Hustota kovového zinku udává hmotnost zinku na jednotku objemu. Hustota kovového zinku je přibližně 7,14 g/cm³ při pokojové teplotě. To znamená, že každý krychlový centimetr zinku váží 7,14 gramu. Zinek je ve srovnání s jinými kovy, jako je hliník, poměrně těžký kov, ale je lehčí než kovy, jako je olovo. Běžně se používá při zinkování, výrobě baterií a slitin.
Prozkoumejme hustotu kovového zinku a její fungování. Seznamte se s jejich konkrétními kritérii a aplikacemi.
Porozumění vlastnostem kovového zinku
Co je zinek a jeho klíčové vlastnosti?
Zinek je 24. kov v zemské kůře. Má lesklé přístupy s modrobílým vzhledem. Tento kov je běžně dostupný. Odolnost proti korozi, trvanlivost a odlévání jsou jedinečné vlastnosti, které slitina zinku obsahuje. Je tedy důležitým prvkem při výrobě
Elektronická konfigurace zinku
V zinku je elektronová konfigurace [Ar]3d10 4s2. To odpovídá jeho 30 elektronům. Má dva elektrony vnějšího obalu, což snižuje reakci zinku. Díky tomu zinek snadno nerezaví a nekoroduje.
Kovová vazba v zinku
Atomy zinku drží pohromadě kovové vazby. To znamená, že zinkové vazby jsou tvárné a poddajné. Kujnost znamená jeho roztažitelnost do drátů.
Podobně kujný znamená, že jej můžete zatlouct kladivem a vytvořit z něj tenký plát. Proto se zinek hodí k výrobě různých věcí, včetně baterií a nátěrů.
Fyzikální vlastnosti zinku
Pokud jde o fyzikální vlastnosti, zinek má teplotu varu 907 °C a teplotu tání 419,5 °C. Tento ingot také dobře vede teplo, protože má tepelnou vodivost 116 W/m-K.
Elektrický odpor zinkového ingotu je 59,0 nΩ. To z něj činí střední elektrický vodič. Není však tak dobrý jako měď nebo stříbro.
Krystalografické údaje zinku
Zinek má krystalovou strukturu. Je to hexagonální těsně zabalená struktura (HCP). Jeho mřížkové parametry se pohybují v rozmezí 266,5 pm a c = 494,7 p. Existuje prostorová skupina P63/mmc. Důvodem, proč je zinek tak pevný a stabilní, je jeho struktura.
Zdroje a druhy zinku v přírodě
Geochemické procesy
Zinek se nachází v zemské kůře a tvoří rudná ložiska. K tomu jsou důležité geochemické procesy. Při této technice se horninami pohybuje horká tekutina, která odděluje obsah zinku.
Mineralogie zinkových rud
Výsledkem rudních ložisek je sfalerit (ZnS), smithsonit (ZnCO3) a hemimorfit (Zn4Si2O7(OH)2-H2O).
Mezi nimi se obvykle běžně vyskytuje sfalerit. Je přítomen i v dalších slitinách, jako je olovo a stříbro.
Těžba a získávání zinku
Kovodělníci používají k těžbě kovového zinku z rudných ložisek důlní techniky. Rudy drtí a zahřívají pražením nebo redukcí.
Chemické reakce pomáhají při získávání zinku z rud. Existují:
- Sfalerit: 2ZnS + 3O2 → 2ZnO + 2SO2
- Smithsonit: ZnCO3 → ZnO + CO2
Vysvětlení hustoty kovového zinku
Jaká je hustota zinku v kg/m3?
Při pokojové teplotě je hustota zinku až 7 140 kg/m³. Z hlediska jeho krychlové hmotnosti se tedy jeho jeden metr pohybuje kolem 7,140 kg.
Hustota je velmi důležitá pro poznání těsnosti atomů. Ty jsou v materiálu zabaleny.
Účinnost balení atomů v HCP mřížce
Atomy HCP struktury zinku jsou uspořádány ve vrstvách. Atomy do sebe těsně zapadají. Díky tomu je zinek hustý ingot. Například HCP má účinnost balení atomů 74%. To znamená, že 74% prostoru zinku tvoří atomy a zbytek je prázdný.
Srovnání hustoty s jinými kovy
- Hliník má hustotu 2 700 kg/m³.
