ЦИНК: ИСТОРИЯ, СВОЙСТВА, СТРУКТУРА, РИСКИ, ПРИМЕНЕНИЕ - ХИМИЯ - 2025

Цинка представляет собой переходный металл , принадлежащий к группе 12 периодической таблицы и представлена химическим символом Zn. Это 24-й элемент земной коры, содержащийся в серных минералах, таких как сфалерит, или карбонатах, таких как смитсонит.

Это металл, широко известный в популярной культуре; например, цинковые крыши и добавки для регулирования мужских гормонов. Он содержится во многих продуктах питания и является важным элементом бесчисленных метаболических процессов. Его умеренное потребление дает несколько преимуществ по сравнению с отрицательными эффектами его избытка в организме.

Крыша из цинкового сплава в Музее Риверсайд. Источник: Эоин

Цинк был известен задолго до того, как его стали серебристого цвета стали гальванизировать и другие металлы. Латунь - это сплав меди и цинка различного состава, который на протяжении тысячелетий был частью исторических объектов. Сегодня его золотистый цвет часто можно увидеть на некоторых музыкальных инструментах.

Аналогичным образом, это металл, из которого изготавливаются щелочные батареи, поскольку его понижающая мощность и легкость отвода электронов делают его хорошим вариантом в качестве анодного материала. Его основное применение - гальванизация стали, покрытие ее слоем цинка, который окисляется или жертвует собой, чтобы предотвратить последующую коррозию находящегося под ним железа.

В производных соединениях он почти всегда имеет степень окисления или состояние +2. Следовательно, ион Zn ²⁺ считается окруженным молекулярным или ионным окружением. Хотя Zn ²⁺ представляет собой кислоту Льюиса, которая может вызывать проблемы внутри клеток, в координации с другими молекулами, он положительно взаимодействует с ферментами и ДНК.

Таким образом, цинк является важным кофактором многих металлоферментов. Несмотря на его чрезвычайно важную биохимию и блеск зеленоватых вспышек и пламени при горении, в мире науки он считается «скучным» металлом; так как его свойства не имеют привлекательности других металлов, а также его температура плавления значительно ниже, чем у них.

История

Античность

С цинком манипулировали тысячи лет; но незаметно, поскольку древние цивилизации, включая персов, римлян, трансильванцев и греков, уже создавали предметы, монеты и медное оружие.

Поэтому латунь - один из старейших известных сплавов. Они приготовили его из минерала каламина, Zn ₄ Si ₂ O ₇ (OH) ₂ · H ₂ O, который измельчили и нагрели в присутствии шерсти и меди.

Во время процесса небольшое количество металлического цинка, которое могло образоваться, улетучилось в виде пара, что на долгие годы задержало его идентификацию как химический элемент. Со временем содержание цинка в латуни и других сплавах увеличилось, и они стали более сероватыми.

В четырнадцатом веке в Индии уже успели произвести металлический цинк, который они назвали Джасада, а затем продавали его в Китай.

И поэтому алхимики смогли приобрести его для проведения своих экспериментов. Известный исторический деятель Парацельс назвал его «цинкум», возможно, из-за сходства кристаллов цинка с зубами. Мало-помалу, среди других названий и различных культур, название «цинк» стало для этого металла свертываться.

Изоляция

Хотя Индия уже производила металлический цинк с 1300-х годов, это произошло благодаря методу, при котором каламин использовался с шерстью; следовательно, это не был металлический образец значительной чистоты. Уильям Чэмпион усовершенствовал этот метод в 1738 году, Великобритания, используя вертикальную ретортную печь.

В 1746 году немецкий химик Андреас Сигизмунд Маргграф «впервые» получил образец чистого цинка путем нагревания каламина в присутствии древесного угля (лучшего восстановителя, чем шерсть) в емкости с медью. Этот способ производства цинка коммерчески развивался параллельно с компанией Champion.

Позже были разработаны процессы, которые, наконец, стали независимыми от каламина, вместо этого использовался оксид цинка; Другими словами, очень похож на нынешний пирометаллургический процесс. Печи также улучшились, давая возможность производить все большее количество цинка.

