Leghe Industraili dello Zinco

[Aldebaran]

Il simbolo chimico dello zinco e Zn, appartiene al II sottogruppo B del sistema periodico. Fin dai tempi di Omero era noto per la formazione dell’ottone, che si otteneva mediante la fusione del rame con un minerale di zinco: la Smithsonite. In Cina lo zinco era usato fin dall’antichità, in Europa lo zinco puro è stato ottenuto verso la fine del medioevo e sembra sia stato Paracelso a scoprirne le qualità metalliche e a dargli il nome. La produzione di Zinco su vasta scala risale al 1798 in Slesia.

Lo zinco costituisce lo 0.004% della crosta terrestre. I suoi minerali più importanti sono la blenda o sfalerite, la calamina, la smithsonite la idrozincite, la willemite. Più rari sono la zincite, e la franklinite, che si trovano quasi esclusivamente in USA.

Lo zinco metallico tagliato di fresco assume un colore bianco - azzurro di forte splendore che, ossidandosi immediatamente, scompare in breve tempo. Il colore tipico quindi diventa il classico grigio. Lo zinco puro è duttile e malleabile, ma piccole impurità di altri minerali lo rendono fragile. E’ un buon conduttore di calore e elettricità, anche se chimicamente non molto attivo. Brucia con difficoltà all’aria sviluppando una fiamma blu verde. In vicinanza del punto di fusione lo zinco brucia formando leggeri fiocchi di ossido che gli alchimisti hanno chiamato lana filosofica.

L’ossidazione naturale dello zinco lo protegge da attacchi in profondità perciò si conserva bene e a lungo ed è usato principalmente per trattamenti protettivi di altri metalli. Essendo un metallo fortemente elettropositivo non viene apprezzabilmente attaccato dall’acqua, ma si scioglie con facilità in fase acida liberando idrogeno gassoso mentre in soluzione si disperdono ioni zinco. Si scioglie altresì facilmente in soluzioni alcaline formando anche in questo caso idrogeno gassoso.

Tracce di di cadmio, arsenico, piombo e antimonio, che talvolta si trovano all’interno del metallo sono tanto tossiche da rendere lo zinco comune abbastanza pericoloso. Contenitori di zinco possono essere usati per l’acqua da bere, ma non per i cibi, pur essendo un componente essenziale a molti organismi sia animali che vegetali.

Principali composti

L'ossido di zinco, ZnO, si prepara bruciando i vapori di zinco con ossigeno o arroventando il carbonato; è una polvere bianca poco solubile in acqua, debolmente alcalina in soluzione acquosa. Scaldato a 500°C diventa giallo e ritorna bianco per raffreddamento. Presenta carattere anfotero. Si usa come pigmento, come carica nella vulcanizzazione della gomma, nei cementi e nelle ceramiche, come catalizzatore e, in medicina, per paste e unguenti.

L'idrossido di zinco, Zn(OH)2, si ottiene precipitando la soluzione di un sale di zinco con idrossidi alcalini ed è solubile in eccesso di questi. E’ un composto a carattere anfotero, si scioglie cioè sia negli acidi, formando sali di zinco, sia negli idrossidi alcalini formando tetraidrossozincati.

Il cloruro di zinco, ZnCl2, si ottiene per azione del cloro sullo zinco, o sciogliendo il metallo, l'ossido o il solfuro nell'acido cloridrico. E’ un composto incolore, solubilissimo in acqua; dà soluzioni acide per idrolisi, dalle quali si può ottenere per neutralizzazione una serie di ossicloruri di zinco. Anidro serve come disidratante nelle condensazioni e sintesi organiche. Serve nelle saldature, per impregnare il legno, nelle tinture.

