Цинк способы получения металла

Цинк: производство и применение

Цинк – это металл, стоящий в таблице Менделеева, под номером 30 и имеет обозначение Zn. Плавится при температуре 419 °С градусов, если же температура кипения 913 °С – начинает превращаться в пар. При температурном обычном режиме, состояние хрупкое, а при ста градусах начинает гнуться.

Цвет цинка сине-белый. При воздействии кислорода появляется окисление, а также покрытие карбоната, предохраняющего металл от дальнейшей реакции окисления. Появление на цинке гидроокиси обозначает то, что вода на химический элемент не действует.

Цинк — химический элемент, имеет свои отличительные свойства, преимущества и недостатки. Он широко применяется в повседневной жизни человека, в фармацевтике и металлургии.

Особенности цинка

Металл является необходимым и широко применяемым практически во всех отраслях повседневной жизни человека.

Добыча в основном, производится в Иране, Казахстане, Австралии, Боливии. В России изготовителем является ОАО «ГМК Дальполиметалл».

Это переходной металл, имеет степень окисления +2, радиоактивный изотоп, период полураспада 244 дня.

Водный арсенат кадмия, цинка и меди

В чистом виде элемент не добывается. Содержится в рудах и минералах: клейофане, марматите, вюртците, цинките. Обязательно присутствует в сплаве с алюминием, медью, оловом, никелем.

Химические, физические свойства и характеристики цинка

Цинк – металл, обладает рядом свойств и характеристик, отличающих его от иных элементов периодической таблицы.

К физическим свойствам цинка относится его состояние. Основным фактором выступает температурный режим. Если при комнатной температуре это хрупкий материал, плотность цинка 7130 кг/м 3 (˃ плотности стали), который практически не гнётся, то при повышении он легко изгибается и прокатывается в листах на заводах. Если взять более высокий температурный режим – материал приобретает жидкое состояние, а если еще поднять температуру на 400-450 °С градусов, тогда он просто испарится. В этом уникальность – менять своё состояние. Если же подействовать кислотами и щелочами, он может рассыпаться, взорваться, расплавиться.

Цинк в жидком состоянии

Формула цинка Zn – zincum. Атомная масса цинка 65.382 а.е.м.

Электронная формула: ядро атома металла содержит 30 протон, 35 нейтрон. В атоме 4 энергетических уровня – 30 электронов. (рис. строение атома цинка)1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 .

Кристаллическая решётка цинка – шестиугольная кристаллическая система с плотно прижатыми атомами. Данные решётки: A=2.66У, С=4.94.

Структура и состав цинка

Добытый и не переработанный материал имеет изотопы 64, 66, 67, электроны 2-8-18-2.

По применению среди всех элементов периодической таблицы металл стоит на 23 месте. В природе элемент выступает в виде сульфида с примесями свинца Pb, кадмия Cd, железа Fe, меди Cu, серебра Ag.

В зависимости от того, какое количество примесей, металл имеет маркировку.

Производство цинка

Как было сказано выше, чистого вида данного элемента в природе нет. Он добывается из иных пород, таких как руда – кадмий, галлий, минералы – сфалерит.

Металл получают на заводе. Каждый завод имеет свои отличительные особенности производства, поэтому оборудование для получения чистого материала различно. Оно может быть таким:

• Роторы, расположенные вертикально, электролитные.
• Специальные печи с достаточно высокой температурой для обжига, а также специальные электропечи.
• Транспортёры и ванны для электролиза.

В зависимости от принимаемого метода добычи металла, задействовано соответствующее оборудование.

Получение чистого цинка

Как упоминалось выше – в природе чистого вида нет. В основном добыча производится из руд, в которых он идет с различными элементами.

Для получения чистого материала задействован специальный флотационный процесс с избирательностью (селективностью). После проведения процесса руда распадается на элементы: цинк, свинец, медь и так далее.

Добытый таким методом чистый металл обжигается в специальной печи. Там при определенных температурах сульфидное состояние материала переходит в оксидное. При обжиге выделяется газ с содержанием серы, направляемый для получения серной кислоты.

Есть 2 способа получения металла:

1. Пирометаллургический – идет процесс обжигания, после — полученная масса восстанавливается с помощью чёрного угля и кокса. Конечным процессом является отстаивание.
2. Электролитический – добытая масса обрабатывается серной кислотой. Полученный раствор подвергают электролизу, при этом металл оседает, его плавят в печах.

