Химический элемент цинк

Цинк - это элемент, который был известен с научной точки зрения в течение некоторого времени и использовался на протяжении всей истории. Сегодня цинк остается важнейшим элементом для функционирования современных технологий и биологии человека.

10 интересных и забавных фактов о цинке
Латунь представляет собой сплав цинка и меди и была одним из важнейших соединений металлов в древние времена.
Цинк используется в различных повседневных продуктах, включая краску, шампунь и дезодорант.
Ученые сегодня используют различные изотопы цинка для изучения пищевых сетей и экосистем, почти как углеродное датирование!
Американские пенни изготавливаются в основном из цинка – только тонкое внешнее покрытие выполнено из меди.
Цинк является 24-м наиболее распространенным элементом в земной коре, около 0,01%.
Название цинк происходит от немецкого слова zinke , означающего “зуб”.
Дефицит цинка затрагивает более 2 миллиардов человек во всем мире, что делает его важной частью глобальных целей в области здравоохранения.
Диэтилцинк был первым известным соединением, содержащим сигма-связь углерод-металл.
Переработка цинка представляет опасность для окружающей среды, поскольку при этом выделяется диоксид серы.
Обычная простуда на самом деле поддается лечению с помощью добавок цинка.

Элемент цинк в периодической таблице
Цинк, атомный символ Zn, имеет атомный номер 30 и является последним переходным металлом четвертого периода. Он находится справа от меди и слева от галлия и выше кадмия. Он имеет электронную конфигурацию [Ar] 4s 2 3d 10.

Цинк является одним из немногих переходных металлов, имеющих только одну основную степень окисления: +2. Хотя технически он может образовывать состояние + 1, эта конфигурация чрезвычайно нестабильна и ее трудно поддерживать. При электроотрицательности 1,65 по шкале Полинга элемент легко связывается с большинством электроотрицательных неметаллов, включая кислород, хлор и азот.

Цинк в электрохимии
В области электрохимии некоторым элементам уделяется большое внимание. Хорошо управляемые и электрически реактивные элементы полезны при изготовлении гальванических элементов – цинк идеально подходит для этой цели, потому что его много и он легко окисляется (потенциал восстановления -0,76 В). Элементы Zn / Cu чаще всего встречаются при изучении основ электрохимии. Как и в этом научном контексте, электрохимические свойства цинка делают его таким полезным в реальном мире, о чем мы поговорим позже.

Цинк в организме
Цинк является одним из наиболее важных металлов в организме. Он имеет решающее значение для функционирования около 10% белков в нашем организме, играя роль в передаче сигналов в клетках, экспрессии генов и апоптозе (контролируемой гибели клеток). На макроуровне цинк важен для правильной иммунной функции и пищеварения, а также для роста у детей.

Цинк был показан в качестве полезного средства для лечения различных заболеваний. Помимо обычной простуды, цинк помогает людям, страдающим анорексией, набрать вес, в дополнение к предотвращению дегенерации желтого пятна (процесс потери зрения с возрастом). Этот элемент является дешевым и эффективным способом улучшения здоровья, особенно в развивающихся странах, где дефицит распространен.

Применение цинка в современном мире
Защита от стихий (буквально)
Одной из самых больших угроз для общественной инфраструктуры является ржавчина. Из-за солей, воды или просто старого воздуха железо и сталь со временем разлагаются, делая транспортные сети и большие здания ненадежными. Цинк помогает нам, предотвращая это окисление. Основное применение цинка сегодня - в качестве расходуемого анода. Покрытие железа или стали слоем цинка (называемое гальванизацией) предотвратит окисление (ржавление) металла под ним, потому что цинк более “готов” к окислению, чем металл, который он покрывает. Большая часть открытого металла, который мы видим изо дня в день, в том числе в заборах, мостах, крышах и кузовах автомобилей, защищена этим тонким слоем металлического цинка.

