Цинк
← Медь | Галлий →
30 - ↑ Zn ↓ Cd 30Zn
Внешний вид простого вещества
Твердое вещество
Цинк
Свойства атома
Название, символ, номер	Цинк/Zincum (Zn), 30
Тип группы	Переходные металлы
Группа, период, блок	12 (устар. IIB), 4, d-элемент
Атомная масса (молярная масса)	65,38(2) а. е. м. (г/моль)[30] (массовое число наиболее устойчивого изотопа)[1]
Электронная конфигурация	[Ar] 3d104s2 [2]
Электроны по оболочкам	2; 8; 18; 2[3]
Радиус атома	134[4] пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	131[5] пм
Радиус иона	60 (4), 74,0 (6), 90 (8)[~ 1][4] пм
Электроотрицательность	1,65[6] (шкала Полинга)
Электродный потенциал	-0,763[~ 2][7] В
Степени окисления	+2[8]
Энергия ионизации	1‑я: 906,40 (9,3942) кДж/моль (эВ) 2‑я: 1733,30 (17,9644) кДж/моль (эВ) 3‑я: 3832,7 (39,723)[9] кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	7,13 г/см3
Температура плавления	692,7 K (419,55 °C, 787,19 °F)
Температура кипения	1179,4 K (906,25 °C, 1663,25 °F)[10]
Тройная точка	693 К (420°C), 0,065[12] кПа
Мол. теплота плавления	7,24 кДж/моль
Мол. теплота испарения	115,3 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	25,44[11] Дж/(K·моль)
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	Гексагональная (плотноупакованная)
Параметры решётки	a=2,6654, c=4,94, d=2,6654 Å
Отношение c/a	1,86[13]
Прочие характеристики
Модуль сдвига	38 ГПа
Модуль объёмной упр.	69,4 ГПа
Коэффициент Пуассона	0,249[14]
Твёрдость Мооса	2,5—2,9[15]
Твёрдость Бринелля	412[8] МПа
Номер CAS	7440-66-6
Эмиссионный спектр

Цинк (химический символ — Zn, от лат. Zincum) — химический элемент 12-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы второй группы, IIB) четвертого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 30.

Цинк представляет собой голубовато-белый переходный металл, покрывающийся на воздухе плёнкой оксида цинка➤.

Металл был известен еще с древности, так как использовался при производстве латуни. Впервые был открыт как индивидуальный металл в Индии в XIII веке, а затем переоткрыт в Европе в 1726 году➤.

По химическим свойствам цинк — типичный амфотерный металл, реагирующий и с кислотами, и с щелочами➤.

Еще в древности, более 2500 лет назад, его соединения применялись для лечения ран и изготовления латуни. Несмотря на широкое использование цинковых руд в производстве сплавов меди, сам металл долго оставался неизвестным^[16].

В античности цинковые соединения, такие как каламин, упоминались в трудах римских авторов, но тогда металл считался разновидностью руды^[17].

Самым известным цинковым минералом был галмей, или каламин (ZnCO₃). При прокаливании этого карбоната получался оксид, который имел довольно широкое применение, например, при лечении болезней глаз. Хотя сам оксид цинка легко восстанавливается до металла углем, получить чистый цинк удалось намного позже, чем были получены такие металлы, как медь, железо, олово и свинец, потому что для этого процесса требуется довольно высокие температуры (около 1100 °С)^[18].

В XIII веке в Индии был впервые получен металлический цинк путем восстановления каламина с помощью органических веществ^[16]. В Европе металлический цинк был впервые открыт Андреасом Маргграфом в 1746 году^[16][19].

Первые эксперименты по горячему цинкованию стальных изделий погружением металлические пластин в расплавленный цинк для получения устойчивого к коррозии покрытие были проведены Полем-Жаком Малуэном в 1742 году.

В 1802 году Карл Фридрих Бушендорф предложил предварительное травления железных листов в хлориде аммония, что значительно повысило качество цинкового покрытия. В отличие от олова, цинк обеспечивает не только изолирующую, но и активную гальваническую защиту железа при повреждении покрытия.

Изучение механизмов электрохимической защиты продолжалось в XVIII—XIX веках: Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта выявили зависимость электрических процессов при контакте разнородных металлов. Их исследования привели к созданию шкалы стандартных электродных потенциалов, которая объясняла, почему цинк может «жертвовать собой», защищая железо от коррозии. Сэр Хамфри Дэви и Майкл Фарадей подтвердили это явление и ввели концепцию катодной защиты^[20].