Выплавка цинка в печи

Температура плавления цинка в печи 419-480 °С градусов. Если же температурный режим превышен, тогда материал начинает испаряться. При данной температуре допускается примесь железа 0.05%.

При процентной ставке 0.2 железа, лист невозможно будет прокатать.

Применяются различные способы выплавки чистого металла, вплоть до получения цинковых паров, которые направляются в специальные резервуары и там вещество опадает вниз.

Применение металла

Свойства цинка позволяют его применение во многих сферах. В процентном соотношении:

1. Цинкование – до 60%.
2. Медицина – 10%.
3. Различные сплавы, содержащие данный металл 10%.
4. Выпуск шин 10%.
5. Производство красок – 10%.

А также применение цинка необходимо для восстановления таких металлов, как золото, серебро, платина.

Цинк в металлургии

Металлургическая промышленность задействует данный элемент периодической таблицы как основной для достижения определенных целей. Выплавка чугуна, стали является главной во всей металлургии страны. Но, данные металлы подвержены негативному влиянию окружающей среды. Без определенной обработки идет быстрое окисление металлов, что приводит к их порче. Наилучшей защитой служит оцинкование.

Нанесение защитной плёнки на чугун и сталь является лучшим средством от коррозии. На оцинкование уходит около 40% всего производства чистого материала.

Способы оцинкования

Металлургические заводы отличительны не только своим оборудованием, но и применяемыми методами производства. Это зависит от ценовой политики, и месторасположения (природных ресурсов, используемых для металлургической промышленности). Есть несколько методов оцинкования, которые рассматриваются ниже.

Горячий способ оцинкования

Данный способ заключается в обмакивании металлической детали в жидком растворе. Происходит это так:

1. Деталь или изделие обезжиривается, очищается, промывается и сушится.
2. Далее, цинк расплавляется до жидкого состояния при температуре до 480 °С.
3. В жидкий раствор опускается подготовленное изделие. При этом оно хорошо смачивается в растворе и образуется покрытие толщиной до 450 мкм. Это является 100% защитой от воздействия внешних факторов на изделие (влага, прямые солнечные лучи, вода с химическими примесями).

Горячее цинкование металлоконструкций

Но, данный метод имеет ряд недостатков:

• Цинковая пленка на изделии получается неравномерного слоя.
• Нельзя использовать данный метод для деталей, отвечающих точным стандартам по ГОСТу. Где каждый миллиметр считается браком.
• После горячего оцинкования, не каждая деталь останется прочной и износостойкой, поскольку после прохождения высокой температуры появляется хрупкость.

А также данный метод не подходит для изделий, покрытых лакокрасочными материалами.

Холодное оцинкование

Этот метод носит 2 названия: гальванический и электролитический. Методика покрытия изделия защитой от коррозии такова:

1. Металлическая деталь, изделие подготавливается (обезжиривается, очищается).
2. После этого проводится «метод окрашивания» — применяется специальный состав, имеющий главный компонент – цинк.
3. Деталь покрывается данным составом методом распыления.

Благодаря этому методу защитой покрываются детали с точным допуском, изделия, покрытые лакокрасочными материалами. Повышается стойкость к внешним факторам, приводящим к коррозии.

Недостатки данного метода: тонкий защитный слой – до 35 мкм. Это приводит к меньшей защите и небольшим срокам защиты.

Термодиффузионный способ

Данный метод делает покрытие, которое является электродом с положительной полярностью, в то время как металл изделия (сталь) становится отрицательной полярности. Появляется электрохимический защитный слой.

Метод применим только в случае, если детали произведены из углеродистой стали, чугуна, стали с примесями. Цинк используется таким образом:

1. При температуре от 290 °С до 450 °С в порошковой среде, поверхность детали насыщается Zn. Здесь маркировка стали, а также тип изделия имеют значение – выбирается соответствующая температура.
2. Толщина защитного слоя достигает 110 мкм.
3. В закрытый резервуар помещается изделие из стали, чугуна.
4. Добавляется туда специальная смесь.
5. Последним шагом является специальная обработка изделия от появления белых высолов от солёной воды.

В основном данным методом пользуются в случае, если требуется покрыть детали, имеющие сложную форму: резьбу, мелкие штрихи. Образование равномерного защитного слоя является важным, поскольку данные детали претерпевают множественное воздействие внешней агрессивной среды (постоянная влага).

Данный метод дает самый большой процент защиты изделия от коррозии. Оцинкованное напыление является износостойким и практически нестираемым, что очень важно для деталей, которые время о времени крутятся и разбираются.

