Цинкът е химичен елемент със символ Zn. Той е преходен метал. Намира се в група 12, четвърти период от периодичната система на елементите. Поредният му номер е 30.
Името му вероятно е дадено от алхимика Парацелз и е свързано с немската дума Zinke – „назъбен“. Заслугата за откриването на чистия метал през 1746 г. обикновено се приписва на Андреас Сигизмунд Марграф. Към 1800 година Луиджи Галвани и Алесандро Волта откриват електрохимичните свойства на цинка. Те са от голямо практическо значение, тъй като поцинковането на стомана е едно от най-честите му практически приложения. Други области на приложение са в производството на батерии и сплави.
От съединенията му най-често се използват цинков карбонат (ZnCO3) и цинков глюконат (като хранителни добавки), цинков хлорид (ZnCl) (в дезодоранти), цинкови комплекси в противопърхотните шампоани, цинков сулфид (ZnS) (в луминесцентни бои) и цинков етил или диметил в органичната химия.
Откриване Цинкът е познат на човечеството от древността. Данни за неговото получаване и употреба има още от XIII век пр.н.е.
Той е познат от древни времена под формата на медна сплав – месинг. Месингът се получавал от мед, която се стапяла със „земя“, известна на древните гърци като „кадмия“. Тази „земя“ впоследствие се оказала цинков карбонат (ZnCO3), който е получил и минераложкото название смитсонит.
Името му вероятно е дадено от алхимика Парацелз и е свързано с немската дума Zinke – „назъбен“.
Като чист метал цинкът е получен в края на Средновековието, а в по-големи количества започва да се получава едва в края на XVIII в.
Разпространение Цинкът спада към средно разпространените химични елементи – 75×10-4%. Той е на 24-то място по степен на изобилие в земната кора и се среща изключително в свързано състояние под формата на редица полиметални сулфидни руди, а също и като минералите сфалерит (ZnS) и смитсонит (ZnCO3). Други минерали с промишлено значение са цинкит (ZnO), вилемит (Zn2SiO4), троостит (Zn,Mg)2SiO4, франклинит (Zn,Mg)O.Fe2O и др. Най-разработваната цинкова руда е сфалерит, а най-големи залежи, подходящи за промишлен добив, има в Австралия, Азия, САЩ, Канада и Перу. Обикновено цинковите руди са полиметални и съдържат още мед, олово, кадмий, герамний, индий, талий и други.
Физични свойства Цинкът е бледосив метал със силен метален блясък на свежа повърхност, с хексагонална плътноопакована кристална структура.
При сравнение на свойствата му тези на А-групата и със съседните групи преходни метали изпъкват сравнително ниските температури на топене и кипене, както и сравнително високото специфично електрическо съпротивление – 5,8 µΩ.cm. Обяснението на тези факти се търси в значителната стабилност на d10-конфигурацията при този метал. Електроните не участват нито в ковалентна, нито в метална връзка между металните атоми, а запазват характерното за изолираните атоми разпределение на електронната плътност около ядрата. По такъв начин металната връзка се осъществява само от s-електроните от последния електронен слой. Връзката е по-слаба и свързаните с нея показатели (какъвто е температурата на топене) – по-ниски.
Изотопи Цинкът има пет стабилни изотопа. 64Zn е най-често срещан в природата (48,63%). Този изотоп има толкова дълъг период на полуразпад (4,3×1018години), че неговата радиоактивност може да се пренебрегне. Аналогично, 70Zn (0,6%), с период на полуразпад 1,3×1016 години обикновено не се счита за радиоактивен. Другите естествени изотопи на цинка са 66Zn (28%), 67Zn (4%) и 68Zn (19%).
Изследвани са няколко десетки радиоизотопи на цинка. 65Zn, с период на полуразпад 243,66 дни, е на-дълго живущият от тях, следван от 72Zn с период на полуразпад 46,5 часа. Цинкът има и 10 ядрени изомера. От тях 69mZn има най-дълъг период на полуразпад, 13,76 часа. Горният индекс m означава метастабилен изотоп. Ядрото на метастабилните изотопи се намира във възбудено състояние и се връща към основно състояние чрез излъчване на фотон във вид на гама лъчи. 61Zn има три възбудени състояния, а 73Zn – две. Изотопите 65Zn, 71Zn, 77Zn и 78Zn имат по едно възбудено състояние.
