Строение
Это не диаграмма из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение цинк среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 134 pm — это 0,134 нм, поэтому около 3,73 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
Цинк находится в жидком состоянии в диапазоне 487 K — от 693 K до 1180 K.
Положение
История
Металл голубовато-белого цвета. Необходимый питательный элемент, защищающий сталь от ржавчины.
История открытия цинка охватывает тысячелетия, соединяя древнюю металлургию и современную химию. В отличие от элементов, открытых в лабораторных колбах, цинк появился благодаря практическим потребностям ремесленников и любопытству алхимиков.
Археологические находки из цивилизации долины Инда (2500 BCE) свидетельствуют о наличии содержащих цинк латунных артефактов и указывают на ранние знания о цинксодержащих рудах. Однако древние металлурги неосознанно получали цинк посредством цементационных процессов — нагревали медь с богатым цинком каламином (карбонатом цинка) в тиглях и получали латунь, так и не выделяя чистый цинк.
Производство римской латуни процветало примерно с 20 BCE; мастерские на территории современных Бельгии и Германии совершенствовали методы, которые на протяжении веков влияли на европейскую металлургию. Римляне называли содержащую цинк руду «cadmia», признавая её ценность, но не понимая её истинной природы.
Пока европейцы пытались справиться с летучестью цинка, индийские металлурги к 12 веку научились получать чистый цинк. На рудниках Zawar в Раджастхане они разработали революционные методы дистилляции в ретортах: нагревали цинковые руды в герметичных глиняных сосудах и конденсировали пары в охлаждаемых водой бамбуковых трубках — процесс, опередивший европейские методы на 500 лет.
Немецкий врач и алхимик Andreas Libavius впервые описал металлический цинк в европейской литературе в 1597 году, назвав его «индийским оловом». Однако систематическое изучение началось благодаря Andreas Sigismund Marggraf (1709-1782), сыну берлинского аптекаря, ставшему одним из пионеров химии.
В 1746 году Marggraf провёл решающие эксперименты, установившие, что цинк является самостоятельным элементом. В своей частной лаборатории он тщательно нагревал каламин с древесным углём в герметичных ретортах и собирал образовавшийся серебристый конденсат. Его подробная документация доказала, что цинк — не просто нечистая форма олова или свинца, как считалось ранее.
Настоящий прорыв произошёл после патента William Champion 1738 года на крупномасштабную выплавку цинка в Бристоле, Англия. Процесс Champion использовал массивные реторты, способные производить 200 pounds цинка в день, положив начало промышленной эпохе цинка и сделав возможной революцию гальванизации, которая преобразила строительство 19 века.
Применение
Цинк — один из самых универсальных защитников промышленности; его главным преимуществом является гальванизация — процесс, который ежегодно предотвращает ущерб инфраструктуре на миллиарды долларов. При горячем цинковании сталь погружают в расплавленный цинк при температуре 450°C, создавая металлургическое соединение, образующее несколько слоёв цинк-железных сплавов. Этот процесс защищает всё — от дорожных ограждений до недавно отреставрированной Эйфелевой башни.
Современная гальванизация использует несколько передовых методов. Линии непрерывного цинкования могут обрабатывать стальные рулоны со скоростью до 600 метров в минуту, нанося цинковые покрытия толщиной всего 7 микрон, но обеспечивающие защиту на протяжении десятилетий. Электрогальванизация использует растворы сульфата цинка и точный контроль тока для нанесения сверхгладких покрытий на кузовные панели автомобилей, сохраняя безупречный внешний вид машины.
Литьё цинка под давлением создаёт сложные компоненты, которые находятся у вас перед глазами, хотя часто остаются незаметными. В процессе расплавленные цинковые сплавы (обычно Zamak 3, 5 или 7) впрыскиваются в прецизионные стальные формы под давлением свыше 1,000 psi. Так производят всё — от шарниров ноутбуков и корпусов смартфонов до картеров автомобильных трансмиссий и декоративной фурнитуры с допусками, измеряемыми тысячными долями дюйма.
В щелочных батареях порошок цинка служит анодом в электролите из гидроксида калия, обеспечивая надёжное напряжение 1.5V, необходимое для работы бесчисленных устройств. Современные цинк-воздушные батареи для слуховых аппаратов достигают плотности энергии, сопоставимой с литиевыми системами, используя атмосферный кислород в качестве катода, благодаря чему они чрезвычайно лёгкие и долговечные.
Производство оксида цинка осуществляется либо по французскому процессу (испарение металлического цинка при 950°C), либо по американскому процессу (сжигание паров цинка в контролируемой атмосфере). Полученный оксид цинка служит важным катализатором синтеза метанола и ключевым компонентом вулканизации резины, где действует как активатор сшивания серой, придающего шинам прочность.
