Описание и химические свойства
Цинк — хрупкий металл голубоватого цвета, быстро тускнеет на воздухе, активно реагирует с кислотами и щелочами. Основное использование цинка — в гальванических процессах покрытия железных изделий для защиты их от коррозии, а также в качестве составного элемента различных сплавов (например, с медью в латуни).
- Химическое обозначение — Zn;
- Атомный номер — 30;
- Атомная масса — 65,37 г/моль;
- Плотность — 7,11 куб.см;
- Температура плавления — 420 C;
- Температура кипения — 907 C;
- Атомный радиус — 0,138 нм;
- Ионный радиус — 0,074 нм.
Историческая справка
Цинк столь же стар, как земная кора, и использовался людьми еще с древних времен. Римляне, вероятно, были первыми, кто стал применять сырье для медных монет из смеси медной и цинковой руды при императоре Августе (20 г. до н.э. до 14 г. н.э.). В 1374 году индейцы признали цинк «новым» металлом. В древних индуистских писаниях этого периода впервые описываются процессы производства металлического цинка из руды.
В конце 13-го века Марко Поло описывал производство оксида цинка в Персии, где он использовался для лечения воспаления глаз. В начале 17-го века европейские ученые, такие как Альбертус Магнус, Георгий Агрикола и Парацельс, подтвердили важность нового металла для человека. В 1743 году Уильям Чампион построил первый цинковый завод в Бристоле с годовой мощностью около 200 тонн. Первый прокатный стан цинка был построен в Бельгии в 1805 году.
Несмотря на свою давнюю историю, сегодня цинк находит применение в новых областях: в высокотехнологичных продуктах, в телекоммуникационной области и авиакосмической промышленности. Поскольку цинковая руда широко представлена географически по всему миру, цинк по праву может считаться «сырьем будущего».
Использование цинка
Автомобильная промышленность потребляет цинк для предотвращения коррозии стальных изделий и кузовов машин. Цинкование также используется для производства листового металла, труб, кабелей, строительства, бытовой техники, батарей. В дополнение к защите стали от коррозии, цинк используется:
- в автомобильной технике;
- в строительстве;
- при производстве бытовых приборов, инструментов, игрушек;
- в фармацевтике и медицинской технике;
- в косметике;
- в резинотехнической промышленности;
- в качестве нетоксичного белого пигмента при изготовлении краски;
- в удобрениях и кормах для животных.
Содержание цинка в почве (цинковые руды)
Содержание цинка в почве колеблется в широких пределах от 10 до 300 мг/кг, в среднем 70 мг/кг (0,007%). Выветривание и эрозия горных пород, почв и осадков естественным образом распространяют небольшое количество цинка в окружающую среду. В воде, воздухе и почве устанавливается естественная концентрация цинка, которая может сильно различаться в зависимости от местоположения.
В некоторых частях мира природные геологические и геохимические процессы увеличивают содержание цинка до 5-15% (от 50000 до 150000 мг/кг). Породы с таким высоким содержанием цинка называются рудами. Руда добывается в виде так называемой цинковой обманки (ZnS), и используется в дополнение к цинковому лому в качестве наиболее важного сырья для производства цинка. Цинковые руды найдены во многих областях нашей земли — в Канаде, Южной Африке, Таиланде, Бразилии, Австралии и Китае.
Насколько велики запасы цинка?
Так называемый «диапазон» запасов цинка — это динамическая величина, которая зависит прежде всего от мирового спроса. По мере увеличения дефицита на рынке и роста цен на цинк горнодобывающие компании расширяют свою геологоразведочную деятельность.
Всякий раз, когда обнаруживаются цинковые рудники, запаса цинка в которых хватит минимум на 20 лет добычи, геологоразведочная деятельность сокращается. В результате доказанные запасы цинка оставались постоянными, начиная с 1960-х годов.
Значение цинка для растений и животных
Живые организмы получают непосредственно из окружающей среды (воздух, вода и пища) необходимые элементы, которые им требуются для полноценного развития. Когда клеточные потребности в этих элементах удовлетворяются, они могут расти и развиваться наиболее оптимально. Если потребление этих элементов слишком низкое, возникает дефицит и могут развиться различные заболевания. С другой стороны, слишком большое потребление даже самых нужных и полезных элементов может стать токсичным и также вызывать болезни.
Между этими двумя крайностями каждый живой организм должен соблюдать оптимальный диапазон потребления важных элементов, в пределах которого его потребности удовлетворяются наиболее полно. Современная жизнь была бы совершенно немыслима без цинка. Сегодня мы знаем, что все формы жизни на Земле эволюционировали в присутствии природных концентраций цинка.