- Hustota železa je 7 870 kg/m³.
- Hustota mědi je 8,960 kg/m³.
Ve srovnání s hliníkem je zinek mnohem hustší slitinou. Má však menší hustotu než železo a měď.
Proto se slitiny zinku dobře hodí k odlévání. To vyžaduje rovnováhu mezi hmotností a pevností.
Teoretický výpočet hustoty
K výpočtu teoretické hustoty zinku potřebujete parametry mřížky a atomové hmotnosti. Teoretický vzorec hustoty může být:
Prvek Z zde představuje počet atomů v jednotkové buňce. M znamená atomovou hmotnost. Mezitím Vc udává objem jednotkové buňky a Na je Avogadrovo číslo.
Porovnání hustoty roztaveného zinku s hustotou zinkového prachu
Meziatomové vzdálenosti a prázdný prostor
Při tavení zinku se jeho atomy volně pohybují. Vzniká tak více prázdného prostoru. Tím se zvětšuje meziatomový prostor a snižuje hustota. Například tavení zinku při 500 °C snižuje hustotu až na 6 600 kg/m3.
Hustota zinkového prachu
Zinkový prach představuje drobné částice zinku. Hustota zinkového prachu je obvykle nižší než hustota skutečného nebo čistého kovového zinku. Je to proto, že mezi nimi jsou vzduchové mezery.
To znamená, že povrch a velikost částic určují hustotu. Například pokud kov obsahuje menší částice, má více prostoru, což vede k většímu množství vzduchových mezer. Hustota je proto nižší.
Experimentální údaje o hustotě roztaveného zinku
Zvýšení teploty způsobuje pokles hustoty. Takto fungují experimentální údaje o zinku.
Například hustota při 500 °C vzroste až na 6 600 kg/m³. Zatímco při zvýšení teploty nad 800 °C se hustota sníží (6 200 kg/m³).
Zkoumání hustoty a sloučenin zinkových slitin
Slitiny zinku a jejich hustota
Kovový zinek lze kombinovat s obsahem jiných kovů a vytvářet tak jejich jedinečné slitiny. Mezi běžné slitiny zinku patří zamak a mosaz.
Slitiny Zamak jsou určeny k použití v mnoha odlitcích, jako jsou součásti automobilů a hračky. Zatímco mosaz je díky kombinaci zinku a mědi vhodná pro hudební nástroje a instalatérské práce.
Složení a hustota slitiny
Hustota kovového zinku je rovněž dána základem jeho legujících prvků. Například,
- Zamak 3 má hustotu 6,6 g/cm³. Obsahuje 96% zinku, 4% hliníku a další stopová množství hořčíku a mědi.
- Slitiny mosazi se skládají z 70% Cu a 30% Zn. Tvoří tedy hustotu 8,5 g/cm³
Přídavek hliníkových částic do zinkové slitiny z ní činí lehčí variantu. Podobně měď přispívá k tomu, že mosaz je hutnější.
Vliv legujících prvků na krystalovou mřížku
Složení zinku s jinými slitinami může měnit polohu jeho atomů (náhradní) nebo je vyměnit. Může se také vejít mezi ně (intersticiální).
Substituční obsah (měď) mění velikost mřížky. Proto je ovlivněna její hustota. S přídavkem intersticiálních prvků, jako je uhlík, se mřížka stává těsnější. To zvyšuje jeho hustotu.
Sloučeniny zinku a jejich hustota
Krystalové struktury a vazby
Sloučeniny tvořené zinkem jsou oxid zinečnatý (ZnO) a sulfid zinečnatý (ZnS). Jejich krystalová struktura je odlišná. Je to proto, že oxid zinečnatý vykazuje hexagonální strukturu. Zatímco sulfid zinečnatý se vyskytuje jak v kubické, tak v hexagonální struktuře.
Vliv vazby na hustotu
Typ lepení ovlivňuje hustotu zinkového kovu. Oxid zinečnatý je tvořen iontovou vazbou. Jeho hustota je přibližně 5,6 g/cm³.
Mezitím se sulfid zinečnatý váže kovalentně. V důsledku toho se jejich hustota sníží na přibližně 4,1 g/cm³.