До того времени еще не было приложений, которые требовали бы огромного количества цинка; но это изменилось с участием Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта, которые уступили место концепции гальванизации. Вольта также придумал так называемый гальванический элемент, и вскоре цинк стал частью конструкции сухих элементов.

Физические и химические свойства

Внешность

Это сероватый металл, обычно доступный в виде гранул или порошка. Он физически слаб, поэтому не является хорошим выбором для приложений, где он должен поддерживать тяжелые объекты.

Точно так же он хрупкий, хотя при нагревании выше 100 ºC становится ковким и пластичным; до 250 ºC, температура, при которой он становится хрупким и снова может распыляться.

Молярная масса

65,38 г / моль

Атомный номер (Z)

30

Температура плавления

419,53 ° С. Эта низкая температура плавления указывает на его слабую металлическую связь. В расплавленном состоянии он похож на жидкий алюминий.

Точка кипения

907 ºC

температура самовоспламенения

460 ºC

плотность

-7,14 г / мл при комнатной температуре

-6,57 г / мл при температуре плавления, то есть только при плавлении или плавлении

Теплота плавления

7,32 кДж / моль

Теплота испарения

115 кДж / моль

Молярная теплоемкость

25,470 Дж / (моль К)

Электроотрицательность

1,65 по шкале Полинга

Энергии ионизации

-Первый: 906,4 кДж / моль (Zn ⁺ газ)

-Второй: 1733,3 кДж / моль (Zn ²⁺ газообразный)

-Третий: 3833 кДж / моль (Zn ^{3+ в} газообразном состоянии)

Атомное радио

Эмпирический 134 вечера

Ковалентный радиус

122 ± 4 вечера

Твердость по Моосу

2.5. Это значение значительно ниже по сравнению с твердостью других переходных металлов, то есть вольфрама.

Магнитный заказ

Диамагнитный

Теплопроводность

116 Вт / (м · К)

Удельное электрическое сопротивление

59 нОм при 20 ° C

Растворимость

Он нерастворим в воде, пока его защищает оксидный слой. Как только он удаляется под действием кислоты или основания, цинк вступает в реакцию с водой с образованием водного комплекса Zn (OH ₂ ) ₆ ²⁺ , помещая Zn ²⁺ в центр ограниченного октаэдра. молекулами воды.

Разложение

Когда он горит, он может выделять в воздух токсичные частицы ZnO. При этом наблюдается зеленоватое пламя и тлеющий свет.

Химические реакции

Взаимодействие цинка и серы внутри тигля, при котором ощущается зеленовато-синий цвет пламени. Источник: Эоин

Цинк - химически активный металл. При комнатной температуре он может быть покрыт не только оксидным слоем, но и основным карбонатом Zn ₅ (OH) ₆ (CO ₃ ) ₂ или даже серой ZnS. Когда этот слой различного состава разрушается под действием кислоты, металл реагирует:

Zn (т) + H ₂ SO ₄ (водн.) → Zn ²⁺ (водн.) + SO ₄ ^2- (водн.) + H ₂ (г)

Химическое уравнение, соответствующее его реакции с серной кислотой и:

Zn (s) + 4 HNO ₃ (водн.) → Zn (NO ₃ ) ₂ (водн.) + 2 NO ₂ (г) + 2 H ₂ O (л)

С соляной кислотой. В обоих случаях, хотя и не написано, водный комплекс Zn (OH ₂ ) ₆ ^{2+ присутствует} ; кроме случаев, когда среда является основной, поскольку она осаждается в виде гидроксида цинка, Zn (OH) ₂ :

Zn ²⁺ (водн.) + 2OH ^- (водн.) → Zn (OH) ₂ (т)

Это белый аморфный амфотерный гидроксид, способный продолжать реагировать с большим количеством ионов OH ^- :

Zn (OH) ₂ (т) + 2OH ^- (водн.) → Zn (OH) ₄ ^2- (водн.)

