- Положение в периодической системе, строение атома. Порядковый номер цинка в периодический системе – 30. Молярная масса элемента равна 65,39 г/моль. Его электронная формула следующая:
30Zn 1s22s22p63s23p63d104s2
Это значит, что в нейтральном атоме цинка содержится 30 электронов, заряд ядра атома цинка также равен 30. Цинк расположен в четвертом периоде системы – в атоме цинка есть четыре электронных слоя, на которых расположены электроны. Цинк расположен во второй группе периодической системы. В атоме цинка полностью заполняется 3d-подуровень на котором теперь находится 10 электронов. Цинк принадлежит к побочной подгруппе II группы. Поскольку цинк расположен во второй группе периодической системы, то он относится к металлам. В химических реакциях он будет проявлять металлические свойства. для металлов более приемлема отдача электронов. Поэтому цинк может отдавать два электрона с – подуровня. Поэтому цинк будет проявлять степень окисления +2. В связи с экранированием 3d-подуровня и его заполненностью, электроны с него не будут принимать участие в химических процессах и поэтому цинк будет проявлять только степень окисления равную +2.
Нахождение в природе. По содержанию в земной коре цинк занимает 23-е место среди других элементов (0,01%). Обычно цинковые руды – полиметаллические. Наиболее распространенный минерал цинка — сфалерит, или цинковая обманка ZnS, входит в состав многих сульфидных руд. Цинковую обманку считают первичным минералом, из которого образовались другие минералы цинка: цинковый шпат ZnCO3, цинкит ZnO, каламин 2ZnO·SiO2·Н2O. На Алтае нередко можно встретить полосатую «бурундучную» руду — смесь цинковой обманки и бурого шпата. Кусок такой руды издали действительно похож на затаившегося полосатого зверька. Казахстан славится своими запасами полиметаллических руд. Основные месторождение свинцово-цинковых руд расположены в Жезказганской области, на Рудном Алтае и в Южном Казахстане. Цинк выпускают металлургические заводы Риддера, Усть-Каменогорска и Шымкента.
История открытия. Сплав цинка с медью — латунь — был известен еще в Древней Греции, Древнем Египте, Индии (VII в.), Китае (XI в.). Долгое время не удавалось выделить чистый цинк. В 1746 А. С. Маргграф разработал способ получения чистого цинка путём прокаливания смеси его окиси с углём без доступа воздуха в глиняных огнеупорных ретортах с последующей конденсацией паров цинка в холодильниках. В промышленном масштабе выплавка цинка началась в XVII в. Латинское название zincum переводится как «белый налет». Происхождение этого слова точно не установлено. Предположительно, оно идет от персидского «ченг», хотя это название относится не к цинку, а вообще к камням. Слово «цинк» встречается в трудах Парацельса и других исследователей 16—17 вв. и восходит, возможно, к древнегерманскому «цинко» — налет, бельмо на глазу. Общеупотребительным название «цинк» стало только в 1920-х годах.
- II. Основная часть. Получение, свойства цинка, медико-биологическое значение и применение в медицине.
Получение цинка. Цинк в природе как самородный метал не проявляется. Цинк добывают из полиметаллических руд, содержащих 1-4% Zn в виде сульфида, а также Cu, Pb, Ag, Au, Cd, Bi. Руды обогащают селективной флотацией, получая цинковые концентраты (50-60% Zn) и одновременно свинцовые, медные, а иногда также пиритные концентраты. Цинковые концентраты обжигают в печах в кипящем слое, переводя сульфид цинка в оксид ZnO; образующийся при этом сернистый газ SO2 расходуется на производство серной кислоты:
2ZnS + 3O2 → 2ZnO + 2SO2↑
От ZnO к Zn идут двумя путями. По пирометаллургическому (дистилляционному) способу, существующему издавна, обожженный концентрат подвергают спеканию для придания зернистости и газопроницаемости, а затем восстанавливают углем или коксом при 1200-1300°С:
ZnO + С → Zn + CO↑.
Образующиеся при этом пары металла конденсируют и разливают в изложницы. Сначала восстановление проводили только в ретортах из обожженной глины, обслуживаемых вручную, позднее стали применять вертикальные механизированные реторты из карборунда, затем — шахтные и дуговые электропечи; из свинцово-цинковых концентратов цинк получают в шахтных печах с дутьем. Производительность постепенно повышалась, но цинк содержал до 3 % примесей, в том числе ценный кадмий. Дистилляционный цинк очищают ликвацией (то есть отстаиванием жидкого металла от железа и части свинца при 500 °C), достигая чистоты 98,7 %. Применяющаяся иногда более сложная и дорогая очистка ректификацией дает металл чистотой 99,995 % и позволяет извлекать кадмий.
Основной способ получения цинка — электролитический (гидрометаллургический). Обожженные концентраты обрабатывают серной кислотой:
ZnO + H2SO4 → ZnSO4 + H2O
Получаемый сульфатный раствор очищают от примесей (осаждением их цинковой пылью) и подвергают электролизу в ваннах, плотно выложенных внутри свинцом или винипластом.