Най-честата реакция на радиоактивен разпад на радиоизотопите на цинка с атомен номер по-нисък от 66 е електронният захват. В резултат се получава изотоп на мед. Най-честата реакция на радиоактивен разпад на радиоизотопите на цинка с атомен номер по-висок от 66 е бета разпад ((β− разпад)), в резултат на който се получава изотоп на галий.
Химични свойства Цинковият атом има устойчива d10-конфигурация в предпоследния (трети) електронен слой и с два s-електрона в последния. Електронната му конфигурация има вида 1s22s22p63s23p63d104s2. Тя се отличава от тази на калциевия атом само по това, че между неговите 3s23р6 и 4s2-електрони има десет 3d-електрона. Тъй като d-електроните са много здраво свързани, те не могат да се отделят, т.е. те не могат да влияят на валентността на цинка. Те обаче оказват влияние върху силата, с която се свързват двата външни валентни електрона (4s2) – по-силно свързани са с ядрото, отколкото 4s2-електроните на калция, поради което цинкът има по-слаб електрохимичен характер.
Характерната за цинка атомна маса е равна на 65,37 u, атомният му радиус е 0,139 nm, а електроотрицателността му – 1,4 eV.
Химичните свойства на цинка са подобни на тези на преходните метали никел и мед, макар че той има запълнена s-обвивка, така че неговите съединения са диамагнити и предимно безцветни.
Йонният му радиус е почти идентичен с този на магнезия и поради това някои от техните соли имат еднаква кристална структура, и там, където йонният радиус е определящ фактор, цинкът и магнезият имат подобни химични характеристики.
Цинкът има йонен радиус 0,074 nm, който е много по-малък от тези на представителите на IIА група, а характерната за него йонизационна енергия е значително по-голяма – 9,39 eV. Затова и активността на този елемент е значително по-малка. Поради стабилността на d10-конфигурацията, характерната степен на окисление на този елемент е +2. Химичните връзки се образуват с участието на двата s-електрона. Проявява подчертана склонност към комплексообразуване.
По химична активност цинкът значително отстъпва на представителите на А-групата. Реагира с азот (Zn3N2), фосфор, въглерод (ZnC2) и водород при нагряване.
Изложен на въздух, губи металния си блясък, като бързо се покрива с корица от цинков карбонат (2ZnCO3•Zn(OH)2), като реагира с атмосферния въглероден диоксид. която го предпазва от по-нататъшно окисление. Цинкът има голям афинитет към кислорода. Загрят на въздуха при достатъчно висока температура, той може да изгори със синкаво-зелен пламък, както е в праховидно състояние или в състояние на тънки нишки до цинков оксид (ZnO):
2Zn + O2-> 2ZnO.
Нагрят до тъмночервено, той отнема кислорода дори и от водните пари и от СО2:
Zn + H2O-> ZnO + H2;
Zn + CO2-> ZnO + CO.
Съответстващият на оксида цинков хидроксид Zn(OH)2 се получава при алкализиране на разтвори на соли на Zn(II).
Взаимодействието с водорода не е характерно за цинка. Малка е и разтворимостта на водорода в него. Хидрид, съответстващ на формулата ZnH2, може да се получи при взаимодействието на цинков йодид с LiAlH4:
2ZnI2 + LiAlH4-> 2ZnH2 + LiI + AlI3.
Цинкът не реагира с вода, тъй като се образува пасивиращ слой (корица) от цинков хидроксид, която го предпазва от по-нататъшно взаимодействие. Стойностите на стандартните електродни потенциали показват, че той е сравнително добър редуктор и се разтваря в киселини. Силните киселини като солна или сярна, могат да премахнат пасивиращия слой и при следващата реакция с вода се отделя водород:
Zn + 2H3O+ + 2H2O-> [Zn(H2O)4]2+ + H2
Цинкът лесно реагира с киселини, алкални соли и други неметали (при нагряване). Цинк с висока степен на чистота обаче реагира много бавно с киселини при стайна температура. При взаимодействие с киселини, които са и силни окислители, цинкът се държи като по-силен редуктор. Например, с разредена азотна киселина се извършва реакцията:
4Zn + 10HNO3-> 4Zn(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O.
и част от азотната киселина се редуцира до амониев йон.
