервальными», имеют высокую жидко- текучесть из-за низкой температуры Тл, благодаря чему воспроиз­водят тонкий рисунок. Широко используются в шрифтолитейном производстве. Из них получаются плотные отливки. Линейная усадка их составляет 1,0… 1,2 %.

При литье в металлические формы проявляется их склонность к образованию горячих трещин. Для предотвращения испарений, насыщения газами и образования неметаллических включений плавку ведут в защитной атмосфере (азот), не перегревая сплав выше 480 °С.