Цинк: все, что стоит знать об этом металле

Цинк — один из металлов, которые широко применяются в промышленности. Цинкование используют для защиты железа от коррозии, цинковые покрытия применяют при реставрационных и ремонтных работах. При этом характеристики этого металла делают его весьма ценным — хоть и достаточно сложным в получении.

Открытие и применение: история металла

Наряду с золотом, железом, свинцом, оловом и некоторыми другими элементами цинк относится к так называемым «металлам древности». Использовать его начали очень давно, но с одной оговоркой:

• Выделить чистый цинк не могли очень долго, поскольку для этого нужно было конденсировать цинковый пар в безвоздушной среде. Сделать это можно было только при наличии соответствующего оборудования и технологий.
• А вот сплавы цинка с использованием цинксодержащих руд начали выплавлять довольно рано. Примеси цинка находят в сплавах на основе меди, которые датируются еще временем раннего Царства (древний Египет). Но целенаправленно смешивать медную руду с цинковой для улучшения качества металла начали в Палестине при производстве латуни (1400 г д.н.э.).
• Позднее цинковые сплавы начали производить практически повсеместно. Латунь выплавляли на Кипре, в Германии, и даже в Китае в годы правления династии Мин в обращение выпускали монеты с высоким содержанием цинка.

В Европу большая часть цинка поступала с металлами и сплавами, которые импортировались из Китая (начал импорта Ост-Индской торговой компанией — примерно в 1605 году). Только в 1738 году Уильям Чемпион запатентовал способ получения чистого металлического цинка путем дистилляции. Через 5 лет он же основал в Бристоле первый завод по производству этого металла.

С другой стороны, Чемпиона не считают первооткрывателем цинка — этот «титул» принадлежит Андреасу Маргграфу, который в 1743 году в Германии запатентовал методику получения цинка путем прокаливания его оксида в безвоздушных камерах, а также подробно воспроизвел все теоретические выкладки. Именно теоретическое описание процесса позволило Маргграфу оставить свое имя в истории — хотя технология, используемая Чемпионом, не слишком сильно отличалась.

Больше 150 лет описанные методики получения металлического цинка использовались с минимальными модификациями. Только в начале ХХ века, в 1914-1915 годах в США и Канаде начали получать цинк по электролитической технологии. Эта методика — с поправкой на изменившуюся материальную базу — используется и по сей день.

Соединения и сплавы цинка

В природе цинк встречается в двух основных видах:

• ZnS — сульфид цинка, он же цинковая обманка.
• ZnCO₃ — карбонат цинка, смитоснит/каламин.

Обе разновидности минералов активно добывают в более чем 50 странах мира и используют как для получения металлического цинка. Кроме самого металла ( о его применении — ниже) в промышленности применяют:

• ZnO — оксид цинка, самое распространенное вещество, содержащее этот металл. В чистом виде представляет собой тонкодисперсный белый порошок, производится путем сжигания паров, которые появляются при плавлении цинковой руды или предварительно очищенного цинка. Использование ZnO при производстве резины позволяет сократить время вулканизации каучука. Также оксид цинка используется в качестве безопасного экологичного пигмента. Кроме того, добавление небольшого количества ZnO в расплав стекла продлевает срок службы изделий — потому сырье используется в оптике и в производства компонентов для глазурей.

• ZnCl₂ — хлорид цинка. Производят путем обработки металлического цинка или цинковой руды соляной кислотой. Используется в текстильной промышленности, при производстве флюсов и очистке металлов перед пайкой, а также в качестве компонента электролитов в гальванопластике.
• ZnS — сульфид цинка, получают путем очистки природного минерала или с помощью химической обработки металлического цинка. Применяется в качестве пигмента, а также при производстве радарных экранов и электронно-лучевых трубок.
• ZnS — селенид цинка. Выращивается в виде монокристаллов, используется вместе с сульфидом цинка в качестве компонентов люминофоров, также применяется при производстве лазерного оборудования.
• ZnTe — телурид цинка. Производится в виде порошка или монокристаллов. Применяется в электронике, в оборудовании с инфракрасными компонентами, в дозиметрах и счетчиках радиоактивного излучения. В качестве полупроводникового материала используется при производстве лазеров.

Помимо этих соединений используются также сплавы цинка:

Латунь — сплав на основе меди, цинка и небольшого количества олова (иногда олово в составе латуни отсутствует). Используется в качестве легкого, прочного и стойкого к коррозии материала, в том числе для производства сантехнических изделий.

ZAMAK (Zink — Aluminium — MAgnesium — Kupfer)— сплав на основе цинка, меди, магния и алюминия. Применяется для литься различных изделий, от художественных миниатюр до корпусов карбюраторов. Обладает оптимальным сочетанием прочности, небольшой массы и стойкости к коррозии.

Использование в цинковании металлов

Металлический цинк, а также соединения на его основе используют для оцинкования металлов — противокоррозионной обработки. При нанесении цинкового покрытия на стальную основу цинк достаточно быстро окисляется, при этом на поверхности формируется плотная пленка оксидов, которая препятствует дальнейшему проникновению кислорода вглубь материала. Повысить эффективность защиты можно путем пассивирования цинкового слоя — сразу после нанесения цинка его обрабатывают окисляющим составом, потому оксидная пленка формируется прямо в заводских контролируемых условиях.

Для производства оцинкованного металла используются две технологии:

• Горячее цинкование, при котором очищенный и обезжиренный металл обрабатывают расплавом цинка.
• Холодное цинкование — в этом случае на подготовленную поверхность наносят цинкующий состав с высоким (до 98%) содержанием цинка, включающий также алкиды и акрилы.

В обоих случаях цинковое покрытие на металле предотвращает его коррозию. И может служить основой для нанесения защитно-декоративных полимерных составов.

Цинк — металл, который не встречается в самородной форме, но при этом используется человеком уже очень давно. Его легирующие свойства позволяют эффективно применять цинк для улучшения характеристик сплавов, а способность к формированию защитного оксидного слоя делает цинк практически незаменимым при противокоррозионной обработке металлов.