Цинк: характеристика, свойства, особенности металла

Нержавеющие кровельные покрытия, вполне эффективная борьба с простудой, технология хранения электричества внутри аккумуляторной батареи и ещё ряд применений. Всё это цинк – химический элемент, конечно же, далёкий от ценностей платины или золота, не такой эффектный как серебро или медь, тем не менее, вполне привлекательный и популярный. Металл голубовато-белого цвета занимает 24 место по распространённости среди 92 элементов земной коры. Однако для добычи 65 граммов металла потребуется обработать не менее одной тонны породы в зоне залежей этого химического элемента.

Природное образование и конечное формирование

Аналогично многим другим металлам, цинк в природе не встречается в чистом виде. Как правило, этот химический элемент присутствует в минералах, сочетаясь с другими элементами, и присутствует как:

• оксид,
• силикат,
• карбонат.

Можно сказать, это традиционная цинковая составляющая. Поэтому, чтобы воспроизвести чистый металл, придётся прибегнуть к переработке сырья цинксодержащего минерала, процедуре, которая предполагает многоступенчатый процесс очистки (включающий несколько отдельных физических и химических этапов).

Природный минерал, содержащий высокий процент химического вещества, широко используемого для самых разных целей. Структура минерала напоминает кварцевые образования характерными вкраплениями-блёстками Например, для переработки сульфида цинка необходимо измельчить сырьё в порошок, и тщательно промыть, чтобы избавиться от сульфидов других металлов, присутствующих в виде примесей. В конечном итоге получается оксид цинка (ZnO). Выщелачиванием (реакция с серной кислотой) получают раствор сульфата.

Затем используется электролиз (электрохимический процесс) для отделения чистого химического элемента. Также допустимо воспроизводить металл из минерального сырья путём плавки (нагревания углеродом), что традиционно и применяется в промышленном секторе.

Динамика цен на цинк, прогноз на 2018 год

С начала года прослеживается общая отрицательная динамика цен на цинк. Если в феврале 2021 года за тонну металла давали 3577,25 долларов, то по состоянию на 18 мая Лондонская Биржа Металлов (LME) установила курс цинка, равный 3096,50 долларов.

Куда инвестировать деньги

В 2021 году цинк имел статус самого доходного и подходящего для инвестиций металла. В 2021 году отметилась тенденция к снижению инвестиционной привлекательности данного элемента. При этом большинство аналитиков полагают, что цинк в 2021 останется лидером среди цветных металлов.

Deutsche Bank дает прогноз по цинку, в котором предполагается рост цены на металл на 8%. В ближайшие месяцы прогнозируется стоимость тонны металла в пределах 3120-3160 долларов.

Свойства, особенности, характеристики цинка

Если визуально исследовать кусок цинка, внешне металл, скорее всего, будет выглядеть серовато-белым по окрасу. Однако таким выглядит именно оксид, который образуется в результате реакции чистого металла с кислородом и углекислым газом в условиях влажной среды. Внешний вид чистого цинка несколько иной:

• блестящий,
• голубоватый,
• белесоватый,
• серебристый.

Этот металл не похож на железо и, прежде всего, по причине выраженной хрупкости. Однако стоит лишь нагреть металл до температуры 100–150°C, после чего структура приобретает свойства гибкости и легко обрабатывается.

Благодаря нагреву, материал допустимо превращать в различные формы и даже сворачивать в тонкие листы. Как и другие металлы, цинк представлен кристаллически-твёрдым веществом. Атомы цинка объединяются в гексагональные, плотно упакованные кристаллы.

Процесс гальванизации – используется достаточно широко в народном хозяйстве для обработки самых различных металлических конструкций с целью защиты последних от негативного влияния окружающей среды Большая часть добываемого химического элемента используется для гальванизации. Процесс гальванизация основан на электролизе, который включает в себя покрытие железа (стали) тонким защитным слоем цинка.

Под влиянием окружающего воздуха (кислорода и углекислого газа) чистое покрытие окисляется с последующим формированием карбоната цинка. Таким способом предотвращается фактор ржавления (коррозии) металлов в условиях влажной среды.

Способы оцинкования

На сегодняшний день существуют разные технологии нанесения цинка на поверхность изделий. Необходимо рассмотреть каждую из них подробно.

