Cinks (Zn) — ķīmiskais elements: īpašības, izotopi un pielietojums
Cinks (Zn) — īpašības, izotopi un pielietojums: uzzini par ķīmiskajām īpašībām, dabiskajiem un radioaktīvajiem izotopiem, izmantošanu cinkošanā, baterijās un rūpniecībā.
Cinks, dažkārt saukts par spelteri, ir ķīmisks elements. Tas ir pārejas metāls, metālu grupa. Dažkārt to uzskata par pēcpārejas metālu. Tā simbols periodiskajā tabulā ir Zn. Cinks ir 30. elements periodiskajā tabulā, un tā atomu skaits ir 30. Cinka masas skaitlis ir 65,38. Tas satur 30 protonus un 30 elektronus. Kopumā ir zināmi 29 cinka izotopi, un dabā sastopami pieci no tiem. Daži izotopi ir radioaktīvi. To pussabrukšanas periodi ir no 40 milisekundēm 57Zn līdz 5x1018 gadiem 70Zn.
Cinks ir metāls, ko galvenokārt izmanto cinkošanai un baterijām. Tas ir ceturtais izplatītākais metāls.
Fizikālās īpašības
- Densitāte: aptuveni 7,14 g/cm3 pie 20 °C.
- Kušanas temperatūra: ~419,5 °C.
- Vārīšanās temperatūra: ~907 °C.
- Kristāliskā struktūra: heksagonāla blīvi pildīta (hcp) pie istabas temperatūras.
- Elektronu konfigurācija: [Ar] 3d10 4s2, kas nodrošina stabilu 2+ oksidācijas stāvokli.
Ķīmiskās īpašības
Cinks parasti izrāda oksidācijas stāvokli +2 un veido jonu savienojumus Zn2+. Tā oksīds (ZnO) ir amfoterisks — tas reaģē gan ar skābēm, gan ar bāzēm (piemēram, veidojot anjonus kā [Zn(OH)4]2− alkaliskā vidē). Cinks uz virsmas ātri veido plānu oksīda slāni, kas daļēji pasargā metālu no tālākas korozijas. Cinka savienojumi (ZnO, ZnS, ZnCl2, ZnSO4) ir plaši izplatīti rūpniecībā un laboratorijās.
Izotopi
Dabā sastopamas piecas stabilas izotopa: 64Zn, 66Zn, 67Zn, 68Zn un 70Zn. No šiem izotopiem 64Zn ir visbiežāk sastopamais (~48,6%), kam seko 66Zn, 68Zn, 67Zn un 70Zn. Pastāv arī daudzi radioaktīvie izotopi; no tiem praktiskai lietošanai zināms, piemēram, 65Zn (pussabrukšana ~244 dienas), ko izmanto kā marķieri/izsekošanas līdzekli pētījumos.
Rodas dabā un iegūšana
Cinks parasti atrodams sulfīdu un karbonātu rudās formās. Galvenā cinka ruda ir sphalerīts (ZnS). Citu pazīstamu minerālu piemēri ir smithsonīts (ZnCO3) un hemimorfīts (Zn4Si2O7(OH)2). Komerciālā cinka ieguve parasti notiek, apstrādājot sulfīdru dasragus ar koncentrēšanu un tālāk smelšanas vai hidrometalurģijas ceļiem (piem., flotācija, kausēšana, elektrolītiskā atdalīšana).
Pielietojums
- Cinkošanās (galvanizācija): cinkošana dzelzs/ tērauda virsmu aizsargā no korozijas — tas ir viens no lielākajiem cinka izmantotājiem.
- Sakausējumi: vara-cinka sakausējumi (misiņš) un citi sakausējumi (piem., metāla liešanas sakausējumi) izmanto konstrukcijās un mašīnās.
- Baterijas: cinks ir galvenā sastāvdaļa tradicionālajās cinka-oglekļa un alkaliskajās baterijās; arī attīstās atkārtoti uzlādējamas cinka jonu baterijas.
