تقيس كثافة فلز الزنك كتلة الزنك لكل وحدة حجم. تبلغ كثافة فلز الزنك حوالي 7.14 جم/سم مكعب في درجة حرارة الغرفة. هذا يعني أن كل سنتيمتر مكعب من الزنك يزن 7.14 جرام لكل سنتيمتر مكعب من الزنك. والزنك معدن ثقيل نسبيًا مقارنة بمعادن أخرى مثل الألومنيوم، لكنه أخف وزنًا من معادن مثل الرصاص. ويشيع استخدامه في الجلفنة والبطاريات والسبائك.
دعنا نستكشف كثافة فلز الزنك وكيفية عملها. تعرف على معاييرها وتطبيقاتها الخاصة.
فهم خواص فلز الزنك
ما هو الزنك وخصائصه الرئيسية؟
الزنك هو المعدن الرابع والعشرون في القشرة الأرضية. وله طرق لامعة ذات مظهر أبيض مائل للزرقة. يتوفر هذا المعدن بشكل شائع. وتتميز سبائك الزنك بمقاومة التآكل والمتانة والصب بالميزات الفريدة التي تحتويها سبائك الزنك. لذا، فهو عنصر حيوي في التصنيع
التكوين الإلكتروني للزنك
يوجد توزيع إلكتروني [Ar] 3d10 4s2 في الزنك. وهذا يتوافق مع إلكتروناته الـ 30. يحتوي على إلكترونين من إلكترونات الغلاف الخارجي، مما يقلل من تفاعل الزنك. ونتيجة لذلك، لا يصدأ الزنك أو يتآكل بسهولة.
الترابط المعدني في الزنك
تمسك الروابط الفلزية ذرات الزنك معًا. وهذا يعني أن روابط الزنك قابلة للسحب والطرق. وتشير قابلية الليونة إلى قابليته للتمدد إلى أسلاك.
وبالمثل، تعني قابليته للطرق أنه يمكنك طرقه وتحويله إلى صفيحة رقيقة. وهذا هو السبب في أن الزنك مناسب لتصنيع أشياء مختلفة، بما في ذلك البطاريات والطلاءات.
الخواص الفيزيائية للزنك
بالحديث عن الخواص الفيزيائية، تبلغ درجة غليان الزنك 907 درجة مئوية ودرجة انصهاره 419.5 درجة مئوية. كما أن هذه السبيكة تقوم بتوصيل الحرارة بشكل جيد بسبب توصيلها الحراري بقدرة 116 واط/م-ك
توجد مقاومة كهربائية تبلغ 59.0 ن أوم في سبيكة الزنك. وهذا يجعلها موصل كهربائي معتدل. ومع ذلك، فهي ليست بجودة النحاس أو الفضة.
البيانات البلورية للزنك
للزنك بنية بلورية. وهو سداسي الشكل متقارب الأضلاع (HCP). وتتراوح بارامتراته الشبكية بين 266.5 م و c = 494.7 p. توجد مجموعة فضاء P63/mmc. والسبب في قوة الزنك وثباته هو بنيته.
مصادر الزنك وأنواعه في الطبيعة
العمليات الجيوكيميائية
يمكنك العثور على الزنك في القشرة الأرضية وتكوينه في رواسب الخام. ولهذا الغرض، تعتبر العمليات الجيوكيميائية مهمة. في هذه التقنية، يتم تحريك السائل الساخن عبر الصخور لفصل محتوى الزنك.
علم معادن خامات الزنك
تحتوي حصيلة رواسب الخامات على سفاليريت (ZnS)، وسميثسونايت (ZnCO3)، وهيميمورفيت (Zn4Si2O7(OH)2H2O).
ومن بين هذه السبائك يوجد عادةً السفالريت بشكل شائع. وهو موجود أيضًا في سبائك أخرى مثل الرصاص والفضة.
تعدين الزنك واستخراجه
يستخدم عمال المعادن تقنيات التعدين لاستخراج معدن الزنك من رواسب الخام. ويقومون بسحق وتسخين الخامات من خلال عملية التحميص أو الاختزال.