Faktory ovlivňující hustotu kovového zinku
Závislost hustoty zinku na teplotě
Zvýšení teploty vede ke snížení hustoty zinku. Při teplotě 500 °C klesne na 6 600 kg/m3. Důvodem jsou jeho zvýšené atomové vibrace.
Zjistíte, jaký význam má v průmyslových procesech. Při řízené teplotě se dosahuje stálé hustoty.
Závislost hustoty zinku na tlaku
Vyšší tlak stlačuje atomy blíže k sobě a odstraňuje mezery. Proto se hustota zinku mírně zvyšuje. Tato technika je výhodná při výrobě dílů pod vysokým tlakem, jako jsou například hlubokomořská zařízení.
Vztah je následující:
ρ(P)=ρ0 ×(1+κ(P-P0))
V tomto parametru ρ0 označuje počáteční hustotu, Κ je stlačitelnost a tlak se označuje P.
Nečistoty a jejich vliv na hustotu zinku
Přítomnost nečistot v zinku je příčinou změn hustoty. Například olovo, železo a kadmium. Těžké nečistoty hustotu zvyšují, zatímco lehčí ji často snižují.
Je důležité kontrolovat nečistoty. Abyste mohli zachovat hustotu dílů.
Řízení hustoty v průmyslových aplikacích
Řízení procesu zahrnuje sledování různých aspektů. Například teplota, tlak a nečistoty. Parametry kontroly kvality umožňují splnit normu hustoty zinkových aplikací.
Nesprávná kontrola přináší nežádoucí změny hustoty. Ta se může lišit až do 2%. To má také vliv na výkon při nanášení nátěrů a odlévání.
Měření a výpočet hustoty kovového zinku
Techniky měření hustoty
Hustotu zinku lze měřit mnoha způsoby. Nejčastěji se používá Archimédův princip, plynový pyknometr a rentgenová difrakce. Každá metoda se však hodí pro konkrétní projekty a typy vzorků.
Archimédův princip
Při této technice výrobci ponoří vzorek zinku do vody. Změří objem vytlačené vody.
Tato technika se nejlépe osvědčuje u pevných nebo neporézních vzorků. Hustotu můžete zjistit pomocí tohoto vzorce:
Plynový pyknometr
U plynového pyknometru výrobci zjišťují posun plynu za účelem měření objemu. Tento postup se většinou používá u porézních nebo nepravidelných vzorků. Je to kvůli jeho schopnosti provádět výzkum a kontrolu kvality.
Difrakce rentgenového záření
V případě měření hustoty se pomocí rentgenové difrakce (XRD) analyzuje krystalová struktura zinku. Tento postup je použitelný pro studium slitin zinku a jejich sloučenin.
Srovnání metod
- Archimédovy principy vyhovují pevným vzorkům.
- Plynová pyknometrie jde dobře s porézními vzorky.
- Pro podrobnou analýzu je užitečná rentgenová difrakce.
Použití zinkového kovu Hustota
Použití hustoty v zátěži a protizávaží
V aplikacích, jako je zátěž a protizávaží, se využívá hustota zinku. Zátěž slouží k přidání hmotnosti lodím a zabírá dostatek místa. Loď tak získá stabilitu. Podobně protizávaží účinně vyrovnávají zatížení v aplikacích, jako jsou výtahy a strojní zařízení.
Úloha hustoty zinku při tlakovém lití
Na adrese tlakové lití zinku, záleží na hustotě zinkového kovu. Je důležité zajistit speciální atributy v aplikacích automobilových dílů a železářského zboží.
Tyto díly vyžadují rozsáhlou přesnost, která se vyrábí pomocí přesné hustoty. Díly tak mají lepší pevnost a trvanlivost.
Stejně tak je pro výrobu dílů, které vydrží vysoké namáhání, nutné zachovat konzistenci hustoty.
Závěr
Mezi jedinečné vlastnosti kovového zinku patří hustota, která je důležitá pro různé aplikace. Zbytek tvoří elektronická konfigurace a krystalová struktura. Kontrola a zkoumání teploty, tlaku a nečistot zajišťují konzistenci zinku. Ta je životně důležitá, od průmyslových slitin až po lodní balast. Tento poznatek ukazuje, že hustotu zinku může ovlivnit několik prvků. Její udržování poskytuje kvalitní a konzistentní výsledky.