Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Pobierz materiał do PDF Pobierz materiał do EPUB Pobierz materiał do MOBI Zaloguj się, aby dodać do ulubionych Zaloguj się, aby skopiować i edytować materiał Zaloguj się, aby udostępnić materiał Zaloguj się, aby dodać całą stronę do teczki
bg‑cyan

Charakterystyka cynku

bg

Cynk to pierwiastek chemiczny, będący metalem należącym do bloku d układu okresowego pierwiastków. Zajmuje 29. miejsce pod względem rozpowszechnienia w skorupie ziemskiej. Występuje w liczbie aż 30 izotopów, z których zaledwie 5 jest trwałych.

W Polsce największe złoża jego rud znajdują się w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym (okolice Olkusza). Na świecie liderem produkcji cynku są Chiny (25% udziału w rynku światowym).

Cynk naturalnie występuje w postaci minerałów, wśród których najważniejszymi są blenda cynkowa (sfaleryt) oraz wurcyt. Obydwa minerały to dwie różne odmiany krystalograficzne siarczku cynku (ZnS). Blenda cynkowa to odmiana regularnauklad regularnyodmiana regularna, wurcyt stanowi odmianę heksagonalnąukład heksagonalnyodmianę heksagonalną.

Zjawisko, w którym substancja chemiczna występuje w odmiennych postaciach krystalograficznych, nosi nazwę polimorfizmu. Wśród innych składowych rud zawierających cynk są produkty wietrzenia blendy cynkowej, czyli: hydrocynkit 2 ZnCO3·3 ZnOH3, spinel cynkowy Al2ZnO4.

Ponadto cynk występuje także w minerale o nazwie smitsonit (ZnCO3). Należy do głównych składników rud galmanowych.

R1ICW68SPMnAd1
Pokaz slajdów. Zdjęcie przedstawia dłoń trzymającą sfaleryt, czyli blendę cynkową, ciemnobrązowy minerał z jasnobrązowymi pasami – siarczek cynku. Podpis. Sfaleryt – blenda cynkowa. Następne zdjęcie przedstawia wurcyt. Dość rzadki, czarny, połyskliwy minerał z białymi refleksami. Podpis. Wurcyt. Następne zdjęcie przedstawia hydrocynkit. Rzadko występujący, rdzawoczerwony minerał z białymi i szarymi refleksami. Podpis. Hydrocynkit. Następne zdjęcie przedstawia smitsonit – jasnobłękitny minerał. Podpis. Smitsonit.
Pokaz slajdów pt. Minerały zawierające cynk
Źródło: Paleonet (hydrocynkit), Robert M. Lavinsky (wurcyt), Bureau of Mines (smitsonit), Piotr Menducki (sfaleryt), licencja: CC BY-SA 3.0.

Pokaz slajdów. Zdjęcie przedstawia dłoń trzymającą sfaleryt, czyli blendę cynkową, ciemnobrązowy minerał z jasnobrązowymi pasami – siarczek cynku. Podpis. Sfaleryt – blenda cynkowa. Następne zdjęcie przedstawia wurcyt. Dość rzadki, czarny, połyskliwy minerał z białymi refleksami. Podpis. Wurcyt. Następne zdjęcie przedstawia hydrocynkit. Rzadko występujący, rdzawoczerwony minerał z białymi i szarymi refleksami. Podpis. Hydrocynkit. Następne zdjęcie przedstawia smitsonit – jasnobłękitny minerał. Podpis. Smitsonit.

bg‑cyan

W jaki sposób można otrzymać cynk?

bg

Cynk można otrzymać w wyniku metody pirometalurgicznej (metoda ogniowa) oraz hydrometalurgicznej. Pierwsza z nich jest stopniowo wycofywana, jednak jej zmodernizowana wersja, wykorzystująca angielski piec (ISF), jest nadal ważna. W jej wyniku na drodze prażenia (11001250 K) dochodzi do przemiany siarczku cynku w tlenek cynku.

2 ZnS+3 O22 ZnO+2 SO2

Następnie w zamkniętych muflach szamotowych tlenek redukuje się węglem (14001600 K).

ZnO+CZn+CO
R1L1G4UJSWmDY1
Schemat budowy pieca retorowego, pionowego. Pierwszą komorę wypełnia spiek tlenku cynku <math aria‑label="zet n O">ZnO z koksem. Wokół niej znajdują się zewnętrzne komory grzewcze. We wnętrzu komory rozpisany jest schemat reakcji zachodzącej podczas ogrzewania jej zawartości: <math aria‑label="tlenek cynku zet n O, plus, węgiel C, strzałka w prawo, cynk zet n, plus, tlenek węgla C O">ZnO+C→Zn+CO. Tuż nad spiekiem w górnej części komory komora odprowadzająca gazy cynku do trzeciej komory wyposażonej w mieszadło oraz system chłodzący pary cynku. Komorę wypełnia ciekły cynk. W górnej części komory odpływ umożliwiający usuwanie gazów odlotowych.
Schemat pieca retorowego (pionowego) New Jersey
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Proces ten prowadzony jest w temperaturze zdecydowanie wyższej niż temperatura wrzenia tego metalu (1179,4 K), dlatego też cynk wydzielany jest w postaci par, które następnie skraplają się w ceramicznym odbieralniku łączącym się z muflą oraz w metalowym pojemniku (692,7 K), gdzie kondensuje w postaci pyłu cynkowego. Tak otrzymany cynk surowy jest zanieczyszczony ołowiem, kadmem oraz żelazem. W celu jego oczyszczenia przeprowadza się rafinację, na przykład na drodze frakcjonowanej destylacji.

