Реферат: Свойства и получение цинка
ZnSO4→ Zn2+
+ SO42-
2+ (–) катод Zn , Н2О (+)
анод: SO42–, Н2О
2+
Zn + 2e Zn 2H2O
– 4e O2 + 4H+
2+ 0
Zn + 2е Zn
2H2O + 2e H2 +
2HO
Суммарное уравнение
ZnSO4 + 2H2O Zn
+ H2 + O2 + H2SO4.
Полученный огарок
выщелачивают отработанным электролитом, содержащим серную кислоту. Получаемый
раствор сернокислого цинка очищают от вредных примесей и направляют на
электролиз. При этом цинк осаждается на катоде, а в растворе регенерируется
серная кислота, возвращаемая вновь на выщелачивание
Если обжиг цинкового
концентрата предшествует выщелачиванию, то целью его является возможно более
полный перевод сернистого цинка в оксид цинка, растворимую в разбавленных
растворах серной кислоты.
Выщелачивание огарка
осуществляется отработанным электролитом, содержащим серную кислоту и
получаемым при электролизе раствора цинка. В процессе передела неизбежны потери
серной кислоты (как механические, происходящие вследствие потери раствора, так
и химические, вызванные тем, что серная кислота непроизводительно затрачивается
на растворение примесей). Эти потери пополняют тем, что получают в огарке
некоторое количество сульфата цинка, легко растворяющегося в воде. Для этой
цели достаточно бывает иметь в обожженном концентрате около 2-4% сульфатной
серы.
Этим способом получают
около 70% всего мирового производства цинка. Объясняется это тем, что
электролитическим способом при хорошей механизации трудоемких процессов и
высоком проценте извлечения получают цинк более чистый, чем дистилляционным.
Кроме того, облегчается возможность комплексного использования ценных
составляющих концентрата. Для выделения цинка полученный после обогащения
концентрат ZnS подвергают обжигу:
2ZnS+3O2→
2ZnO+2SO2
3.
Физические и
химические свойства цинка
Физические свойства
Цинка. Цинк - металл средней твердости. В холодном состоянии хрупок, а при
100-150 °С весьма пластичен и легко прокатывается в листы и фольгу толщиной
около сотых долей миллиметра. При 250 °С вновь становится хрупким. Полиморфных
модификаций не имеет. Кристаллизуется в гексагональной решетке с параметрами а
= 2,6594Å, с = 4,9370Å. Атомный радиус 1,37Å; ионный Zn2+
-0,83Å. Плотность твердого Цинка 7,133 г/см3 (20 °С), жидкого 6,66 г/см3
(419,5 °С); tпл 419,5 °С; tкип 906 °С. Температурный коэффициент линейного
расширения 39,7·10-3 (20-250 °С), коэффициент теплопроводности 110,950 вт/(м
·К) 0,265 кал/см·сек·°С (20 °С), удельное электросопротивление 5,9·10-6 ом·см
(20 °С), удельная теплоемкость Цинка 25,433 кдж/(кг·К.) [6,07 кал/(г·°С)].
Предел прочности при растяжении 200-250 Мн/м2 (2000-2500 кгс/см2),
относительное удлинение 40-50%, твердость по Бринеллю 400-500 Мн/м2(4000-5000
кгс/см2). Цинк диамагнитен, его удельная магнитная восприимчивость -0,175·10-6.
Химические свойства
Цинка. Внешняя электронная конфигурация атома Zn 3d104s2. Степень окисления в
соединениях +2. Стандартный электродный потенциал равный -0,76 В характеризует
Цинк как активный металл и энергичный восстановитель. На воздухе при температуре
до 100 °С Цинк быстро тускнеет, покрываясь поверхностной пленкой основных
карбонатов. Во влажном воздухе, особенно в присутствии СО2, происходит
разрушение металла даже при обычных температурах. При сильном нагревании на
воздухе или в кислороде Цинк интенсивно сгорает голубоватым пламенем с
образованием белого дыма оксида цинка ZnO. Сухие фтор, хлор и бром не
взаимодействуют с Цинком на холоду, но в присутствии паров воды металл может
воспламениться, образуя, например, ZnCl2. Нагретая смесь порошка Цинка с серой
дает сульфид Цинк ZnS. Сульфид Цинк выпадает в осадок при действии сероводорода
на слабокислые или аммиачные водные растворы солей Zn. Гидрид ZnH2 получается
при взаимодействии LiАlН4 с Zn(CH3)2 и других соединениями Цинка; металлоподобное
вещество, разлагающееся при нагревании на элементы. Нитрид Zn3N2 - черный
порошок, образуется при нагревании до 600 °С в токе аммиака; на воздухе
устойчив до 750 °С, вода его разлагает. Карбид Цинка ZnC2 получен при
нагревании Цинка в токе ацетилена. Сильные минеральные кислоты энергично
растворяют Цинк, особенно при нагревании, с образованием соответствующих солей.
При взаимодействии с разбавленной НCl и H2SO4 выделяется Н2, а с НNО3 - кроме
того, NO, NO2, NH3. С концентрированной НCl, H2SO4 и HNO3 Цинк реагирует,
выделяя соответственно Н2, SO2, NO и NO2. Растворы и расплавы щелочей окисляют
Цинк с выделением Н2 и образованием растворимых в воде цинкитов. Интенсивность
действия кислот и щелочей на Цинк зависит от наличия в нем примесей. Чистый
Цинк менее реакционно способен по отношению к этим реагентам из-за высокого
перенапряжения на нем водорода. В воде соли Цинка при нагревании гидролизуются,
выделяя белый осадок гидрооксида
a)
взаимодействие
цинка с разбавленными кислотами
Zn(OH)2. H2SO4
+ Zn = Zn SO4 + H2 ↑
Цинк, как активный
металл, может образовывать с концентрированной серной кислотой сернистый газ,
элементарную серу, и даже сероводород.