- ZnO un ķīmija: cinka oksīds tiek izmantots gumijas ražošanā, krāsās, keramikā, kā arī kosmētikā (saules aizsarglīdzekļos) un medicīnā (piem., cinka sulfāts, cinka oksīds antiseptiskos un brūču ārstēšanas preparātos).
- Korozijas aizsardzība: cinka anodi (sacrificial anodes) aizsargā kuģus, cauruļvadus un citas metāla konstrukcijas.
- Lauksaimniecība un medicīna: mikroelementu piedevas, mēslojumi, lopbarības piedevas — cinks ir būtisks augu un dzīvnieku augšanai.
- Elektronika un optoelektronika: ZnO ir pusvadītājs ar plašu joslu platumu un tiek pētīts sensoros, optoierīcēs un fotonikas lietojumos.
Bioloģiskā loma un drošība
Cinks ir essenciāls mikroelements cilvēka un daudzu organismu metabolismā. Tas ir cofaktors simtiem enzīmu, ieskaitot fermentus, kas iesaistīti DNS sintēzē, proteīnu sintēzē un imūnsistēmas funkcijās. Savienojumos tas veido pazīstamās "cinka pirkstiem" (zinc fingers) balstītas proteīnu struktūras, kas saistītas ar DNS atpazīšanu.
Ieteicamā diennakts deva atšķiras pēc vecuma un dzimuma; pieaugušajiem tā parasti ir aptuveni 8–11 mg/dienā. Pārmērīgi augstas cinka devas var izraisīt nelabvēlīgas blakusparādības (piem., slikta dūša, imunitātes nomākums, mijiedarbība ar dzelzi un varu). Cinka oksīda putekļi vai tvaiki var izraisīt "metāla dūmu drudzi" (kas parasti ir īslaicīgs un atgriezenisks).
Vides ietekme un ilgtspēja
Cinka ieguve un apstrāde var radīt vides slodzi — atkritumu kaudzes, ūdens piesārņojumu ar sulfātiem un metāniem. Tomēr cinks ir plaši pārstrādājams; cinka atgūšana no rūdītām detaļām un baterijām samazina nepieciešamību pēc izejvielu ieguves. Rūpnieciskā prakse un regulācijas mēģina mazināt emisijas un piesārņojuma riskus.
Kopsavilkums
Cinks (Zn) ir daudzpusīgs, tehniski un bioloģiski svarīgs metāls ar dominējošo +2 oksidācijas stāvokli, plašu pielietojumu korozijas aizsardzībā, sakausējumu ražošanā, baterijās un ķīmiskajā rūpniecībā. Tas ir būtisks mikroelements dzīvajiem organismiem, taču tā ieguvei un izmantošanai nepieciešama atbildīga iepēja un vides pārvaldība.
Īpašības
Fizikālās īpašības
Cinks ir spīdīgs zilgani pelēks metāls. Tikko sagriezts cinkam ir bālgani pelēka krāsa. Ja tas ir pakļauts gaisa iedarbībai, tas ilgi nesaglabājas spīdīgs. Tā kušanas temperatūra ir (419,58 °C (787,24 °F)), viršanas temperatūra ir (907,0 °C (1664,6 °F)), atdzišanas temperatūra ir -419,58 °C (-723,24 °F) un sasalšanas temperatūra ir -907,0 °C (1600,6 °F). Šī temperatūra ir zemāka nekā lielākajai daļai pārejas metālu, bet augstāka nekā alvai vai svinam. To var izkausēt uz plīts. Tā viršanas temperatūra ir zema metālam raksturīgā temperatūra. Tas nav magnētisks. Nedaudz uzkarsēts, tas kļūst ļoti elastīgs. Ja to uzkarsē vairāk, tas kļūst ļoti trausls. Tas viegli veido sakausējumus ar citiem metāliem.
