История открытия. Цинк (как и золото, серебро, медь, ртуть, свинец, олово и железо) относится к металлам древности, дата открытия которых теряется в веках.
Восстановление оксида цинка древесным углем требует температуры не менее 1000° С. Так как металл при этой температуре находится в парообразном состоянии и легко окисляется, выделение цинка требует умения конденсировать металлический пар, причем делать это надо в отсутствие воздуха, иначе металл превратится в оксид.
Получение сплавов цинка из смешанных руд не требует выделения самого цинка и достигается проще. Небольшие количества цинка, присутствующие в образцах древнеегипетской меди отражают состав местных руд, однако для выплавки палестинской латуни, датируемой 1400–1000 до н.э. и содержащей около 23% цинка, уже должны были преднамеренно смешивать медную руду с цинковой. Латунь получали и на Кипре и, позднее, в районе Кельна (Германия). Китайские мастера овладели искусством выплавки цинка в средние века. Цинковые монеты использовались в годы правления династии Минь (1368–1644).
В средневековой Европе не было специального производства цинка, хотя его небольшие количества получались при производстве свинца, серебра и латуни. Начиная примерно с 1605, его импортировала из Китая Восточно-Индийская Компания. Английская цинковая промышленность появилась в районе Бристоля в начале 18 в., и ее продукция быстро проникла в Силезию и Бельгию.
Происхождение названия элемента неясно, однако кажется правдоподобным, что оно произведено от Zinke (по-немецки «острие», или «зуб»), благодаря внешнему виду металла.
Распространение цинка в природе и его промышленное извлечение. Содержание цинка в земной коре составляет 7,6·10–3%, он распространен примерно так же, как рубидий (7,8·10–3%), и чуть больше, чем медь (6,8·10–3%).
Основными минералами цинка являются сульфид цинка ZnS (известный как цинковая обманка или сфалерит) и карбонат цинка ZnCO3 (каламин в Европе, смитсонит в США). Свое название этот минерал получил в честь Джеймса Смитсона, основателя Смитсонианского Института в Вашингтоне. Менее важными минералами являются гемиморфит Zn4Si2O7(OH)2·H2O и франклинит (Zn,Fe)O·Fe2O3.
Первое место в мире по добыче (16,5% мировой добычи, 1113 тыс. т, 1995) и запасам цинка занимает Канада. Кроме того, богатые месторождения цинка сосредоточены в Китае (13,5%), Австралии (13%), Перу (10%), США (10%), Ирландии (около 3%).
Добыча цинка ведется в 50 странах. В России цинк извлекается из медноколчеданных месторождений Урала, а также из полиметаллических месторождений в горах Южной Сибири и Приморья. Крупные запасы цинка сосредоточены в Рудном Алтае (Восточный Казахстан), на долю которого приходится более 50% добычи цинка в странах СНГ. Цинк добывают также в Азербайджане, Узбекистане (месторождение Алмалык) и Таджикистане.
Характеристика простого вещества и промышленное получение металлического цинка. Металлический цинк обладает характерным голубоватым блеском на свежей поверхности, который он быстро теряет во влажном воздухе. Температура плавления 419,58° С, температура кипения 906,2° С, плотность 7,133 г/см3. При комнатной температуре цинк хрупок, при 100–150° С становится пластичным и легко прокатывается в тонкие листы и проволоку, а при 200–250° С вновь становится очень хрупким и его можно быть истолочь в порошок.
При нагревании цинк взаимодействуют с неметаллами (кроме водорода, углерода и азота). Активно реагирует с кислотами:
Zn + H2SO4(разб.) = ZnSO4 + H2Цинк – 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 + SO2Образующийся 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 + CO2Для выплавки цинка ранее использовались ряды сильно нагретых горизонтальных реторт периодического действия, затем они были заменены непрерывно действующими вертикальными ретортами (в некоторых случаях, с электрическим подогревом). Эти процессы не были так термически эффективны, как доменный процесс, в котором сжигание топлива для нагрева проводится в той же камере, что и восстановление оксида, однако неизбежная проблема в случае цинка в том, что восстановление оксида цинка углеродом не протекает ниже температуры кипения цинка (этой проблемы нет для железа, меди или свинца), поэтому для конденсации паров нужно последующее охлаждение. Кроме того, в присутствии продуктов сгорания металл повторно окисляется.