Zn (OH) ₄ ^2- представляет собой анион цинката. Фактически, когда цинк реагирует с таким сильным основанием, как концентрированный NaOH, непосредственно образуется комплекс цинката натрия, Na ₂ :

Zn (т) + 2NaOH (водн.) + 2H ₂ O (л) → Na ₂ (водн.) + H ₂ (г)

Точно так же цинк может реагировать с неметаллическими элементами, такими как галогены в газообразном состоянии или сера:

Zn (т) + I ₂ (г) → ZnI ₂ (т)

Zn (s) + S (s) → ZnS (s) (верхнее изображение)

Изотопы

Цинк существует в природе в виде пяти изотопов: ⁶⁴ Zn (49,2%), ⁶⁶ Zn (27,7%), ⁶⁸ Zn (18,5%), ⁶⁷ Zn (4%) и ⁷⁰ Zn (0,62 %). %). Остальные синтетические и радиоактивные.

Структура и электронная конфигурация

Атомы цинка кристаллизуются в компактную, но искаженную гексагональную структуру (ГПУ), являющуюся продуктом их металлической связи. Валентные электроны, которые управляют такими взаимодействиями, в зависимости от электронной конфигурации принадлежат 3d- и 4s-орбиталям:

3д ¹⁰ 4с ²

Обе орбитали полностью заполнены электронами, поэтому их перекрытие не очень эффективно, даже когда ядра цинка оказывают на них силу притяжения.

Следовательно, атомы Zn не очень связаны, что отражается в их низкой температуре плавления (419,53 ºC) по сравнению с другими переходными металлами. Фактически, это характеристика металлов 12 группы (наряду с ртутью и кадмием), поэтому они иногда задаются вопросом, действительно ли их следует считать элементами блока d.

Несмотря на то, что орбитали 3d и 4s заполнены, цинк является хорошим проводником электричества; следовательно, его валентные электроны могут «прыгать» в зону проводимости.

Числа окисления

Цинк не может потерять свои двенадцать валентных электронов или иметь степень окисления или состояние +12, если предположить, что существует катион Zn ¹²⁺ . Вместо этого он теряет только два своих электрона; особенно те из 4s орбитали, которые ведут себя аналогично щелочноземельным металлам (г-н Бекамбара).

Когда это происходит, говорят, что цинк участвует в соединении со степенью окисления или состоянием +2; то есть в предположении существования катиона Zn ²⁺ . Например, в оксиде ZnO цинк имеет эту степень окисления (Zn ²⁺ O ^2- ). То же самое относится и ко многим другим соединениям, поскольку приходит к выводу, что существует только Zn (II).

Однако есть также Zn (I) или Zn ⁺ , который потерял только один из электронов с 4s-орбитали. Другая возможная степень окисления цинка - 0 (Zn ⁰ ), где его нейтральные атомы взаимодействуют с газообразными или органическими молекулами. Следовательно, его можно представить как Zn ²⁺ , Zn ⁺ или Zn ⁰ .

Как это получается

Ингредиенты

Образец минерала сфалерит из Румынии. Источник: Джеймс Сент-Джон

Цинк находится на двадцать четвертой позиции среди самых распространенных элементов земной коры. Обычно он содержится в минералах серы, распространенных по всей планете.

Чтобы получить металл в чистом виде, сначала необходимо собрать породы, расположенные в подземных туннелях, и сконцентрировать минералы, богатые цинком, которые представляют собой истинное сырье.

К этим минералам относятся: сфалерит или вюрцит (ZnS), цинкит (ZnO), виллемит (Zn ₂ SiO ₄ ), смитсонит (ZnCO ₃ ) и ганит (ZnAl ₂ O ₄ ). Сфалерит на сегодняшний день является основным источником цинка.

Кальцинирование

После того, как минерал был сконцентрирован после процесса флотации и очистки горных пород, его необходимо прокалить, чтобы превратить сульфиды в соответствующие им. На этом этапе минерал просто нагревается в присутствии кислорода, в результате чего возникает следующая химическая реакция:

2 ZnS (тв) + 3 O ₂ (г) → 2 ZnO (тв) + 2 SO ₂ (г)

SO ₂ также реагирует с кислородом с образованием SO ₃ , соединения, предназначенного для синтеза серной кислоты.

После получения ZnO его можно подвергнуть пирометаллургическому процессу или электролизу, конечным результатом которого является образование металлического цинка.