تساعد التفاعلات الكيميائية في الحصول على الزنك من الخامات. هناك:
- السفاليريت: 2ZnS + 3O2 → 2ZnO + 2SO2
- سميثسونيت ZnCO3 → ZnO + CO2
شرح كثافة معدن الزنك
ما هي كثافة الزنك بالكيلو جرام/م3؟
في درجة حرارة الغرفة، تصل كثافة الزنك إلى 7,140 كجم/م³. لذا، من حيث وزنه المكعب، يتراوح المتر الواحد منه حوالي 7,140 كجم.
الكثافة مهمة جدًا في معرفة مدى إحكام الذرات. فهي معبأة في مادة ما.
كفاءة التعبئة الذرية في شبكة HCP
ذرات بنية HCP للزنك مرتبة في طبقات. تتلاءم الذرات مع بعضها البعض بشكل وثيق. وهذا يجعل الزنك سبيكة كثيفة. على سبيل المثال، تتمتع HCP بكفاءة تعبئة ذرية تبلغ 74%. وهذا يعني أن 74% من مساحة الزنك تحتوي على ذرات، والباقي فارغ.
مقارنة الكثافة مع المعادن الأخرى
- تبلغ كثافة الألومنيوم 2,700 كجم/م³.
- تبلغ كثافة الحديد 7,870 كجم/م³.
- تبلغ كثافة النحاس 8,960 كجم/م³.
وبالمقارنة مع الألومنيوم، فإن الزنك سبيكة أكثر كثافة. ومع ذلك، فهو يحتوي على كثافة أقل من الحديد والنحاس.
ونتيجة لذلك، تتناسب سبائك الزنك مع تطبيقات الصب. وهذا يحتاج إلى توازن بين الوزن والقوة.
حساب الكثافة النظرية
تحتاج إلى معلمات الشبكة والكتلة الذرية لحساب الكثافة النظرية للزنك. يمكن أن تكون المعادلة النظرية للكثافة:
يُمثِّل العنصر Z هنا أعداد الذرات في كل خلية وحدة. يرمز M إلى الكتلة الذرية. بينما يُمثِّل Vc حجم خلية الوحدة، و Na هو عدد أفوجادرو.
مقارنة كثافة الزنك المنصهر بكثافة غبار الزنك
التباعد بين الذرات والفضاء الفارغ
عندما تذيب الزنك، تتحرك ذراته بحرية. لذلك، هناك مساحة فراغ أكبر. وهذا يزيد من المساحة بين الذرات ويقلل الكثافة. على سبيل المثال، يقلل ذوبان الزنك عند درجة حرارة 500 درجة مئوية من الكثافة حتى 6600 كجم/م³.
كثافة غبار الزنك
يمثل غبار الزنك جسيمات صغيرة من الزنك. عادةً ما تكون كثافة غبار الزنك أقل من كثافة معدن الزنك الفعلي أو النقي. ويرجع ذلك إلى وجود فجوات هوائية بينها.
وهذا يعني أن مساحات السطح وحجم الجسيمات يحددان الكثافة. على سبيل المثال، إذا كان المعدن يحتوي على جسيمات أصغر، فإن مساحة سطحه أكبر، مما يؤدي إلى وجود فجوات هوائية أكثر. ونتيجة لذلك تكون الكثافة أقل.
بيانات تجريبية عن كثافة الزنك المنصهر
تتسبب الزيادة في درجة الحرارة في انخفاض الكثافة. هذه هي الطريقة التي تعمل بها البيانات التجريبية على الزنك.
على سبيل المثال، تزداد الكثافة عند درجة حرارة 500 درجة مئوية حتى 6600 كجم/م³. وفي الوقت نفسه، عند زيادة درجة الحرارة فوق 800 درجة مئوية، تقل الكثافة (6,200 كجم/م³).