Промышленное производство цинка началось в Европе XVIII веке. Металлургия цинка была разработана в 1721 году немецким металлургом И. Генкелем. В 1743 году в Бристоле был открыт первый завод для получения цинка^[21].

Исконно славянское образование слова «цинк» сомнительно^[22]. Название ввел в русский язык Ломоносов, который произвел его от нем. Zink^[23]. В свою очередь, это слово возможно родственно нем. Zinke — «штырь», «острие». Считается, что впервые его использовал Парацельс, обративший внимание на форму имеют кристаллы цинка после выплавки^[24].

По другой версии, нем. Zinc (первое употребление в современном значении зафиксировано в 1651 году^[25]) произошло от нем. Zinn — «олово». Последнее слово было заимствовано славянскими языками и было расширено славянским суффиксом k, а затем перешло в немецкий язык (отсюда фр. Zinc)^[26].

Цинк имеет пять стабильных природных изотопов: ⁶⁴Zn (природная атомная концентрация 48,6 %), ⁶⁶Zn (27,9 %), ⁶⁷Zn (4,1 %), ⁶⁸Zn (18,8 %) и ⁷⁰Zn (0,6 %)^[27].

Цинк — голубовато-белый металл^[8]. На воздухе цинк тускнеет, покрываясь тонким слоем оксида.

При комнатной температуре влажный воздух (особенно в присутствии сернистого или углекислого газа) разрушает цинк^[14]. Цинк хрупок на холоде; при 100—150 °С довольно пластичен: при этой температуре он легко прокатывается в фольгу очень малой толщины (сотые доли миллиметра). При 250 °С становится снова хрупким^[28]. Вследствие удлинения кристаллов вдоль оси шестого порядка, не обладает совершенной гексагональной упаковкой^[29]. Кристаллическая решетка цинка схожа с кристаллической решёткой бериллия и магния. Цинк легко плавится и имеет относительно низкую температуру кипения, поэтому является одним из наиболее легко летучих металлов)^[30].

Цинк диамагнитен^[31] и обладает хорошей электропроводностью^[32].

Химические свойства цинка и кадмия довольно схожи, но химические свойства ртути, металла из этой же подгруппы химических элементов, несколько отличаются^[33].

Цинк пассивируется в воде^[34], но реагирует с парами воды при высокой температуре^[35].

Металл проявляет амфотерные свойства, поэтому может растворяться в водных растворах щелочей (c образованием солей — цинкатов^[33])^[36]:

${\displaystyle {\ce {Zn + 2 NaOH + 2 H2O -> {Na2}[Zn(OH)4] + H2 ^}}}$.

При действии на цинк азотной кислотой в зависимости от ее концентрации образуется различные соединения — ${\displaystyle {\ce {NH4NO3}}}$, ${\displaystyle {\ce {NO}}}$ или ${\displaystyle {\ce {NO2}}}$, а при взаимодействии с концентрированной серной кислотой, в зависимости от условий, — ${\displaystyle {\ce {H2S}}}$ или ${\displaystyle {\ce {SO2}}}$^[37].

В отличие от алюминия, тоже имеющего амфотерные свойства, цинк растворяется в водном растворе аммиака:

${\displaystyle {\ce {Zn + 4 NH3 + 4 H2O -> [Zn(NH3)4](OH)2 + H2 ^ + 2 H2O}}}$.

В сильнощелочной среде цинк является сильным восстановителем^[38]:

${\displaystyle {\ce {4 Zn + NaNO3 + 7 NaOH + 6 H2O -> 4 Na2[Zn(OH)4] + NH3}}}$;

${\displaystyle {\ce {3Zn + NaNO2 + 5NaOH + 5H2O -> 3Na2[Zn(OH)4] + NH3}}}$.

Цинк обладает сравнительно высокой реакционной способностью^[39]. Реагирует с кислотами (например, 20%-м раствором серной кислоты) в аппарате Киппа для лабораторного получения водорода^[40]:

${\displaystyle {\ce {Zn + H2SO4 -> ZnSO4 + H2 ^}}}$.

При нагревании реагирует с хлористым тионилом, образуя оксид серы(II)^[41]:

${\displaystyle {\ce {Zn + SOCl2 -> ZnCl2 + SO}}}$.

Цинк реагирует с кислородом, образуя оксид цинка — белое кристаллическое вещество^[36]:

${\displaystyle {\ce {2 Zn + O2 -> 2 ZnO}}}$.

С галогенами не реагирует на холоде, но реакция идет при наличии паров воды с образованием галогенидов^[37].

Взаимодействует с серой (реакция протекает энергично при нагревании)^[42] и с фосфором^[43] с образованием фосфидов состава ${\displaystyle {\ce {Zn3P2}}}$ и ${\displaystyle {\ce {ZnP2}}}$.