Пирометаллургический процесс

ZnO восстанавливается с использованием угля (минерального или коксующегося) или оксида углерода:

2 ZnO (тв) + C (тв) → 2 Zn (г) + CO ₂ (г)

ZnO (т) + CO (г) → Zn (г) + CO ₂ (г)

Трудность, с которой сталкивается этот процесс, заключается в образовании газообразного цинка из-за его низкой температуры кипения, которая преодолевается высокими температурами печи. Поэтому пары цинка необходимо перегонять и отделять от других газов, а их кристаллы конденсируются на расплавленном свинце.

Электролитический процесс

Из двух методов получения этот наиболее широко используется во всем мире. ZnO реагирует с разбавленной серной кислотой, выщелачивая ионы цинка в виде его сульфатной соли:

ZnO (т) + H ₂ SO ₄ (водн.) → ZnSO ₄ (водн.) + H ₂ O (л)

Наконец, этот раствор подвергается электролизу с образованием металлического цинка:

2 ZnSO ₄ (водн.) + 2 H ₂ O (l) → 2 Zn (s) + 2 H ₂ SO ₄ (водн.) + O ₂ (г)

риски

В подразделе, посвященном химическим реакциям, упоминалось, что газообразный водород является одним из основных продуктов реакции цинка с водой. Вот почему в металлическом состоянии он должен храниться надлежащим образом и вне досягаемости кислот, щелочей, воды, серы или любых источников тепла; в противном случае существует опасность возгорания.

Чем более мелко разделен цинк, тем выше риск возгорания или даже взрыва.

В противном случае, пока температура не приближается к 500 ºC, его твердая или гранулированная форма не представляет никакой опасности. Если он покрыт слоем оксида, с ним можно обращаться голыми руками, так как он не вступает в реакцию с их влажностью; однако, как и любое твердое вещество, он раздражает глаза и дыхательные пути.

Хотя цинк необходим для здоровья, его превышение может вызвать следующие симптомы или побочные эффекты:

- Тошнота, рвота, несварение желудка, головные боли и желудок или диарея.

- Он вытесняет медь и железо во время их всасывания в кишечнике, что проявляется в усилении слабости в конечностях.

- Камни в почках.

- Потеря обоняния.

Приложения

- Металл

сплавы

Многие музыкальные инструменты сделаны из латуни, сплава меди и цинка. Источник: Pxhere.

Возможно, цинк - один из металлов, наряду с медью, который образует самые популярные сплавы: латунь и гальваническое железо. Медь неоднократно наблюдалась во время выступления музыкального оркестра, поскольку золотое сияние инструментов частично связано с упомянутым сплавом меди и цинка.

Металлический цинк не находит широкого применения, хотя в свернутом виде он служит анодом для сухих элементов, а в виде порошка он предназначен в качестве восстановителя. Когда слой этого металла электроосажден на другом, первый защищает последний от коррозии, поскольку он более подвержен окислению; то есть цинк окисляется раньше железа.

Вот почему стали оцинкованы (покрыты цинком) для увеличения их прочности. Примеры этих оцинкованных сталей также присутствуют в бесконечных «цинковых» крышах, некоторые из которых покрыты слоем зеленой краски, а также в кузовах автобусов, домашней утвари и подвесных мостах.

Существует также алюмоцинк, алюминиево-цинковый сплав, используемый в гражданском строительстве.

Восстановитель

Цинк является хорошим восстановителем, поэтому он теряет свои электроны, чтобы их могли получить другие вещества; особенно катион металла. В форме порошка его восстанавливающее действие даже быстрее, чем у твердых гранул.

Он используется в процессах получения металлов из минералов; такие как родий, серебро, кадмий, золото и медь.

Аналогичным образом, его восстанавливающее действие используется для уменьшения количества органических веществ, которые могут быть задействованы в нефтяной промышленности, например, бензола и бензина, или в фармацевтической промышленности. С другой стороны, цинковая пыль также находит применение в щелочных батареях из диоксида цинка и марганца.

Разное

Цинковая пыль, учитывая ее реакционную способность и более энергичное горение, находит применение в качестве добавки в спичечных головках, во взрывчатых веществах и фейерверках (они придают белые вспышки и зеленоватое пламя).

- Соединения

Сульфид

Часы с фосфоресцентной краской на стрелках и часах. Источник: Фрэнсис Флинч

Сульфид цинка имеет свойство быть фосфоресцирующим и люминесцентным, поэтому его используют в производстве светящихся красок.