Il solfato di zinco, ZnSO4, è il sale di zinco più importante e si ottiene sciogliendo lo zinco in acido solforico rostendo all'aria con precauzione il solfuro. Si ottiene così un composto bianco, solubile che si usa in agricoltura, in medicina come antisettico, in tintoria nella stampa di tessuti, in galvanostegia, per bagni di zincatura del ferro, per la raffinazione elettrolitica dello zinco e la preparazione della maggior parte degli altri composti lo zinco.

Il solfuro di zinco è un composto insolubile, il solo solfuro bianco di un metallo comune. Costituisce uno dei due ingredienti del litopone, che è il miscuglio di solfato di zinco con solfuro di bario, e che viene usato come pigmento. Il solfuro di zinco si usa in forma luminescente come sostanza fluorescente negli schermi televisivi, in oscilloscopi e in apparecchi per raggi X.

Il cromato di zinco, ZnCrO4, si usa in rivestimenti antiruggine. Generalmente è un sale basico, e qualche volta contiene pure potassio. E’ colorato in giallo più o meno intenso.

Il giallo di zinco è un pigmento di colore giallo-verdastro, di forma complessa, contenente zinco, potassio e cromo.

L'ortosilicato di zinco, Zn2SiO4, viene usato sia in forma anidra (willemite) sia in forma monoidrata (calamina). Viene impiegato come sostanza fluorescente, come refrattario e come addolcitore d'acqua.

Il ditionito di zinco, commercialmente noto come idrosolfito di zinco, ZnS204, si usa come sbiancante del legno, degli stracci e della carta.

Il perossido di zinco, ZnO2, nella forma commerciale in miscele al 50% con ZnO, si usa come antisettico.

L'ortofosfato di zinco biidrato, ZnHP04. 3 H20 pure noto in forma anidra, si usa come cemento dentale.

Il fluoruro di zinco, ZnF2, è piuttosto poco solubile in acqua e si usa come catalizzatore, come protettore del legno e per combattere le termiti.

Lo zincato di sodio, Na2ZnO2 . 2 H20 = Na2[Zn (OH)4], forma una soluzione fortemente alcalina e si usa come agente flocculante nella purificazione delle acque, per trattare tessuti e carta. Lo zinco forma pure molti composti di coordinazione.

Il cianuro di zinco, normalmente indicato con la sua formula minima Zn(CN)2 è un autocomplesso nel quale molti ioni zinco e cianuro alternati sono legati insieme tridimensionalmente in una molecola molto grande.

Usi

Il più importante uso dello zinco è come strato protettivo su altri metalli.

La presenza del rivestimento di zinco previene la corrosione del ferro e, nelle parti in cui la copertura venisse a mancare, il ferro, meno elettropositivo dello zinco, rimane protetto per l'effetto dell'elemento galvanico locale.

Circa il 5% dello zinco consumato è sotto forma di nastri o lamiere. Lo zinco laminato viene usato fra l'altro nella fabbricazione di batterie a secco e anche in questo caso come nella zincatura termica, la composizione viene controllata rispetto alle impurità naturali, piombo, cadmio e ferro, scegliendo tra i tipi della normale produzione. E’ usato anche per tetti, grondaie e canali di scolo; si possono usare leghe con rame fino all'1% e con quantità molto più piccole di altri metalli che danno origine a costituenti che producono un indurimento per precipitazione, per esempio il titanio.

Altri importanti usi dello zinco si hanno per la preparazione degli ottoni, dei fogli e lamine di zinco, delle pile a secco e come agente riducente nelle preparazioni chimiche.

Metallurgia dello zinco

Consiste nell'estrazione dello zinco dai minerali, nella sua raffinazione e preparazione. Il gruppo principale di minerali dai quali viene estratto lo zinco è quello dei solfuri. I concentrati inviati all'arrostimento in genere contengono il 50-60% di zinco, fondamentalmente presente come solfuro di zinco. Una sorgente di minore importanza è costituita dai minerali ossidati nei quali lo zinco è presente perlopiù come ossido di zinco, silicato di zinco o carbonato di zinco. Le impurità comuni sono il ferro (pirite), il piombo e il cadmio.

