Металлический цинк — это цветной металл серебристо-белого цвета с голубоватым оттенком. Химическая формула металлического цинка — Zn (как у простого вещества). Это лёгкоплавкий, пластичный при нагревании металл с хорошей электро- и теплопроводностью, устойчивый к коррозии благодаря защитной оксидной плёнке. Применяется прежде всего для защиты стали от коррозии, в сплавах, аккумуляторах и химической промышленности.
Металлический цинк: формула, металлическая связь и кристаллическая решётка
Формула металлического цинка — Zn: это простое вещество, состоящее из атомов одного элемента, поэтому индексов в формуле нет. Степень окисления атомов в металле равна нулю.
Цинк имеет металлическую связь. Она образуется между положительно заряженными ионами цинка в узлах решётки и общими (делокализованными) валентными электронами, которые свободно перемещаются по всему кристаллу — «электронным газом». Именно металлическая связь и подвижные электроны объясняют электропроводность, теплопроводность, металлический блеск и пластичность цинка.
Кристаллическая решётка цинка — металлическая, гексагональная плотноупакованная (ГПУ). Атомы цинка располагаются в узлах гексагональной решётки, координационное число равно 12 (каждый атом окружён двенадцатью соседними). Параметры решётки: a = 2,665 Å, c = 4,947 Å (отношение c/a = 1,856 заметно больше идеального, поэтому решётку цинка называют искажённой ГПУ). Подробнее — в материале про строение решётки цинка.
Свойства металлического цинка
Физические свойства
Химические свойства
Металлический цинк химически активен, но при обычных условиях устойчив благодаря оксидной плёнке. С водой при обычной температуре практически не реагирует. Основные реакции:
- С кислородом: при нагревании 2Zn + O₂ → 2ZnO.
- С разбавленными кислотами: вытесняет водород. Например, Zn + H₂SO₄(разб.) → ZnSO₄ + H₂↑; Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑.
- С концентрированной серной кислотой водород не выделяется (она окислитель): Zn + 2H₂SO₄(конц.) → ZnSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O.
- С уксусной кислотой: реагирует медленно с выделением водорода: Zn + 2CH₃COOH → Zn(CH₃COO)₂ + H₂↑.
- Со щелочами (амфотерность): Zn + 2NaOH + 2H₂O → Na₂[Zn(OH)₄] + H₂↑.
- С солями: вытесняет менее активные металлы — Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu.
Формы выпуска металлического цинка и ГОСТ
Металлический цинк выпускают в нескольких формах под разные задачи. Чистота и марки регламентируются стандартом ГОСТ 3640-94 «Цинк. Технические условия» (марки ЦВ00, ЦВ, Ц0, Ц1 и др. — по убыванию чистоты); требования к цинковому порошку — ГОСТ 12601-76.
Для бытовой защиты от коррозии выпускают также цинконаполненные составы — «цинковый спрей» и грунты холодного цинкования.
Способы получения металлического цинка
Промышленно металлический цинк получают двумя основными способами.
Электролитический способ (гидрометаллургия)
Основной современный метод: цинковый концентрат обжигают и выщелачивают серной кислотой, получая раствор сульфата цинка, который очищают и подвергают электролизу. На алюминиевых катодах осаждается чистый цинк, на нерастворимых свинцовых анодах выделяется кислород, серная кислота регенерируется. Так получают около 80–90% мирового цинка высокой чистоты.
Пирометаллургический способ (термическое восстановление)
Оксид цинка восстанавливают углём (коксом) при высокой температуре (около 1200–1300 °C):
ZnO + C → Zn + CO↑
Пары цинка конденсируют и при необходимости очищают дистилляцией. Метод проще, но энергозатратен.
Металлический цинк — получение из хлорида цинка
Металлический цинк можно получить и электролизом хлорида цинка. При электролизе расплава ZnCl₂ на катоде выделяется цинк, на аноде — хлор: ZnCl₂ → Zn + Cl₂↑. При электролизе раствора хлорида цинка на катоде осаждается цинк (с частичным выделением водорода), на аноде — хлор.
Металлический цинк: применение
Главное применение металлического цинка — защита стали от коррозии. Благодаря защитному действию цинкового покрытия цинк как более активный металл корродирует вместо стали (катодная, протекторная защита). Для нанесения цинковое покрытие используют разные методы цинкования:
Подробнее о биологической роли — в материале про холодное цинкование и цинк как микроэлемент.
Металлический цинк: вопросы и ответы
Какая формула у металлического цинка?
Формула металлического цинка — Zn. Это простое вещество, поэтому индексов в формуле нет, а степень окисления атомов равна нулю.
Какая связь у цинка?
Металлическая: положительные ионы цинка в узлах решётки связаны общим «электронным газом» из делокализованных электронов.
Какая кристаллическая решётка у цинка?
Металлическая, гексагональная плотноупакованная (ГПУ), координационное число 12.
Металлическая ли решётка у оксида цинка?
Нет. У оксида цинка ZnO решётка ионно-ковалентная (структура вюрцита), а не металлическая. Металлическая решётка только у самого металла Zn.
Реагирует ли цинк с уксусной кислотой?
Да, медленно, с выделением водорода: Zn + 2CH₃COOH → Zn(CH₃COO)₂ + H₂↑.
По какому ГОСТу выпускают металлический цинк?
По ГОСТ 3640-94 «Цинк. Технические условия» (марки ЦВ00, ЦВ, Ц0, Ц1 и др.); цинковый порошок — по ГОСТ 12601-76.
Словарь терминов
- Металлический цинк — Простое вещество Zn — цветной металл серебристо-белого цвета.
- Металлическая связь — Связь между ионами металла и общими делокализованными электронами.
- ГПУ-решётка — Гексагональная плотноупакованная кристаллическая решётка; у цинка координационное число 12.
- Простое вещество — Вещество из атомов одного элемента; формула металлического цинка — Zn.
- Протекторная защита — Защита стали более активным цинком, который корродирует вместо неё.
- Электролиз (электроэкстракция) — Получение чистого цинка осаждением на катоде из раствора сульфата цинка.
- ГОСТ 3640-94 — Стандарт «Цинк. Технические условия», задающий марки и чистоту металла.