2ZnSO4 + H2O → 2Zn + 2H2SO4 + O2↑
Цинк осаждается на алюминиевых катодах, с которых его ежесуточно удаляют (сдирают) и плавят в индукционных печах. Обычно чистота электролитного цинка 99,95 %, полнота извлечения его из концентрата (при учете переработки отходов) 93-94 %. Из отходов производства получают цинковый купорос, Pb, Cu, Cd, Au, Ag; иногда также In, Ga, Ge, Tl.
Физические свойства цинка. Цинк – металл синевато-белого цвета с сильным металлическим блеском. Во влажном воздухе этот блеск исчезает из-за образования оксидной пленки. Цинк – металл средней твердости. Его плотность 7,13 г/см3. Чистый металл довольно пластичен и может быть прокатан в тонкую фольгу. Технический цинк при обычной температуре является хрупким, но при 100-150°С он становится пластичным и его можно прокатывать в листы и вытягивать в проволоку. Выше 200°С он опять становится хрупким и его можно растереть в порошок, как и при очень низких температурах. Цинк легко плавится (температура плавления 419,4°С) и принадлежит к числу летучих металлов (температура кипения 905,7°С).
Химические свойства цинка. Типичный амфотерный металл. Стандартный электродный потенциал −0,76 В, в ряду стандартных потенциалов расположен до железа.
На воздухе цинк покрывается тонкой пленкой оксида ZnO. При сильном нагревании сгорает с образованием амфотерного белого оксида ZnO:
2Zn + O2 → 2ZnO.
Оксид цинка реагирует как с растворами кислот:
ZnO + 2HNO3 → Zn(NO3)2 + H2O
так и щелочами:
ZnO + 2NaOH → Na2ZnO2 + Н2О,
Цинк обычной чистоты активно реагирует с растворами кислот:
Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2↑,
Zn + H2SO4(разб.) → ZnSO4 + H2↑
и растворами щелочей:
Zn + 2NaOH + 2H2O → Na2[Zn(OH)4] + H2↑,
образуя гидроксоцинкаты. С растворами кислот и щелочей очень чистый цинк не реагирует. Взаимодействие начинается при добавлении нескольких капель раствора сульфата меди CuSO4.
При нагревании цинк реагирует с галогенами с образованием галогенидов ZnHal2. С фосфором цинк образует фосфиды Zn3P2 и ZnP2. С серой и ее аналогами — селеном и теллуром — различные халькогениды, ZnS, ZnSe, ZnSe2 и ZnTe.
С водородом, азотом, углеродом, кремнием и бором цинк непосредственно не реагирует. Нитрид Zn3N2 получают реакцией цинка с аммиаком при 550—600°C.
В водных растворах ионы цинка Zn2+ образуют аквакомплексы [Zn(H2O)4]2+ и [Zn(H2O)6]2+.
Медико-биологическое значение цинка и его соединений. Цинк – один из наиболее важных биологически активных элементов и необходим для всех форм жизни. Тело взрослого человека содержит около 2 г цинка. Хотя цинксодержащие ферменты присутствуют в большинстве клеток, его концентрация очень мала и поэтому довольно поздно стало понятно, насколько важен этот элемент. Необходимость и незаменимость цинка для человека была установлена 100 лет тому назад. Роль цинка в жизнедеятельности организма обусловлена, в основном, тем, что он входит в состав более 40 важных ферментов. Они катализируют гидролиз пептидов, белков, некоторых эфиров и альдегидов. Наибольшее внимание привлекают два цинксодержащих фермента: карбоксипептидаза А и карбоангидраза.
Карбоксипептидаза А катализирует гидролиз концевой пептидной связи в белках в процессе пищеварения. Она имеет относительную молекулярную массу около 34000 и содержит атом цинка, тетраэдрически координированный с двумя гистидиновыми атомами азота, карбоксильным атомом кислорода глутаматного остатка и молекулой воды. Точный механизм ее действия до конца не ясен, несмотря на интенсивное изучение модельных систем, однако принято считать, что первой стадией является координация концевого пептида к атому цинка.
Карбоангидраза была первым из открытых цинксодержащих ферментов (1940), она катализирует обратимую реакцию превращения диоксида углерода в угольную кислоту. В эритроцитах млекопитающих прямая реакция (гидратация) протекает при поглощении диоксида углерода кровью в тканях, а обратная реакция (дегидратация) идет, когда диоксид углерода затем высвобождается в легких. Фермент увеличивает скорости этих реакций примерно в миллион раз. Относительная молекулярная масса фермента составляет около 30 000. Почти сферическая молекула содержит один атом цинка, расположенный в глубоком «кармане» белка, где есть и несколько молекул воды, расположенных в таком же порядке, как во льде. Атом цинка координирован тетраэдрически с тремя имидазольными атомами азота и молекулой воды. Точные детали действия фермента не установлены, однако кажется вероятным, что координированная молекула Н2О ионизируется с образованием Zn–OH–, а нуклеофил ОН– затем реагирует с атомом углерода в СО2 (который может удерживаться в правильном положении водородными связями двух его атомов кислорода) с образованием НСО3–. В отсутствие фермента данная реакция требует высокого рН. Роль фермента заключается в создании подходящего окружения внутри белкового «кармана», которое способствует диссоциации координированной молекулы воды при рН=7.
