Цинк

Цинк – хрупкий металл голубовато-белого цвета

Цинк — химический элемент 12-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы второй группы), четвёртого периода периодической системы, с атомным номером 30. Обозначается символом Zn (лат. Zincum). Простое вещество цинк при нормальных условиях — хрупкий переходный металл голубовато-белого цвета (тускнеет на воздухе, покрываясь тонким слоем оксида цинка).

История

Сплав цинка с медью — латунь — был известен ещё в Древней Греции, Древнем Египте, Индии (VII век), Китае (XI век). Долгое время не удавалось выделить чистый цинк. В 1738 году в Англии Уильямом Чемпионом был запатентован дистилляционный способ получения цинка. В промышленном масштабе выплавка цинка началась также в XVIII веке: в 1743 году в Бристоле вступил в строй первый цинковый завод, основанный Уильямом Чемпионом, где получение цинка проводилось дистилляционным способом. В 1746 году А. С. Маргграф в Германии разработал похожий способ получения чистого цинка путём прокаливания смеси его оксида с углём без доступа воздуха в глиняных огнеупорных ретортах с последующей конденсацией паров цинка в холодильниках. Маргграф описал свой метод во всех деталях и этим заложил основы теории производства цинка. Поэтому его часто называют первооткрывателем цинка.

В 1805 году Чарльз Гобсон и Чарльз Сильвестр из Шеффилда запатентовали способ обработки цинка — прокатка при 100—150 °C. Первый в России цинк был получен на заводе «Алагир» 1 января 1905 года. Первые заводы, где цинк получали электролитическим способом, появились в 1915 году в Канаде и США.

Происхождение названия

Слово «цинк» впервые встречается в трудах Парацельса, который назвал этот металл словом «zincum» или «zinken» в книге Liber Mineralium II. Это слово, вероятно, восходит к нем. Zinke, означающее «зубец» (кристаллиты металлического цинка похожи на иглы).

Нахождение в природе

Известно 66 минералов цинка, в частности цинкит, сфалерит, виллемит, каламин, смитсонит, франклинит. Наиболее распространённый минерал — сфалерит, или цинковая обманка. Основной компонент минерала — сульфид цинка ZnS, а разнообразные примеси придают этому веществу всевозможные цвета. Из-за трудности определения этого минерала его называют обманкой (др.-греч. σφαλερός — обманчивый). Цинковую обманку считают первичным минералом, из которого образовались другие минералы элемента № 30: смитсонит ZnCO₃, цинкит ZnO, каламин 2ZnO · SiO₂ · Н₂O. На Алтае нередко можно встретить полосатую «бурундучную» руду — смесь цинковой обманки и бурого шпата. Кусок такой руды издали действительно похож на затаившегося полосатого зверька.

Среднее содержание цинка в земной коре — 8,3⋅10-3%, в основных извержённых породах его несколько больше (1,3⋅10-2%), чем в кислых (6⋅10-3%). Цинк — энергичный водный мигрант, особенно характерна его миграция в термальных водах вместе со свинцом. Из этих вод осаждаются сульфиды цинка, имеющие важное промышленное значение. Цинк также энергично мигрирует в поверхностных и подземных водах, главным осадителем для него является сероводород, меньшую роль играет сорбция глинами и другие процессы.

Цинк — важный биогенный элемент, в живых организмах содержится в среднем 5⋅10-4 % цинка. Но есть и исключения — так называемые организмы-концентраторы (например, некоторые фиалки).

Месторождения

Месторождения цинка известны в Иране, Австралии, Боливии, Казахстане.

Применение

Чистый металлический цинк используется для восстановления благородных металлов, добываемых подземным выщелачиванием (золото, серебро). Кроме того, цинк используется для извлечения серебра, золота (и других металлов) из чернового свинца в виде интерметаллидов цинка с серебром и золотом (так называемой «серебристой пены»), обрабатываемых затем обычными методами аффинажа.

Применяется для защиты стали от коррозии (оцинковка поверхностей, не подверженных механическим воздействиям, или металлизация — для мостов, ёмкостей, металлоконструкций).

