Gęstość cynku metalicznego mierzy masę cynku na jednostkę objętości. Cynk metaliczny ma gęstość około 7,14 g/cm³ w temperaturze pokojowej. Oznacza to, że każdy centymetr sześcienny cynku waży 7,14 grama. Cynk jest stosunkowo ciężkim metalem w porównaniu z innymi, takimi jak aluminium, ale lżejszym niż metale takie jak ołów. Jest powszechnie stosowany w galwanizacji, bateriach i stopach.

Przyjrzyjmy się gęstości cynku metalicznego i jego działaniu. Dowiedz się o ich szczególnych kryteriach i zastosowaniach.

Zrozumienie właściwości cynku jako metalu

Czym jest cynk i jakie są jego kluczowe właściwości?

Cynk jest 24. metalem w skorupie ziemskiej. Ma błyszczącą powierzchnię o niebiesko-białym wyglądzie. Metal ten jest powszechnie dostępny. Odporność na korozję, trwałość i odlewanie to unikalne cechy stopu cynku. Jest więc istotnym elementem w produkcji

Konfiguracja elektroniczna cynku

Cynk ma konfigurację elektronową [Ar]3d10 4s2. Odpowiada to 30 elektronom. Ma on dwa elektrony zewnętrznej powłoki, co zmniejsza reakcję cynku. W rezultacie cynk nie rdzewieje ani nie koroduje łatwo.

Wiązanie metaliczne w cynku

Wiązania metaliczne utrzymują atomy cynku razem. Oznacza to, że wiązania cynku są plastyczne i ciągliwe. Plastyczność odnosi się do możliwości rozciągania w druty.

Podobnie, plastyczność oznacza, że można go młotkować i zamieniać w cienki arkusz. Dlatego cynk nadaje się do produkcji różnych rzeczy, w tym baterii i powłok.

Właściwości fizyczne cynku

Jeśli chodzi o właściwości fizyczne, cynk ma temperaturę wrzenia 907°C i temperaturę topnienia 419,5°C. Ponadto wlewek ten dobrze przewodzi ciepło dzięki przewodności cieplnej 116 W/m-K

Rezystywność elektryczna wlewka cynkowego wynosi 59,0 nΩ. Czyni go to umiarkowanym przewodnikiem elektrycznym. Nie jest on jednak tak dobry jak miedź czy srebro.

Dane krystalograficzne cynku

Cynk ma strukturę krystaliczną. Jest to sześciokąt foremny (HCP). Jego parametry sieci wynoszą od 266,5 pm do c = 494,7 p. Istnieje grupa przestrzenna P63/mmc. Powodem, dla którego cynk jest tak mocny i stabilny, jest jego struktura.

Źródła i rodzaje cynku w przyrodzie

Procesy geochemiczne

Cynk można znaleźć w skorupie ziemskiej i utworzyć z niego złoża rudy. W tym celu ważne są procesy geochemiczne. W tej technice gorący płyn jest przenoszony przez skały w celu oddzielenia zawartości cynku.

Mineralogia rud cynku

Złoża rudy zawierają sfaleryt (ZnS), smithsonit (ZnCO3) i hemimorfit (Zn4Si2O7(OH)2-H2O).

Wśród nich powszechnie występuje sfaleryt. Jest on również obecny w innych stopach, takich jak ołów i srebro.

Górnictwo i wydobycie cynku

Metalowcy wykorzystują techniki górnicze do wydobywania cynku ze złóż rudy. Kruszą i podgrzewają rudy w procesie prażenia lub redukcji.

Reakcje chemiczne pomagają w pozyskiwaniu cynku z rud. Są to:

• Sfaleryt: 2ZnS + 3O2 → 2ZnO + 2SO2
• Smithsonite: ZnCO3 → ZnO + CO2

Wyjaśnienie gęstości cynku metalicznego

Jaka jest gęstość cynku w kg/m3?

W temperaturze pokojowej gęstość cynku wynosi do 7,140 kg/m³. Tak więc, pod względem masy sześciennej, jego jeden metr wynosi około 7,140 kg.

Gęstość jest bardzo ważna przy określaniu szczelności atomów. Są one upakowane w materiale.

Efektywność upakowania atomów w sieci HCP

Atomy cynku w strukturze HCP są ułożone warstwowo. Atomy ściśle do siebie przylegają. To sprawia, że cynk jest gęsty. Na przykład, HCP ma wydajność upakowania atomów 74%. Oznacza to, że 74% przestrzeni cynku zawiera atomy, a reszta jest pusta.

Porównanie gęstości z innymi metalami

• Aluminium ma gęstość 2700 kg/m³.
• Gęstość żelaza wynosi 7,870 kg/m³.
• Gęstość miedzi wynosi 8,960 kg/m³.

