Цинк: все, що варто знати про цей метал

Цинк – один з металів, які широко застосовуються в промисловості. Цинкування використовують для захисту заліза від корозії, цинкові покриття застосовують при реставраційних та ремонтних роботах. При цьому характеристики цього металу роблять його дуже цінним – хоч і досить складним в отриманні.

Відкриття та застосування: історія металу

Поряд із золотом, залізом, свинцем, оловом і деякими іншими елементами цинк відноситься до так званих «металів давнини». Використовувати його почали дуже давно, але з одним застереженням:

• Виділити чистий цинк не могли дуже довго, оскільки для цього потрібно було конденсувати цинковий пар в безповітряному середовищі. Зробити це можна було тільки при наявності відповідного обладнання і технологій. 
• А ось сплави цинку з використанням цинковмісних руд почали виплавляти досить рано. Домішки цинку знаходять в сплавах на основі міді, які датуються ще часом раннього Царства (стародавній Єгипет). Але цілеспрямовано змішувати мідну руду з цинковою для поліпшення якості металу почали в Палестині при виробництві латуні (1400 г д.н.е.).
• Пізніше цинкові сплави почали виробляти практично повсюдно. Латунь виплавляли на Кіпрі, в Німеччині, і навіть в Китаї в роки правління династії Мін в обіг випускали монети з високим вмістом цинку.

В Європу велика частина цинку надходила з металами і сплавами, які імпортувалися з Китаю (початок імпорту Ост-Індською торговою компанією – приблизно в 1605 році). Тільки в 1738 році Вільям Чемпіон запатентував спосіб отримання чистого металевого цинку шляхом дистиляції. Через 5 років він же заснував в Брістолі перший завод з виробництва цього металу.

З іншого боку, Чемпіона не вважають першовідкривачем цинку – цей «титул» Андреаса Маргграфа, який в 1743 році в Німеччині запатентував методику отримання цинку шляхом прожарювання його оксиду в безповітряних камерах, а також детально відтворив всі теоретичні викладки. Саме теоретичний опис процесу дозволило Маргграфу залишити своє ім’я в історії – хоча технологія, яка використовувалась Чемпіоном, не дуже сильно відрізнялася.

Більше 150 років описані методики отримання металевого цинку використовувалися з мінімальними модифікаціями. Тільки на початку ХХ століття, в 1914-1915 роках в США і Канаді почали отримувати цинк по електролітичній технології. Ця методика – з поправкою на змінену матеріальну базу – використовується і до цього дня.

З’єднання і сплави цинку

У природі цинк зустрічається в двох основних видах:

• ZnS — сульфід цинку, він же цинкова обманка.
• ZnCO₃ — карбонат цинку, смітосніт / каламін.

Обидва різновиди мінералів активно видобувають в більш ніж 50 країнах світу і використовують як для отримання металевого цинку. Крім самого металу (про його застосування – нижче) в промисловості застосовують:

• ZnO — оксид цинку, найпоширеніша речовина, що містить цей метал. У чистому вигляді являє собою тонкодисперсний білий порошок, проводиться шляхом спалювання парів, які з’являються при плавленні цинкової руди або попередньо очищеного цинку. Використання ZnO при виробництві гуми дозволяє скоротити час вулканізації каучуку. Також оксид цинку використовується в якості безпечного екологічного пігменту. Крім того, додавання невеликої кількості ZnO в розплав скла продовжує термін служби виробів – тому сировина використовується в оптиці і в виробництві компонентів для глазурі.

• ZnCl₂ — хлорид цинку. Проводять шляхом обробки металевого цинку або цинкової руди соляною кислотою. Використовується в текстильній промисловості, при виробництві флюсів та очищення металів перед пайкою, а також в якості компонента електролітів в гальванопластиці.
• ZnS — сульфід цинку, отримують шляхом очищення природного мінералу або за допомогою хімічної обробки металевого цинку. Застосовується в якості пігменту, а також при виробництві радарних екранів і електронно-променевих трубок.
• ZnS —селенид цинку. Вирощується у вигляді монокристалів, використовується разом з сульфідом цинку в якості компонентів люмінофорів, також застосовується при виробництві лазерного обладнання.
• ZnTe —телурид цинку. Виробляється у вигляді порошку або монокристалів. Застосовується в електроніці, в обладнанні з інфрачервоними компонентами, в дозиметрах і лічильниках радіоактивного випромінювання. В якості напівпровідникового матеріалу використовується при виробництві лазерів.

Крім цих з’єднань використовуються також сплави цинку:

Латунь — сплав на основі міді, цинку і невеликої кількості олова (іноді олово в складі латуні відсутнє). Використовується в якості легкого, міцного і стійкого до корозії матеріалу, в тому числі для виробництва сантехнічних виробів.

ZAMAK (Zink — Aluminium — MAgnesium — Kupfer)— сплав на основі цинку, міді, магнію і алюмінію. Застосовується для лиття різних виробів, від художніх мініатюр до корпусів карбюраторів. Володіє оптимальним поєднанням міцності, невеликої маси і стійкості до корозії.

Використання в цинкуванні металів

Металевий цинк, а також сполуки на його основі використовують для оцинкування металів – протикорозійної обробки. При нанесенні цинкового покриття на сталеву основу цинк досить швидко окислюється, при цьому на поверхні формується щільна плівка оксидів, яка перешкоджає подальшому проникненню кисню вглиб матеріалу. Підвищити ефективність захисту можна шляхом пасивирування цинкового шару – відразу після нанесення цинку його обробляють окислюючим складом, тому оксидна плівка формується прямо в заводських контрольованих умовах.

Для виробництва оцинкованого металу використовуються дві технології:

• Гаряче цинкування, при якому очищений і знежирений метал обробляють розплавом цинку.
• Холодне цинкування – в цьому випадку на підготовлену поверхню наносять цинковий склад з високим (до 98%) вмістом цинку, що включає також алкіди і акрил.

В обох випадках цинкове покриття на металі запобігає його корозії. І може служити основою для нанесення захисно-декоративних полімерних складів.

Цинк – метал, який не зустрічається в самородній формі, але при цьому використовується людиною вже дуже давно. Його легуючі властивості дозволяють ефективно застосовувати цинк для поліпшення характеристик сплавів, а здатність до формування захисного оксидного шару робить цинк практично незамінним при протикорозійній обробці металів.