Получение и применение цинка и его соединений

 

Исходное сырье для получения металлического цинка - сульфидные цинковые и полиметаллические руды. Выделение цинка начинается с концентрирования руды методами седиментации или флотации, затем ее обжигают до образования оксидов:

ZnS + 3O₂ = 2ZnO + SO₂

 

Образующийся диоксид серы используют в производстве серной кислоты, а оксид цинка перерабатывают электролитическим методом или выплавляют с коксом.

В первом случае цинк выщелачивают из сырого оксида разбавленным раствором серной кислоты. При этом цинковой пылью осаждают кадмий:

+ Cd²⁺ = Zn²⁺ + Cd

 

Затем раствор сульфата цинка подвергают электролизу. Металл 99,95%-ной чистоты осаждается на алюминиевых катодах.

Восстановление оксида цинка коксом описывается уравнением:

ZnO + C = 2Zn + CO₂

 

Для выплавки цинка ранее использовались ряды сильно нагретых горизонтальных реторт периодического действия, затем они были заменены непрерывно действующими вертикальными ретортами (в некоторых случаях, с электрическим подогревом). Эти процессы не были так термически эффективны, как доменный процесс, в котором сжигание топлива для нагрева проводится в той же камере, что и восстановление оксида, однако неизбежная проблема в случае цинка в том, что восстановление оксида цинка углеродом не протекает ниже температуры кипения цинка (этой проблемы нет для железа, меди или свинца), поэтому для конденсации паров нужно последующее охлаждение. Кроме того, в присутствии продуктов сгорания металл повторно окисляется.

Эту проблему можно решить, опрыскивая выходящие из печи пары цинка расплавленным свинцом. Это приводит к быстрому охлаждению и растворению цинка, так что повторное окисление цинка сводится к минимуму. Затем цинк почти 99%-й чистоты выделяют в виде жидкости и дополнительно очищают вакуумной дистилляцией до чистоты 99,99%. Весь присутствующий кадмий в ходе дистилляции восстанавливается. Преимущество доменной печи в том, что состав шихты не имеет принципиального значения, поэтому можно использовать смешанные руды цинка и свинца (ZnS и PbS часто находят вместе) для непрерывного производства обоих металлов. Свинец при этом выпускают со дна печи.

По данным экспертов, в 2009 производство цинка составило 9,9 млн. тонн, а его потребление - около 10,2 млн. тонн. Таким образом, дефицит цинка на мировом рынке равен 250-300 тыс. тонн.

В 2004 в Китае выпуск рафинированного цинка достиг 2,46 млн. т. Примерно по 1 млн. т производят Канада и Австралия. Цена на цинк в конце 2004 составила более 1100 долл. за тонну.

Спрос на металл остается высоким, благодаря бурному росту производства антикоррозионных покрытий. Для получения таких покрытий используют различные способы: погружение в расплавленный цинк (цинкование горячим способом), электролитическое осаждение, опрыскивание жидким металлом, нагревание с порошком цинка и использование красок, содержащих цинковый порошок. Оцинкованная жесть широко применяется как кровельный материал. Металлический цинк в виде брусков используют для защиты от коррозии стальных изделий, соприкасающихся с морской водой. Большое практическое значение имеют сплавы цинка - латуни (медь плюс 20-50% цинка). Для литья под давлением, помимо латуней, используется быстро растущее число специальных сплавов цинка. Еще одна область применения - производство сухих батарей, хотя в последние годы оно существенно сократилось.

Примерно половина всего производимого цинка используется для производства оцинкованной стали, одна треть - в горячем цинковании готовых изделий, остальное - для полосы и проволоки. За последние 20 лет мировой рынок этой продукции вырос более чем в 2 раза, в среднем прибавляя по 3,7% в год, причем в странах Запада производство металла ежегодно увеличивается на 4,8%. В настоящее время для цинкования 1 т стального листа нужно в среднем 35 кг цинка.

По предварительным оценкам, в 2005 потребление цинка в России может составить порядка 168,5 тыс. т в год, в том числе 90 тыс. т пойдет на цинкование, 24 тыс. т - на полуфабрикаты (латунный, цинковый прокат и др.), 29 тыс. т - в химическую промышленность (лакокрасочные материалы, резинотехнические изделия), 24,2 тыс. т - на литейные цинковые сплавы.