W porównaniu do aluminium, cynk jest znacznie gęstszym stopem. Ma on jednak mniejszą gęstość niż żelazo i miedź.

W rezultacie stopy cynku dobrze sprawdzają się w zastosowaniach odlewniczych. Wymaga to równowagi między wagą a wytrzymałością.

Teoretyczne obliczenia gęstości

Do obliczenia teoretycznej gęstości cynku potrzebne są parametry sieci i masy atomowej. Teoretyczny wzór gęstości może być następujący:

Tutaj element Z reprezentuje liczbę atomów na komórkę elementarną. M oznacza masę atomową. Tymczasem Vc pokazuje objętość komórki jednostkowej, a Na jest liczbą Avogadro.

Porównanie gęstości stopionego cynku z gęstością pyłu cynkowego

Odstępy międzyatomowe i pusta przestrzeń

Podczas topienia cynku jego atomy poruszają się swobodnie. Jest więc więcej pustej przestrzeni. Zwiększa to przestrzeń międzyatomową i zmniejsza gęstość. Przykładowo, stopienie cynku w temperaturze 500°C zmniejsza gęstość do 6600 kg/m³.

Gęstość pyłu cynkowego

Pył cynkowy to drobne cząstki cynku. Gęstość pyłu cynkowego jest zwykle niższa niż gęstość rzeczywistego lub czystego cynku metalicznego. Dzieje się tak dlatego, że pomiędzy nimi znajdują się szczeliny powietrzne.

Oznacza to, że powierzchnia i rozmiar cząstek dyktują gęstość. Na przykład, jeśli metal zawiera mniejsze cząstki, ma więcej miejsca, co prowadzi do większej ilości szczelin powietrznych. W rezultacie gęstość jest niższa.

Dane eksperymentalne dotyczące gęstości stopionego cynku

Wzrost temperatury powoduje spadek gęstości. Tak właśnie działają dane eksperymentalne dotyczące cynku.

Na przykład gęstość w temperaturze 500°C wzrasta do 6 600 kg/m³. Tymczasem wzrost temperatury powyżej 800°C powoduje zmniejszenie gęstości (6 200 kg/m³).

Badanie gęstości i związków stopu cynku

Stopy cynku i ich gęstość

Cynk może być łączony z innymi metalami, tworząc unikalne formy stopów. Najpopularniejszymi stopami cynku są zamak i mosiądz.

Stopy Zamak są przeznaczone do stosowania w wielu częściach odlewniczych, takich jak części samochodowe i zabawki. Z kolei połączenie cynku i miedzi w mosiądzu sprawia, że nadaje się on do instrumentów muzycznych i hydrauliki.

Skład stopu i gęstość

Gęstość cynku metalicznego zależy również od zawartości pierwiastków stopowych. Na przykład,

• Zamak 3 ma gęstość 6,6 g/cm³. Zawiera 96% cynku, 4% aluminium oraz śladowe ilości magnezu i miedzi.
• Stopy mosiądzu składają się z 70% Cu i 30% Zn. Jego gęstość wynosi więc 8,5 g/cm³

Dodatek cząstek aluminium w stopie cynku sprawia, że jest on lżejszy. Podobnie miedź przyczynia się do zwiększenia gęstości mosiądzu.

Wpływ pierwiastków stopowych na sieć krystaliczną

Kompozycja cynku z innymi stopami może zmieniać pozycje jego atomów (instytucjonalny) lub je zastąpić. Może również zmieścić się pomiędzy nimi (śródmiąższowy).

Zawartość substytucyjna (miedź) zmienia rozmiar sieci. Dlatego też wpływa to na jego gęstość. Siatka staje się ciaśniejsza po dodaniu pierwiastków międzywęzłowych, takich jak węgiel. Zwiększa to jego gęstość.

Związki cynku i ich gęstość

Struktury krystaliczne i wiązania

Związki tworzone przez cynk to tlenek cynku (ZnO) i siarczek cynku (ZnS). Ich struktura krystaliczna jest różna. Wynika to z faktu, że tlenek cynku wykazuje strukturę heksagonalną. Tymczasem siarczek cynku występuje zarówno w strukturze sześciennej, jak i sześciokątnej.

Wpływ wiązania na gęstość

Rodzaj wiązania wpływa na gęstość cynku metalicznego. Tlenek cynku składa się z wiązań jonowych. Daje to gęstość około 5,6 g/cm³.

Tymczasem siarczek cynku otrzymuje wiązanie kowalencyjne. W rezultacie ich gęstość spada do około 4,1 g/cm³.