Ķīmiskās īpašības
Cinks ir reaktīvs metāls. Tas ir tikpat reaktīvs kā alumīnijs un reaktīvāks par lielāko daļu izplatītāko metālu, piemēram, dzelzi, varu, niķeli un hromu. Tas ir mazāk reaktīvs nekā magnijs. Cinks var reaģēt ar skābēm, bāzēm un nemetāliem. Tomēr tas nerūsē gaisā. Uz cinka virsmas, atrodoties gaisā, veidojas cinka oksīda un cinka karbonāta pārklājums. Šis pārklājums aptur koroziju. Skābes var izšķīdināt šo pārklājumu un reaģēt ar cinka metālu. Reaģējot cinkam ar skābi, veidojas cinka(II) sāls, piemēram, cinka hlorīds un ūdeņraža gāze. Tā ir ļoti izplatīta ķīmiska reakcija. Turpmāk parādītā reakcija ir reakcija ar sālsskābi.
Zn + 2HCl → ZnCl 2+ H2
Cinka pulverī vai nelielos gabaliņos var sadegt, veidojot cinka oksīdu, kas ir balts pulveris. Liesma ir spilgti zili zaļa.
2 Zn + O2 → 2 ZnO
Cinka oksīds var šķīst spēcīgās bāzēs. Šī reakcija notiek dažās baterijās, kurās ir cinks.
ZnO + 2HO + 2 OH- → Zn(OH)42-.
Cinks ir halofils. Tas nozīmē, ka tas drīzāk reaģē ar sēru un elementiem, kas periodiskajā sistēmā ir zemāki par to, nevis ar skābekli. Tāpēc visizplatītākā cinka rūda ir cinka sulfīds, nevis cinka oksīds.
Ķīmiskie savienojumi
Cinks var veidot ķīmiskus savienojumus ar citiem elementiem. Šie ķīmiskie savienojumi ir tikai vienā oksidācijas stāvoklī: +2. Ir atrasts +1 savienojums, bet to ir grūti izveidot. Cinkam nav citu oksidācijas stāvokļu, izņemot +1 vai +2. Lielākajai daļai šo savienojumu nav krāsas. Ja tiem ir krāsa, tad to nerada cinks.
Cinka hlorīds ir viens no izplatītākajiem cinka savienojumiem. Tie ir diezgan nereaktīvi. Izšķīdināti ūdenī, tie ir nedaudz skābi. Uzkarsēts ugunī, tas rada zaļu liesmu.
Citi cinka savienojumi ir:
- Cinka antimonīds, pelēks pusvadītājs
- Cinka arsenīds, oranžais pusvadītājs
- Cinka bromīds, aizsargs pret radiāciju
- Cinka karbonāts, cinka rūda
- Cinka fluorīds
- Cinka hidroksīds, ko izmanto ķirurģiskajos pārsējos
- Cinka jodīds, ko izmanto rentgena attēlu izgatavošanā
- Cinka nitrāts, ko izmanto kā kodinātāju
- Cinka oksīds, ko izmanto saules aizsarglīdzekļos
- Cinka fosfāts, ko izmanto zobārstniecībā
- Cinka sulfāts, ko izmanto pigmentos
- Cinka sulfīds, parastā cinka rūda
· 
Cinka hlorīds
· 
Cinka oksīds
· 
Cinka sulfāts
Cinka dedzināšana
Kur atrodams cinks
Dabā sastopami pieci cinka izotopi. 64Zn ir visizplatītākais izotops, kas veido 48,63 % no dabā sastopamā cinka. Šī izotopa pussabrukšanas periods ir 4,3x1018 gadi. Tas ir tik ilgs laiks, ka tā radioaktivitāti var ignorēt. Līdzīgi arī 70
Zn (0,6 %), kura pusperiods ir 1,3x1016 gadi, parasti netiek uzskatīts par radioaktīvu. Citi dabā sastopamie izotopi ir 66
Zn (28 %), 67
Zn (4 %) un68
Zn (19 %).