R1Y9zLTwmI1Zq1
Schemat przedstawiający proces destylacji cynku. Napis surowy cynk, strzałka w dół, napis pierwszy stopień destylacji, strzałka w dół z napisem wolny od kadmu, za strzałką napis likwidacja/obróbka sodem, strzałki w lewo do napisów ołów do ISF oraz szumowiny do ISF, od napisu likwidacja/obróbka jeszcze strzałka w dół do napisu cynk (GOB) bez kadmu. Od pierwszego stopnia destylacji jeszcze strzałka w prawo z napisem cynk i pary kadmu, za strzałką napis skraplacz, strzałka w dół do napisu stop cynku z kadmem, za strzałką napis drugi stopień destylacji, strzałka w dół do napisu cynk SHG. Od napisu drugi stopień destylacji jeszcze strzałka w prawo z napisem para, za strzałką napis skraplacz, strzałka w dół do napisu stop kadmu z cynkiem.
Schemat przestawiający destylację cynku
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Kolumny do tego procesu zawierają dużą ilość ogniotrwałych półek. Dolne ich końce ogrzewane są z zewnątrz gazem ziemnym. Natomiast górne są chłodne po to, aby skroplić i zawrócić metale o wyższych temperaturach wrzenia.

Destylacja ta przebiega w dwóch etapach. Początkowo następuje oddzielenie cynku i kadmu od ołowiu. W tym celu ciekły cynk jest doprowadzony do pierwszej kolumny, a tam wraz z kadmem jest oddestylowywany. W drugim etapie odbywa się oddzielenie kadmu od cynku. Mieszanina ta ulega skropleniu i trafia do drugiej kolumny (o niższej temperaturze), z której wydzielany jest kadm w postaci stopu cynkiem.

W wyniku etapu drugiego otrzymywany jest cynk wysokogatunkowy (SHG) o czystości 99,995%. W pierwszym natomiast metal (GOB), który zawiera zanieczyszczenia w postaci: ołowiu, cyny, arsenu, żelaza, antymonu i miedzi.

RZBR1bl4GCr481
Schemat przedstawiający proces hydrometalurgiczny. Koncentraty cynkowe, odpady cynkowe, strzałka w dół, zawiesinowy piec prażalniczy, przerywana strzałka w prawo, odpylanie, pozostałości po odpylaniu zawracane, przerywana strzałka w prawo, instalacja kwasu siarkowego. Strzałka w dół od wspomnianego zawiesinowego pieca prażalniczego do ługowania, strzałka w prawo, dalsza obróbka, pozostałości zawracane, strzałka w prawo, jarozyt, getyt, hematyt. Od wspomnianego ługowania  strzałka do pozostałość po ługu obojętnym do ISF lub pieca Waelza. Od wspomnianego ługowania strzałka w dół, oczyszczanie roztworu cynku, strzałka w prawo, rafineria kadmu. Od wspomnianego oczyszczania roztworu cynku strzałka w dół, stopień elektrolizy, strzałka w dół, topienie, wytwarzanie stopu i odlewanie.
Schemat procesu hydrometalurgicznego
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Metoda hydrometalurgiczna rozpoczyna się podobnie, czyli od wyprażenia rud siarczkowych. Proces ten przebiega w temperaturze 950 K, dlatego w jego wyniku otrzymywany jest tlenek cynku i siarczan(VI) cynku. Następnie wyprażoną rudę poddaje się ługowaniu rozcieńczonym kwasem siarkowym(VI) i dla otrzymanego roztworu przeprowadza się elektrolizę. W jej wyniku na katodzie wydzielany jest cynk, a na anodzie tlen. Katodę stanowi aluminiowa blacha, a anodę – ołów (lub stop ołowiu z 1% srebra). Na katodzie zachodzi redukcja cynku:

Zn2++2 e-Zn0

Na anodzie utlenianie:

4 OH-2 H2O+O2+4 e-

Całość procesów podsumowuje poniższe równanie:

2 ZnSO4+2 H2O2 Zn+O2+2 H2SO4

Z równania reakcji wynika, że jednym z produktów powinien być kwas siarkowy(VI). Tak jednak się nie dzieje, ponieważ proces przerywany jest zanim cały cynk ulegnie wydzieleniu. Powodem tego są różne procesy uboczne towarzyszące zmianie składu elektrolitu w trakcie elektrolizy. Niewykorzystany w pełni elektrolit wykorzystywany jest do ponownego wytrawiania rudy.

Porównując obydwa procesy, należy podkreślić, że proces hydrometalurgiczny dostarcza cynk o większej czystości i jest procesem znacznie bardziej ekonomicznym niż proces pirometalurgiczny.

