Цинк и опыты с ним

ГОУ ВПО Кемеровский Государственный Университет

Химический факультет

Кафедра неорганической химии

Реферат

ЦИНК И ОПЫТЫ С НИМ

Выполнил: студентка гр. Х-051

Тарасова Ксения

Проверил: Кожухова Татьяна

Юрьевна

Кемерово 2008

Цинк

Элемент цинк (Zn) в таблице Менделеева имеет порядковый номер 30. Он находится в четвертом периоде второй группы. Атомный вес - 65,37.

Распределение электронов по слоям 2-8-18-2.

Цинк представляет собой синевато - белый металл, плавящийся при 419° С, а при 913° С превращающийся в пар; плотность его равна 7,14 г/см3. При обыкновенной температуре цинк довольно хрупок, но при 100-110° С он хорошо гнется и прокатывается в листы. На воздухе цинк покрывается тонким слоем окиси или основного карбоната, предохраняющим его от дальнейшего окисления.

Вода почти не действует на цинк, хотя он и стоит в ряду напряжений значительно левее водорода. Это объясняется тем, что образующаяся на поверхности цинка при взаимодействии его с водой гидроокись практически нерастворима и препятствует дальнейшему течению реакции. В разбавленных же кислотах цинк легко растворяется с образованием соответствующих солей.

Кроме того, цинк подобно бериллию и другим металлам, образующим амфотерные гидроокиси, растворяется в щелочах. Если нагреть цинк на воздухе до температуры кипения, то пары его воспламеняются и сгорают зеленовато-белым пламенем, образуя окись цинка.

Немного истории

Соединения цинка и его сплавы известны человечеству с глубокой древности, металлический же цинк был получен значительно позднее, чем железо, свинец и олово. Это обстоятельство объясняется тем, что обычные способы плавки руды с углем здесь не достигали цели; чтобы восстановить цинк, его надо быстро нагреть до температуры около 1000 градусов, но при этом он кипит и в виде паров теряется вместе с дымовыми газами. Только после того как научились конденсировать пары цинка в глиняных сосудах, стало возможных получение металла в свободном состоянии. Полагают, что такой дистилляционный способ получения свободного цинка впервые был изобретен в Китае.

Латунь (сплав меди с цинком) была известна грекам, индусам и другим народам Востока, употреблявшим ее для изготовления различных предметов домашнего обихода, художественного литья и украшений. Отдельные предметы из латуни, относящиеся к периоду за 1500 лет до н.э., были найдены в Палестине. Приготовление латуни восстановлением особой земли кадмия (так назывались в древности многие минералы, содержащие цинк, отличие между которые не делали) углем в присутствии меди описывают Аристотель (384- 322 гг. до н.э.), Плиний Старший (23-79 гг. н.э.) и Гомер. Плиний Старший и Диоскрид из Аназарбуса описывают лекарственные средства, содержащие соединения цинка. Лекарства эти употреблялись для заживления ран и при лечении глазных болезней.

В доисторических дакийских развалинах в Трансильвании был найден идол, отлитый из сплава, содержащего около 87% цинка. Получение металлического цинка из галмея Zn4(Si2O7)*H2O впервые описывает Страбон (60- 20 гг. до н.э.). Цинк в этот период называли тутией или фальшивым серебром.

Благодаря довольно сложной выработке цинка из руд в X-XI вв. н.э. искусство получения цинка в Европе было утрачено и он ввозился сюда под названием индийского олова из Китая и Индии.

В конце XIII в. н.э. итальянский путешественник Марко Поло описал способ получения металлического цинка в Персии. В 1637 году метод выплавки цинка и его свойства описываются в китайской книге “Циен конг кан у”. Казалось бы, что раз метод получения описан в литературе, то его легко могли перенять другие народы и применить у себя на родине. Но этого не случилось. Экономическая и культурная разобщенность народов, слабые транспортные связи, а главное, стремление многих ученых описывать свои открытия на непонятном языке - все это препятствовало быстрому распространению технических достижений.

Вторично получение цинка в Европе стало известно в начале XVI века, когда о способе его выплавки упоминают в своих сочинениях Георг Агрикола (1494-1555) и Теофраст Парацельс. Однако и после этого цинк в Европе был большой редкостью, что продолжалось почти до конца XVIII в. Название же “цинк” происходит от латинского слова, обозначающего бельмо или белый налет, и впервые встречается у Парацельса в 1530 году.