Arrostimento

I solfuri minerali devono venire arrostiti per convertire lo zinco a ossido prima della fusione. L'arrostimento è generalmente effettuato in arrostitori a sospensione (flash) nei quali il concentrato di solfuro di zinco finemente macinato viene soffiato in una camera di combustione e bruciato, in modo simile al carbone polverizzato, oppure si ricorre ad alcuni tipi di arrostitori a letto fluido.

In ambedue i casi il contenuto di zolfo nel calcinato viene ridotto a un valore basso e si produce un gas contenente anidride solforosa in concentrazione adatta per la conversione ad acido solforico. In molte località la produzione di acido solforico è obbligatoria per evitare il pericolo dell'inquinamento atmosferico che altrimenti si verificherebbe.

Concentrazione a fuoco

Il materiale contenente zinco mescolato con carbone in quantità sufficiente a ridurre l'ossido di zinco viene caricato in un forno rotativo. Nell'estremità inferiore del forno (scarico) si raggiunge la temperatura necessaria alla riduzione e alla polverizzazione dello zinco. Al passaggio della corrente gassosa che conduce i vapori di zinco attraverso il forno, il vapore di zinco viene riossidato dall'aria in eccesso e il calore generato viene in parte trasferito alla carica. L'ossido di zinco trascinato dalla corrente gassosa viene raccolto e inviato alla fusione.

Sinterizzazione

Viene generalmente condotta in un apparecchio Dwight Lloyd, per ottenere pezzature di adatta grandezza e densità, ma può anche essere effettuata in forno rotativo.

Metodi di fusione

Tutti i processi pirometallurgici ed elettrotermici sono basati sulla reazione fortemente endotermica mediante la quale il carbone riduce l'ossido di zinco a una temperatura di 1100-1300°C, superiore quindi al punto di ebollizione dello zinco (907°C). Dev'essere presente abbastanza carbonio per prevenire un'ossidazione del carbonio a biossido poiché un'alta percentuale di anidride carbonica conduce alla riossidazione del vapore di zinco durante la condensazione. Uno dei processi di riduzione con carbonio è il processo alle storte, secondo il quale il calore viene prodotto all'esterno della storta in cui avviene la reazione.

Processo a storte orizzontali

Il procedimento più facile e viene largamente usato. Si usano storte d'argilla o di carburo di silicio e argilla, con diametro interno di 20-25 cm, lunghe 150-180 cm. e poste orizzontalmente in un forno scaldato bruciando carbone e gas. In un solo forno possono essere collocate parecchie centinaia di storte, sistemate in 4-8 file orizzontali. La carica incoerente di concentrato arrostito, mescolata con la quantità necessaria di carbone, viene caricata dentro le storte. Quando viene raggiunta la temperatura di reazione, esce dalla bocca della storta una miscela di vapore di zinco e di ossido di carbonio dalla quale viene condensato lo zinco in un apposito condensatore costituito da un recipiente d'argilla collegato con la storta. La spillatura dello zinco liquido viene fatta a mano 3-4 volte durante ogni ciclo che può durare da 24 a 48 h.

Processo a storte verticali

In questo processo viene usata una storta verticale di mattoni di carburo di silicio, avente una sezione trasversale orizzontale. Le pareti vengono riscaldate esternamente con gas. La carica di carbone e concentrato arrostito in bricchette, viene cokificata e poi caricata dall'alto a frequenti intervalli e il residuo viene estratto continuamente dal fondo.

Il gas costituito da zinco e ossido di carbonio è inviato in un condensatore. Le storte di questo tipo possono avere una capacità di produzione di più di 10 t al giorno, in confronto con gli 11-14 kg. prodotti da una storta orizzontale singola.