Эту проблему можно решить, опрыскивая выходящие из печи пары цинка расплавленным свинцом. Это приводит к быстрому охлаждению и растворению цинка, так что повторное окисление цинка сводится к минимуму. Затем цинк почти 99%-й чистоты выделяют в виде жидкости и дополнительно очищают вакуумной дистилляцией до чистоты 99,99%. Весь присутствующий кадмий в ходе дистилляции восстанавливается. Преимущество доменной печи в том, что состав шихты не имеет принципиального значения, поэтому можно использовать смешанные руды цинка и свинца (ZnS и PbS часто находят вместе) для непрерывного производства обоих металлов. Свинец при этом выпускают со дна печи.
По данным экспертов, в 2004 производство цинка составило 9,9 млн тонн, а его потребление – около 10,2 млн тонн. Таким образом, дефицит цинка на мировом рынке равен 250–300 тыс. тонн.
В 2004 в Китае выпуск рафинированного цинка достиг 2,46 млн т. Примерно по 1 млн. т производят Канада и Австралия. Цена на цинк в конце 2004 составила более 1100 долл. за тонну.
Спрос на металл остается высоким, благодаря бурному росту производства антикоррозионных покрытий. Для получения таких покрытий используют различные способы: погружение в расплавленный цинк (цинкование горячим способом), электролитическое осаждение, опрыскивание жидким металлом, нагревание с порошком цинка и использование красок, содержащих цинковый порошок. Оцинкованная жесть широко применяется как кровельный материал. Металлический цинк в виде брусков используют для защиты от коррозии стальных изделий, соприкасающихся с морской водой. Большое практическое значение имеют сплавы цинка – латуни (медь плюс 20–50% цинка). Для литья под давлением, помимо латуней, используется быстро растущее число специальных сплавов цинка. Еще одна область применения – производство сухих батарей, хотя в последние годы оно существенно сократилось.
Примерно половина всего производимого цинка используется для производства оцинкованной стали, одна треть – в горячем цинковании готовых изделий, остальное – для полосы и проволоки. За последние 20 лет мировой рынок этой продукции вырос более чем в 2 раза, в среднем прибавляя по 3,7 % в год, причем в странах Запада производство металла ежегодно увеличивается на 4,8 %. В настоящее время для цинкования 1 т стального листа нужно в среднем 35 кг цинка.
По предварительным оценкам, в 2005 потребление цинка в России может составить порядка 168,5 тыс. т в год, в том числе 90 тыс. т пойдет на цинкование, 24 тыс. т – на полуфабрикаты (латунный, цинковый прокат и др.), 29 тыс. т – в химическую промышленность (лакокрасочные материалы, резинотехнические изделия), 24,2 тыс. т – на литейные цинковые сплавы.
Соединения цинка. Цинк образует многочисленные бинарные соединения с неметаллами, некоторые из них обладают полупроводниковыми свойствами.
Соли цинка бесцветны (если не содержат окрашенных анионов), их растворы имеют кислотную среду вследствие гидролиза. При действии растворов щелочей и аммиака (начиная с pH ~ 5) основные соли осаждаются и переходят в гидроксид, который растворяется в избытке осадителя.
Оксид цинка ZnO является самым важным промышленным цинксодержащим соединением. Будучи побочным продуктом производства латуни, он стал известен раньше, чем сам металл. Оксид цинка получают, сжигая на воздухе пары цинка, образующиеся при плавке руды. Более чистый и белый продукт производят сжиганием паров, полученных из предварительно очищенного цинка.
Обычно оксид цинка – это белый тонкий порошок. При нагревании его окраска меняется на желтую в результате удаления кислорода из кристаллической решетки и образованиея нестехиометрической фазы Zn1+xO (x Ј 7,10–5). Избыточное количество атомов цинка приводит к появлению дефектов решетки, захватывающих электроны, которые впоследствии возбуждаются при поглощении видимого света. Добавляя в оксид цинка 0,02–0,03%-ный избыток металлического цинка, можно получить целый спектр цветов – желтый, зеленый, коричневый, красный, однако красноватые оттенки природной формы оксида цинка – цинкита – появляются по другой причине: за счет присутствия марганца или железа. Оксид цинка ZnO амфотерен; он растворяется в кислотах с образованием солей цинка и в щелочах с образованием гидроксоцинкатов, таких как [Zn(OH)3]– и [Zn(OH)4]2–:
ZnO + 2OH– + H2O = [Zn(OH)4]2–
Основное промышленное применение оксида цинка – производство резины, в котором он сокращает время вулканизации исходного каучука.