Роберт Бойль назвал цинк “спелтером”. У нас цинк И.Шлаттер (1736) называл “туцией”, Ломоносов (1742) ввел название “цинк”, но оно не пользовалось успехом и цинк чаще всего называли “шпиаутер”.

В 8-м издании “Основ химии” (1906) Д.И. Менделеев употребляет современное название цинка, но наряду с этим ставит в скобках и другое его название-”шпиаутер”. Из этого можно заключить, что во времена Менделеева старое название цинка было достаточно широко распространено.

Металлический цинк

В XVI веке были предприняты первые попытки выплавлять цинк в заводских условиях. Но производство “не пошло”, технологические трудности оказались непреодолимыми. Цинк пытались получать точно также, как и другие металлы. Руду обжигали, превращая цинк в окись, затем эту окись восстанавливали углем.

Цинк, естественно, восстанавливался, взаимодействуя с углем, но не выплавлялся. Не выплавлялся потому, что этот металл уже в плавильной печи испарялся - температура его кипения всего 906° С. А в печи был воздух.

Встречая его, пары активного цинка реагировали с кислородом, и вновь образовывался исходный продукт-окись цинка.

Наладить цинковое производство в Европе удалось лишь после того, как руду стали восстанавливать в закрытых ретортах без доступа воздуха.

Примерно так же “черновой” цинк получают и сейчас, а очищают его рафинированием. Пирометаллургическим способом сейчас получают примерно половину производимого в мире цинка, а другую половину-гидрометаллургическим.

Чисто цинковые руды в природе почти не встречаются. Соединения цинка (обычно 1-5% в пересчете на металл) входят в состав полиметаллических руд. Полученные при обогащении руды цинковые концентраты содержат 48-65% цинка, до 2% меди, до 2% свинца, до 12% железа.

Сложный химический и минералогический состав руд, содержащих цинк, был одной из причин, по которым цинковое производство рождалось долго и трудно. В переработке полиметаллических руд и сейчас еще есть нерешенные проблемы.

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 перерплавлять 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. Но это еще не все. Вы никогда не задумывались, почему металлические мосты, пролеты заводских цехов и другие крупногабаритные изделия из металла чаще всего окрашивают в серый цвет? 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 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.

Соединения цинка

Еще при первых попытках выплавить цинк из руды у средневековых химиков получался белый налет, который в книгах того времени называли двояко: либо “белым снегом” (nix alba), либо “философской шерстью” (lana philosophica). Нетрудно догадаться, что это была окись цинка ZnO - вещество, которое есть в жилище каждого городского жителя наших дней.

Этот “снег”, будучи замешанным на олифе, превращается в цинковые белила - самые распространенные из всех белил. Окись цинка нужна не только для малярных дел, ею широко пользуются многие отрасли промышленности.

Стекольная - для получения молочного стекла и (в малых дозах) для увеличения термостойкости обычных стекол. В резиновой промышленности и производстве линолеума окись цинка используют как наполнитель. Известная цинковая мазь на самом деле не цинковая, а оксиноцинковая. Препараты на основе ZnO эффективны при кожных заболеваниях.

Наконец, с кристаллической окисью цинка связана одна из самых больших научных сенсаций 20-х годов нашего века. В 1924 году один из радиолюбителей города Томска установил рекорд дальности приема. Детекторным приемником он в Сибири принимал передачи радиостанций Франции и Германии, причем слышимость была более отчетливой, чем у владельцев одноламповых приемников. Как это могло произойти? Дело в том, что детекторный приемник томского любителя был смонтирован по схеме сотрудника нижегородской радиолаборатории О.В. Лосева.