Cinks kā metāls nav sastopams zemes garozā. Cinks ir sastopams tikai cinka savienojumu veidā. Galvenā cinka rūda ir sfalerīts, minerāls, kas sastāv no cinka sulfīda. Okeānā ir ļoti maz cinka. Cinka rūda parasti ir sastopama kopā ar vara un svina rūdām.
Ir arī citas cinka rūdas, piemēram, smithsonīts (cinka karbonāts) un cinka silikāta minerāls. Tie ir retāk sastopami.
Sfalerīts, izplatīta cinka rūda
Sagatavošana
Cinka sulfīdu koncentrē flotācijā. Cinka sulfīdu savāc mazgāšanas līdzeklis. Piemaisījumi nogrimst apakšā un tiek noņemti. Tad cinka sulfīdu karsē gaisā, lai veidotos cinka oksīds un sēra dioksīds.
2 ZnS + 3 O2 → 2 ZnO + 2 SO2
Sēra dioksīds oksidējas par sēra trioksīdu.
2 SO 2+ O2 → 2 SO3
Sēra trioksīds reaģē ar cinka oksīdu, veidojot cinka sulfātu. Tādējādi veidojas šķīstoša cinka forma, ko var vairāk pārstrādāt.
SO3 + ZnO → ZnSO4
Cinka sulfātu attīra un elektrolīzē. Elektrolīzes rezultātā rodas skābeklis, cinks un sērskābe. Tādējādi iegūst tīru cinku, ko dēvē par "SHG" jeb īpaši augstas kvalitātes cinku.
2 ZnSO4 + 2 2HO → 2 Zn + 2 2HSO4 + O2
Sērskābi atkārtoti izmanto sēra trioksīda vietā, lai izskalotu vairāk cinka oksīda.
Cinka oksīdu augstā temperatūrā var reducēt arī ar oglekli līdz cinka metālam un oglekļa dioksīdam. Tas ir domnas process, kas līdzinās dzelzs ražošanai.
2 ZnO + C → 2 Zn + CO2
Šī cinka forma ir lētāka, bet nav tīra.
Cinks ir ceturtais izplatītākais metāls pasaulē. Katru gadu tiek saražoti aptuveni 10 miljoni tonnu.
Izmanto
Kā metāls
Cinku izmanto elektriskajās baterijās. Sārmu baterijas un Leclanche baterijas ir tās, kurās cinku izmanto visvairāk. Tas oksidējas un nodrošina elektronus akumulatora darbībai.
Aptuveni 59 % cinka izmanto korozijas novēršanai, tostarp cinkošanai. Cinkošanai tiek izmantoti 47 % pasaules cinka. To izmanto, lai aizsargātu citu metālu, parasti dzelzi, no rūsēšanas. Cinka pārklājums korodē dzelzs vietā. Cinka pārklājumu metālam var uzklāt divējādi. Metālu var iegremdēt izkausētā cinka katlā. Cinku uz metāla var arī galvaniski uzklāt. Iegremdēšana ir ilgāk noturīga, bet tās rezultātā rodas nelīdzena virsma, kas, pēc dažu domām, neizskatās labi. To izmanto arī motorlaivās un cauruļvados, lai palēninātu rūsēšanu. Motorlaivas motoram bieži vien ir cinka "lode", kas viegli korodē, bet palīdz citām motora metāla daļām nerūsēt.
Cinku izmanto sakausējumos. Misiņš ir vara un cinka sakausējums. Misiņš ir visizplatītākais cinka sakausējums. Cinks var veidot sakausējumus ar daudziem citiem metāliem. Cinka alumīnijs ir cinka un alumīnija sakausējums, no kura izgatavoti labi gultņi. Tirdzniecībā izmantojamā bronzā ir cinka piedeva. Dažreiz kadmija telurīds reaģē ar cinku, lai iegūtu kadmija cinka telurīdu - pusvadītāju. Cinka sakausējums ir arī niķeļa sudrabs.
Cinku var izmantot ērģeļu pīpēs. Agrāk tika izmantots alvas un svina sakausējums. Cinku izmanto arī ASV naudaszīmēs, kurām ir tikai plāns vara slānis. Pamatne ir cinkota. Senāki peniji bija pilnībā izgatavoti no bronzas.