В дополнение к физическому покрытию металлической поверхности цинк может обеспечивать электрохимическую защиту с помощью проволоки. Открытые и недоступные металлические поверхности, такие как подземные трубопроводы и корпуса судов, часто защищены цинком, который заменяет электроны, потерянные в результате окисления. Структурная целостность современного мира в немалой степени обусловлена цинком.

Хранение энергии
Помимо инфраструктуры, простота окисления цинка используется в батареях. Поскольку это всего лишь гальванические элементы, характеристики, которые мы видели ранее, делают его идеальным в качестве анода в одноразовых батареях. Порошок металла используется в качестве восстановителя – белая паста, которая иногда вытекает из старых батарей, часто представляет собой смесь этого цинка с графитом и другими электролитами.

Где находится цинк?
Цинк можно найти по всему миру. Его основная руда, сфалерит (ZnS), довольно распространена, часто смешивается с другими серосодержащими рудами. Наибольший вклад в производство вносит Китай, за которым следуют австралийские и перуанские горнодобывающие предприятия.

Когда и как был открыт этот элемент?
Цинк известен на протяжении тысячелетий и широко использовался в древнем мире. Сплавы цинка, особенно латунь (Zn + Cu), использовались различными древними цивилизациями – иудейская латунь была найдена еще в 14 веке до нашей эры.

Цинк был выделен в Индии около 1300 г. н.э. После этого он был импортирован на Запад, но научное изучение металла не начиналось всерьез в течение нескольких сотен лет. Швейцарский врач Парацельс был первым жителем Запада, который идентифицировал элемент как уникальный металл около 1526 года. Его название происходит от немецкого zinke, или зуб, благодаря игольчатой структуре чистого металла. В последующие столетия различные европейцы внесли свой вклад в изучение этого элемента. Братья Уильям и Джон Чампион открыли новые и эффективные способы очистки цинка, которые будут использоваться в течение многих лет.

В конце 18 века Луиджи Гальвани использовал цинк в своих экспериментах, которые проложили путь к современному электричеству. Его друг, Алессандро Вольта, использовал ставшую классической комбинацию цинка и меди для создания мощной, но примитивной батареи, которая тогда называлась Voltaic pile. Названия гальванического элемента и процесса гальванизации отдают должное работе Гальвани. Наследие Volta продолжается в самой единице электрического потенциала - Вольте.

Биологическое значение цинка было обнаружено только в двадцатом веке. В настоящее время он признан ключевым игроком в структуре и функции ферментов.

Химия цинка
Степени окисления
Переходные металлы, приближающиеся к концу d-блока, нарушают традиционные правила электронной конфигурации. В своих ионных состояниях эти металлы часто сохраняют свои d-орбитальные электроны в пользу потери своих s-орбитальных электронов. Вот почему медь, серебро и золото имеют степень окисления +1. По той же причине цинк (почти) всегда теряет свои s-электроны, а не d-электроны, что придает ему степень окисления + 2. С химической точки зрения, это заставляет его вести себя очень похоже на щелочноземельный элемент, такой как кальций или магний. Электронная конфигурация иона Zn2 + имеет вид [Ar] 3d10, то же самое, что и кальций, если вы игнорируете электроны d-оболочки.

Хотя технически возможно иметь степень окисления + 1, эта форма нестабильна. Подобно ртути, предпочтительным является ионный димер Zn2 2 +. Без тщательной стабилизации этот ион разлагается на Zn2 + и металлический цинк. По сути, этот элемент находится только в степени окисления + 2.

Химические свойства
Будучи электроположительным металлом, цинк легко окисляется многими элементами. Образцы металла будут быстро покрыты слоем ZnO при воздействии газообразного кислорода после реакции 2Zn (s) + O2 (g) > 2ZnO (s).

Металл может вступать в реакцию с водой при высоких температурах с образованием ZnO и газообразного водорода: Zn (s) + H 2O (g) > ZnO (s) + H2 (g).

Он также вступает в реакцию с серой, образуя зеленое пламя.