Processo elettrotermico

In questo processo una miscela di concentrato arrostito, di adatta pezzatura e agglomerato per sinterizzazione insieme a coke, viene caricata dalla parte superiore di un largo forno cilindrico nel quale il calore di reazione viene fornito dalla resistenza elettrica della carica stessa. Il residuo viene prelevato in modo continuo dal fondo. La miscela di zinco e di vapori viene condensata per ottenere il metallo oppure può essere bruciata per dare un tipo di ossido usato come pigmento. Un singolo forno può produrre 50 o più tonnellate di zinco al giorno.

Processo al forno a vento

Il processo più recente per l'estrazione dello zinco è il processo al forno a vento. Il calore di reazione viene prodotto bruciando carbone nella camera di reazione.

Il gas che si ottiene ha un contenuto elevato di anidride carbonica, ma tuttavia lo zinco viene condensato facilmente per raffreddamento brusco con piombo fuso.

Nei condensatori vi è un bagno di piombo fuso, nel quale sono immersi dei rotori che generano una fitta pioggia di goccioline di piombo per tutto il condensatore. I vapori di zinco che passano attraverso questi spruzzi di piombo si raffreddano così bruscamente che la riossidazione è ridotta al minimo, mentre lo zinco si discioglie nel piombo fuso.

I vapori di zinco scendono da 1000 a 550°C e il bagno di piombo tende a riscaldarsi, per cui viene fatto circolare continuamente dal condensatore ad alcune vasche di raffreddamento a camicia d'acqua e da queste al condensatore. Il raffreddamento provoca la sovrassaturazione della soluzione di zinco nel piombo e lo zinco si separa formando uno strato che galleggia sul piombo, per cui lo si può facilmente recuperare mediante uno sfioratore e colare.

Lo zinco così ottenuto, depurato dall'arsenico, risulta del tipo 'termico' a titolo 98-99%.

Processo elettrolítico

Una grande quantità di zinco viene prodotta per elettrolisi di una soluzione di solfato. il concentrato arrostito viene lisciviato con l'elettrolita esaurito prelevato dalle celle, rigenerando così il solfato di zinco il quale, dopo una rigorosa purificazione, viene inviato nuovamente alle celle elettrolitiche. Si usano anodi di lega di piombo mentre i catodi sono fatti di lamierini di alluminio dai quali viene staccato periodicamente lo zinco che è andato depositandovisi. L'uso combinato degli anodi di lega e di aggiunte opportune all'elettrolita, oltre alla purificazione molto spinta di quest'ultimo, permette quindi la produzione diretta di zinco avente un alto grado di purezza.

Raffinazione

Lo zinco prodotto con tutti i processi di riduzione con carbonio richiede una raffinazione finale per produrre zinco di migliore qualità. Un processo largamente usato si basa sulla distillazione frazionata in colonne a riflusso. Una tipica unità consiste di due colonne per piombò seguite da una colonna per cadmio; le colonne per piombo' servono per allontanare il piombo e le altre impurità altobollenti e la colonna per cadmio allontana il cadmio e le altre impurità bassobollenti.

Leghe di zinco

Lo zinco cristallizza nel sistema esagonale compatto e la solubilità allo stato solido della maggior parte dei metalli comuni a struttura cubica è limitata a percentuali molto piccole.

Tentativi di formare leghe con i metalli oltre questi limiti di solubilità solida hanno condotto alla formazione di materiali fragili che rendono inutilizzabile la lega, tranne nel caso di alluminio e di rame.

Il gruppo più importante di leghe di zinco è quello contenente il 4% di alluminio insieme con alcuni centesimi di % di magnesio e in alcuni casi con più dell'1 % di rame; queste leghe vengono usate nella pressofusione e devono essere fabbricate con zinco al 99,99% di purezza.

Queste leghe possono essere colate in semplici macchine per pressofusione a camera riscaldata, usando stampi costituiti di acciai abbastanza comuni di lunga durata. Esse possono essere colate in forme molto complesse con piccole tolleranze dimensionali e, quando necessario, con sezioni molto sottili.