Лосев установил, что если в колебательный контур определенным образом включен кристалл окиси цинка, то последний будет усиливать колебания высокой частоты и даже возбуждать незатухающие колебания. В наши “веселые транзисторные дни” такое событие прошло бы почти незамеченным, но в 1924 году изобретение Лосева представлялось революционным. Вот что говорилось в редакционной статье американского журнала “Radio-News”, целиком посвященной работе нижегородского изобретателя: ”Изобретение О.В.Лосева из Государственной радиоэлектрической лаборатории в России делает эпоху, и теперь кристалл заменит лампу!” Автор статьи оказался провидцем: кристалл действительно заменил лампу; правда, это не лосевский кристалл окиси цинка, а кристаллы других веществ. Но, между прочим, среди широко применяемых полупроводниковых материалов есть соединения цинка. Это его селениды и теллуриды, антимод и арсенид.

Еще более важно применение некоторых соединений цинка, прежде всего его сульфида, для покрытия светящихся экранов телевизоров, осциллографов, рентгеновских аппаратов. Под действием коротковолнового излучения или электронного луча сернистый цинк приобретает способность светиться, причем эта способность сохраняется и после того, как прекратилось облучение. Резерфорд, впервые столкнувшись с явлением послесвечения сернистого цинка, воспользовался им для подсчета вылетающих из ядра альфа-частиц. В несложном приборчике, спинтарископе, ударяясь об экран, покрытый сульфидом цинка, эти частицы высекали вспышку, видимую глазом. А если частицы падают на экран достаточно часто, то вместо вспышек появляется постоянное свечение.

Биологическая роль цинка

Фармацевты и медики жалуют многие соединения цинка. Со времен Парацельса до наших дней в фармакопее значатся глазные цинковые капли (0,25%-ный раствор ZnSO4). Как присыпка издавна применяется цинковая соль стеариновой кислоты. Феносульфат цинка - хороший антисептик. Суспензия, в которую входят инсулин, протамин и хлорид цинка - новое эффективное средство против диабета, действующее лучше, чем чистый инсулин. И вместе с тем многие соединения цинка, прежде всего его сульфат и хлорид, токсичны.

Цинк - один из важных микроэлементов. И в то же время избыток цинка для растений вреден.

Биологическая роль цинка двояка и не до конца выяснена. Установлено, что цинк - обязательная составная часть фермента крови, карбоангидразы.

Этот фермент содержится в эритроцитах. Карбоангидраза ускоряет выделение углекислого газа в легких. Кроме того, она помогает превратить часть СО2 в ион НСО3, играющий важную роль в обмене веществ.

Но вряд ли только карбоангидразой ограничивается роль цинка в жизни животных и человека. И если бы было так, то трудно было бы объяснить токсичность соединений этого элемента.

Известно, что довольно много цинка содержится в яде змей, особенно гадюк и кобр. Но в то же время известно, что соли цинка специфически угнетают активность этих же самых ядов, хотя, как показали опыты, под действием солей цинка яды не разрушаются. Как объяснить такое противоречие?

Считают, что высокое содержание цинка в яде - это то средство, которым змея от собственного яда защищается. Но такое утверждение еще требует строгой экспериментальной проверки. Ждут выяснения и многие тонкие детали общей проблемы “цинк и жизнь”.

Это интересно!

Бурундучная руда.

Наиболее распространенный минерал цинка - сфалерит, или цинковая обманка ZnS. Разнообразные примеси придают этому веществу всевозможные цвета. Видимо, за это минерал и называют обманкой. Цинковую обманку считают первичным минералом, из которого образовались другие минералы этого элемента: смитсонит ZnCO3, цинкит ZnO, каламин 2ZnO*SiO2*H2O. На Алтае нередко можно встретить полосатую “бурундучную” руду - смесь цинковой обманки и бурого шпата. Кусок такой руды издали действительно похож на затаившегося полосатого зверька.

Не в ночь под Ивана Купалу

По старинным преданиям, папоротник цветет лишь в ночь под Ивана

Купалу, и охраняет этот цветок нечистая сила. В действительности папоротник как споровое растение не цветет вообще, но слова “папоротниковые цветы” можно встретить на страницах вполне серьезных научных журналов. Так называют характерные узоры цинковых покрытий. Эти узоры возникают благодаря специальным добавкам сурьмы (до 0,3%) или олова (до 0,5%), которые вводят в ванны горячего цинкования. На некоторых заводах “цветы” получают иначе, - прижимая горячий оцинкованный лист к рифленому транспортеру.