استكشاف كثافة سبائك الزنك ومركباته
سبائك الزنك وكثافتها
يمكن دمج معدن الزنك مع محتوى معادن أخرى لتكوين أشكال سبائك فريدة من نوعها. سبائك الزنك الشائعة هي الزماك والنحاس الأصفر.
صُممت سبائك الزماك لاستخدامها في العديد من أجزاء الصب، مثل مكونات السيارات والألعاب. وفي الوقت نفسه، فإن مزيج الزنك والنحاس في النحاس الأصفر يجعله مناسباً للآلات الموسيقية والسباكة.
تركيبة السبيكة وكثافتها
يتم تحديد كثافة معدن الزنك أيضًا من خلال قاعدة عناصر السبائك الخاصة به. على سبيل المثال
- يحتوي زاماك 3 على 6.6 جم/سم³ كثافة. ويحتوي على 96% من الزنك، و4% من الألومنيوم، وكميات ضئيلة أخرى من المغنيسيوم والنحاس.
- تتكون سبائك النحاس الأصفر من 70% Cu و30% Zn. لذا فهي تشكل كثافة 8.5 جم/سم مكعب
إضافة جزيئات الألومنيوم في سبائك الزنك تجعلها أخف وزنًا. وبالمثل، يساهم النحاس في جعل النحاس الأصفر أكثر كثافة.
تأثير عناصر السبائك على الشبكة البلورية
يمكن أن يؤدي تركيب الزنك مع السبائك الأخرى إلى تغيير مواضع ذراته (بديلة) أو استبدالها. كما يمكن أن تتناسب بينهما (الخلالي).
المحتوى البديل (النحاس) يغير حجم الشبكة. ولهذا السبب تتأثر كثافته. تصبح الشبكة أكثر إحكامًا مع إضافة عناصر بينية مثل الكربون. وهذا يزيد من كثافتها.
مركبات الزنك وكثافتها
الهياكل البلورية والترابط البلوري
المركبات التي يتكون منها الزنك هي أكسيد الزنك (ZnO) وكبريتيد الزنك (ZnS). وبنيتهما البلورية مختلفة. وذلك لأن أكسيد الزنك يُظهر بنية سداسية الشكل. بينما يظهر كبريتيد الزنك في كل من التركيب المكعب والسداسي.
تأثير الترابط على الكثافة
يؤثر نوع الترابط على كثافة فلز الزنك. يتكون أكسيد الزنك من رابطة أيونية. وهو يعطي كثافة تبلغ حوالي 5.6 جم/سم مكعب.
وفي الوقت نفسه، يحصل كبريتيد الزنك على رابطة تساهمية. ونتيجة لذلك تصبح أقل كثافة حوالي 4.1 جم/سم مكعب.
العوامل المؤثرة على كثافة معدن الزنك
اعتماد كثافة الزنك على درجة الحرارة
تؤدي الزيادة في درجة الحرارة إلى انخفاض كثافة الزنك. فعندما يواجه درجة حرارة 500 درجة مئوية، تنخفض كثافته إلى 6600 كجم/م³. والسبب هو زيادة اهتزازاته الذرية.
سوف تكتشف أهميتها في العمليات الصناعية. حيث تنتج درجة الحرارة المضبوطة كثافة ثابتة.
اعتماد كثافة الزنك على الضغط
يؤدي الضغط الأعلى إلى ضغط الذرات بشكل أقرب، مما يؤدي إلى إزالة الفجوات. ولهذا السبب تزداد كثافة الزنك قليلاً. هذه التقنية مفيدة في صنع أجزاء عالية الضغط مثل معدات أعماق البحار.
تظهر العلاقة على النحو التالي:
ρ(P)=ρ0×(1+κ(P-P0))
في هذا البارامتر، يشير ρ0 إلى الكثافة الأولية، وKK هو قابلية الانضغاط، والضغط يرمز له بـ P.
الشوائب وتأثيرها على كثافة الزنك
يتسبب وجود شوائب في الزنك في حدوث تغيرات في الكثافة. على سبيل المثال، الرصاص والحديد والكادميوم. تزيد الشوائب الثقيلة من الكثافة، في حين أن الشوائب الأخف وزنًا غالبًا ما تقلل من الكثافة.