La finitura superficiale può effettuarsi a mezzo della galvanoplastica o con altri metodi.

Lo zinco viene anche usato come elemento alligante in quantità più piccole in certe leghe di alluminio e nell'argento-nichel. Sono state messe a punto alcune leghe industriali Zn-AI, contenenti circa il 65% di zinco: queste leghe sono particolarmente indicate per la fabbricazione di cuscinetti antifrizione.

Altre leghe nelle quali lo zinco è un componente fondamentale sono gli ottoni.

Un altro impiego importante dello zinco è costituito dalla produzione della lamiera di ferro zincata per zincatura termica.

Nel caso della zincatura termica le impurità più frequentemente riscontrate nello zinco commerciale, e cioè il piombo e il cadmio, possono essere considerate talvolta come elementi di alligazione: infatti, per questo particolare impiego il contenuto di piombo e cadmio viene controllato e regolato a mezzo di miscele di zinco di determinate provenienze o aggiungendo addirittura allo zinco purissimo (elettrolitico) gli elementi suddetti nella quantità desiderata.

Questo controllo di composizione viene eseguito in primo luogo allo scopo di ottenere l'aspetto desiderato dalla superficie zincata .

Generalità:

lo zinco è un metallo bianco bluastro, poco alterabile all'aria, che può essere lucidato.



Chimica:

lo zinco è l'elemento chimico di numero atomico 30 e di peso atomico 65,37, di simbolo Zn. È fragile a freddo, ma diviene malleabile e duttile fra i 100 °C e i 150 °C. Fonde a 419,5 °C e bolle a 906 °C; ha densità 7,14.

Inalterabile a freddo in aria secca, all'aria umida si ricopre di un leggero strato di idrogenocarbonato che ne fa incupire il colore e lo protegge da un'ossidazione più profonda. Al calor rosso brucia con fiamma verde dando l'ossido ZnO. È riducente e decompone il vapore acqueo. Lo zinco comune viene facilmente attaccato, a causa delle impurezze che contiene, dagli acidi diluiti, con generazione di idrogeno e di sale di zinco. Precipita i metalli più nobili, come rame, piombo, argento, ecc. dalle loro soluzioni saline. Viene attaccato dalle soluzioni bollenti di idrossidi alcalini dando zincato solubile e idrogeno.

Fra i suoi composti citiamo: l'ossido ZnO ottenuto per combustione del vapore di zinco. È una polvere bianca usata in pittura col nome di bianco di zinco o di bianco neve; non è tossico e non annerisce a contatto con l'idrogeno solforato. Il solfuro ZnS, che costituisce la blenda naturale, è bianco. La varietà cristallina è fosforescente alla luce o in presenza di sostanze radioattive. Il solfato ZnSO4, ottenuto per azione dell'acido solforico sul metallo, cristallizza con sette molecole di acqua (vetriolo bianco). È un disinfettante. I sali di zinco sono incolori o bianchi. Le loro soluzioni forniscono con gli alcali un precipitato bianco di idrossido, solubile in un eccesso di reattivo. Il solfuro di ammonio produce un precipitato di solfuro bianco.



Queste proprietà sono particolarmente importanti poiché vengono ereditate dalle leghe Zama, essendo costituite per la maggior parte da zinco iperpuro.



Derivati organometallici:

i primi derivati organici dello zinco, come il dimetilzinco e il dietilzinco, vennero ottenuti nel 1849 da Frankland. Si conoscono gli zincoalchili del tipo ZnR4, in cui R è un residuo idrocarburico e gli alogenuri di alchil- o arilzinco, come gli ioduri di alchilzinco R—ZnI. Gli zincoalchili sono liquidi di odore sgradevole, vescicanti; sono in generale molto facilmente infiammabili all'aria e possono essere manipolati solo in una corrente di gas inerti, come l'azoto. Vengono preparati facendo reagire lo zinco, puro o in lega, con uno ioduro alchilico. Lo ioduro di alchilzinco, che si forma come intermedio, si decompone, per aumento della temperatura, nello zincoalchile generando ioduro di zinco. Il dimetilzinco, di formula Zn(CH3)2, e il dietilzinco, di formula Zn(CH2H5)2, bollono rispettivamente a 46 °C e a 118 °C.