Цинк непосредственно не реагирует ни с водородом, ни с азотом, поэтому гидрид цинка ${\displaystyle {\ce {ZnH2}}}$ и нитрид цинка ${\displaystyle {\ce {Zn3N2}}}$ получают косвенным путем^[44].

Цинк, кадмий и ртуть легко образуют сплавы как друг с другом, так и с другими металлами^[45]. Многие сплавы с цинком являются интерметаллидами. Например, медь и цинк образуют интерметаллические соединения составов ${\displaystyle {\ce {CuZn}}}$, ${\displaystyle {\ce {CuZn3}}}$, ${\displaystyle {\ce {Cu2Zn3}}}$^[46].

Цинк занимает четвертое место в мире среди всех металлов по количеству производимых тонн^[47]. В 2023 году общий объём производства цинка в мире составил около 12,3 млн тонн^[48].

Цинковые руды добывается в 50-ти странах. Ведущими производителями цинка являются: Канада, Россия, Австралия, Перу, США и Китай. Среди известных месторождений можно назвать шахты Пайн-Пойнт^[англ.], Кидд^[англ.] и Red Dog^[49].

Список стран по производству цинка (примерные данные, основанные на информации Геологической службы США)

Государство	Произведено цинка (тыс. тонн)
	2020[50]	2021[51]	2022[52]	2023[53]	2024[54]
Весь мир	12000	13000	13000	12000	12000
США	670	740	770	750	750
Австралия	1400	1300	1300	1100	1100
Боливия	330	490	520	490	510
Канада	280	260	250	—	—
Китай	4200	4200	4200	4000	4000
Индия	720	810	830	860	860
Казахстан	300	220	200	330	370
Мексика	600	720	740	690	700
Перу	1200	1600	1400	1400	1300
Россия	260	280	280	310	310
ЮАР	—	—	—	230	120
Швеция	220	230	240	220	240
Остальные страны	2000	2000	2000	1800	1700

Около 34 % мирового производства цинка приходится на переработанный или вторичный цинк^[55].

Для получения концентрата из оксидных руд цинка в которых обычно находятся примеси карбоната кальция, магния и диоксида кремния используют флотационный или гравитационный метод. После этого, для переработки полученного концентрата используется либо гидрометаллургический способ, либо пирометаллургический. Последний способ не подходит для переработки оксидной руды с низкой концентрацией оксида цинка из-за загрязнения окружающей среды, больших капиталовложений и значительных энергозатрат^[56].

Также цинк добывают из полиметаллических руд, содержащих цинк в виде сульфида цинка, а также соедигнения меди, свинца, серебра и других металлов^[57]. При этом руду (например, сфалерит) сначала обжигают, получая оксид цинка^[58][59]:

${\displaystyle {\ce {2 ZnS + 3 O2 -> 2 ZnO + 2 SO2 ^}}}$.

Для получения самого металла используют два метода: дистилляцию и выщелачивание серной кислотой с последующим электролизом (с использованием алюминиевого катода и свинцового анода). При дистилляции оксид цинка обжигают с избытком углерода или углеродистых материалов в печи при 1300 °C:

${\displaystyle {\ce {ZnO + C -> Zn + CO}}}$.

Цинк в виде пара конденсируется и собирается в сосудах, соединенных с ретортой^[32].

Цинк и его соединения применяются во многих областях производства: от металлических изделий до резины и лекарств^[47].

Цинк используется в Цинк-бромидных, цинк-никелевых гальванических элементах.

Цинк используют в сплавах, в первую очередь в сплавах меди, как сплавов на основе цинка, а также в Полиграфия/полиграфии^[60].

Более половины потребляемого цинка идет на гальванизацию и цинкование — процессы нанесения цинка тонким слоем на изделия железа и стали с целью защиты их от коррозии^[49]. Существуют два метода оцинкования (гальванизации): горячее и электролитическое. Горячее оцинкование применяется для стального проката, образуя несколько слоёв с разным соотношением цинка и железа, что повышает коррозионную стойкость. Производится путём погружения изделий в ванны с расплавленным цинком. Электролитическое оцинкование позволяет легко контролировать толщину покрытия и качество поверхности, однако такое покрытие менее прочное, чем нанесённое методом горячего цинкования. Цинковые покрытия применяются в автомобильной, судостроительной и строительной промышленности.

Окись цинка используется в производстве, резинотехнической продукции, пигментов и керамической глазури.

Хлорид цинка используется при лужении и в качестве флюса

сульфат применяется в текстильной и химической промышленности^[61].