من المهم التحكم في الشوائب. بحيث يمكنك الحفاظ على كثافة الأجزاء.
التحكم في الكثافة في التطبيقات الصناعية
يتضمن التحكم في العملية مراقبة جوانب مختلفة. على سبيل المثال، درجة الحرارة والضغط والشوائب. تتيح لك معلمات مراقبة الجودة تلبية معيار الكثافة لتطبيقات الزنك.
يؤدي التحكم غير السليم إلى تغيرات غير مرغوب فيها في الكثافة. قد يختلف ذلك حتى 2%. ويؤثر ذلك أيضًا على الأداء أثناء الطلاء والمسبوكات.
قياس كثافة فلز الزنك وحسابها
تقنيات قياس الكثافة
هناك العديد من الطرق لقياس كثافة الزنك. على وجه الخصوص، يُستخدم مبدأ أرخميدس ومقياس الغاز وحيود الأشعة السينية. ومع ذلك، تناسب كل طريقة مشاريع وأنواع عينات محددة.
مبدأ أرشميدس
باستخدام هذه التقنية، يقوم المصنعون بغمر عينة من الزنك في الماء. يقيسون حجم إزاحة الماء.
تعمل هذه التقنية بشكل أفضل مع العينات الصلبة أو غير المسامية. يمكنك معرفة الكثافة من خلال هذه الصيغة:
بيكنومتر الغازات
في مقياس بيكنومتر الغاز، يكتشف المصنعون إزاحة الغاز لقياس الحجم. يستخدمون هذه العملية في الغالب للعينات المسامية أو غير المنتظمة. وذلك بسبب قدرتها على إجراء الأبحاث ومراقبة الجودة.
حيود الأشعة السينية
في حالة قياس الكثافة، يقوم حيود الأشعة السينية (XRD) بتحليل البنية البلورية للزنك. هذه العملية قابلة للتطبيق لدراسة سبائك الزنك ومركباتها.
مقارنة الطريقة
- تناسب مبادئ أرشميدس العينات الصلبة.
- تسير عملية قياس الغازات بشكل جيد مع العينات المسامية.
- حيود الأشعة السينية مفيد للتحليل التفصيلي.
تطبيق كثافة معدن الزنك
تطبيقات الكثافة في الصابورة والأثقال الموازنة
تستفيد تطبيقات مثل الصابورة والأثقال الموازنة من كثافة الزنك. تعمل الصابورة على إضافة وزن للسفن، بحيث تأخذ مساحة كافية. بحيث تحصل السفينة على الاستقرار. وبالمثل، تعمل الأثقال الموازنة على موازنة الأحمال بفعالية في تطبيقات مثل المصاعد والآلات.
دور كثافة الزنك في عملية الصب بالقالب
في الزنك المصبوب بالقالب الزنك، كثافة معدن الزنك مهمة من المهم توفير سمات خاصة في تطبيقات قطع غيار السيارات والأجهزة.
تتطلب هذه الأجزاء دقة واسعة النطاق يتم إنتاجها عبر كثافة دقيقة. لذلك، تتمتع الأجزاء بقوة ومتانة أفضل.
وبالمثل، لصنع أجزاء يمكن أن تتحمل الضغط العالي، من الضروري الحفاظ على اتساق الكثافة.
الخاتمة
من بين الخصائص الفريدة لفلز الزنك، الكثافة مهمة لمختلف التطبيقات. أما البقية فهي التكوين الإلكتروني والبنية البلورية. ويضمن التحكم في درجة الحرارة والضغط والشوائب واستكشافها ثبات الزنك. وهذا أمر حيوي، من السبائك الصناعية إلى الصابورة البحرية. يوضح هذا الجزء من المعرفة أن كثافة الزنك يمكن أن تتأثر بالعديد من العناصر. ويعطي الحفاظ عليه نتائج عالية الجودة ومتسقة.