Горячий способ оцинкования

Металлическое изделие заранее обезжиривается, промывается и травится. Цинк плавят при температуре 450–480 °C. В жидкий металл опускается деталь. Принцип действия этого метода основан на том, что железо и его сплавы хорошо смачиваются. В результате образуется покрытие значительной толщины от 40 до 450 мкм, благодаря чему изделие надежно защищено от коррозии. Однако горячему способу присущи и недостатки. К ним относится:

• неравномерность толщины слоя;
• невозможность использовать метод для деталей, имеющих точный допуск, и в случае, когда под действием высокой температуры меняются характеристики крепежа.

Также есть вероятность, что после горячего оцинкования уменьшится прочность крепления, так называемое охрупчивание. Во избежание такой ситуации изделие необходимо обрабатывать термически после нанесения цинка, но даже это не дает полной гарантии. Рассматриваемый способ не подходит для деталей, покрытых лакокрасочными материалами или порошковыми красками. Причина заключается в низкой сцепляемости между ними и горячим цинком.

Обработка поверхности горячим цинком

Холодный способ оцинкования

У этого метода есть еще 2 названия: гальванический и электролитический. В данном случае технология напоминает процесс окрашивания изделия, но вместо красок используется специальный состав, содержащий цинк. В результате деталь покрывается антикоррозийным слоем. В отличие от предыдущего способа, подвергать холодному оцинковыванию можно крепеж любого размера и окрашенные изделия. С помощью данного метода достигается повышенная химическая стойкость. К слабым местам способа можно отнести малую толщину слоя – 5–35 мкм, что приводит к уменьшению антикоррозионных свойств. Рассматриваемый способ так же, как и предыдущий не исключает возникновения охрупчивания.

Термодиффузионный способ оцинкования

Покрытие, полученное с помощью данного метода, является положительным электродом, в то время как сталь отрицательным. Таким образом происходит электрохимическая защита. Термодиффузионное оцинкование может использоваться только для изделий, материалы которых углеродистая сталь, чугун и сталь с небольшим содержанием примесей. Процесс оцинкования происходит следующим образом. Поверхность изделия насыщается цинком, при этом среда должна быть порошковой, а температура 290–450 °C. Марка стали и тип изделия влияют на выбор температуры. Таким способом можно добиться любой толщины защитного слоя от 6 до 110 мкм. При данном методе в закрытый контейнер помещают деталь и добавляют специальную насыщенную смесь. Окончательная обработка требуется для того, чтобы не образовывались белые продукты коррозии на изделиях во время их контакта с соленой водой и конденсатом.

Описанная технология применима для заготовок, имеющих резьбу и сложную геометрическую форму. В результате образуется равномерный слой по всей поверхности, цинк не скапливается в углублениях или соединениях. Благодаря указанному преимуществу не понадобится устранять покрытие на внутренней резьбовой части, как это приходится делать после горячего оцинкования. Также отсутствует охрупчивание, т. е. такая технология подходит для высокопрочного крепежа. Уровень антикоррозийной стойкости в 1,5–2 раза выше, чем при гальваническом оцинковании, и в 3–5 раз выше, чем при горячем способе. Также для указанной технологии характерны большая сцепляемость цинкового слоя с красками, высокая точность, поэтому область применения распространяется и на конструкции, имеющие точные допуски. Нанесенный антикоррозийный слой очень износостойкий, поэтому подходит для деталей, которые часто собираются и разбираются.

Изготовление и применение чистого металла

Многие виды повседневных хозяйственных вещей оцинкованы. Например:

• металлические крыши сооружений,
• водосточные желоба зданий,
• резервуары для воды и т.д.

Достаточно большая доля цинка используется в конструкциях одноразовых цинк-углеродистых не перезаряжаемых аккумуляторов. Процесс изготовления латуни также требует значительных объёмов этого вещества.

Характерной особенностью цинка является образование целого ряда полезных соединений:

1. Сульфид (люминофор экранов старых телевизоров, осциллографов, люминесцентные лампы и светящиеся краски);
2. Сульфат (защитные средства от сорняков, применение в текстильном производстве);
3. Оксид (используется для изготовления резины, способствует улучшению свойств пластмасс, красок, чернила, бетона, косметики).

Многие известные сплавы формируются на цинковой составляющей. Например, латунь, зубная амальгама, бронза и некоторые виды припоев. Оцинковка не только предотвращает ржавление резервуаров для воды. Практически все виды лекарств от кашля и простуды, витаминные таблетки и добавки никак не обходятся без этого вещества.