Сульфид цинка (один из немногих сульфидов белого цвета) способен люминесцировать, эта свойство используется в науке и технике (люминесцентный анализ)^[62].

Фосфид цинка применяется в составе отравленных приманок для борьбы с грызунами^[63].

Для получения и очистки РЗЭ, титана, галлия и других металлов, а также для получения сплавов с помощью амальгамы применяются методы амальгамной металлургии. Извлечение металлов из растворов цементацией амальгамой цинка описывается следующей схемой^[64]:

Zn⁰ (в Hg) + Meⁿ⁺ (р) ${\displaystyle {\ce {->}}}$ Me⁰ (в Hg) + Zn²⁺ (р)

Цинк является самым распространенным элементом 12-й группы^[65].

Геохимически цинк схож с железом, медью и кадмием^[66] и распространен в природе преимущественно в форме сульфидов. По распространенности (7,6⋅10⁻³ %) цинк близок к другим металлам — рубидию и меди^[67], при этом, в изверженных основных породах его больше (1,3⋅10⁻² %), чем в кислых породах (6⋅10⁻³ %)^[68]. Его основными рудами являются сфалерит^{[~ 3]} и вюртцит, обе состоят из ${\displaystyle {\ce {ZnS}}}$; ганит, ${\displaystyle {\ce {ZnAl2O4}}}$; каламин; смитсонит, ${\displaystyle {\ce {ZnCO3}}}$; франклинит, ${\displaystyle {\ce {(Zn, Mn)Fe2O4}}}$ и цинкит, ${\displaystyle {\ce {ZnO}}}$. Содержание в земной коре составляет около 70 мг/кг, а средняя концентрация в морской воде — около 10 мкг/л^[32].

Некоторые минералы цинка, используемые в промышленности, содержание в них полезных элементов^[69] и твердость по Моосу^[70]:

Минерал	Химическая формула	Максимальное содержание указанного компонентаа, %	Твердость по Моосу
Сфалерит	ZnS	Zn 67,1	3—4
Вюрцит	ZnS	Zn 67,1	3,5—4
Цинкит	ZnO	Zn 80,3	4—4,5
Смитсонит	ZnCO3	Zn 52,0	5
Гидроцинкит	Zn5(CO3)2(OH)6	Zn 59,5	—
Каламин	Zn4[Si2O7](OH)2⋅H2O	ZnO 67,5	4,5—5
Виллемит	Zn2[SiO4]	ZnO 73,0	5—5,5

В недрах Российской Федерации содержится 60,7 млн тонн цинка (что составляет 9 % мировых запасов)^[71].

Цинк — микроэлемент, играющий одну из важнейших функций в организме человека^[72] — обмен веществ^[73]. В организме человека содержится примергно 2—3 г цинка. Наиболее высокую концентрацию цинк имеет в предстательной железе.

Цинк играет структурную или функциональную роль в более чем 300 различных белках^[74] (он функционирует как кофактор в специфических белках, катализируя реакции электронного обмена, связывая субстраты и стабилизируя структуру белков^[75]).

Цинк прочно связывается с ферментным белком. Ионы ${\displaystyle {\ce {Zn^{2+}}}}$ необходимы для функционирования карбоангидразы, термолизина, дипептидаз, щелочной фосфатазы, РНК- и ДНК-полимераз, некоторых альдолаз, алкогольдегидрогеназ и супероксиддисмутазы.

Известно, что цинк связывается с гексамерами инсулина. У многих плотоядных и человека отражающий слой за сетчаткой глаза содержит кристаллы цинк-цистеинового комплекса^[76].

Также ионы ${\displaystyle {\ce {Zn^{2+}}}}$ принимает активное участие в работе мозга^[77].

Рекомендуемая норма цинка в рационе составляет 8 мг/день для женщин и 11 мг/день для мужчин^[78].

Наиболее богатыми цинком пищевыми продуктами являются мясо, рыба и морепродукты, в то время как фрукты и овощи содержат очень мало цинка^[79].

Болезни, вызванные дефицитом цинка в организме, широко распространены в мире^[80]. Недостаток цинка обусловливает патологические состояния и заболевания^[81], причем более высокому риску неблагоприятных последствий от дефицита цинка подвержены младенцы, особенно недоношенные, и пожилые люди^[82].

К возможным проявлениям дефицита цинка относятся нарушение ощущения вкуса и ухудшение обоняния, анорексия, алопеция, дерматит, начинающийся в носогубных складках и распространяющийся на мошонку, промежность и разгибательные поверхности локтей, нарушение заживления ран, гипогонадизм и сексуальная дисфункция, а также иммунодефицит^[83], что достаточно сильно увеличивает заболеваемость и смертность среди детей младшего возраста^[84]. Недостаток цинка в рационе беременной женщины может вызвать задержку роста рождённого ею ребёнка^[85].