В качестве пигмента при производстве красок оксид цинка имеет преимущества по сравнению с традиционными свинцовыми белилами (основной карбонат свинца), благодаря отсутствию токсичности и потемнения под действием соединений серы, однако уступает оксиду титана по показателю преломления и кроющей способности.
Оксид цинка увеличивает срок жизни стекла и поэтому используется в производстве специальных стекол, эмалей и глазурей. Еще одна важная область применения – в составе нейтрализующих косметических паст и фармацевтических препаратов.
В химической промышленности оксид цинка обычно является исходным веществом для получения других соединений цинка, в которых наиболее важными являются мыла (т.е. соединения жирных кислот, такие как стеарат, пальмитат и другие соли цинка). Их используют в качестве отвердителей красок, стабилизаторов пластмасс и фунгицидов.
Небольшая, но важная область применения оксида цинка – производство цинковых ферритов. Это шпинели типа ZnIIxMII1–xFeIII2O4, содержащие еще один двухзарядный катион (обычно MnII или NiII). При х = 0 они имеют структуру обращенной шпинели. Если х = 1, то структура соответствует нормальной шпинели. Понижение количества ионов FeIII в тетраэдрических позициях приводит к понижению температуры Кюри. Таким образом, изменяя содержание цинка, можно влиять на магнитные свойства ферритов.
Гидроксид цинка Zn(OH)2 образуется в виде студенистого белого осадок при добавлении щелочи к водным растворам солей цинка. Гидроксид цинка, так же как и оксид, амфотерен:
Zn(OH)2 + 2OH– = [Zn(OH)4]2–Применяется для синтеза различных соединений цинка.
Сульфид цинка ZnS выделяется в виде белого осадка при взаимодействии растворимых сульфидов и солей цинка в водном растворе. В кислотной среде осадок сульфида цинка не выпадает в кислотной среде. Сероводородная вода осаждает сульфид цинка лишь в присутствии анионов слабых кислот, например, ацетат-ионов, которые понижают кислотность среды, что приводит к повышению концентрации сульфид-ионов в растворе.
Сфалерит ZnS является наиболее распространенным минералом цинка и главным источником металла, однако известна и вторая природная, хотя и намного более редкая форма вюрцит, более устойчивая при высокой температуре. Названия этих минералов используются для обозначения кристаллических структур, которые являются важными структурными типами, найденными для многих других соединений АВ. В обеих структурах атом цинка тетраэдрически координирован четырьмя атомами серы, а каждый атом серы тетраэдрически координирован четырьмя атомами цинка. Структуры существенно различаются только типом плотнейшей упаковки: в вюрците она кубическая, а в сфалерите – гексагональная.
Чистый сульфид цинка – белый и, подобно оксиду цинка, применяется как пигмент, для этого его часто получают (как литопон) вместе с сульфатом бария при взаимодействии водных растворов сульфата цинка и сульфида бария.
Свежеосажденный сульфид цинка легко растворяется в минеральных кислотах с выделением сероводорода:
ZnS + 2H3O+ = Zn2+ + H2S + 2H2O
Однако прокаливание делает его менее реакционноспособным, и поэтому он является подходящим пигментом в красках для детских игрушек, так как безвреден при проглатывании. Кроме того, у сульфида цинка интересные оптические свойства. Он становится серым при действии ультрафиолетового излучения (возможно, за счет диссоциации). Однако этот процесс можно замедлить, например, добавлением следов солей кобальта. Катодное, рентгеновское и радиоактивное излучение вызывает появление флуоресценции или люминесценции различных цветов, которую можно усилить добавлением следов различных металлов или замещением цинка кадмием, а серы селеном. Это широко используется для производства электроннолучевых трубок и экранов радаров.
Селенид цинка ZnSe может быть осажден из раствора в виде лимонно-желтого, плохо фильтрующегося осадка. Влажный селенид цинка очень чувствителен к действию воздуха. Высушенный или полученный сухим путем устойчив на воздухе.