Иные сферы применения цинка

Помимо оцинкования, металл применяется и в других сферах промышленности.

1. Цинковые листы. Для производства листа выполняется прокатка, в которой важна пластичность. Это зависит от температурного режима. Температура в 25 °С дает пластичность только в одной плоскости, что создает определенные свойства металла. Тут главное для чего изготавливается лист. Чем выше температура, тем тоньше получается металл. В зависимости от этого идет маркировка изделия Ц1, Ц2, Ц3. После этого из листов создаются различные изделия для автомобилей, профиля для строительства и ремонта, для полиграфии и так далее.
2. Цинковые сплавы. Для улучшенных свойств металлических изделий, добавляется цинк. Данные сплавы создаются при высоких температурах в специальных печах. Чаще всего производятся сплавы из меди, алюминия. Данные сплавы применяются для производства подшипников, различных втулок, которые применимы в машиностроении, судостроении и авиации.

В домашнем обиходе оцинкованное ведро, корыто, листы на крыше – это норма. Применяется цинк, а не хром или никель. И дело не только в том, что оцинкование дешевле, чем покрытие другими материалами. Это наиболее надёжный и продолжительный по службе эксплуатации защитный материал нежели, хром или другие применяемые материалы.

В итоге – цинк наиболее распространенный металл, применяемый широко в металлургии. В машиностроении, строительстве, медицине – материал применим не только как защита от коррозии, но и для увеличения прочности, продолжительного срока эксплуатации. В частных домах оцинкованные листы защищают крышу от осадков, в зданиях выравниваются стены и потолки гипсокартонными листами на основе оцинкованных профилей.

Практически у каждой хозяйки в доме есть оцинкованное ведро, корыто, которым она пользуется длительное время.

Источник

Цинк способы получения металла

Цинк представляет собой металл светло-голубого цвета, который может принять тусклый оттенок на воздухе. В таблице Менделеева он входит во вторую группу четвёртого периода периодической системы.

История появления цинка

В древние времена цинк не был известен. Были известны такие металлы как железо, латунь. Выделить цинк из латуни в течении многих веков не удавалось. В середине 18 века в Англии ряд ученых смогли получить металл дистилляционным образом. Через несколько лет был создан новый способ получения цинка. Он заключался в горячем плавлении с дальнейшим охлаждением в холодильных камерах. Данный способ стал основой для дальнейшего получения цинка. Ученые детально раскрыли тонкости его получения и считаются первыми открывателями данного метала.

В 19 веке ряд других ученых смогли получить цинк новым способом. Данный метод заключался в температурной обработке. В нашей стране цинк был получен в 20 веке. Через несколько лет американцы запатентовали новый способ получения металла. Это был электролитический метод.

Происхождение названия «цинк»

С немецкого языка цинк обозначает кристаллы, напоминающие иглы. Впервые о данном металле было рассказано в работах Парацельса. Известно более 60 минералов цинка. Среди них можно отметить цинкит, виллемит, смитсонит. Самый часто встречающийся минерал — это сфалерит. Иногда его именуют цинковая обманка. В основе данного минерала лежит сульфид цинка. С помощью различных примесей можно получить всевозможные оттенки. Однако данный минерал весьма сложно определить. Отсюда и берет сфалерит свое второе название: цинковая обманка.

Цинковая обманка является основой для других минералов цинка. Среди них можно выделить цинкит, каламин и многие другие. В алтайских рудниках не редко можно встретить смесь цинковой обманки и бурого шпата. Такую смесь называют бурундучная руда. Если посмотреть на нее издалека, то можно заметить схожесть с известным зверем.

Сфалерит

В земле находится порядка от 8 до 10 % цинка. В некоторых вулканических породах можно найти большое содержание цинка. Считается, что цинк приходит с подземными водами, из которых осаждаются сульфиды цинка. Данные сульфиды находят свое широкое применение в промышленности. Вместе с этим цинк можно встретить в морской воде, озерах и реках. В организме человека и животных так же имеется цинк. Он может составлять до 4 % от общей массы. В определённых организмах наблюдается повышенное содержание данного металла.

Где можно встретить цинк

Цинк в можно встретить в Австралии, на территории Казахстана, и Ирана. В нашей стране он производится на предприятии Дальполиметалл.

