Сегодня мы поговорим об очень интересном металле, в ядре которого 30 протонов. Его имя – цинк. Этот химический элемент имеет 5 стабильных и несколько десятков нестабильных изотопов.
Итак, поехали.
Металлы – это удивительные химические элементы. Они способны образовывать сети из миллиардов атомов, в которых некоторые электроны принадлежат всей сети, и способны почти свободно перемещаться по ней, перенося тепловую энергию и электрический ток. Эти сети, хотя они обычно прочные, одновременно являются гибкими, что делает металлы очень универсальными для использования.
Однако не все металлы одинаковы.
Разные металлы
Самые «металлические» металлы, те, что находятся в первых двух группах таблицы Менделеева слева, такие как натрий, калий или кальций, настолько химически активны, что их практически невозможно найти в природе в чистом виде. Более того, даже если извлечь их из соединений, смысла делать из них кабели, мясорубки или машины не будет никакого. Поскольку такие металлы окислятся настолько быстро, что вряд ли смогут долго прослужить в чистом виде.
Однако если внимательно посмотреть в среднюю область таблицы Менделеева, то там можно найти металлы, которые более или менее умеренны в своих электронных «делах». Они не так активно, как, например, щелочи, избавляются от своих электронов. Хотя всё же имеют металлический характер. Именно эти переходные металлы позволили человечеству построить небоскрёбы, самолёты и электрички.
Однако переходные металлы тоже не все одинаковы.
Вы наверняка в курсе, что почти все химические элементы, кроме водорода, образовались внутри звёзд в результате термоядерного синтеза. Но, конечно, далеко не все звезды способны синтезировать все элементы. И они не могут делать это на протяжении всей своей жизни. Чем больше протонов имеет атом, тем реже происходит его «рождение» в термоядерной звёздной «печи».
Внутри сверхновой
И как мы узнали из нашей недавней статьи про железо, любой элемент тяжелее этого элемента образуется путём синтеза в большинстве случаев во время взрыва сверхновой.
Резюмируя всё вышесказанное можно сделать такой вывод: лишь немногие химические элементы обладают необходимыми характеристиками, позволяющими широко использовать их в металлургической промышленности. Этими элементами должны быть переходные металлы, ведь только такие свойства позволят им длительное время существовать в металлической форме. И ещё эти металлы должны быть относительно лёгкими, чтобы их запасы были большими.
Вот почему среди самых широко используемых людьми химических элементов так много переходных металлов, таких как медь, железо и металл, о котором мы сегодня поговорим: цинк.
Этот химический элемент обладает несколькими свойствами, которые делают его особенным.
Цинк с медью
Хотя цинк не так распространён в природе, как железо или медь, в земной коре его достаточно много: одна часть на 75 миллионов. Обычно он встречается в минералах в смеси с другими металлами, такими как свинец. Или, гораздо чаще, с медью.
Конечно же, учитывая его реакционную способность, чистый цинк на Земле не встречается. Своими электронными свойствами он очень похож на магний. Но при этом чуть менее активен. Как и у магния, у цинка наиболее распространённая степень окисления равна +2, т. е. для достижения электронной стабильности цинку необходимо отдать два электрона.
Для опытного химика перечисленных характеристик должно быть достаточно, чтобы понять, что человек использовал цинк очень давно, даже не подозревая об этом.
Цинк в этом смысле интересен тем, что он представляет собой промежуточный случай между элементами, известными с самой глубокой древности, и элементами, открытыми во время научного «прорыва» в химии, случившегося в XVIII и XIX веках.
На самом деле сейчас очень сложно точно определить, когда именно это произошло.
Поскольку цинк входит в состав горных пород с другим, более распространёнными «основными» металлами, на протяжении тысячелетий его получали в виде сплава. Почти всегда с медью. И во многих случаях о его существовании было ничего неизвестно.
Если содержание цинка было очень небольшим, сплав даже нельзя было отличить от обычной меди. А если оно было большим, то считалось, что это какая-то особая медь. Но тем не менее медь. Поскольку современных понятий о химических элементах в древности не существовало, было сложно понять, почему так происходит на самом деле.
Если содержание цинка в сплаве менее 12%, отличить латунь от меди непросто. Но если доля цинка выше, цвет сплава меняется от красноватого цвета меди до легко узнаваемого золотистого тона. И его даже можно спутать с золотом.