Цинк используется в качестве материала для отрицательного электрода в химических источниках тока, то есть в батарейках и аккумуляторах, например: марганцево-цинковый элемент, серебряно-цинковый аккумулятор (ЭДС 1,85 В, 150 Вт·ч/кг, 650 Вт·ч/дм³, малое сопротивление и колоссальные разрядные токи), ртутно-цинковый элемент (ЭДС 1,35 В, 135 Вт·ч/кг, 550—650 Вт·ч/дм³), диоксисульфатно-ртутный элемент, иодатно-цинковый элемент, медно-окисный гальванический элемент (ЭДС 0,7—1,6 Вольт, 84—127 Вт·ч/кг, 410—570 Вт·ч/дм³), хром-цинковый элемент, цинк-хлоросеребряный элемент, никель-цинковый аккумулятор (ЭДС 1,82 Вольт, 95—118 Вт·ч/кг, 230—295 Вт·ч/дм³), свинцово-цинковый элемент, цинк-хлорный аккумулятор, цинк-бромный аккумулятор и др.

Очень важна роль цинка в цинк-воздушных аккумуляторах, которые отличаются весьма высокой удельной энергоёмкостью. Они перспективны для пуска двигателей (свинцовый аккумулятор — 55 Вт·ч/кг, цинк-воздух — 220—300 Вт·ч/кг) и для электромобилей (пробег до 900 км).

Пластины цинка широко используются в полиграфии, в частности, для печати иллюстраций в многотиражных изданиях. Для этого с XIX века применяется цинкография — изготовление клише на цинковой пластине при помощи вытравливания кислотой рисунка в ней. Примеси, за исключением небольшого количества свинца, ухудшают процесс травления. Перед травлением цинковую пластину подвергают отжигу и прокатывают в нагретом состоянии.

Цинк вводится в состав многих твёрдых припоев для снижения их температуры плавления.

Окись цинка широко используется в медицине как антисептическое и противовоспалительное средство. Также окись цинка используется для производства краски — цинковых белил.

Цинк — важный компонент латуни. Сплавы цинка с алюминием и магнием (ЦАМ, ZAMAK) благодаря сравнительно высоким механическим и очень высоким литейным качествам очень широко используются в машиностроении для точного литья. В частности, в оружейном деле из сплава ZAMAK (-3, −5) иногда отливают затворы пистолетов, особенно рассчитанных на использование слабых или травматических патронов. Также из цинковых сплавов отливают всевозможную техническую фурнитуру, вроде автомобильных ручек, корпусы карбюраторов, масштабные модели и всевозможные миниатюры, а также любые другие изделия, требующие точного литья при приемлемой прочности.

Хлорид цинка — важный флюс для пайки металлов и компонент при производстве фибры.

Сульфид цинка используется при изготовлении люминофоров краткого послесвечения и других люминесцирующих составов, обычно это смеси ZnS и CdS, активированные ионами других металлов. Люминофоры на базе сульфидов цинка и кадмия также применяются в электронной промышленности для изготовления светящихся гибких панелей и экранов в качестве электролюминофоров и составов с коротким временем высвечивания.

Теллурид, селенид, фосфид, сульфид цинка — широко применяемые полупроводники. Сульфид цинка — составная часть многих люминофоров. Фосфид цинка используется в качестве отравы для грызунов.

Селенид цинка используется для изготовления оптических стёкол с очень низким коэффициентом поглощения в среднем инфракрасном диапазоне, например, в углекислотных лазерах.

На разные применения цинка приходится:

• цинкование — 45—60 %
• медицина (оксид цинка как антисептик) — 10 %
• производство сплавов — 10 %
• производство резиновых шин — 10 %
• масляные краски — 10 %

Биологическая роль

В организме взрослого человека содержится в среднем около 2 г цинка, в виде его соединений, который концентрируется преимущественно в мышцах, печени и поджелудочной железе. Более 400 ферментов содержат цинк. Среди них ферменты, катализирующие гидролиз пептидов, белков и сложных эфиров, образование альдегидов, полимеризацию ДНК и РНК.

Наиболее изучен фермент карбоангидраза — белок, содержащий цинк и состоящий примерно из 260 аминокислотных остатков. Этот фермент содержится в эритроцитах крови и способствует превращению углекислого газа, образующегося в тканях в процессе их жизнедеятельности, в гидрокарбонат-ионы и угольную кислоту, которая кровью переносится в легкие, где выводится из организма в виде углекислого газа. В отсутствие фермента превращение СО₂ в анион HCO_3- протекает с очень низкой скоростью.