Получение цинка

В природе чистого цинка не существует. Он содержится, как правило, в различных рудах. Что бы получить чистый цинк нужно проводить ряд химических, термических процессов. Так же посредством химических процессов получаются различные концентраты цинка. Они используются при производстве серной кислоты.

Оксид цинка получается несколькими вариантами. Обожжённый концентрат спекают. Получается зернистый и газопроницаемый состав. Далее его обрабатывают посредством угля, кокса при высокой температуре. Пары метала, выпадающие в конденсат, размещают в специальные формы. Существует несколько способов восстановления металла. Среди них необходимо выделить роторный способ, заключающийся в ручном обслуживании. Позднее появились механизированные системы и дуговые электропечи. Получение цинка из свинца производится в шахтных печах. Со временем технологии получения цинка усовершенствовались, однако оставался большой процент примеси при получении металла. Одним из самых распространенных способов очищения метала было его отстаивание от примесей под высокой температурой. Это позволяло получить металл с чистотой до 98 %. Наиболее дорогая и трудная очистка позволяет получить металл с чистотой до 99,9%. В частности, из цинка удаляются такие элементы как свинец, железо. Такой процесс позволяет получить более чистый металл. Однако в нем по-прежнему содержалось несколько процентов примесей. Среди главных элементов примесей можно выделить кадмий.

При высокой температуре с помощью способа отстаивания можно получить цинк с чистотой до 98 %. Данный способ называется дистилляционная очистка. В частности, цинк очищается от свинца. Более сложный процесс очистки цинка от посторонних элементов позволяет получить метал с чистотой до 99 %. Из цинка удаляется кадмий. Очистить металл от примесей можно с помощью серной кислоты. Обожжённые концентраты вступают в реакцию с металлом и удаляют различные примеси. Раствор в дальнейшем необходимо подвергнуть электролизу. В результате данного процесса на катодах оседает цинк. После оседания он снимается под высокой температурой в специальных печах. Такой способ позволяет получить металл с чистотой до 99%.

Отходы, полученные в процессе очищения, используют для создания цинкового купороса.

Физические свойства цинка

Цинк — это металл светлого цвета с серебристым оттенком. При обычной комнатной температуре он весьма хрупок. Если начать сгибать металл, то можно услышать небольшой треск. Это растрескиваются кристаллы от трения. При температуре более 100 градусов металл становится пластичным. Если в цинке имеются примеси, хрупкость металла значительно повышается.

Химические свойства

Цинк считается элементом, способным образовывать амфотерные соединения. В атмосфере цинк оксидируется и образует пленку. Цинк не вступает в реакцию щелочами и кислотами. Реакция происходит только при добавлении небольшого объема сульфата меди. При температуре цинк вступает в реакцию с галогенами и способствует образованию галогенидов. При добавлении в цинк фосфора образуются фосфиды. Взаимодействие с серой или ее аналогами образует халькогениды. С такими веществами как азот, бор цинк не вступает в реакцию. Нитрид цинка получается посредством реакции цинка и аммиака при температуре от 500 до 600 градусов.

Использование цинка

Данный металл находит свое применение для получения некоторых металлов в чистом виде. В первую очередь речь идет о золоте. Как правило, благородные металлы очищаются посредством цинка, если они добыты подземным способом. Вместе с этим цинк применяется для получения благородных металлов из свинца. Полученный метал часто называют серебристая пена, которая впоследствии обрабатывается аффинажными способами.

Помимо этого, цинк активно применяется в качестве антикоррозийного элемента для стали и других металлов. При этом металл не должен иметь механических повреждений. Это относится к автомобилестроению и кораблестроению. Так же цинк используется для строительства мостов, бытовых предметов и различных конструкций.

Цинк является важным элементов при создании аккумуляторов и батареек. Химические источники тока являются популярным решением получения энергии как для мелких потребностей, таки крупных объектов. Соединения цинка с марганцем, ртутью, медью, хромом, хлором и другими химическими элементами позволяют получить эффективный источник тока.

При создании воздушных аккумуляторов цинк играет важнейшую роль. Благодаря данному металлу, получается создать аккумулятор с большой энергоемкостью. Такие аккумуляторы применяются для запуска двигателей. Вместе с этим в электромобилях аккумуляторы, созданные с применением цинка, обеспечивают транспортному средству пробег более 900 километров без подзарядки.

