ОКСИД ЦИНКА (ZNO): СТРУКТУРА, СВОЙСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ, РИСКИ - ХИМИЯ

Оксид цинка представляет собой неорганическое соединение с химической формулой ZnO. Он состоит исключительно из ионов Zn ²⁺ и O ^2- в соотношении 1: 1; однако в его кристаллической решетке может присутствовать вакансия O ² , что приводит к структурным дефектам, способным изменять цвет его синтетических кристаллов.

Он коммерчески приобретается в виде порошкообразного белого твердого вещества (нижнее изображение), которое получают непосредственно в результате окисления металлического цинка французским способом; или подвергая цинковые руды карботермическому восстановлению таким образом, чтобы их пары затем окислялись и в конечном итоге затвердевали.

Стекло для часов с оксидом цинка. Источник: Адам Рендзиковски

Другие методы получения ZnO состоят в осаждении его гидроксида Zn (OH) ₂ из водных растворов солей цинка. Точно так же морфологически различные тонкие пленки или наночастицы ZnO могут быть синтезированы с помощью более сложных методов, таких как химическое осаждение его паров.

Этот оксид металла встречается в природе как минерал цинкит, кристаллы которого обычно желтого или оранжевого цвета из-за металлических примесей. Кристаллы ZnO характеризуются тем, что они пьезоэлектрические, термохромные, люминесцентные, полярные, а также имеют очень широкий диапазон энергий в своих полупроводниковых свойствах.

Структурно он изоморфен сульфиду цинка ZnS, принимая гексагональные и кубические кристаллы, аналогичные кристаллам вюрцита и обманки, соответственно. В них присутствует определенный ковалентный характер во взаимодействиях между Zn ²⁺ и O ^2- , что вызывает неоднородное распределение зарядов в кристалле ZnO.

Исследования свойств и использования ZnO распространяются на области физики, электроники и биомедицины. Его простейшее и повседневное использование остается незамеченным в составе кремов для лица и средств личной гигиены, а также в солнцезащитных кремах.

Структура

Полиморфы

ZnO кристаллизуется при нормальных условиях давления и температуры в гексагональной структуре вюрцита. В этой структуре ионы Zn ²⁺ и O ^2- расположены чередующимися слоями таким образом, что каждый из них оказывается окруженным тетраэдром с ZnO ₄ или OZn ₄ соответственно.

Также, используя «шаблон» или кубическую основу, ZnO может кристаллизоваться в кубическую структуру цинковой обманки; которые, как и вюрцит, соответствуют изоморфным структурам (идентичным в пространстве, но с разными ионами) сульфида цинка ZnS.

Помимо этих двух структур (вюрцита и обманки), ZnO под высоким давлением (около 10 ГПа) кристаллизуется в структуре каменной соли, такой же, как и у NaCl.

взаимодействия

Взаимодействия между Zn ²⁺ и O ^2- имеют определенный ковалентный характер, для которого имеется частично ковалентная связь Zn-O (оба атома с sp ^3- гибридизацией ), а из-за искажения тетраэдров они проявляют момент диполь, который увеличивает ионное притяжение кристаллов ZnO.

Обманка (слева) и вюрцит (справа) структура ZnO. Источник: Габриэль Боливар.

У вас есть верхнее изображение для визуализации тетраэдров, упомянутых для структур ZnO.

Разница между структурами бленды и вюрцита также заключается в том, что при взгляде сверху ионы не затмеваются. Например, в вюрците белые сферы (Zn ²⁺ ) видны чуть выше красных сфер (O ^2- ). С другой стороны, в структуре кубической обманки это не так, потому что здесь три слоя: A, B и C вместо двух.

Морфология наночастиц

Хотя кристаллы ZnO обычно имеют гексагональную структуру вюрцита, морфология их наночастиц - это совсем другое дело. В зависимости от параметров и методов синтеза они могут принимать такие разнообразные формы, как стержни, пластины, листья, сферы, цветы, ленты, иглы и другие.

Свойства

Внешность

Белое порошкообразное твердое вещество без запаха с горьким вкусом. В природе он может быть кристаллизован с металлическими примесями, такими как минерал цинкит. Если такие кристаллы белые, они проявляют термохромизм, а это значит, что при нагревании они меняют свой цвет: с белого на желтый.

Точно так же его синтетические кристаллы могут иметь красноватый или зеленоватый цвет в зависимости от их стехиометрического кислородного состава; Другими словами, зазоры или вакансии, вызванные недостатком анионов O ^2-, напрямую влияют на способ взаимодействия света с ионными сетками.

Молярная масса

81,406 г / моль

Температура плавления

1974 ° С. При этой температуре он подвергается термическому разложению с выделением паров цинка и молекулярного или газообразного кислорода.

плотность

5,1 г / см ³

Растворимость воды

ZnO практически нерастворим в воде, практически не образуя растворов с концентрацией 0,0004% при 18ºC.

Амфотеризм

ZnO может реагировать как с кислотами, так и с основаниями. Когда он реагирует с кислотой в водном растворе, его растворимость увеличивается за счет образования растворимой соли, в которой Zn ²⁺ образует комплекс с молекулами воды: ²⁺ . Например, он реагирует с серной кислотой с образованием сульфата цинка:

ZnO + H ₂ SO ₄ → ZnSO ₄ + H ₂ O

Точно так же он реагирует с жирными кислотами с образованием их соответствующих солей, таких как стеарат цинка и пальмитат.

