De dichtheid van zinkmetaal meet de massa van zink per volume-eenheid. Zinkmetaal heeft een dichtheid van ongeveer 7,14 g/cm³ bij kamertemperatuur. Dit betekent dat elke kubieke centimeter zink 7,14 gram weegt. Zink is een relatief zwaar metaal vergeleken met andere metalen zoals aluminium, maar lichter dan metalen zoals lood. Het wordt vaak gebruikt in galvaniseren, batterijen en legeringen.
Laten we eens kijken naar de dichtheid van zinkmetaal en hoe het werkt. Leer meer over hun specifieke criteria en toepassingen.
Metalen eigenschappen van zink begrijpen
Wat is zink en wat zijn de belangrijkste eigenschappen?
Zink is het 24e metaal in de aardkorst. Het heeft glanzende benaderingen met een blauwachtig wit uiterlijk. Dit metaal is algemeen verkrijgbaar. Corrosiebestendigheid, duurzaamheid en gietbaarheid zijn de unieke eigenschappen van een zinklegering. Het is dus een vitaal element in de productie
Elektronische configuratie van zink
Er is een [Ar]3d10 4s2 elektronische configuratie in zink. Dat komt overeen met zijn 30 elektronen. Het heeft twee elektronen in de buitenste schil, waardoor het zink minder reageert. Hierdoor roest of corrodeert zink niet gemakkelijk.
Metaalbinding in zink
Metaalbindingen houden de zinkatomen bij elkaar. Dit betekent dat de zinkbindingen buigzaam en kneedbaar zijn. Vervormbaarheid verwijst naar de rekbaarheid tot draden.
Buigzaam betekent ook dat je er met een hamer een dunne plaat van kunt maken. Daarom is zink geschikt voor de productie van verschillende dingen, zoals batterijen en coatings.
Fysische eigenschappen van zink
Over fysieke eigenschappen gesproken: zink heeft een kookpunt van 907°C en een smeltpunt van 419,5°C. Bovendien geleidt deze staaf warmte goed door zijn warmtegeleidingsvermogen van 116 W/m-K.
Zinkstaaf heeft een elektrische weerstand van 59,0 nΩ. Dat maakt het een matige elektrische geleider. Het is echter niet zo goed als koper of zilver.
Kristallografische gegevens van zink
Zink heeft een kristalstructuur. Dat is hexagonaal dicht opeengepakt (HCP). De roosterparameters variëren van 266,5 pm en c = 494,7 p. Er is een P63/mmc-ruimtelijke groep. De reden waarom zink zo sterk en stabiel is, is zijn structuur.
Bronnen en soorten zink in de natuur
Geochemische processen
Je kunt zink vinden in de aardkorst en het vormen in ertsafzettingen. Hiervoor zijn geochemische processen belangrijk. Bij deze techniek wordt hete vloeistof door rotsen bewogen om het zinkgehalte te scheiden.
Mineralogie van zinkertsen
Het resultaat van ertsafzettingen bevat sfaleriet (ZnS), smithsoniet (ZnCO3) en hemimorfiet (Zn4Si2O7(OH)2-H2O).
Daaronder wordt meestal sfaleriet gevonden. Het komt ook voor in andere legeringen zoals lood en zilver.
Mijnbouw en winning van zink
Metaalbewerkers gebruiken mijnbouwtechnieken om zinkmetaal uit ertsafzettingen te halen. Ze breken de ertsen en verhitten ze door middel van het roosteren of reductieproces.
Chemische reacties helpen bij het winnen van zink uit ertsen. Er zijn:
- Sphaleriet: 2ZnS + 3O2 → 2ZnO + 2SO2
- Smithsoniet: ZnCO3 → ZnO + CO2
Dichtheid van zinkmetaal uitgelegd
Wat is de dichtheid van zink in kg/m3?
Bij kamertemperatuur bedraagt de dichtheid van zink 7,140 kg/m³. Eén meter kubieke meter zink weegt dus ongeveer 7.140 kg.
Dichtheid is heel belangrijk om de dichtheid van atomen te kennen. Ze zitten opeengepakt in een materiaal.
Atomaire pakkingsefficiëntie in HCP-rooster
De atomen van de HCP-structuur van zink zijn in lagen gerangschikt. De atomen zitten dicht op elkaar. Dat maakt zink tot een dichte staaf. HCP heeft bijvoorbeeld een atomaire pakkingsefficiëntie van 74%. Dit betekent dat 74% van de zinkruimte atomen bevat en de rest leeg is.
Vergelijking van dichtheid met andere metalen
- Aluminium heeft een dichtheid van 2.700 kg/m³.