Из-за его доступности для живых организмов (биодоступность) и полезных свойств, цинк использовался природой, чтобы играть важную роль в биологических процессах всех живых организмов. Поэтому цинк является важным элементом для любой формы жизни, от самого маленького микроорганизма до человека. Например, цинк жизненно важен для правильного функционирования более 200 ферментов, стабилизации ДНК и экспрессии генов, а также для передачи сигналов от нервной системы к внутренним органам и мышцам.
В ходе своей эволюции все живые организмы брали цинк из окружающей среды и использовали его для определенных функций своего метаболизма. В результате все живые организмы зависят от биодоступности концентрации цинка в их естественной среде. Концентрация цинка в природе не является постоянной и подвержена сезонным колебаниям.
Чтобы справиться с этими колебаниями, живые организмы разработали механизм (гомеостаз), позволяющий им регулировать потребление цинка в определенных пределах. Превышение пределов, установленных этим регулирующим механизмом, может привести к неблагоприятным последствиям для организма.
Важность цинка для здоровья человека
Рекомендуемая суточная доза цинка составляет 12 мг/день для взрослой женщины и 15 мг/день для взрослого мужчины.
Доза зависит не только от пищи, но и от пола, возраста и общего состояния здоровья человека. Растущие младенцы, дети, подростки, беременные женщины и пожилые люди имеют повышенную потребность в цинке и подвергаются большему риску дефицита. Организм человека содержит от 2 до 3 г цинка. Он содержится во всем теле, но с более высокими концентрациями в мышцах, печени, почках, костях и предстательной железе.
Пища является основным источником цинка для людей, и лишь небольшая часть поступает из питьевой воды. Основными источниками цинка в рационе являются красное мясо, птица, рыба, морепродукты, цельное зерно и молочные продукты.
Помимо этих полезных свойств для здоровья человека, следует также отметить и опосредованное влияние цинка в современном мире на благосостояние всех людей. Защищая сталь от коррозии, цинк экономит драгоценные ресурсы, такие как специальные сплавы и энергию. Продлевая срок службы стали, цинк увеличивает срок службы капитальных вложений, что в случае с общественной инфраструктурой (дорогами, мостами, портами, энергоснабжением и водоснабжением, телекоммуникациями) уменьшает сумму взимаемых налогов с простых граждан.
Дефицит цинка
Многочисленные исследования о цинке и здоровье человека выявили потенциальный глобальный дефицит цинка. Умеренный хронический дефицит часто обнаруживается у людей, придерживающихся диеты с низким содержанием мяса и рыбы. Симптомами, связанными с дефицитом цинка, являются снижение чувства вкуса и обоняния, заболевания кожи, психическая вялость и снижение общего тонуса.
Пищевые добавки с цинком помогают сбалансировать диету с низким содержанием цинка, но эти пищевые добавки не рекомендуются принимать без консультации с врачом.
Глобальный потребитель цинка
В настоящее время Китай («мировая фабрика») является страной № 1 по производству, потреблению и переработке цинка. Он является крупнейшим в мире производителем цинка, а также его основным потребителем. Потребление цинка в Китае утроилось с 2000 года. Китай в настоящее время потребляет больше цинка, чем США, Япония, Индия, и Европа вместе взятые.
Чтобы понимать, что будет в ближайшее время происходить с ценами на цинк и его потреблением, нужно просто посмотреть, что сейчас делает Китай. Мировой фабрике необходим цинк для производства автомобилей, стиральных машин, фабрик, инфраструктурных объектов. Китай не в состоянии самостоятельно произвести достаточно цинка для своих потребностей, и он вынужден импортировать его из других стран.
Влияние цинка на окружающую среду
Цинк повсеместно встречается в воздухе, воде и почве, но неестественно высокие уровни цинка обусловлены промышленными выбросами в результате деятельности человека. Большая часть цинка выбрасывается в окружающую среду при добыче полезных ископаемых, сжигании угля, а также при изготовлении металлов и сплавов. Промышленное производство цинка продолжает расти, что означает большие выбросы цинка в окружающую среду.
Когда почва сельхозугодий загрязнена цинком, в организм животных цинк попадает вместе с кормом. Цинк представляет угрозу не только для скота, но и для растений. Из-за скопления цинка в почве выживает лишь ограниченное количество растений. Из-за этого воздействия на растения цинк представляет серьезную угрозу для сельского хозяйства. Наконец, цинк оказывает негативное влияние на активность микроорганизмов почвы и дождевых червей.
Опасность для здоровья
При нагревании или сжигании разлагается с образованием токсичных газов: оксидами азота и оксидами цинка. Вещество раздражает глаза, кожу и дыхательные пути.
Вдыхание пыли может вызвать раздражение носа и горла. Проглатывание может вызвать раздражение и коррозию пищеварительного тракта. При попадании в глаза вызывает раздражение роговицы. Контакт с кожей вызывает раздражение.