Czynniki wpływające na gęstość cynku metalicznego

Zależność gęstości cynku od temperatury

Wzrost temperatury powoduje spadek gęstości cynku. W temperaturze 500°C spada ona do 6 600 kg/m³. Powodem są zwiększone wibracje atomowe.

Poznasz jego znaczenie w procesach przemysłowych. Kontrolowana temperatura zapewnia stałą gęstość.

Zależność gęstości cynku od ciśnienia

Wyższe ciśnienie ściska atomy bliżej, usuwając luki. Z tego powodu gęstość cynku nieznacznie wzrasta. Technika ta jest korzystna przy wytwarzaniu części pod wysokim ciśnieniem, takich jak sprzęt głębinowy.

Zależność ta wygląda następująco:

ρ(P)=ρ0 ×(1+κ(P-P0))

W tym parametrze ρ0 oznacza gęstość początkową, Κ jest ściśliwością, a ciśnienie jest oznaczone jako P.

Zanieczyszczenia i ich wpływ na gęstość cynku

Obecność zanieczyszczeń w cynku powoduje zmiany gęstości. Na przykład ołów, żelazo i kadm. Ciężkie zanieczyszczenia zwiększają gęstość, podczas gdy lżejsze często ją zmniejszają.

Ważne jest, aby kontrolować zanieczyszczenia. Pozwala to zachować gęstość części.

Kontrola gęstości w zastosowaniach przemysłowych

Kontrola procesu obejmuje monitorowanie różnych aspektów. Na przykład temperatury, ciśnienia i zanieczyszczeń. Parametry kontroli jakości pozwalają spełnić standardy gęstości w zastosowaniach cynku.

Niewłaściwa kontrola powoduje niepożądane zmiany gęstości. Może się ona różnić do 2%. Ma to również wpływ na wydajność podczas powlekania i odlewania.

Pomiar i obliczanie gęstości cynku metalicznego

Techniki pomiaru gęstości

Istnieje wiele sposobów pomiaru gęstości cynku. W szczególności najczęściej stosuje się zasadę Archimedesa, piknometr gazowy i dyfrakcję rentgenowską. Każda z metod jest jednak odpowiednia dla konkretnych projektów i typów próbek.

Zasada Archimedesa

Korzystając z tej techniki, producenci zanurzają próbkę cynku w wodzie. Następnie mierzą objętość wypartej wody.

Technika ta działa najlepiej w przypadku próbek stałych lub nieporowatych. Gęstość można poznać za pomocą tego wzoru:

Piknometr gazowy

W piknometrze gazowym producenci wykrywają przemieszczenie gazu w celu pomiaru objętości. Proces ten stosowany jest głównie w przypadku porowatych lub nieregularnych próbek. Wynika to z możliwości prowadzenia badań i kontroli jakości.

Dyfrakcja rentgenowska

W przypadku pomiaru gęstości, dyfrakcja rentgenowska (XRD) analizuje strukturę krystaliczną cynku. Proces ten jest przydatny do badania stopów cynku i ich związków.

Porównanie metod

• Zasady Archimedesa pasują do próbek stałych.
• Piknometria gazowa dobrze sprawdza się w przypadku próbek porowatych.
• Dyfrakcja rentgenowska jest przydatna do szczegółowej analizy.

Zastosowanie gęstości cynku metalicznego

Zastosowania gęstości w balastach i przeciwwagach

Zastosowania takie jak balast i przeciwwagi wykorzystują gęstość cynku. Balast zwiększa wagę statków, zajmując wystarczającą ilość miejsca. Dzięki temu statek zyskuje stabilność. Podobnie, przeciwwagi skutecznie równoważą obciążenia w zastosowaniach takich jak windy i maszyny.

Rola gęstości cynku w odlewaniu ciśnieniowym

W Odlew cynkowyGęstość metalu cynku ma znaczenie. Ważne jest, aby zapewnić specjalne atrybuty w zastosowaniach części samochodowych i sprzętu.

Części te wymagają dużej dokładności dzięki precyzyjnej gęstości. Dzięki temu części mają lepszą wytrzymałość i trwałość.

Podobnie, aby tworzyć części, które mogą wytrzymać duże obciążenia, konieczne jest utrzymanie spójności gęstości.

Wnioski

Wśród unikalnych właściwości cynku metalicznego, gęstość jest ważna dla różnych zastosowań. Pozostałe to konfiguracja elektronowa i struktura krystaliczna. Kontrolowanie i badanie temperatury, ciśnienia i zanieczyszczeń zapewnia spójność cynku. Ma to kluczowe znaczenie, od stopów przemysłowych po balast morski. Ta wiedza pokazuje, że na gęstość cynku może wpływać kilka elementów. Utrzymanie jej na odpowiednim poziomie zapewnia wysoką jakość i spójność wyników.