Вдыхании паров цинка может вызвать «металлическую лихорадку»^[86].

Цинк поступает в окружающую среду как из природных, так и из антропогенных источников, при этом наибольший вклад в загрязнение почвы цинком вносит деятельность человека (горнодобыча, металлургия, использование продуктов, содержащих цинк); однако нахождение цинка в почве и воде в основном остается связанным с осадками и, как правило, не представляет значительного риска для здоровья при случайном проглатывании загрязнённой почвы^[87][88].

Длительный прием элементарного цинка в дозе от 100 мг/день до 150 мг/день (при рекомендуемой верхней границе потребления 40 мг/день) нарушает метаболизм меди и вызывает снижение уровня меди в крови, микроцитоз эритроцитов, нейтропению и ухудшение иммунитета. Прием больших доз цинка (от 200 мг/день до 800 мг/день), обычно при употреблении кислой пищи или питья из оцинкованной посуды, может вызвать анорексию, рвоту и диарею. Хроническое чрезмерное потребление цинка может привести к дефициту меди в организме и вызвать заболевание нервов^[89].

Комментарии

Источники

• Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия. Учеб. для вузов (рус.). — 4-е изд., испр. — М.: Высшая школа, Издательский центр «Академия», 2001. — 743 с. — ISBN 5-06-003363-5 (Высшая школа). — ISBN 5-7695-0704-7 (Издательский центр «Академия»).
• Рипан Р., Четяну И. Неорганическая химия: Химия металлов = Chimia metalelor (рус.) / Под ред. Спицына В. И. и Колли И. Д.; пер. с румын. Берсукера И. Б., Беличука Н. И. — М.: Мир, 1972. — Т. 2. — 871 с.
• James Speight. 1.3 The elements // Lange's Handbook of Chemistry (англ.). — Sixteenth Edition. — New York, Chicago, San Francisco, Lisbon, London, Madrid, Mexico City, Milan, New Delhi, San Juan, Seoul, Singapore, Sydney, Toronto: McGraw-Hill Education, 2005. — ISBN 0-07-143220-5.
• Волков А. И., Жарский И. М. 3.6. Потенциалы ионизации атомов и ионов // Большой химический справочник (рус.). — Минск: Современная школа, 2005. — 608 с. — ISBN 985-6751-04-7.
• Рябинович В. А., Хавин З. Я. Свойства простых веществ и неорганических соединений // Краткий химический справочник (рус.). — 2-е изд., испр. и доп. — Л.: Химия, 1978. — 392 с.
• 2. Элементы второй группы // Свойства элементов: Справ. изд. (рус.) / Под ред. Дрица М. Е.. — М.: Металлургия, 1985. — 672 с.
• Pradyot Patnaik. Zinc // Handbook of inorganic chemicals (англ.). — First Edition. — New York: McGraw-Hill Professional, 2002. — 1086 p. — ISBN 978-0070494398. — ISBN 0070494398.
• Цинк / Севрюков Н. Н. // Франкфурт — Чага. — М. : Советская энциклопедия, 1978. — (Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 28).
• Бандман А. Л., Гудзовский Г. А., Дубейковская Л. С. и др. Цинк и его соединения // Вредные химические вещества. Неорганические соединения элементов I—IV групп: Справ. изд. (рус.) / Под ред. Филова В. А. и др.. — Л.: Химия, 1988. — 512 с. — ISBN 5-7245-0035-3.
• Greenwood N. N., Earnshaw A. 29. Zinc, Cadmium and Mercury // Chemistry of the Elements (англ.). — Second Edition. — Butterworth-Heinemann, 1997. — 1364 p. — ISBN 978-0750633659. — ISBN 0750633654.
• Росин И. В., Томина Л. Д. Глава 21. Группа 12 // Общая и неорганическая химия в 3 т. Т. 2. Химия s-, d- и f- элементов. Учебник для академического бакалавриата (рус.). — М.: Юрайт, 2016. — 492 с. — (Бакалавр. Академический курс). — ISBN 978-5-9916-3817-3.
• Хомченко Г. П. Глава 12. Общие свойства металлов // Химия для поступающих в вузы: Учеб. пособие (рус.). — М.: Высшая школа, 1985. — 367 с.

• Цинк на Webelements
• Цинк в Популярной библиотеке химических элементов Архивная копия от 8 августа 2006 на Wayback Machine
• Цинк и цинковые аноды