Латунь ценилась больше, чем обычная медь. Поскольку этот сплав более податлив, поэтому с ним легче работать, и он медленнее окисляется.
Кто открыл цинк?
Но когда именно люди узнали о цинке? Судя по всему, это случилось в первом тысячелетии до нашей эры. В ассирийских текстах упоминают медь с гор, которая отличалась от обычной меди. И эта медь, похоже, имела золотистый цвет. Возможно, это была натуральная латунь или сплав меди и золота, это сейчас установить уже никак нельзя.
Греки называли золотистую медь ореихалкос (медь с гор), а римляне адаптировали это слово к своему языку, и оно стало звучать как аурихалк.
Хотя точно неизвестно, чем был аурихалк вначале – янтарём, медью, сплавленной с золотом, медью, сплавленной с цинком и т. д., со временем этот термин стал обозначать натуральную или искусственную латунь.
В Древнем Риме латунь ценилась почти как золото. И из неё чеканили мелкие монеты.
Достоверно установлено лишь одно: в какой-то момент первого тысячелетия до нашей эры из какого-то региона Ближнего Востока начался экспорт латуни с достаточно высоким содержанием цинка. И есть твёрдая уверенность, что она не была натуральной.
Вы скажите: невозможно получить искусственную латунь без предварительного получения цинка! Можно. Ключ к разгадке лежит в одном существенном различии между медью и цинком: температурах плавления и кипения каждого из металлов.
Невидимый компонент
Медь плавится при температуре чуть более 1000 °C. Цинк делает это при гораздо более низкой температуре, около 420 °C. Это самая низкая температура плавления среди всех переходных металлов, за исключением ртути и кадмия.
Но интересно не это. А то, что температура кипения цинка составляет около 910°С. Это означает, что цинк закипает раньше, чем плавится медь!
Секрет получения латуни заключался в следующем: в печь помещали породы, содержащие цинк и медь, и температуру поднимали до немногим более 1000°С. При этом цинк закипал и превращался в пар, а медь плавилась и превращалась в жидкость. Затем всё это дело остужали и газообразный цинк осаждался в жидкую медь. После чего смесь ещё сильнее охлаждалась и получалась латунь. В зависимости от типа и соотношения используемых пород можно было производить латунь с более высокой или более низкой концентрацией цинка.
Рим, Индия, Китай – все цивилизации первого тысячелетия нашей эры производили латунь практически одинаковым способом.
И это очень любопытно, поскольку весь процесс происходил внутри печи, и цинка никто никогда не видел. Металл использовали для образования сплава, не подозревая о его существовании. Просто кто-то когда-то проделал подобную манипуляцию с породой, содержащей медь, и у него получилась латунь. А как, что, почему – не так уж и важно.
Существуют исторические упоминания о некоем «ложном серебре», которое при добавлении к меди давало латунь. Об этом писал греческий историк Феопомп в четвёртом веке. И это ложное серебро наверняка было сплавом цинка с чем-то другим.
Однако признания цинка как отдельного металла пришлось ждать столетия.
Кто дал имя цинку?
Порода, наиболее часто используемая на протяжении более чем тысячелетия для производства цинка вышеописанным способом, известна как каламин. Позже, уже после зарождения современной химии, было обнаружено, что название каламин получили два минерала с разным химическим составом, хотя оба всё же содержали цинк. Это были смитсонит (ZnCO3) и гемиморфит (Zn4Si2O7(OH)2·H2O), карбонат цинка и силикат цинка соответственно.
Считается, что первооткрывателем металлического цинка является немецкий химик Андреас Маргграф. Он сделал это в 1746 году. Однако есть сведения, что индийским металлургам удалось получить этот металл из каламина несколькими столетиями ранее, примерно в XIV веке, поскольку является неоспоримым тот факт, что в течение нескольких столетий весь цинк, используемый в Европе, поступал туда в основном из Индии. И в эпоху европейского Возрождения цинк был известен как «индийское олово».
Человеком, давшим современное название цинку, был наш старый знакомый Филипп Ауреол Теофраст Бомбаст фон Гогенхайм, более известный как Парацельс. В своей книге «Liber Mineralium» он называет металл «цинкен». Никто не знает точно, почему. Может быть, это слово происходит от немецкого названия олова, zinn. А может быть, от игольчатой формы металлических кристаллов цинка, поскольку по-немецки zinke означает «колючка».