Metallurgia:

sembra che in Cina lo zinco fosse già noto dai tempi più antichi. In Europa leghe di zinco col rame (ottone, oricalco) furono usate antecedentemente al I millennio a.C., ma lo zinco come elemento metallico fu preparato da Marggraf nel 1746. Il procedimento industriale di estrazione dello zinco dai suoi minerali ebbe inizio attorno al 1800 in Slesia. Per l'estrazione del metallo si sfruttano due gruppi di minerali:



q i minerali tipo calamina (metasilicato idrato di zinco);

q i minerali tipo blenda (solfuro di zinco) nei quali il tenore di zinco è generalmente del 40- 50%.



Essendo i minerali di zinco generalmente associati con minerali di piombo è necessario l'arricchimento preventivo del minerale che si effettua per separazione magnetica e flottazione. Per facilitare la separazione delle parti utili da quelle sterili si addiziona olio o acido solforico diluito che, attaccando superficialmente il minerale, provoca una liberazione di gas che favorisce la flottazione.



Processi di estrazione:

A seconda dei paesi e della composizione dei minerali vengono seguiti due diversi processi di estrazione:



q Processo termico: In una prima fase si ottiene ossido di zinco, per decomposizione del silicato (calamina) mediante riscaldamento a modesta temperatura, oppure per arrostimento della blenda a 900 ºC circa. Una successiva fase porta al metallo, per riduzione dell'ossido con carbone. L'operazione (attualmente eseguita in storte verticali o in forni a tino) deve essere compiuta a una temperatura superiore a quella di ebollizione dello zinco (906 °C) al fine di separare il metallo dalle impurezze per distillazione (salvo che dal cadmio, più volatile). Lo zinco viene raccolto allo stato liquido a una temperatura di 500 °C circa. La parte di zinco che verrebbe perduta per fughe di vapore viene recuperata in uno spegnitoio. Il metallo così ottenuto contiene, come impurezze principali, cadmio, piombo, rame, ferro. Esso viene affinato per rifusione in un forno a riverbero ottenendo una purezza del 99%; per successiva distillazione frazionata si raggiunge il 99,99%.

q Processo per via umida: Il minerale (blenda) concentrato, finemente macinato e arrostito a bassa temperatura, viene immesso in una soluzione di acido solforico; mediante opportune reazioni chimiche vengono quindi eliminati il ferro, il cadmio e il rame. La soluzione purificata viene sottoposta all'elettrolisi con un anodo insolubile di piombo e un catodo costituito da una lastrina di alluminio. Lo zinco elettrolitico viene quindi separato dal supporto di alluminio e fuso in un forno a riverbero. Con tale metodo lo zinco ha una purezza del 99,995%.



Alcune applicazioni:

in ragione della sua inalterabilità all'aria lo zinco è utilizzato in piastre o in fogli per la copertura di tetti; allo stato di fogli o di lamiere viene anche impiegato nelle arti grafiche e nelle pile a secco. Allo stato di getto fuso serve alla fabbricazione di oggetti vari che vengono poi rivestiti per galvanoplastica da una speciale lega che conferisce loro l'aspetto di bronzi d'arte. Lo zinco ha un'efficace azione protettiva sul ferro e sull'acciaio esposti in determinati ambienti, come acqua, vapore acqueo, sostanze organiche, solventi benzenici o clorati. Tale protezione viene realizzata mediante vari procedimenti.



Leghe dello zinco

lo zinco entra nella composizione di numerose leghe di rame: ottoni, bronzi speciali.

Lo zinco è il costituente principale delle leghe Zama.