Cinka un sēra pulverveida maisījumu var izmantot raķetes modeļa piedziņai. Šī reakcija rada cinka sulfīdu, siltumu, gaismu un gāzes. Cinka lokšņu metālu izmanto, lai izgatavotu cinka stieņus.
Kā cinka savienojumi
Aptuveni 1/4 cinka izmanto cinka savienojumu izgatavošanai. Cinka oksīdu var izmantot saules aizsarglīdzekļiem vai krāsu pigmentam. Cinka oksīds ir arī pusvadītājs. Cinka hlorīdu izmanto koksnes aizsardzībai, lai tā nepūst. Daži fungicīdi satur cinku. Cinka sulfātu izmanto krāsvielās un pigmentos. Cinka sulfīdu izmanto luminiscences spuldzēs, lai ultravioleto gaismu pārvērstu redzamajā gaismā.
Bioloģijā
Cilvēkiem nepieciešams nedaudz cinka, lai palīdzētu organismam labi darboties. Ja ar pārtiku cinka nepietiek, var rasties minerālvielas deficīts. Gandrīz diviem miljardiem cilvēku ir cinka deficīts. Cinka trūkuma dēļ cilvēks vieglāk saslimst ar infekcijām. Daži cilvēki saka, ka saaukstēšanās gadījumā mums vajadzētu lietot vairāk cinka. Citi saka, ka cinkam nav nekādas nozīmes. Ir medikamenti, kurus var lietot saaukstēšanās gadījumā. Cilvēki pievieno nelielus daudzumus cinka savienojumu vitamīnu tabletēm un graudaugu produktiem, lai pārliecinātos, ka viņi saņem pietiekami daudz cinka. Lielākajā daļā vienreizlietojamo vitamīnu ir cinka. Cinks ir atrodams vismaz 100 fermentos. Tas ir otrs izplatītākais pārejas metāls pēc dzelzs. Cinku izmanto arī smadzenes. Cilvēka organismā ir 2 līdz 4 grami cinka. Cinka enzīms palīdz no asinīm izvadīt oglekļa dioksīdu. Kviešu sastāvā ir daudz cinka.
Karsti cinkots priekšmets
Parastās sārma baterijas. Šīm baterijām baterijas vidū ir zilgani pelēks cinka pulveris.
Drošība
Lieli cinka metāla daudzumi ir toksiski. Tas var izšķīst kuņģa skābē. Ja tiek uzņemts pārāk daudz cinka, organismā pazeminās vara un dzelzs līmenis. Cinka savienojumi kuņģī var izraisīt koroziju. Cinka savienojumi, kas nonāk degunā, var sabojāt ožu.
Cinka joni ir ļoti toksiski zivīm un daudzām ūdenī dzīvojošām vielām.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir cinks?
A: Cinks ir ķīmisks elements, kas pieder pie pārejas metālu grupas.
J: Kāds ir cinka simbols periodiskajā tabulā?
A: Periodiskajā sistēmā cinka simbols ir Zn.
J: Kāds ir cinka masas numurs?
A: Cinka masas skaitlis ir 65,38.
J: Cik protonu un elektronu ir cinkam?
A: Cinkam ir 30 protonu un 30 elektronu.
J: Cik cinka izotopu ir zināms un cik no tiem sastopami dabā?
A: Kopumā ir zināmi 29 cinka izotopi, no kuriem dabā sastopami pieci.
J: Kādi ir daži izplatītākie cinka izmantošanas veidi?
A: Cinku galvenokārt izmanto cinkošanai un baterijām, un tas ir ceturtais visbiežāk izmantotais metāls.
Vai visi cinka izotopi ir radioaktīvi?
A: Nē, ne visi cinka izotopi ir radioaktīvi, bet daži no tiem ir. To pussabrukšanas periodi svārstās no 40 milisekundēm līdz 5x1018 gadiem.
Meklēt