Да, во времена Парацельса и в два последующих столетия цинк был известен, и его можно было получить из каламина. Однако производился он в небольших количествах и с невысокой чистотой. Также нет сомнений в том, что разные химики XVIII века получили цинк в разное время, поэтому отдавать право первооткрывателя металла человеку, который первым выделил чистый цинк, абсурдно.
И всё же обычно считают, что таким человеком является вышеупомянутый Андреас Маргграф. Скорее всего по той причине, что он предложил промышленный метод получения чистого металла, цена на который после этого сильно упала.
Как используют цинк?
На ранних этапах одним из основных применений цинка было производство латуни, конечно же. Однако со временем ситуация изменилась.
Так произошло потому, что, с одной стороны, процесс Маргграфа и другие, более эффективные, более поздние способы добычи цинка обеспечили человечество большими количествами цинка по разумной цене. Но, с другой стороны, экспериментируя с металлом, люди обнаружили его новые свойства. Которые сделали цинк очень полезным.
Цинк, как и магний, довольно быстро окисляется при контакте с воздухом: гораздо сильнее, чем, например, железо. Однако для полного окисления куска цинка требуется много времени. Причина – небольшая цепочка химических реакций с участием трех газов, присутствующих в воздухе (кислорода, воды и углекислого газа), в результате которой появляется карбонат цинка, который очень хорошо противостоит коррозии. Это соединение обладает высокой непроницаемостью, и образует хороший «защитный» слой, предотвращающий окисление находящегося под ним цинка.
Если часть этой «защиты» нарушена, но под ней все еще остаётся цинк, металл подвергается тому же процессу и образует защитный слой, состоящий карбоната цинка. Естественно, это не может длиться вечно. В конце концов та же участь постигает и весь кусок цинка.
Но на это уходит очень много времени.
Подобное очень полезное свойство цинка, в сочетании с ценами на металл, которые обвалились после разработки процесса Маргграфа, привело к резкому росту мирового производства цинка с начала XIX века.
Впоследствии был разработан способ нанесения цинка на сталь или железо в больших количествах, используя особенность цинка, о которой мы упоминали в начале статьи: его низкую температуру плавления.
Оцинковка
Хотя точная температура плавления зависит от состава стали, этот сплав обычно плавится от 1300°С. А вот цинк, как мы уже узнали ранее, плавится примерно при 420°С. Поэтому можно взять кусок стали и поместить его в ванну с расплавленным цинком, не опасаясь размягчить сталь. Когда этот кусок затем вынимают из ванны и охлаждают, цинк снова затвердевает и образует на стали защитный слой.
Ещё одной популярной технологией является гальванизация металлических изделий цинком. Для этой цели используется более половины из всего объёма добываемого сегодня металла.
Из остального объёма почти половина используется в сплавах, входящих в состав сталей.
В наши дни от примитивного использования цинка для производства латуни мало что осталось: сегодня только шестая часть цинка попадает в состав латуней и бронз.
Биохимия
Но полезность цинка не ограничивается промышленным применением. Этот металл крайне важен и для биохимических процессов. Конечно, больше всего нашему организму нужно железо. Но сразу после него стоит цинк. Каждый среднестатистический гражданин содержит до трех граммов цинка.
Цинк входит в состав около сотни различных ферментов, а также многих других белков. И без этого металла просто невозможно жить. Дефицит цинка вызывает множество хронических заболеваний. И чем больший дефицит, тем заболевание серьёзнее. Но, к счастью, цинк настолько необходим другим живым существам, что при сбалансированном питании его легко получить: почти вся пища, которую употребляет человек, содержит небольшое количество цинка.
Однако избыток цинка опасен: металл препятствует усвоению других важных элементов, таких как железо или медь. Кроме того, если цинк попадает в организм, он растворяется в желудке и вступает в реакцию с соляной кислотой с образованием хлорида цинка (ZnCl2). Это соединение настолько едкое, что может повредить слизистую оболочку желудка.
Поскольку некоторые монеты содержат цинк, глотать их не рекомендуется, особенно некоторые американские монеты, которые делают из почти чистого цинка.
За 2022 год в мире было добыто более 12 млн. тонн чистого цинка.
Всем добра!
___________________________________________________________________
Дорогие друзья! Давайте все вместе продвинем эту статью! Ставьте лайки, делайте репосты, оставляйте комментарии!
Спасибо!
А еще вам могут понравиться эти материалы:
Приключения американцев на Луне