- IJzer heeft een dichtheid van 7.870 kg/m³.
- Koper heeft een dichtheid van 8,960 kg/m³.
In vergelijking met aluminium is zink een veel dichtere legering. Het heeft echter minder dichtheid dan ijzer en koper.
Daarom passen zinklegeringen goed bij giettoepassingen. Dat heeft een balans nodig tussen gewicht en sterkte.
Theoretische dichtheidsberekening
Je hebt roosterparameters en atoommassa nodig om de theoretische dichtheid van zink te berekenen. De theoretische dichtheidsformule kan zijn:
Hier staat het Z-element voor het aantal atomen per eenheidscel. M staat voor atoommassa. Ondertussen geeft Vc het celvolume aan en Na het aantal Avogadro's.
De dichtheid van gesmolten zink vergelijken met de dichtheid van zinkstof
Interatomaire ruimte en lege ruimte
Als je zink smelt, bewegen de atomen vrij. Er is dus meer lege ruimte. Dit vergroot de interatomaire ruimte en verlaagt de dichtheid. Bij het smelten van zink bij 500°C daalt de dichtheid bijvoorbeeld tot 6.600 kg/m³.
Dichtheid zinkstof
Zinkstof zijn minuscule deeltjes zink. De dichtheid van zinkstof is meestal lager dan die van echt of zuiver zinkmetaal. Dit komt doordat er luchtspleten tussen zitten.
Dat betekent dat oppervlakten en de grootte van de deeltjes de dichtheid bepalen. Als het metaal bijvoorbeeld kleinere deeltjes bevat, heeft het meer ruimte, wat leidt tot meer luchtspleten. De dichtheid is daardoor lager.
Experimentele gegevens over de dichtheid van gesmolten zink
De toename in temperatuur veroorzaakt een afname in dichtheid. Zo werken de experimentele gegevens voor zink.
De dichtheid bij 500°C neemt bijvoorbeeld toe tot 6.600 kg/m³. Maar als je de temperatuur boven 800°C verhoogt, neemt de dichtheid af (6.200 kg/m³).
De dichtheid en samenstelling van zinklegeringen onderzoeken
Zinklegeringen en hun dichtheid
Zinkmetaal kan worden gecombineerd met de inhoud van andere metalen om hun unieke legeringsvormen te creëren. De meest voorkomende zinklegeringen zijn Zamak en messing.
Zamaklegeringen zijn ontworpen om te worden gebruikt in veel gietonderdelen, zoals auto-onderdelen en speelgoed. Ondertussen maken de combinaties van zink en koper messing geschikt voor muziekinstrumenten en sanitair.
Samenstelling en dichtheid van de legering
De dichtheid van zinkmetaal wordt ook bepaald door de basis van de legeringselementen. Bijvoorbeeld,
- Zamak 3 heeft een dichtheid van 6,6 g/cm³. Het bevat 96% zink, 4% aluminium en andere sporen van magnesium en koper.
- Messinglegeringen bestaan uit 70% Cu en 30% Zn. Het vormt dus een dichtheid van 8,5 g/cm³.
De toevoeging van aluminiumdeeltjes in een zinklegering maakt het lichter. Op dezelfde manier draagt koper bij aan de dichtheid van messing.
Effect van legeringselementen op het kristalrooster
De samenstelling van zink met andere legeringen kan de posities van de atomen veranderen (plaatsvervangend) of vervang ze. Het kan er ook tussen passen (interstitieel).
Substitutiegehalte (koper) verandert de roostergrootte. Daarom wordt de dichtheid beïnvloed. Het rooster wordt strakker door de toevoeging van interstitiële elementen zoals koolstof. Dit verhoogt de dichtheid.
Zinkverbindingen en hun dichtheid
Kristalstructuren en binding
De verbindingen die gevormd worden door zink zijn zinkoxide (ZnO) en zinksulfide (ZnS). Hun kristalstructuur is verschillend. Zinkoxide heeft namelijk een zeshoekige structuur. Zinksulfide komt daarentegen zowel kubisch als zeshoekig voor.
Invloed van binding op dichtheid
Het type binding beïnvloedt de dichtheid van zinkmetaal. Zinkoxide bestaat uit ionische bindingen. Het geeft een dichtheid van ongeveer 5,6 g/cm³.
Ondertussen krijgt het zinksulfide een covalente binding. Hierdoor worden ze minder dicht, ongeveer 4,1 g/cm³.
Factoren die de dichtheid van zinkmetaal beïnvloeden
Temperatuursafhankelijkheid van zinkdichtheid
Een verhoging van de temperatuur heeft tot gevolg dat de dichtheid van zink afneemt. Bij een temperatuur van 500°C daalt de dichtheid tot 6.600 kg/m³. De reden hiervoor zijn de verhoogde atoomtrillingen.