А когда он вступает в реакцию с основанием, в присутствии воды образуются соли цинка:

ZnO + 2NaOH + H ₂ O → Na ₂

Теплоемкость

40,3 Дж / К моль

Прямой энергетический разрыв

3,3 эВ. Это значение делает его широкополосным полупроводником, способным работать в сильных электрических полях. Он также имеет характеристики полупроводника n-типа, что не объясняет, почему в его структуре имеется дополнительный запас электронов.

Этот оксид отличается своими оптическими, акустическими и электронными свойствами, благодаря чему он считается кандидатом для потенциальных применений, связанных с разработкой оптоэлектронных устройств (сенсоры, лазерные диоды, фотоэлектрические элементы). Причина таких свойств выходит за рамки физики.

Приложения

Лекарственные

Оксид цинка используется в качестве добавки во многие белые кремы для лечения раздражений кожи, угрей, дерматитов, ссадин и трещин. В этой области его используют для снятия раздражения кожи младенцев, вызванного пеленками.

Точно так же он входит в состав солнцезащитных кремов, потому что вместе с наночастицами диоксида титана, TiO ₂ , он помогает блокировать солнечное ультрафиолетовое излучение. Точно так же он действует как загуститель, поэтому он содержится в некоторых легких косметических средствах. лосьоны, эмали, пудры и мыло.

С другой стороны, ZnO является источником цинка, который используется в пищевых добавках и витаминных продуктах, а также в злаках.

антибактериальный

В зависимости от морфологии наночастиц ZnO может активироваться ультрафиолетовым излучением с образованием перекиси водорода или реактивных частиц, которые ослабляют клеточные мембраны микроорганизмов.

Когда это происходит, оставшиеся наночастицы ZnO бороздят цитоплазму и начинают взаимодействовать с компендиумом биомолекул, составляющих клетку, что приводит к их апоптозу.

Вот почему не все наночастицы можно использовать в солнцезащитных композициях, а только те, которые не обладают антибактериальной активностью.

Продукты с этим типом ZnO предназначены, покрытые растворимыми полимерными материалами, для лечения инфекций, ран, язв, бактерий и даже диабета.

Пигменты и покрытия

Пигмент, известный как белый цинк, - это ZnO, который добавляют в различные краски и покрытия для защиты металлических поверхностей, на которые они нанесены, от коррозии. Например, покрытия с добавлением ZnO используются для защиты оцинкованного железа.

С другой стороны, эти покрытия также использовались на оконном стекле, чтобы предотвратить проникновение тепла (если оно снаружи) или проникновение (если оно внутри). Точно так же он защищает некоторые полимерные и текстильные материалы от разрушения под действием солнечного излучения и тепла.

Биоизображения

Люминесценция наночастиц ZnO изучалась для использования в биоимиджинге, таким образом изучая внутренние структуры клеток с помощью излучаемого синего, зеленого или оранжевого света.

Добавка

ZnO также находит применение в качестве добавки в каучуки, цементы, средства для ухода за зубами, стекло и керамику из-за его более низкой температуры плавления и, следовательно, поведения в качестве флюса.

Средство для удаления сероводорода

ZnO удаляет неприятные газы H ₂ S, способствуя обессериванию некоторых паров газа:

ZnO + H ₂ S → ZnS + H ₂ O

риски

Оксид цинка как таковой является нетоксичным и безвредным соединением, поэтому осторожное обращение с его твердым веществом не представляет никакого риска.

Однако проблема заключается в его дыме, потому что, хотя он разлагается при высоких температурах, пары цинка в конечном итоге загрязняют легкие и вызывают своего рода «металлическую лихорадку». Для этого заболевания характерны такие симптомы, как кашель, лихорадка, чувство стеснения в груди и постоянный металлический привкус во рту.

Он также не является канцерогенным, а кремы, содержащие его, не увеличивают абсорбцию цинка кожей, поэтому солнцезащитные кремы на основе ZnO считаются безопасными; если нет аллергических реакций, в этом случае его использование следует прекратить.

Что касается определенных наночастиц, предназначенных для борьбы с бактериями, они могут иметь негативные последствия, если они не будут правильно транспортироваться к месту их действия.

Ссылки

Шивер и Аткинс. (2008). Неорганическая химия . (Четвертое издание). Мак Гроу Хилл.
Wikipedia. (2019). Оксид цинка. Получено с: en.wikipedia.org
Хадис Моркоч и Юмит Озгур. (2009). Оксид цинка: основы, материалы и технология устройств. . Получено с: application.wiley-vch.de
Парихар, М. Раджа и Р. Паулоз. (2018). Краткий обзор структурных, электрических и электрохимических свойств наночастиц оксида цинка. . Восстановлено с: ipme.ru
А. Родный и И. В. Ходюк. (2011). Оптические и люминесцентные свойства оксида цинка. Получено с: arxiv.org
Сиддики, К.С., Ур Рахман, А., Таджуддин, и Хусен, А. (2018). Свойства наночастиц оксида цинка и их активность в отношении микробов. Письма о наномасштабных исследованиях, 13 (1), 141. doi: 10.1186 / s11671-018-2532-3
Факты о химической безопасности. (2019). Оксид цинка. Получено с: chemicalsafetyfacts.org
Цзиньхуань Цзян, Цзян Пи и Цзие Цай. (2018). Продвижение наночастиц оксида цинка для биомедицинских приложений. Биоинорганическая химия и приложения, т. 2018, ID статьи 1062562, 18 стр. doi.org/10.1155/2018/1062562

ОКСИД ЦИНКА (ZNO): СТРУКТУРА, СВОЙСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ, РИСКИ - ХИМИЯ - 2026