Z punktu widzenia warunków fizykochemicznych, elektroliza wodnego roztworu siarczanu cynku, zgodnie z szeregiem napięciowym metaliszereg napięciowy metaliszeregiem napięciowym metali, powinna prowadzić do wydzielenia się wodoru (wyższy potencjał standardowy) na katodzie przed cynkiem. Jednak ze względu na nadnapięcienadnapięcienadnapięcie wodoru, jego wydzielenie, m.in. na cynku (oraz na aluminium), jest możliwe dopiero po zastosowaniu wyższych napięć. Dlatego też, sterując odpowiednio napięciem elektrolizującym (2,35 V), można otrzymać w tym procesie cynk przed wodorem. Kluczowe w tym aspekcie są czynniki, takie jak:

  • gładka powierzchnia katody (wówczas nadnapięcie wodoru jest większe);

  • odpowiednie stężenie jonów cynku (ich niedobór obniża nadnapięcie, należy mieszać roztwór elektrolitu);

  • czystość wydzielanego cynku (utrzymuje wysokie nadnapięcie wodoru);

  • temperatura (wzrost powoduje obniżenie nadnapięcia);

  • dodatek w postaci koloidów (powoduje wzrost nadnapięcia wodoru);

  • gęstość prądu (większa gęstość skutkuje wyższym nadnapięciem).

bg‑cyan

Zastosowanie cynku

bg

Cynk stosowany jest głównie jako powłoka chroniąca stal przed korozją. Stal ocynkowana niewątpliwie kojarzy się każdemu z konstrukcjami metalowymi i produkcją samochodów. Poza tym cynk stanowi składnik mosiądzu, czyli stopu tego metalu z miedzią, który stosowany jest np. do produkcji łożysk ślizgowych i armatury okrętowej. Co więcej, stosowany jest w przemyśle: oponiarskim (w postaci tlenku cynku(II) pełni rolę aktywatora wulkanizacji), chemicznym, farmaceutycznym, kosmetycznym, nawozów sztucznych, farbiarskim oraz do produkcji baterii (cynkowo‑węglowych oraz alkalicznych).

Ponadto jako ciekawostkę można dodać, że biel cynkową (ZnO) stosował Van Gogh podczas malowania swoich obrazów. Przykładem dzieła, w którym został on użyty, jest obraz pod tytułem Pole pszenicy z cyprysami. Ponadto siarczek cynku występował w pigmencie zwanym litopon (mieszanina ZnS, BaSO4).

R1JDnfmMlFnfV
Vincent van Gogh, Pole pszenicy z cyprysami
Źródło: National Gallery (NG3861), London, domena publiczna.

Słownik

nadnapięcie
nadnapięcie

zwane inaczej nadpotencjałem, stanowi różnicę między potencjałem elektrody spolaryzowanej a jej potencjałem równowagowym (zwanym potencjałem spoczynkowym)

szereg napięciowy metali
szereg napięciowy metali

(inaczej szereg elektrochemiczny, szereg aktywności metali) jest to zestawienie pierwiastków metalicznych pod względem wartości ich potencjałów standardowych, w szeregu punkt odniesienia stanowi elektroda wodorowa o potencjale standardowym równym zero

potencjał standardowy, standardowy potencjał półogniwa, E°
potencjał standardowy, standardowy potencjał półogniwa, E°

jest to siła elektromotoryczna ogniwa, które zbudowane jest z odwracalnego półogniwa badanego, posiadającego jony o jednostkowej aktywności, czyli o stężeniu jonu równym 1 moldm3

uklad regularny
uklad regularny

układ krystalograficzny, w którym pojedyncza komórka ma każdą oś jednakowej długości i są one względem siebie równolegle ułożone; komórka w tym układzie krystalicznym zbliżona jest wyglądem do sześcianu

RVw062TcqELLK
Komórka elementarna prymitywna (P) układu regularnego
Źródło: User:Stannered, dostępny w internecie: commons.wikimedia.org, licencja: CC BY-SA 3.0.
układ heksagonalny
układ heksagonalny

układ krystalograficzny, w którym pojedyncza komórka ma trzy osie jednakowej długości ułożone względem siebie pod kątem 120°, a czwarta jest innej długości i jest do nich prostopadła; komórka w tym układzie krystalicznym zbliżona jest wyglądem do graniastosłupa o podstawie w kształcie rombu

R1FcTrqUWxP7s
Komórka elementarna prymitywna (P) układu heksagonalnego
Źródło: User:Stannered, dostępny w internecie: commons.wikimedia.org, licencja: CC BY-SA 3.0.
polimorfizm
polimorfizm

(gr. polys ,,wiele'', morfe ,,kształt'') występowanie tej samej pod względem składu chemicznego substancji w dwóch lub więcej odmianach krystalicznych. Odmiany te różnią się między sobą budową wewnętrzną

Bibliografia

Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa 1994.

Encyklopedia PWN

Hejwowska S., Marcinkowski R., Równowagi i procesy jonowe, Gdynia 2005.