Откуда он происходит
70 мг/кг земной коры · более распространён, чем 80% элементов
История цинка начинается в ядерных топках массивных звёзд, где горение кремния и процессы захвата нейтронов создают этот важнейший элемент в последние мгновения перед коллапсом звезды. Когда такие звёзды взрываются как сверхновые, они рассеивают цинк по космосу, и со временем он входит в состав новых планетных систем, подобных нашей.
Земная кора содержит примерно 70 частей на миллион цинка, что делает его 24-м по распространённости элементом. Такая концентрация сформировалась в результате ранних процессов планетарной дифференциации: умеренная атомная масса цинка позволила ему остаться в силикатной мантии, а не опуститься в железо-никелевое ядро.
Сфалерит (ZnS) составляет основу мирового производства цинка, на него приходится 95% всей цинковой руды. Этот минерал с кубической кристаллической системой часто отличается яркими цветами — от медово-жёлтого до насыщенно-красного — из-за замещения железом и кадмием. Крупные месторождения сформировались в результате гидротермальных процессов, когда богатые цинком флюиды осаждались в известняковой среде.
Смитсонит (ZnCO₃) и гемиморфит (Zn₄Si₂O₇(OH)₂·H₂O) — важные вторичные минералы, образовавшиеся при выветривании первичных сульфидных месторождений. В этих окисленных зонах часто возникают впечатляющие кристаллические образования, ценимые коллекционерами минералов.
Крупнейшие месторождения цинка в мире сосредоточены в районах древних тектонических границ. В районе Broken Hill в Австралии находятся одни из богатейших на Земле цинково-свинцово-серебряных руд, сформировавшихся 1.7 миллиарда лет назад. На руднике Antamina mine в Перу разрабатывается крупное скарновое месторождение, где известняк встретился с внедрившейся магмой, создав идеальные условия для концентрации цинка.
Цинк участвует в биогеохимических циклах Земли благодаря выветриванию, поглощению растениями и осаждению в морской среде. Морская вода содержит около 0.5 частей на миллиард цинка, тогда как морские организмы концентрируют его в тканях и после смерти возвращают в донные отложения.
Обращение
Цинк представляет собой интересный парадокс: он одновременно необходим для жизни и потенциально токсичен в избытке. Понимание этого хрупкого баланса крайне важно для безопасного обращения с ним и поддержания здоровья.
Человеческому организму ежедневно требуется 8-11 мг цинка для более чем 300 функций ферментов, работы иммунной системы и заживления ран. Однако острая токсичность начинается примерно при 225-450 мг и вызывает тошноту, рвоту и диарею. Хроническое воздействие доз свыше 40 мг в день может нарушить усвоение меди, привести к анемии и нарушению работы иммунной системы.
Лихорадка от металлических паров — наиболее значимая профессиональная опасность, связанная с цинком. Вдыхание паров оксида цинка во время сварки или плавки вызывает гриппоподобные симптомы, появляющиеся через 4-12 часов после воздействия: жар, озноб, тошноту и усталость. Хотя это состояние редко бывает серьёзным, его полностью можно предотвратить с помощью надлежащей вентиляции и защиты органов дыхания.
Вдыхание: немедленно вывести пострадавшего из зоны воздействия; обеспечить свежий воздух и при необходимости кислород. Контакт с кожей: промывать водой в течение 15 минут; снять загрязнённую одежду. Контакт с глазами: промывать чистой водой в течение 15 минут; обратиться за медицинской помощью. Проглатывание: не вызывать рвоту; дать воду и немедленно обратиться за медицинской помощью при употреблении количества, превышающего питательную дозу.
Краткие ответы
Цинк (символ Zn) — элемент 30 в периодической таблице, представитель семейства Переходный металл в 4 периоде, 12 группе. Жертвенный металл: цинк корродирует, чтобы покрытая им сталь не корродировала. При комнатной температуре это твёрдое вещество.
[Ar] 3d¹⁰ 4s²; она включает 4 занятые электронные оболочки с распределением 2, 8, 18, 2.Цинк плавится при 692.9 K (419.7 °C) и кипит при 1180 K (906.9 °C).
Стандартная атомная масса Цинк составляет 65.38 u. Это средневзвешенное значение для его природных изотопов, поэтому оно редко бывает целым числом.
Плотность Цинк составляет 7.134 г/см³. Плотность воды — 1,0 г/см³, поэтому блок из Цинк примерно в 7.1× тяжелее.
Электроотрицательность Цинк по шкале Полинга составляет 1.65. Шкала простирается от 0,70 (франций, наименее склонный притягивать электроны) до 3,98 (фтор, наиболее склонный). Значения в этом среднем диапазоне обычно соответствуют ковалентным, а не преимущественно ионным связям.
Цинк был открыт в 1746 году Andreas Marggraf. Назван в честь немецкое Zinke, «зубец».
На долю Цинк приходится около 70 мг/кг земной коры — он встречается нечасто, но не является редким.