鋅在自然界中以化合物的形式广泛分布。主要的矿石是閃鋅矿ZnS和菱鋅矿ZnCO?。鋅矿很少单独存在,大多与鉛共生。
鉛鋅矿中鋅的含量很低,需要通过浮选法将其浓缩成含有40-60%ZnS的精矿。将精矿焙烧后转化为氧化鋅,然后与无烟煤混合,在蒸馏罐中加热至1200-1300°C使氧化鋅还原为金属鋅:
2ZnS+3O2=2ZnO+2SO2
ZnO+CO=Zn+CO2
然后进行蒸馏分离。粗鋅的纯度一般为98%,其中主要杂质是铅、鎘和铁。可以使用空蒸馏法制备纯鋅。另一种炼鋅方法是电解法,首先在约800°C的温度下氯化焙燒ZnS精矿,大部分转化为硫酸鋅,少部分转化为氧化鋅:
ZnS+2O2=ZnSO4
2ZnS+3O2=2ZnO+2SO2
得到的产物用硫酸溶解,使氧化鋅也转化为硫酸锌:
ZnO+H2SO4=ZnSO4+H2O
在硫酸锌溶液中加入鋅粉,将鎘、鈷、鎳、銅和銀等杂质置换出去,然后将溶液置于电解槽中,在阴极上析出的鋅的纯度为99.5%。
鋅的性质与用途是什么?
鋅是一种銀白色金属,略带蓝色,在常温下具有脆性,加热至100-150°C时具有延展性,在200°C以上又变得脆性甚至可以压成粉末。它可以与许多金属形成合金,其中重要的有黄銅(Cu 67%,Zn 33%)和鋁黃銅(Zn 85%, Al 5%,Cu 10%)。
鋅与含有CO2的潮湿空气接触时,会生成碱式碳酸盐:
4Zn+2O2+3H2O+CO2=ZnCO3·3Zn(OH)2
当加热到1000°C时,鋅会在空气中燃烧,发出明亮的蓝绿色火焰,形成氧化鋅ZnO。在高温下,鋅可以被水蒸汽或二氧化碳氧化:
Zn+H2O=ZnO+H2
Zn+CO2=ZnO+CO
在普通条件下,鋅与卤素反应较慢。将鋅粉与硫共热可以形成硫化鋅ZnS。在600°C下通氦气于鋅粉上,可以生成灰色的氮化鋅Zn3N2:
3Zn+2NH3=Zn3N2+3H2
纯鋅不容易与酸反应释放气体。只有含有杂质的鋅才会与酸迅速反应,因为鋅表面存在杂质,形成了局部电池。杂质作为阳极,鋅作为阴极。鋅溶解于酸中,将电子转移到阳极,使H+离子放电并释放氢气(见图20-1)。如果是纯鋅,放出的微量氢气会覆盖在鋅的表面上,阻止表面与酸接触,反应停止。为了使纯鋅在稀酸中快速溶解,可以在酸中加入几滴硫酸铜,銅被鋅置换出来,在鋅上镀上一层銅,形成局部电池,使氫离子在銅上放电并逸出,鋅可以迅速溶解。
鋅的表面容易生成碱式碳酸盐薄膜。鋅比铁更活泼,因此常在铁板上镀上一层鋅以防止生锈。如果鋅被损坏,会形成局部电池,铁作为阳极,鋅作为阴极,电子从鋅转移到铁,因此铁不会被腐蚀。
无论是纯鋅还是不纯的鋅都可以溶解于硝酸中。由于酸的浓度和反应温度不同,产物也不同。鋅可以溶解于强碱中(与鈹和鋁相同),也可以溶解于氨水中(与皱和鋁不同):
Zn+2H2O+2NaOH=Na[Zn(OH)3]+H2
Zn+2H2O+4NH3=[Zn(NH3)4](OH)2+H2
由于鋅粉是强还原剂,因此常用于有机合成、染料制备以及金和银的冶炼。