Введение I. Теоретические сведения

Физический свойства. Цинк – элемент второй группы периодической таблицы Д.И. Менделеева, металл синевато-белого цвета, атомный номер 30, атомная масса 65,38, валентность 2. Плотность твердого цинка составляет 7,14 г/см3 , жидкого 6,7 г/см3 . Температура плавления равна 419,4 °С, кипения – 906 °С. Холодный цинк хрупкий и не прокатывается. При 100–150 °С цинк становится ковким и пластичным, из него можно прокатать листы, толщина которых составляет сотые доли миллиметра. При нагреве свыше 250 °С цинк становится настолько хрупким, что легко может быть превращен в пыль. При 500 °С цинк горит зеленовато-синим пламенем, образуя белый порошок оксида цинка ZnO. При этом цинк способен окисляться кислородом воздуха, парами воды и углекислым газом. Энтальпия плавления цинка составляет 6,18 кДж/моль, энтальпия парообразования 122,0 кДж/моль. Цинк – сильно летучий металл. Сухой воздух при отсутствии углекислоты не оказывает влияния на цинк при комнатной температуре. Влажный воздух окисляет металл с образованием на его поверхности тончайшей пленки сероватого цвета, имеющей состав ZnCO3·3Zn(OH)2. Эта пленка обладает большой плотностью и препятствует дальнейшему развитию окислительного процесса внутри металла. Стандартный электродный потенциал цинка (–0,763 В).
Химический свойства. Разбавленные кислоты растворяют цинк с ыделением водорода:
Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2
Щелочи растворяют цинк с образованием цинкатов:
Zn + NaOH = Na2ZnO2 + H2
Цинк – самый электроотрицательный металл из тяжелых цветных металлов и вытесняет их из раствора по реакции
MeSO4 + Zn = ZnSO4 + Me
где Me – Cu, Ni, Co, Pb, Sn.
Это свойство цинка заложено в основу цементационной очистки цинковых растворов от примесей перед электролизом. Из химических соединений цинка для металлургии наибольшее значение имеют сульфид цинка, оксид цинка (как свободный, так и связанный в силикатах и ферритах) и сульфат цинка.
Сульфид цинка встречается в природе в виде минерала ZnS – сфалерита, реже в виде вюртцита. Обе модификации сульфида цинка при нормальном давлении не плавятся, возгоняясь при температуре 1200–1300 °С.
Сфалерит восстанавливается металлическим железом. Процесс начинается при 1167 °С и полностью проходит при 1250 °С:
ZnS + Fe = ZnS + Fe
В восстановительной атмосфере в присутствии СаО идет реакция
ZnS + CaO + CO ⇄ Zn + CaS + CO2
Таким образом, наличие в шихте поступающей на дистилляцию металлического железа или СаО способствует повышению извлечения цинка за счет извлечения его из сульфида, оставшегося без изменения при окислительном обжиге цинкового концентрата. Сульфид цинка не растворяют слабые и холодные растворы серной и соляной кислот, разлагают его азотная кислота и горячие концентрированные растворы кислот. Сульфид цинка может образовывать сплавы с сульфидами других металлов – Cu2S, FeS, PbS. Это обуславливает переход некоторого количества цинка в штейн в процессе металлургических плавок с образованием штейна. На воздухе при температуре более 750 °С сульфид цинка окисляется с образованием сульфата или оксида (в зависимости от температуры). Оксид цинка (ZnO) имеет плотность 5,65 г/см3 . Он не претерпевает фазовых превращений при нагревании. При температуре 1 000 °С наблюдается его испарение. При 1 300–1 400 °С ZnO испаряется полностью. Хорошо растворяется в разбавленных растворах серной кислоты с переходом цинка в раствор по реакции
ZnO + H2SO4 = ZnSO4 + H2O
Цинк может быть восстановлен до металла водородом, углеродом (коксом) и оксидом углерода СО по реакции
ZnO + CO ⇄ Zn + CO₂ – Q
которая протекает слева направо при высоких температурах и значительной концентрации СО.