В молекуле карбоангидразы атом цинка связан с тремя имидазольными группами остатков аминокислоты гистидина и молекулой воды, которая легко депротонируется, превращаясь в координированный гидроксид. Атом углерода молекулы углекислого газа, на котором находится частичный положительный заряд, вступает во взаимодействие с атомом кислорода гидроксильной группы. Таким образом, координированная молекула СО₂ превращается в гидрокарбонат-анион, который покидает активный центр фермента, замещаясь на молекулу воды. Фермент ускоряет эту реакцию гидролиза в 10 миллионов раз.

Цинк:

• необходим для продукции спермы и мужских гормонов.
• необходим для метаболизма витамина E.
• важен для нормальной деятельности простаты.
• участвует в синтезе разных анаболических гормонов в организме, включая инсулин, тестостерон и гормон роста.
• необходим для расщепления алкоголя в организме, так как входит в состав алкогольдегидрогеназы.

Содержание в продуктах питания

Рекомендуемая дневная норма цинка в рационе — 11 мг для мужчин и 8 мг для женщин. Среди продуктов, употребляемых в пищу человеком, наибольшее содержание цинка — в устрицах, тыквенных и подсолнечных семечках, кунжуте, мясе, сыре, овсяной крупе, бобовых, шоколаде.

Содержание цинка в продуктах на 100 г:

• Орехи и семечки: тыквенные семечки — 10 мг, кунжут — 7 мг, семена подсолнечника — 5,3 мг, миндаль — 3 мг, грецкие орехи — 3 мг.
• Мясо: говяжья печень — 4 мг, говядина — 3—8,4 мг, баранина — 2—6 мг, курица — 0,8—3,5 мг, свинина — 0,8—3,5 мг.
• Бобовые: чечевица — 4,78 мг, арахис — 4 мг, горох — 1,2 мг, соевые бобы — 3 мг.
• Молочные продукты: твёрдый сыр — 3—4 мг, мороженое, йогурт — 0,7—0,8 мг, молоко — 0,4 мг.
• Злаки и хлеб: овёс — 3,97, пшеница — 3,46 мг, рожь — 2,65 мг, рис — 1 мг, хлеб — 0,7—1,5 мг, печенье — 0,5—1 мг, мука пшеничная — 0,8 мг.
• Рыба и морепродукты: устрицы — 16—40 мг, анчоусы — 1,72 мг, осьминог — 1,68 мг, карп — 1,48 мг, икра — 1 мг, сельдь — 0,99 мг.
• Овощи и фрукты: зелёный горошек — 1,24 мг, ростки бамбука — 1,10 мг, кукуруза (варёная, консервированная) — 0,5—0,6 мг, финики — 0,44 мг, малина — 0,42 мг, брокколи — 0,41 мг, свёкла — 0,35 мг, картофель — 0,29 мг, чёрная смородина — 0,27 мг, инжир, бананы — 0,15 мг, апельсины — 0,07 мг, грейпфрут — 0,07 мг, лимоны — 0,06 мг, яблоки — 0,04 мг.
• Сладости: какао-порошок (неподслащенный) — 6,81 мг, шоколад — 2,3 мг, шоколадные конфеты — 1—2 мг, мёд — 0,22 мг.

Также цинк может присутствовать в минеральной воде.

Основные проявления дефицита цинка

Недостаток цинка в организме приводит к ряду расстройств. Среди них — раздражительность, утомляемость, потеря памяти, депрессивные состояния, снижение остроты зрения, уменьшение массы тела, накопление в организме некоторых элементов (железа, меди, кадмия, свинца), снижение уровня инсулина, аллергические заболевания, анемия и другие.

Для оценки содержания цинка в организме определяют его содержание в волосах, крови и её сыворотке.

Токсичность

При длительном поступлении в организм в больших количествах все соли цинка, особенно сульфаты и хлориды, могут вызывать отравление из-за токсичности ионов Zn²⁺. 1 грамма сульфата цинка ZnSO₄ достаточно, чтобы вызвать тяжелое отравление. В быту хлориды, сульфаты и оксид цинка могут образовываться при хранении пищевых продуктов в цинковой и оцинкованной посуде.

Отравление ZnSO₄ приводит к малокровию, задержке роста, бесплодию.

Отравление оксидом цинка происходит при вдыхании его паров. Оно проявляется в появлении сладковатого вкуса во рту, снижении или полной потере аппетита, сильной жажде. Появляется усталость, чувство разбитости, стеснение и давящая боль в груди, сонливость, сухой кашель.