Je zult het belang ervan in industriële processen ontdekken. Waarin de gecontroleerde temperatuur een consistente dichtheid produceert.
Drukafhankelijkheid van zinkdichtheid
De hogere druk drukt de atomen dichter bij elkaar, waardoor de gaten verdwijnen. Daarom neemt de zinkdichtheid iets toe. Deze techniek is nuttig bij het maken van onderdelen onder hoge druk, zoals diepzeeapparatuur.
De relatie ziet er als volgt uit:
ρ(P)=ρ0 ×(1+κ(P-P0))
In deze parameter geeft ρ0 de initiële dichtheid aan, Κ de samendrukbaarheid en P de druk.
Onzuiverheden en hun effect op de dichtheid van zink
De aanwezigheid van onzuiverheden in zink is de oorzaak van dichtheidsveranderingen. Bijvoorbeeld lood, ijzer en cadmium. Zware onzuiverheden verhogen de dichtheid, terwijl lichtere de dichtheid vaak verlagen.
Het is belangrijk om onzuiverheden onder controle te houden. Zodat je de dichtheid van de onderdelen kunt behouden.
Dichtheidsregeling in industriële toepassingen
Procesbesturing omvat de bewaking van verschillende aspecten. Bijvoorbeeld temperatuur, druk en onzuiverheden. Met kwaliteitscontroleparameters kun je voldoen aan de dichtheidsnorm van zinktoepassingen.
Onjuiste controle brengt ongewenste veranderingen in dichtheid met zich mee. Dat kan variëren tot 2%. Dit beïnvloedt ook de prestaties bij coatings en gietstukken.
Dichtheid van zinkmetaal meten en berekenen
Technieken voor het meten van dichtheid
Er zijn veel manieren om de dichtheid van zink te meten. Met name het Archimedesprincipe, de gaspyknometer en röntgendiffractie worden het meest gebruikt. Elke methode is echter geschikt voor specifieke projecten en monstertypes.
Principe van Archimedes
Met deze techniek dompelen fabrikanten een zinkmonster onder in water. Ze meten het volume van de waterverplaatsing.
Deze techniek werkt het best voor vaste of niet-poreuze monsters. Met deze formule kun je de dichtheid bepalen:
Gaspyknometer
In de gaspyknometer detecteren fabrikanten gasverplaatsing om het volume te meten. Ze gebruiken dit proces meestal voor poreuze of onregelmatige monsters. Dat komt omdat het geschikt is voor onderzoek en kwaliteitscontrole.
Röntgendiffractie
Bij het meten van dichtheid analyseert röntgendiffractie (XRD) de kristalstructuur van zink. Dit proces is geschikt voor het bestuderen van zinklegeringen en hun verbindingen.
Methodevergelijking
- De Principes van Archimedes zijn geschikt voor vaste monsters.
- Gaspyknometrie gaat goed met poreuze monsters.
- Röntgendiffractie is nuttig voor gedetailleerde analyse.
Toepassing van zinkmetaaldichtheid
Dichtheidstoepassingen in ballast en contragewichten
Toepassingen zoals ballast en tegengewichten maken gebruik van de dichtheid van zink. Ballast voegt gewicht toe aan schepen en neemt voldoende ruimte in. Zodat het schip stabiliteit krijgt. Evenzo zorgen tegengewichten voor een effectief evenwicht van de ladingen in toepassingen zoals liften en machines.
De rol van zinkdichtheid bij spuitgieten
In spuitgieten van zinkDe dichtheid van zinkmetaal is belangrijk. Het is belangrijk om speciale eigenschappen te bieden in toepassingen van auto-onderdelen en hardware.
Deze onderdelen vereisen een grote nauwkeurigheid die wordt geproduceerd via een nauwkeurige dichtheid. De onderdelen zijn dus sterker en duurzamer.
Om onderdelen te maken die bestand zijn tegen hoge spanning, is het ook nodig om de dichtheid constant te houden.
Conclusie
Van de unieke eigenschappen van zinkmetaal is de dichtheid belangrijk voor verschillende toepassingen. De rest zijn elektronische configuratie en kristalstructuur. Het beheersen en onderzoeken van temperatuur, druk en onzuiverheden zorgt voor de consistentie van zink. Dat is van vitaal belang, van industriële legeringen tot zeeballast. Dit stukje kennis laat zien dat de dichtheid van zink beïnvloed kan worden door verschillende elementen. Het handhaven ervan geeft hoogwaardige en consistente resultaten.