Позднее была установлена функция цинка в белках, отвечающих за распознавание последовательности оснований в ДНК и, следовательно, регулирующих перенос генетической информации в ходе репликации ДНК. Эти белки с так называемыми «цинковыми пальцами» содержат 9 или 10 ионов Zn2+, каждый из которых, координируясь с 4 аминокислотами, стабилизирует выступающую складку («палец») белка. Белок обертывается вокруг двойной спирали ДНК, при этом каждый из «пальцев» связывается с ДНК. Их расположение совпадает с последовательностью оснований в ДНК, что обеспечивает точное распознавание.
Цинк участвует в углеводном обмене с помощью цинксодержащего гормона – инсулина. Только в присутствии цинка действует витамин А. Этот элемент необходим для формирования костей. Кроме того, он проявляет антивирусное и антитоксическое действие.
Цинк влияет на вкус и обоняние. Из-за нехватки цинка, необходимого для полноценного развития плода, многие женщины в первые 3 месяца беременности жалуются на капризы вкуса и обоняния.
Считается, что существует определенная связь между умственными и физическими способностями человека и содержанием цинка в его организме. Так, у хорошо успевающих студентов в волосах содержится больше цинка, чем у студентов отстающих. У больных ревматизмом и артритом наблюдается понижение уровня цинка в крови.
Дефицит цинка может быть вызван нарушением деятельности щитовидной железы, болезнями печени, плохим усвоением, недостатком цинка в воде и пище, а также слишком большим количеством фитина в продуктах питания (фитин связывает цинк, затрудняя его усвоение). Алкоголь также понижает уровень цинка в организме, особенно в мышцах и плазме крови.
Цинк необходим организму в количестве 10–20 мг в день, однако лекарствами восполнить недостаток цинка очень трудно. В естественных сочетаниях цинк содержится только в пище, что и определяет его усвояемость. Наиболее богаты цинком мясо, печень, молоко, яйца.
В организме существует конкуренция между цинком и медью, а также железом. Поэтому, употребляя богатую цинком пищу, следует дополнить диету пищей, богатой медью и железом. Нельзя применять цинк вместе с селеном, так как два этих элемента взаимодействуют друг с другом и выводятся из организма.
Применение соединений цинка в медицине. В фармакологии и медицине используют многие соединения цинка. Со времен Парацельса до наших дней в фармакопее значатся глазные цинковые капли (0,25%-ный раствор ZnSO4). Как присыпка издавна применяется цинковая соль стеариновой кислоты. Феносульфат цинка – хороший антисептик. Суспензия, в которую входят инсулин, протамин и хлорид цинка – новое эффективное средство против диабета, действующее лучше, чем чистый инсулин. И вместе с тем многие соединения цинка, прежде всего его сульфат и хлорид, токсичны.
Биологическое действие цинка : антиоксидантное, детоксикационное, стресс-протекторное; иммуномодулирующее, противовоспалительное; противоанемическое, нормализующее аппетит, укрепляющее кишечную стенку, репаративное: ранозаживляющее и язвозаживляющее, восстанавливающее структуру соединительной, костной и хрящевой ткани, регулирующее уровень глюкозы в крови; нормализующее менструальный цикл, способствующее созреванию половых клеток, развитию плода и донашиванию беременности, улучшающее половые функции, уменьшающее гипертрофию простаты, обеспечивающее функции зрения, вкуса и обоняния.
Цинк также необходим в следующих ситуациях: нарушения роста и развития, хронические интоксикации, неблагоприятные экологические условия работы и проживания; иммунодефициты, острые вирусные и другие инфекционные заболевания; депрессия, снижение интеллекта, рассеянный склероз, эпилепсия, острые психозы; кардиомиопатии, анемии; дискинезии желчных путей, гепатиты, циррозы; дисменорея, гипогалактия, ранние токсикозы беременности; угри, ожоги, раны, травмы, реабилитация после операций; нарушения ночного зрения, нарушения вкуса и обоняния.
III. Заключение. Итак, цинк является d-элементом, металлом средней активности, на воздухе устойчив. Сам цинк и его соединения проявляют амфотерные свойства. Цинк используется для создания защитных покрытий изделий из железа и для получения сплавов. Цинк и его соединения широко применяются в народном хозяйстве, а некоторые из них имеют широкую область применения в фармакологии и медицине. Биологическая роль цинка огромна, но полностью еще не изучена.