Монокристаллы селенида цинка выращивают направленной кристаллизацией расплава под давлением или осаждением из газовой фазы. Сульфид цинка используется в качестве лазерного материала и компонента люминофоров (вместе с сульфидом цинка).
Теллурид цинка ZnTe, в зависимости от способа получения, – серый порошок, краснеющий при растирании, или красные кристаллы, используется как материал для фоторезисторов, приемников инфракрасного излучения, дозиметров и счетчиков радиоактивного излучения. Кроме того, он служит люминофором и полупроводниковым материалом, в том числе в лазерах.
Хлорид цинка ZnCl2 является одним из важных соединений цинка в промышленности. Его получают действием соляной кислоты на вторичное сырье или обожженную руду.
Концентрированные водные растворы хлорида цинка растворяют крахмал, целлюлозу (поэтому их нельзя фильтровать через бумагу) и шелк. Его применяют в производстве текстиля, кроме того, он используется как антисептик для древесины и при изготовлении пергамента.
Поскольку в расплаве хлорид цинка легко растворяет оксиды других металлов, его используют в ряде металлургических флюсов. С помощью раствора хлорида цинка очищают металлы перед пайкой.
Хлорид цинка применяется и в магнезиальном цементе для зубных пломб, как компонент электролитов для гальванических покрытий и в сухих элементах.
Ацетат цинка Zn(CH3COO)2 хорошо растворим в воде (28,5% по массе при 20° С) и многих органических растворителях. Его используют как фиксатор при крашении тканей, консервант древесины, противогрибковое средство в медицине, катализатор в органическом синтезе. Ацетат цинка входит в состав зубных цементов, используется при производстве глазурей и фарфора.
При перегонке ацетата цинка при пониженном давлении образуется основный ацетат [Zn4O(OCOMe)6], его молекулярная структура включает атом кислорода, окруженный тетраэдром из атомов цинка, связанных по ребрам ацетатными мостиками. Он изоморфен основному ацетату бериллия, но в отличие от него, быстро гидролизуется в воде, это обусловлено способностью катиона цинка иметь координационное число выше четырех.
Цинкорганические соединения. Открытие в 1849 английским химиком-органиком Эдуардом Франклендом (Frankland Edward) (1825–1899) алкилов цинка, хотя и не первых из синтезированных металлоорганических соединений (соль Цейзе была получена в 1827), можно считать началом металлоорганической химии. Исследования Франкленда положили начало применению цинкорганических соединений в качестве промежуточных веществ при органическом синтезе, а измерения плотности паров привело его к предположению (важнейшему в развитии теории валентности), что каждый элемент имеет ограниченную, но определенную силу сродства. Реактивы Гриньяра, открытые в 1900, сильно потеснили алкилы цинка в органическом синтезе, однако многие реакции, в которых они теперь используются, были сначала разработаны для соединений цинка.
Алкилы типа RZnX и ZnR2 (где Х – галоген, R – алкил) можно получить, нагревая цинк в кипящем RX в инертной атмосфере (диоксид углерода или азот). Ковалентные ZnR2 представляют собой неполярные жидкости или низкоплавкие твердые вещества. Они всегда мономерны в растворе и характеризуются линейной координацией атома цинка
C–Zn–C. Цинкорганические соединения очень чувствительны к действию воздуха. Соединения с малой молекулярной массой самовоспламеняются, образуя дым из оксида цинка. Их реакции с водой, спиртами, аммиаком и другими веществами протекают подобно реакциям Гриньяра, однако менее энергично. Важным отличием является то, что они не взаимодействуют с диоксидом углерода.
Биологическая роль цинка. Цинк – одно из наиболее важных биологически активных элементов и необходим для всех форм жизни.
Тело взрослого человека содержит около 2 г цинка. Хотя цинксодержащие ферменты присутствуют в большинстве клеток, его концентрация очень мала и поэтому довольно поздно стало понятно, насколько важен этот элемент. Необходимость и незаменимость цинка для человека была установлена 100 лет тому назад.
Роль цинка в жизнедеятельности организма обусловлена, в основном, тем, что он входит в состав более 40 важных ферментов. Они катализируют гидролиз пептидов, белков, некоторых эфиров и альдегидов. Наибольшее внимание привлекают два цинксодержащих фермента: карбоксипептидаза А и карбоангидраза.