Дыхательная система
Количественная информация о системной токсичности соединений цинка недоступна для ознакомления в настоящий момент. Повышенные концентрации цинка в крови и моче людей, подвергающихся воздействию дыма, содержащего оксид цинка, могут указывать на легочную абсорбцию опасных веществ, но более подробные исследования недоступны. В большинстве описанных случаев, повышенные концентрации цинка в сыворотке не были обнаружены, даже если имели место ярко-выраженные токсические эффекты.
Эксперименты на животных показывают, что вдыхаемые соединения цинка могут абсорбироваться в любом отделе дыхательных путей. Степень абсорбции, вероятно, зависит от механизмов клиренса в соответствующих отделах (носоглотка, трахеобронхиальная область: трахея, бронхи или альвеолярная область). Одно исследование показывает, что около 5-18% растворимых соединений цинка (включая нитрат цинка) абсорбируются в носоглотке, около 13-50% — в трахеобронхиальной и альвеолярной областях.
Можно предположить, что цинк не всасывается в дыхательных путях из-за его хорошей растворимости в воде и высокой степени связывания ионов цинка с белками.
Кожа
Исследования in vitro на коже человека показали, что сульфат цинка, который легко растворим в воде, абсорбировался менее 3% от введенной дозы в течение 24 часов. Максимальная приведенная скорость потока составляла 0,6 мкг / кв.см. Повышенное поглощение было зафиксировано для поврежденной кожи (образование пузырей при ожоге). Нитратная пыль может растворяться в поте и, таким образом, способствовать повышенному дермальному всасыванию.
Желудочно-кишечный тракт
У человека в зависимости от индивидуальных особенностей поглощение ионов цинка из пищеварительного тракта составляет от 8 до 80%. У людей с высоким запасом цинка, абсорбция составляет 20-30%. Поглощение цинка происходит во всем тонком кишечнике как через пассивную диффузию, так и через активные транспортные механизмы.
Цинк и вода
Средняя концентрация цинка в морской воде составляет около 0,6-5 частей на миллиард. Концентрации 5-10 частей на миллиард обычно встречаются в реках. Водоросли содержат 20-700 частей на миллион, морская рыба и мидии 3-25 частей на миллион, устрицы 100-900 частей на миллион и крабы 7-50 частей на миллион.
Предельное значение цинка для питьевой воды, установленное Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ), составляет 5 мг Zn 2+ / л.
Как и в каких соединениях цинк реагирует с водой?
Элементарный цинк не вступает в реакцию с молекулами воды. Вместе с гидроксид-ионами, содержащимися в воде, ион образует защитный, труднорастворимый слой гидроксида цинка (Zn (OH) 2).
Соли цинка при более высоких концентрациях вызывают молочную мутность воды. Кроме того, цинк может вызывать у воды нежелательный привкус. Это происходит при концентрации около 2 мг Zn 2+ / л.
Растворимость цинка и / или его соединений в воде
Растворимость элементарного цинка в воде зависит не только от температуры, но и от значения pH воды. В нейтральном диапазоне цинк почти нерастворим, в то время как растворимость быстро увеличивается при значении pH 6 или ниже и снова увеличивается с pH 11.
Примеры соединений цинка, которые более или менее растворимы в воде: хлорид цинка (ZnCl 2) с растворимостью в воде 4320 г / л, нерастворимый в воде оксид цинка (ZnO) или цинковый купорос с растворимостью в воде 580 г / л.
Как цинк может попасть в воду?
Наиболее важными цинковыми рудами являются цинковая обманка (ZnS) и цинковый шпат или карбонат цинка (ZnCO3). Выщелачивание из месторождений цинковой руды может привести к попаданию этих соединений в водоемы.
Около трех четвертей цинка используется в качестве металла. Остальное используется в виде соединений цинка в различных отраслях промышленности. Поэтому промышленные сточные воды гальванических производств, травильных установок, производства аккумуляторов и т.д. Однако большая часть цинка, содержащегося в сточных водах и осадках сточных вод, поступает не из этих точечных источников.
В частности, вода с высоким содержанием углекислоты может удалить цинк с оцинкованных труб и водостоков. Цинкосодержащие автомобильные шины и моторное масло из оцинкованных цистерн оставляют цинк на дорогах. Кроме того, цинкосодержащие соединения используются в качестве фунгицидов или инсектицидов и, таким образом, могут попадать в воду.
Какие экологические проблемы может вызвать загрязнение воды цинком?
Цинк, как правило, не считается опасным для воды. Однако это элементарный цинк. Соединения цинка, такие как арсенат цинка или цианид цинка, могут быть чрезвычайно опасными.
В природе цинк имеет пять стабильных изотопов (например, 64 Zn, 66 Zn и 68 Zn), но также пятнадцать нестабильных изотопов. 65Zn содержится, например, в охлаждающей воде ядерных реакторов и используется в медицинских диагностических целях.