Цинк производит зеленое пламя в огне.
При сгорании цинка образуется зеленое пламя
Соединения цинка
Глюконат цинка
Это соединение является основной добавкой цинка, используемой сегодня. Он обеспечивает свободный цинк для использования в организме, и он дешев и прост в производстве.

Хлорид цинка
ZnCl2 является очень распространенной и полезной формой этого элемента. Он полезен в качестве флюса и сушильного агента, хотя есть и более эффективные варианты. Он также используется в органической химии в качестве кислоты Льюиса, являясь обычной альтернативой AlCl3 в реакции Фриделя-Крафтса.

Гидроксид цинка
Zn (OH) 2 используется в медицине в качестве хирургической повязки для ускорения заживления. Это также побочный продукт обычного процесса, используемого для обнаружения минералов цинка.

Сульфид цинка
ZnS используется главным образом для его взаимодействия со светом. Большинство светящихся в темноте пигментов представляют собой цинк со следовыми количествами другого металла. Классический зеленоватый, светящийся в темноте цвет получается из цинка, легированного медью. Марганец и серебро используются для получения оранжевого и синего цветов соответственно. В дополнение к своим фосфоресцирующим свойствам, ZnS используется в пигментах, таких как литопон, один из наиболее распространенных белых пигментов. ZnS также является фотокатализатором, что означает, что он может позволить некоторым реакциям протекать в присутствии света, включая образование газообразного водорода из воды.

Оксид цинка
И последнее, но не менее важное: оксид цинка является ключевым игроком в существующих и появляющихся технологиях. Он используется в производстве вулканизированной резины, важного материала. Он также очень полезен благодаря своим свойствам в качестве полупроводника. Новые технологии, такие как тонкопленочные транзисторы и спинтроника, а также новые светодиодные и ЖК-дисплеи, основаны на среде ZnO для функционирования. Кроме того, ZnO является многообещающим анодом в литий-ионных батареях, будучи более эффективным и экологически чистым, чем традиционные материалы, такие как кобальт. Оксид цинка также может быть использован в микроволокнах для выработки электроэнергии, что открывает путь к созданию электрически самодостаточных наномашин.

Выделение цинка
Цинковые руды, такие как сфалерит, добываются по всему миру. После сбора эти материалы подвергаются тонкому измельчению, а затем разделяются с использованием различий в их гидрофобности. После отделения руда (на данном этапе в основном ZnS) обжаривается, превращаясь в ZnO. Оттуда он либо восстанавливается до металлического цинка углеродом и монооксидом углерода, либо выделяется электролизом после обработки серной кислотой. Стоит отметить, что на стадии обжаривания, превращения ZnS в ZnO, выделяются оксиды серы, которые вредны для окружающей среды. Поэтому усовершенствование предлагает некоторые проблемы, поскольку мир движется к более экологичным и более зависимым от цинка методам.

К сожалению, не существует эффективного и практичного способа выделения этого элемента в лабораторных условиях.

Физические свойства
Символ: Zn
Температура плавления: 419,5 °C
Температура кипения: 907,0 °C
Плотность: 7,14 г/см3
Атомный вес: 65,38 Да
Атомный номер: 30
Электроотрицательность: 1,65
Классификация: Переходный металл
Естественное содержание цинка в земной коре: 0,0075% или 75 частей на миллион
Электронная конфигурация: [Ar] 4s 2 3d 10
Изотопы: 64 Zn, 66 Zn, 67 Zn, 68 Zn, 70 Zn

В природе встречается в минералах сфалерит (сульфид цинка), смитсонит (карбонат цинка) и гемиморфит (силикат цинка)
Токсичность: Токсичен в избытке, что приводит к дефициту меди и железа. Проглатывание / переваривание американских монет очень опасно из-за высокого содержания цинка.

Из-за большого количества цинка проглатывание монет может быть токсичным.

Где я могу купить цинк?
Металлический цинк можно приобрести в различных онлайн-магазинах и розничных магазинах, включая Amazon и Home Depot. Добавки с цинком доступны практически в каждой аптеке или аптечном магазине.