Карбоксипептидаза А катализирует гидролиз концевой пептидной связи в белках в процессе пищеварения. Она имеет относительную молекулярную массу около 34000 и содержит атом цинка, тетраэдрически координированный с двумя гистидиновыми атомами азота, карбоксильным атомом кислорода глутаматного остатка (см. БЕЛКИ) и молекулой воды. Точный механизм ее действия до конца не ясен, несмотря на интенсивное изучение модельных систем, однако принято считать, что первой стадией является координация концевого пептида к атому цинка.
Карбоангидраза была первым из открытых цинксодержащих ферментов (1940), она катализирует обратимую реакцию превращения диоксида углерода в угольную кислоту. В эритроцитах млекопитающих прямая реакция (гидратация) протекает при поглощении диоксида углерода кровью в тканях, а обратная реакция (дегидратация) идет, когда диоксид углерода затем высвобождается в легких. Фермент увеличивает скорости этих реакций примерно в миллион раз.
Относительная молекулярная масса фермента составляет около 30 000. Почти сферическая молекула содержит один атом цинка, расположенный в глубоком «кармане» белка, где есть и несколько молекул воды, расположенных в таком же порядке, как во льде. Атом цинка координирован тетраэдрически с тремя имидазольными атомами азота и молекулой воды. Точные детали действия фермента не установлены, однако кажется вероятным, что координированная молекула Н2О ионизируется с образованием Zn–OH–, а нуклеофил ОН– затем реагирует с атомом углерода в СО2 (который может удерживаться в правильном положении водородными связями двух его атомов кислорода) с образованием НСО3–.
В отсутствие фермента данная реакция требует высокого рН. Роль фермента заключается в создании подходящего окружения внутри белкового «кармана», которое способствует диссоциации координированной молекулы воды при рН 7.
Позднее была установлена функция цинка в белках, отвечающих за распознавание последовательности оснований в ДНК и, следовательно, регулирующих перенос генетической информации в ходе репликации ДНК. Эти белки с так называемыми «цинковыми пальцами» содержат 9 или 10 ионов Zn2+, каждый из которых, координируясь с 4 аминокислотами, стабилизирует выступающую складку («палец») белка. Белок обертывается вокруг двойной спирали ДНК, при этом каждый из «пальцев» связывается с ДНК. Их расположение совпадает с последовательностью оснований в ДНК, что обеспечивает точное распознавание.
Цинк участвует в углеводном обмене с помощью цинксодержащего гормона – инсулина. Только в присутствии цинка действует витамин А. Этот элемент необходим для формирования костей. Кроме того, он проявляет антивирусное и антитоксическое действие.
Цинк влияет на вкус и обоняние. Из-за нехватки цинка, необходимого для полноценного развития плода, многие женщины в первые 3 месяца беременности жалуются на капризы вкуса и обоняния.
Считается, что существует определенная связь между умственными и физическими способностями человека и содержанием цинка в его организме. Так, у хорошо успевающих студентов в волосах содержится больше цинка, чем у студентов отстающих. У больных ревматизмом и артритом наблюдается понижение уровня цинка в крови.
Дефицит цинка может быть вызван нарушением деятельности щитовидной железы, болезнями печени, плохим усвоением, недостатком цинка в воде и пище, а также слишком большим количеством фитина в продуктах питания (фитин связывает цинк, затрудняя его усвоение). Алкоголь также понижает уровень цинка в организме, особенно в мышцах и плазме крови.
Цинк необходим организму в количестве 10–20 мг в день, однако лекарствами восполнить недостаток цинка очень трудно. В естественных сочетаниях цинк содержится только в пище, что и определяет его усвояемость. Наиболее богаты цинком мясо, печень, молоко, яйца.
В организме существует конкуренция между цинком и медью, а также железом. Поэтому, употребляя богатую цинком пищу, следует дополнить диету пищей, богатой медью и железом. Нельзя применять цинк вместе с селеном, так как два этих элемента взаимодействуют друг с другом и выводятся из организма.
Елена Савинкина
Популярная библиотека химических элементов. М., Наука, 1977
Greenwood N.N., Earnshaw A. Chemistry of the Elements, Oxford: Butterworth, 1997