Соединения цинка.

Основное промышленное применение оксида цинка - производство резины, в котором он сокращает время вулканизации исходного каучука.

В качестве пигмента при производстве красок оксид цинка имеет преимущества по сравнению с традиционными свинцовыми белилами (основной карбонат свинца), благодаря отсутствию токсичности и потемнения под действием соединений серы, однако уступает оксиду титана по показателю преломления и кроющей способности.

Оксид цинка увеличивает срок жизни стекла и поэтому используется в производстве специальных стекол, эмалей и глазурей. Еще одна важная область применения - в составе нейтрализующих косметических паст и фармацевтических препаратов.

В химической промышленности оксид цинка обычно является исходным веществом для получения других соединений цинка, в которых наиболее важными являются мыла (т.е. соединения жирных кислот, такие как стеарат, пальмитат и другие соли цинка). Их используют в качестве отвердителей красок, стабилизаторов пластмасс и фунгицидов.

Небольшая, но важная область применения оксида цинка - производство цинковых ферритов. Это шпинели <http://www.krugosvet.ru/articles/20/1002054/1002054a1.htm> типа Zn^II _x M^II_{1- x} Fe^III₂O₄, содержащие еще один двухзарядный катион (обычно Mn^II или Ni^II). При х = 0 они имеют структуру обращенной шпинели. Если х = 1, то структура соответствует нормальной шпинели. Понижение количества ионов Fe^III в тетраэдрических позициях приводит к понижению температуры Кюри. Таким образом, изменяя содержание цинка, можно влиять на магнитные свойства ферритов.

Гидроксид цинка применяется для синтеза различных соединений цинка.

Сфалерит ZnS является наиболее распространенным минералом цинка и главным источником металла, однако известна и вторая природная, хотя и намного более редкая форма вюрцит, более устойчивая при высокой температуре. Названия этих минералов используются для обозначения кристаллических структур, которые являются важными структурными типами, найденными для многих других соединений АВ. В обеих структурах атом цинка тетраэдрически координирован четырьмя атомами серы, а каждый атом серы тетраэдрически координирован четырьмя атомами цинка. Структуры существенно различаются только типом плотнейшей упаковки: в вюрците она кубическая, а в сфалерите - гексагональная.

Чистый сульфид цинка - белый и, подобно оксиду цинка, применяется как пигмент, для этого его часто получают (как литопон) вместе с сульфатом бария при взаимодействии водных растворов сульфата цинка и сульфида бария.

Кроме того, у сульфида цинка интересные оптические свойства. Он становится серым при действии ультрафиолетового излучения (возможно, за счет диссоциации). Однако этот процесс можно замедлить, например, добавлением следов солей кобальта. Катодное, рентгеновское и радиоактивное излучение вызывает появление флуоресценции или люминесценции различных цветов, которую можно усилить добавлением следов различных металлов или замещением цинка кадмием, а серы селеном. Это широко используется для производства электроннолучевых трубок и экранов радаров.

Селенид цинка используется в качестве лазерного материала и компонента люминофоров (вместе с сульфидом цинка).

Теллурид цинка используется как материал для фоторезисторов, приемников инфракрасного излучения, дозиметров и счетчиков радиоактивного излучения. Кроме того, он служит люминофором и полупроводниковым материалом, в том числе в лазерах.

Хлорид цинка ZnCl₂ является одним из важных соединений цинка в промышленности. Его получают действием соляной кислоты на вторичное сырье или обожженную руду.

Концентрированные водные растворы хлорида цинка растворяют крахмал, целлюлозу (поэтому их нельзя фильтровать через бумагу) и шелк. Его применяют в производстве текстиля, кроме того, он используется как антисептик для древесины и при изготовлении пергамента.

Поскольку в расплаве хлорид цинка легко растворяет оксиды других металлов, его используют в ряде металлургических флюсов. С помощью раствора хлорида цинка очищают металлы перед пайкой.

Хлорид цинка применяется и в магнезиальном цементе для зубных пломб, как компонент электролитов для гальванических покрытий и в сухих элементах.

Ацетат цинка используют как фиксатор при крашении тканей, консервант древесины, противогрибковое средство в медицине, катализатор в органическом синтезе. Ацетат цинка входит в состав зубных цементов, используется при производстве глазурей и фарфора.