Демонстрационные опыты с цинком

“Сатурново дерево”

Реактивы. Водный (0,4-1%-ный) раствор ацетата свинца Pb(CH3COO)2, металлический цинк Zn в виде пластины или полосы размером 10150 мм, водный (30%-ный) раствор уксусной кислоты CH3COOH.

Посуда и приборы. Стеклянный цилиндр или высокий химический стакан емкостью 1–2 л, стеклянная палочка, капроновая леска или прочная бечевка, мелкозернистая наждачная бумага, капельница для уксусной кислоты, фильтровальная бумага.

Описание опыта. Цинковую полоску сначала зачищают наждачной бумагой, а затем протирают фильтровальной бумагой. Слегка надрезают и загибают ее края, а затем привязывают ее леской (бечевкой) к стеклянной палочке. В цилиндр на 3/4 его объема наливают раствор ацетата свинца, добавляют несколько капель уксусной кислоты, чтобы уменьшить гидролиз соли. В раствор опускают цинковую пластинку – так, чтобы под ней оставался слой раствора высотой 5–6 см, а стеклянную палочку с привязанной ниткой кладут на горловину цилиндра. Цилиндр с раствором и цинковой полоской оставляют на неделю, стараясь не перемещать его, не встряхивать и не перемешивать раствор.

Пластинка цинка постепенно покрывается красивыми длинными темно-серыми кристаллами свинца:

Pb(CH3COO)2 + Zn = Pb + Zn(CH3COO)2

образуя “сатурново дерево” (“сатурн”  алхимический символ свинца). С течением времени кристаллы увеличиваются в размере.

Данная реакция протекает самопроизвольно, поскольку значение разности потенциалов окислительно-восстановительных пар Pb2+/Pb (0,126 В) и Zn2+/Zn ( 0,763 В) больше нуля: Δε = 0,637 В.

Примечание. Если вместо цинковой пластины использовать гранулу металла, то получится “волосатый” шар из кристаллов свинца.

«Горение цинка»

Нагревают немного цинка на древесном угле в окислительном пламени паяльной лампы. Металл расплавится и при высокой температуре начнет испаряться. Одновременно, однако, он будет сгорать с появлением голубовато-белого пламени. На поверхности около пламени выпадет оксид цинка; в нагретом состоянии он желтого цвета, а в холодном — белый.

«Обнаружение цинка»

Для обнаружения цинка осадим гидроксид цинка едким натром из раствора, содержащего цинк, отфильтруем осадок и накалим его с помощью паяльной лампы на кусочке угля, добавив несколько капель очень сильно (!) разбавленного раствора хлорида или нитрата кобальта.

Цинк обнаружится по зеленому окрашиванию пламени, которое вызовет образующийся смешанный оксид цинка — кобальта (зелень Ринманна).

Этот опыт можно провести проще. К исследуемому раствору добавляют несколько капель раствора соли кобальта. Затем окунают в него полоску фильтровальной бумаги, ждут, пока впитавшийся раствор высохнет, сжигают полоску в несветящемся пламени бунзеновской горелки и прокаливают золу. При наличии цинка также появится зеленая окраска. При этих схемах определений возможны помехи, если присутствуют некоторые другие элементы. Так алюминий с кобальтом дают голубой цвет, который иногда мешает определению зеленой окраски присутствующего одновременно цинка.

«Взаимодействие цинка с кислотами, щелочами и аммиаком»

Реактивы. Цинк (гранулы), разбавленная (20%-ная) серная кислота H2SO4, водный (20%-ный) раствор гидроксида натрия, концентрированный водный раствор аммиака NH3.

Посуда и приборы. Химические стаканы емкостью 250–400 мл (3 шт.).

Описание опыта. В стаканы помещают гранулы цинка. В один из стаканов наливают по палочке разбавленную серную кислоту, а в другой – раствор гидроксида натрия. В обоих стаканах наблюдают растворение металла и выделение водорода:

Zn + 2 H3O+ = Zn2+ + H2↑ + 2 H2O

Zn + 2 H2O + 2 OH = [Zn(OH)4]2 + H2↑

В третий стакан добавляют концентрированный раствор аммиака. Наблюдается растворение металла и выделение газа:

Zn + 4 (NH3 . H2O) = [Zn(NH3)4]2+ + 2OH + H2↑ + 2 H2O

«Амфотерность гидроксида цинка»

Реактивы. Водный (10–15%-ный) раствор хлорида цинка ZnCl2, разбавленная (10%-ная) серная кислота H2SO4, водный (10%-ный) раствор гидроксида натрия NaOH, концентрированный водный раствор аммиака NH3.