Когато цинкът е отчасти примесен с метали, които са разположени след него в реда на относителната активност на металите, скоростта на разтварянето му в киселината се увеличава повече или по-малко в зависимост от природата на примесите.
При нагряване взаимодейства и с основи, също с отделяне на водород:
Zn + 2OH- + 2H2O-> [Zn(OH)4]2- + H2 ^.
Цинкът взаимодейства с амоняк и разтвори на амониеви соли, особено ако температурата е по-висока, при което се получава Zn3N23Zn + 2NH3-> Zn3N2 + 3H2
Цинкът има склонност да образува колоидни разтвори. Може да се получи и в кристално състояние като ромбични призми. Разтваря се в излишък от утаителя, поради комплексообразуване:
Zn(CN)2 + 2KCN -> K2[Zn(CN)4].
Съединения
В своите съединения цинкът има +2 степен на окисление, с изключение на йона Zn, където е от +1 и има връзка Zn-Zn. Този нестабилен йон се получава при добавяне на цинк в разтопен цинков хлорид.
Съединенията на цинка са безцветни ако не са оцветени с анионен остатък на сол.
Цинкът образува бинарни съединения с повечето металоиди и с всички неметали с изключение на благородните газове.
Оксид, пероксид и хидроксид Оксидът ZnO представлява бял прах, който е почти неразтворим в неутрални водни разтвори, но има амфотерни свойства, разтваряйки се в концентрирани основи и киселини. Среща се в природата под формата на рудата цинкит. Разтваря се в киселини и соли и служи за получаване на цинкови соли.
В слаби основни разтвори, съдържащи Zn2+ йони, цинковият хидроксид Zn(OH)2 се образува като бяла пихтиеста утайка. В силни алкални разтвори този хидроксид се разтваря и образува M[Zn(OH)4]2-.
Получават се сложни пероксидни съединения при диействие на Zn(OH)2 с H2O2.
Халкогениди и пникогениди Халкогенидите му (цинков сулфид ZnS, цинков селенид ZnSe и цинков телурид ZnTe) имат разнообразни приложения в електрониката и оптиката.
Една от най-характерните цинкови соли е цинковият сулфид (ZnS). Кристализира в две полиморфни форми – сфарелит (кубичен), нискотемпературна модификация, и вурцит (хексагонален), високотемпературна модификация. Може да се активира с медни, манганови, сребърни и други метални йони, при което се получават луминофори.
Известни са и съединенията с пникогенидите – цинков нитрид Zn3N2, цинков фосфид Zn3P2, цинков арсенид Zn3As2 и цинков антимонид Zn3Sb2, цинков хидрид ZnH2 и цинков карбид ZnC2.
Халогениди Халогенидите на цинка се получават при непосредствено взаимодействие с халогенните елементи. Халогенидите са бели на цвят и имат сравнително високи температури на топене и йонна или молекулна кристална решетка. Флуоридът е слабо разтворим във вода, но останалите халогениди са със значителна разтворимост. Те притежават силно хигроскопични свойства. Разтварят се и в органични разтворители, като етилов алкохол, ацетон и др. Получени по мокър път, някои от тях кристализират като хидрати – ZnCl2.4H2O. За сметка на свободните s-, p- и d-орбитали на металния йон тези халогениди са склонни към присъединителни реакции, които дават комплексни съединения с координационни числа 3, 4 и 6. Поляризуемостта на халогенидните йони нараства от флуора към йода. От четирите халогенида цинковият флуорид ZnF2 притежава най-силно изразен йонен характер, докато цинковият хлорид ZnCl2, цинковият бромид ZnBr2 и цинковият йодид ZnI2 имат относително ниски точки на топене и се счита, че проявяват ковалентен характер.
При действие на цинка с концентрирана солна киселина се образува комплексна киселина:
Zn + 2HCl + 2H2O -> H_2[ZnCl_2(OH)_2] + H_2 ^.
Соли Цинкът образува най-различни съединения с кислородосъдържащи и други киселини. Солите цинков цианид, цинков фосфат и цинков карбонат са слабо разтворими. Цианидът – Zn(CN)2, е бяла утайка. Възможно е да се получи чрез утаяване на воден разтвор на разтворима цинкова сол с разтвор на калиев или натриев цианид:
ZnSO4 + 2KCN -> Zn(CN)2 + K2SO4.