2H2SO4 + Zn = SO2 ↑+ZnSO4
+ 2H2O
При взаимодействии цинка
с очень разбавленной азотной кислотой выделяется аммиак, который реагирует с
избытком кислоты с образованием нитрата аммония.
В общем виде:
4Zn + 10HNO3 =
4Zn(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O
C HNO3
Zn + HNO3 =
Zn(NO3)2 +NO +H2O
b)Взаимодействие растворимых солей
цинка с щелочами:
ZnCl2 +2NaOH= ZnOH2↓+2NaCl
Zn(NO3)2+2KOH
= ZnOH2↓ +2KNO3
Область применения цинка
Металлический цинк
используется для восстановления благородных металлов добываемых подземным
выщелачиванием (золото, серебро). Кроме того, цинк используется для извлечения
серебра, золота и др. Из чернового свинца в виде так называемой «серебристой
пены» интерметаллидов цинка с серебром и золотом, и обрабатываемых обычными
методами аффинажа.
Применяется для защиты
стали от коррозии (оцинковка, которая хорошо известна всем, кто видел
оцинкованное ведро). Также используется в качестве материала для отрицательного
электрода в химических источниках тока, то есть в батарейках и аккумуляторах.
Очень важна роль цинка в
цинк-воздушных аккумуляторах, в последние годы интенсивно разрабатываются на
основе системы цинк-воздух аккумуляторы для компьютеров (ноутбуки) и в этой
области достигнут значительный успех (большая, чем у литиевых батарей энергия,
ресурс и они дешевле в 3 раза), так же эта система очень перспективна для пуска
двигателей (свинцовый аккумулятор — 55 Вт·ч/кг, цинк-воздух — 220—300 Вт·ч/кг)
и для электромобилей (пробег до 900 км). Входит в состав многих твёрдых припоев
для снижения их температуры плавления.
Сложный химический и
минералогический состав руд, содержащих цинк, был одной из причин, по которым
цинковое производство рождалось долго и трудно. При резком охлаждении пары
цинка сразу же, минуя жидкое состояние, превращаются в твердую пыль. Это
несколько осложняет производство, хотя элементарный цинк считается нетоксичным.
Часто бывает нужно сохранить цинк именно в виде пыли, а не переплавлять его в
слитки.
В пиротехнике цинковую
пыль применяют, чтобы получить голубое пламя. Цинковая пыль используется в
производстве редких и благородных металлов. В частности, таким цинком вытесняют
золото и серебро из цианистых растворов. Как ни парадоксально, но при получении
самого цинка (и кадмия) гидрометаллургическим способом применяется цинковая
пыль - для очистки раствора сульфата меди и кадмия.
Главная составная часть
применяемой во всех этих случаях краски - все та же цинковая пыль. Смешанная с
окисью цинка и льняным маслом, она превращается в краску, которая отлично
предохраняет от коррозии. Эта краска к тому же дешева, пластична, хорошо
прилипает к поверхности металла и не отслаивается при температурных перепадах.
Мышиный цвет скорее достоинство, чем недостаток. Изделия, которые покрывают
такой краской, должны быть не марки и в то же время опрятны. На свойствах цинка
сильно сказывается степень его чистоты. При 99,9 и 99,99% чистоты цинк хорошо
растворяется в кислотах. Но стоит "прибавить" еще одну девятку
(99,999%), и цинк становится нерастворимым в кислотах даже при сильном
нагревании. Цинк такой чистоты отличается и большой пластичностью, его можно
вытягивать в тонкие нити. А обычный цинк можно прокатить в тонкие листы, лишь
нагрев его до 100-150 С. Нагретый до 250 С и выше, вплоть до точки плавления,
цинк опять становится хрупким - происходит очередная перестройка его
кристаллической структуры.
Листовой цинк широко применяют
в производстве гальванических элементов. Первый "вольтов столб"
состоял из кружочков цинка и меди. И в современных химических источниках тока
отрицательный электрод чаще всего делается из цинка.
Значительна роль этого
элемента в полиграфии. Из цинка делают клише, позволяющие воспроизвести в
печати рисунки и фотографии. Специально приготовленный и обработанный
типографский цинк воспринимает фотоизображение. Это изображение в нужных местах
защищают краской, и будущее клише протравливают кислотой. Изображение
приобретает рельефность, опытные граверы подчищают его, делают оттиски, а потом
эти клише идут в печатные машины. К полиграфическому цинку предъявляют особые
требования: прежде всего он должен иметь мелкокристаллическую структуру,
особенно на поверхности слитка. Поэтому цинк, предназначенный для полиграфии,
всегда отливают в закрытые формы. Для "выравнивания" структуры
применяют отжиг при 375 С с последующим медленным охлаждением и горячей
прокаткой. Строго лимитируют и присутствие в таком металле примесей, особенно
свинца. Если его много, то нельзя будет вытравить клише так, как это нужно.
Если же свинца меньше 0,4%, то трудно получить нужную мелкокристаллическую
структуру. Вот по этой кромке и "ходят" металлурги, стремясь
удовлетворить запросы полиграфии.
Страницы: 1, 2, 3 |