Посуда и приборы. Химические стаканы емкостью 250–400 мл (4 шт.), стеклянные палочки.

Описание опыта. В стакан наливают 50–75 мл раствора хлорида цинка. Небольшими порциями по стеклянной палочке добавляют раствор гидроксида натрия до образования осадка гидроксида цинка Zn(OH)2. Полученную суспензию делят на четыре порции, три из которых помещают в отдельные стаканы. Одну порцию оставляют для сравнения. К суспензии в одном из стаканов добавляют избыток раствора гидроксида натрия. Во второй стакан приливают раствор серной кислоты, в третий – концентрированный раствор аммиака. Во всех случаях наблюдают растворение осадков за счет реакций:

Zn(OH)2 + 2OH = [Zn(OH)4]2

Zn(OH)2 + 2 H3O+ = [Zn(H2O)4]2+

Zn(OH)2 + 4 (NH3 . H2O) = [Zn(NH3)4]2+ + 2OH + 4 H2O

«Оловянная шуба»

Из тонкой цинковой пластинки вырезают фигурку человечка, хорошо очищают и опускают в стакан с SnCl2. Пойдёт реакция, в которой цинк вытесняет из раствора олово. Фигурка покрывается блестящей «оловянной шубой».

«Вспышка»

В ступке растирают 6,35 г йода и смешивают с 1,6 г цинковой пыли. Ступку ставят на лист жести. В полученную смесь капают несколько капель воды. Начинается бурная реакция между металлом и йодом.

«Восстановление цинка»

Чтобы выделить цинк без тока, необходимо применить более активный металл. Несколько капель раствора сульфата цинка помещают на кусок магниевой ленты или на тонкую стружку электрона. Раствор сульфата цинка получают, растворив кусочек цинка в разбавленной серной кислоте. Одновременно с сульфатом цинка добавляют несколько капель денатурата. На магнии через короткий промежуток времени образуется, что особенно видно под микроскопом, выделившийся в виде тонких кристалликов цинк.

«Цинковый вулкан»

Можно смастерить вулкан из 1,5 г цинковой пыли и 2 мл тетрахлорида углерода ССl4. Смешивают эти вещества и добавляют к смеси 1—2 г оксида магния МgO или такое же количество оксида цинка ZnO, чтобы получить густую массу. Затем на листе железа или в старой миске делают из этой массы горку. Дальнейшие операции надо выполнять в вытяжном шкафу либо на открытом воздухе. Размещают железный лист или миску со смесью на двух кирпичах, между которыми разводят небольшой костер. Ясно, что в лаборатории вместо костра можно будет взять спиртовку. Все это будет необходимо, чтобы разогреть смесь до 150— 200 оС. Как только такая температура достигнута, начинается бурная реакция. Из смеси то появляется, то исчезает пламя, выделяется густой черный дым.

Тетрахлорид углерода и цинк реагируют с образованием хлорида цинка ZnCl2 и углерода (сажи):

СCl4 + 2Zn = 2ZnCl2↓ + C

Хлорид цинка легко испаряется, а на холоду конденсируется в твердые частицы, жадно поглощающие из воздуха влагу.

«Цинковый вулкан-2»

Шведский химик Георг Брандт исследовал свойства цинка и выполнил опыт, похожий на реакцию Лемери. Он смешал тонко из мельченные серу (1 г) и цинк (2 г), а потом прикоснулся к смеси раскаленным железным шпателем. Появились пламя и густой белый дым, содержащий мельчайшие частицы сульфида цинка ZnS:

Zn + S = ZnS

Список литературы

1.         Гроссе Э., Вайсмантель Х. Химия для любознательных. Основы химии и занимательные опыты. – Л.: Химия, 1985.

2.         Леенсон И.А. Школьникам для развития интеллекта. Занимательная химия. – М.: Росмэн, 1999.

3.         Степин Б.Д., Аликберова Л.Ю. Занимательная химия и эффектные опыты по химии. – М.: Дрофа, 2002.