При создании полиграфической продукции цинк становится незаменимым элементом. В частности, для создания матриц печати многотиражной продукции. Уже более двух веков применяется способ цинкографии. Он заключается в изготовлении штампа на основе пластины из цинка и вытравливания на ней изображения. Хорошее изображение, рисунок получается при добавлении свинца. Остальные примеси могут ухудшить качество продукции. Перед изготовлением цинковую матрицу отжигают при заданной температурой и придают необходимую форму. Цинк так же применяется для создания определённых припоев. Припои с цинком позволяют уменьшить температуру плавления.

Помимо этого, цинк активно применяется в медицинских целях. Его окись является отличным противовоспалительным средством и хорошим антисептиком. Мази с цинком являются незаменимым средством для заживления ран. Врачи рекомендуют чаще употреблять продукты с содержанием металла. Цинк активно влияет на улучшение работы половой, нервной и пищеварительной системы. При производстве гормонов, ферментов цинк является важнейшим незаменимым элементом. Пониженное содержание цинка может вызвать ухудшение работы организма. Очень много цинка находится в морских продуктах.

При производстве краски окись цинка становится основой для создания белил.

В латуни цинк это один из главных компонентов. А сплавы с алюминием дают цинку высокие механические качества. Такие сплавы используются в промышленности. Точное литье позволяет применять сплав цинка при производстве деталей оружия. К примеру, затворов травматических пистолетов. Вместе с этим из сплава цинка изготавливают фурнитуру для мебели, деталей автомобилей и другие изделия. С помощью сульфида цинка создаются люминофоры. Помимо этого, сульфиды применяются для создания гибких экранов.

Теллурид цинка является важным элементом для создания полупроводников. Фосфид цинка является основой для создания отравы для мелких вредителей.

Покрышки для автомобилей, имеющие в своём составе окись цинка, имеют высокое качество и прочные характеристики.

При производстве оптических стекол применяется селенид цинка.

В состав многих красок входит цинк. Окись цинка используется для создания белой краски. Она находит сове активное применение при производстве космических аппаратов. Краска с добавлением цинка хорошо отражает цвет. Такой отражатель можно получить только с помощью цинка.

Для обнаружения радиации цинк стал незаменимым элементом. Лучи радиации вспыхивают в присутствии сульфида цинка.

В быту нередко можно встретить предметы и изделия, имеющие в своём составе цинк. Например ведра, ванны, посуда, кровельные листы. Такие изделия обеспечивают продолжительный срок эксплуатации, а также имеют низкую стоимость по сравнению с изделиями из другого материала. Количество оцинкованных изделий растет каждый год.

Для изделий из металла, которые в дальнейшем будут использоваться в агрессивной среде цинковое покрытие стало единственно возможно защитным способом. Речь идет о металлических изделиях, которые эксплуатируются в озерах, реках, а также в атмосфере. Морские платформы, трубопроводы и другие подводные и надводные конструкции имеют цинковое покрытие. Его отсутствие приводит к преждевременному выходу оборудования и конструкции из строя, и соответственно требует постоянного ремонта и финансовых затрат. Сварные швы становятся защищенными от воздействия атмосферы, если на них наносится цинковое опыление.

Мировое производство цинка

Цинк считается одним из самых часто используемых металлов. Перед ним стоят железо, алюминий и другие металлы. Только за 2009 год в мире получено более 11 тысяч миллионов тонн. Однако в настоящее время наблюдается снижение производства данного металла. Больше всего цинка, согласно представленной информации, производится в Соединенных Штатах Америки.

Вредность цинка для организма

При попадании в организм солей цинка, а также сульфатов может произойти серьезное отравление организма. Достаточно одного грамма, что бы у человека началась рвота и головные боли. В обычной жизни длительное хранение пищевых продуктов в оцинкованной посуде может так же вызвать большие проблемы в организме. Отравления могут оказать негативное воздействие на дальнейшее развитие организма, а также вызвать бесплодие у женщин, образовать малокровие, задержать рост и многое другое.

Оксид цинка попадает в организм посредством вдыхания паров. Во рту может появиться сладкий привкус. Вместе с этим человек теряет аппетит, ощущается жажда. Наблюдается повышенная утомляемость, постоянная боль в груди, вялость, кашель и общее ухудшение самочувствия.

Но необходимо помнить, что цинк имеется в любом организме. Он нужен для правильного и полноценного развития клеток. Для борьбы со старением цинк один из немногих элементов, который оказывает активное омолаживающее действие. Поэтому недостаток цинка приводит к ряду заболеваний, среди которых можно отметить диабет, половые проблемы и многое другое.

Источник