Часто встречающиеся таблетки (капсулы) биологических добавок включают добавки кальция для укрепления зубов и костей, витамин «С», омега-3 для глаз, а также цинк для усиления иммунитета Дефицит цинка в организме сопровождается различными проблемами по отношению к здоровью организма, приводит к развитию болезней. Правда, в основном эта проблема характерна для развивающихся стран, где отмечаются факторы недоедания населения, недостаток сбалансированного полезного питания.

Физико-химические характеристики

На воздухе блестящий металл покрывается пленкой-оксидом. Из-за такого химического свойства выглядит тусклым.

Взаимодействие с металлами начинается при 450°С.

Главный минус металла: увеличение хрупкости в разы от малой толики примесей.

Сгибая цинковую пластинку, можно услышать треск. Его порождает структура решетки.

Цинк — история появления и статус элемента

Точно неизвестно — кому, где и когда удалось впервые обнаружить цинк. Однако археологами обнаруживались цинковые сплавы в местах, относящихся к доисторическим временам. Достоверно известно – древние римляне производили медные монеты, состав которых включал это вещество, правда, с примесями.

Минуло почти тысяча лет, прежде чем люди начали использовать цинк в качестве металла как такового. Историки предполагают — впервые производство металла отметилось в Индии XIII века. Ещё спустя 300 лет, на территории Китая началось производство цинка в крупных масштабах.

Современная история начала производства цинка исчисляется от середины XVIII века. Первым 1737 году разработал и запатентовал процесс производства чистого цинка английский металлург Уильям Чампион. Производство в огромных промышленных масштабах осуществлялось путём плавки каламина древесным углем.

Между тем вещество окончательно было признано химическим элементом в 1746 году, благодаря усилиям немецкого химика по имени Андреас Сигизмунд Маргграф. Немецкий учёный использовал методы, подобные тем, что использовал Чемпион, с целью детального изучения цинка в стенах лаборатории.

Другие сферы применения цинка

Помимо оцинкования, цинк имеет и другие области применения в промышленности, в т. ч. из-за значительной плотности, которая является причиной некоторых механических свойств металла.

Другие сферы применения цинка

Стоит рассмотреть наиболее распространенные сферы использования:

1. Производство цинковых листов. Для изготовления таких листов используется прокатка металла, для которой важна пластичность материала. У цинка она зависит от температуры. При 25 °С в литом виде пластичность металла ограничена, и деформации могут происходить только в 1 плоскости, что создает разные свойства материала в зависимости от направления. Прочность цинка в данном случае больше в направлении, перпендикулярном к прокатке. При снижении температуры до минусовой пластичность значительно уменьшается, а при нагревании увеличивается. При 100–150 °С цинк поддается прокатке в форму листов, толщина которых достигает сотых долей миллиметра. Они маркируются в зависимости от массовых долей цинка в листе. Ц0 предполагает наличие цинка не менее 99,975%, Ц1–99,95%, Ц2–98,7%, Ц3–97,5%. В дальнейшем из листов изготавливают большие элементы для авиационных и автомобильных приборов, формы для печати в полиграфии, химические источники тока, оцинкованную посуду, кровельные покрытия, трубы, сточные желоба.
2. Производство цинковых сплавов. Для того чтобы улучшить механические, технологические и физические свойства металла, в него добавляют примеси. В цинк чаще всего легируют алюминий или медь. Такие сплавы плавят в специальных промышленных печах. Сначала печь разогревают до температуры 400 °С, затем в нее кладут переплав отходов, сплавы из нескольких компонентов и цинк, далее все это засыпают хорошо прокаленным древесным углем. Сплавы (лигатуры) содержат в себе алюминий и медь, или алюминий и магний, или медь и алюминий. После того как все расплавится, следует перемешивание и, если есть необходимость, добавление в печь еще цинка. Процесс плавления должен проходить при температуре не выше, чем 480 °C. За полным расплавлением металлов опять идет перемешивание и разливание по изложницам с соблюдением температуры в пределах 400–460 °C. Полученные сплавы используют для изготовления подшипников и втулок металлообрабатывающих станков, прессов, в приборостроении и судостроении, машиностроительной промышленности.

Цинк и сплавы на его основе нашли широкое применение в различных отраслях. Это обусловлено свойствами материала, которые являются следствиями большой плотности и антикоррозийной стойкости.

Нахождение в природе

Наиболее распространенный минерал цинка — сфалерит, или цинковая обманка. Основной компонент минерала — сульфид цинка ZnS, а разнообразные примеси придают этому веществу всевозможные цвета. Видимо, за это минерал и называют обманкой. 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.