Окись

Белый цвет его оксида, а также его полупроводимость и фотопроводимость используются в качестве пигмента для керамики и бумаги. Кроме того, он присутствует в тальке, косметике, каучуках, пластике, тканях, лекарствах, чернилах и эмалях.

Пищевая добавка

Нашему организму нужен цинк для выполнения многих жизненно важных функций. Чтобы получить его, его добавляют в некоторые пищевые добавки в виде оксида, глюконата или ацетата. Он также присутствует в кремах для снятия ожогов и раздражений кожи, а также в шампунях.

Некоторые известные или связанные с приемом цинка преимущества:

- Улучшает иммунную систему.

- Это хорошее противовоспалительное средство.

- Уменьшает раздражающие симптомы простуды.

- Предотвращает повреждение клеток сетчатки, поэтому рекомендуется для зрения.

- Он помогает регулировать уровень тестостерона, а также связан с фертильностью мужчин, качеством их спермы и развитием мышечной ткани.

- Регулирует взаимодействие между нейронами мозга, поэтому это связано с улучшением памяти и обучения.

-А также он эффективен при лечении диареи.

Эти добавки с цинком доступны в продаже в виде капсул, таблеток или сиропов.

Биологическая роль

Карбоангидраза и карбоксипептидаза

Считается, что цинк входит в состав 10% всех ферментов в организме человека, примерно 300 ферментов. Среди них можно упомянуть карбоангидразу и карбоксипептидазу.

Карбоангидраза, цинк-зависимый фермент, действует на тканевом уровне, катализируя реакцию углекислого газа с водой с образованием бикарбоната. Когда бикарбонат достигает легких, фермент меняет реакцию и образуется двуокись углерода, которая выбрасывается наружу во время выдоха.

Карбоксипептидаза - это экзопептидаза, которая переваривает белки с высвобождением аминокислот. Цинк обеспечивает положительный заряд, который облегчает взаимодействие фермента с перевариваемым белком.

В функционировании простаты

Цинк присутствует в различных органах человеческого тела, но наибольшая его концентрация в простате и в сперме. Цинк отвечает за правильное функционирование простаты и развитие мужских репродуктивных органов.

Цинковые пальцы

Цинк участвует в метаболизме РНК и ДНК. Цинковые пальцы (Zn-пальцы) состоят из атомов цинка, которые служат связующими мостами между белками, которые вместе участвуют в различных функциях.

Цинковые пальцы полезны при чтении, письме и транскрипции ДНК. Кроме того, существуют гормоны, которые используют их в функциях, связанных с гомеостазом роста по всему телу.

В регуляции глутамата

Глутамат является основным возбуждающим нейротрансмиттером в коре головного мозга и стволе мозга. Цинк накапливается в глутаминергических пресинаптических везикулах, участвуя в регуляции высвобождения глутамата нейротрансмиттера и в возбудимости нейронов.

Есть свидетельства того, что чрезмерное высвобождение нейротрансмиттера глутамата может иметь нейротоксическое действие. Поэтому существуют механизмы, регулирующие его высвобождение. Таким образом, гомеостаз цинка играет важную роль в функциональной регуляции нервной системы.

Ссылки

1. Шивер и Аткинс. (2008). Неорганическая химия . (Четвертое издание). Мак Гроу Хилл.
2. Wikipedia. (2019). Цинк. Получено с: en.wikipedia.org
3. Майкл Пилгаард. (2016, 16 июля). Цинк: химические реакции. Получено с: pilgaardelements.com
4. Национальный центр биотехнологической информации. (2019). Цинк. База данных PubChem. CID = 23994. Получено с: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Воджес Райан. (25 июня 2019 г.). Свойства и использование металлического цинка. Получено с: thebalance.com
6. Г-н Кевин А. Будро. (SF). Цинк + сера. Получено с: angelo.edu
7. Алан В. Ричардс. (12 апреля 2019 г.). Обработка цинка. Encyclopdia Britannica. Получено с: britannica.com
8. Металлы цинка чистоты. (2015). Промышленные приложения. Получено с: purityzinc.com
9. Нордквист, Дж. (5 декабря 2017 г.). Каковы преимущества цинка для здоровья? Медицинские новости сегодня. Получено с: medicalnewstoday.com