TLENEK CYNKU (ZNO): BUDOWA, WŁAŚCIWOŚCI, ZASTOSOWANIA, ZAGROŻENIA - CHEMIA - 2025

Tlenek cynku jest nieorganiczny związek o wzorze chemicznym ZnO. Składa się wyłącznie z jonów Zn ²⁺ i O ^2- w stosunku 1: 1; jednakże jego sieć krystaliczna może wykazywać pustkę O ² , co powoduje defekty strukturalne zdolne do zmiany kolorów jej syntetycznych kryształów.

Jest on pozyskiwany w handlu w postaci sproszkowanej białej substancji stałej (dolna ilustracja), która jest wytwarzana bezpośrednio z utleniania metalicznego cynku w procesie francuskim; lub poddawanie rud cynku redukcji karbotermicznej w taki sposób, że ich opary utleniają się i zestalają.

Szkło zegarkowe z tlenkiem cynku. Źródło: Adam Rędzikowski

Inne metody otrzymywania ZnO polegają na wytrącaniu jego wodorotlenku Zn (OH) ₂ z wodnych roztworów soli cynku. Podobnie zróżnicowane morfologicznie cienkie warstwy lub nanocząstki ZnO można zsyntetyzować za pomocą bardziej wyrafinowanych technik, takich jak chemiczne osadzanie jego oparów.

Ten tlenek metalu występuje w naturze jako mineralny cynkit, którego kryształy są zwykle żółte lub pomarańczowe z powodu metalicznych zanieczyszczeń. Kryształy ZnO charakteryzują się tym, że są piezoelektryczne, termochromowe, luminescencyjne, polarne, a także posiadają bardzo szerokie pasmo energii w swoich właściwościach półprzewodnikowych.

Strukturalnie jest izomorficzny z siarczkiem cynku, ZnS, przyjmując sześciokątne i sześcienne kryształy podobne do kryształów wurzitu i blendy. Występuje w nich pewien kowalencyjny charakter w oddziaływaniach między Zn ²⁺ i O ^2- , co powoduje niejednorodny rozkład ładunków w krysztale ZnO.

Badania właściwości i zastosowań ZnO obejmują dziedziny fizyki, elektroniki i biomedycyny. Jego najprostsze i najbardziej codzienne zastosowania pozostają niezauważone w składzie kremów do twarzy i produktów higieny osobistej, a także w kremie przeciwsłonecznym.

Struktura

Polimorfy

ZnO krystalizuje w warunkach normalnego ciśnienia i temperatury w sześciokątnej strukturze wurzytu. W tej strukturze ^jony Zn ²⁺ i O ² są ułożone w naprzemiennych warstwach w taki sposób, że każdy z nich jest otoczony czworościanem, odpowiednio z ZnO ₄ lub OZn ₄ .

Ponadto, stosując „szablon” lub sześcienne podłoże, ZnO można skrystalizować do sześciennej struktury blendy cynku; które, podobnie jak wurzite, odpowiadają izomorficznym strukturom (identycznym w przestrzeni, ale z różnymi jonami) siarczku cynku, ZnS.

Oprócz tych dwóch struktur (wurzite i blende), ZnO pod wysokim ciśnieniem (około 10 GPa) krystalizuje w strukturze soli kamiennej, takiej samej jak struktura NaCl.

Interakcje

Oddziaływania między Zn ²⁺ i O ^2- wykazują pewien charakter kowalencyjny, dla którego występuje częściowo wiązanie kowalencyjne Zn-O (oba atomy z hybrydyzacją sp ³ ), a poprzez zniekształcenie czworościanów manifestują się dipol, który zwiększa jonowe przyciąganie kryształów ZnO.

Struktura blendy (po lewej) i wurzitu (po prawej) ZnO. Źródło: Gabriel Bolívar.

Masz górny obraz do wizualizacji czworościanów wspomnianych dla struktur ZnO.

Różnica między strukturami blendy i wurzite polega również na tym, że widziane z góry jony nie są zaćmione. Na przykład w wurzite białe kule (Zn ²⁺ ) są widoczne tuż nad czerwonymi kulkami (O ^2- ). Z drugiej strony w sześciennej strukturze blendy tak nie jest, ponieważ istnieją trzy warstwy: A, B i C zamiast tylko dwóch.

Morfologia nanocząstek

Chociaż kryształy ZnO mają tendencję do posiadania sześciokątnych struktur wurzitu, morfologia ich nanocząstek to inna historia. W zależności od parametrów i metod syntezy mogą one przybierać różne formy, między innymi pręcików, talerzy, liści, kulek, kwiatów, pasów, igieł.

Nieruchomości

Wygląd fizyczny

Bezwonne, białe pudrowe ciało stałe o gorzkim smaku. W naturze może być krystalizowany, z metalicznymi zanieczyszczeniami, takimi jak minerał cynkitowy. Jeśli takie kryształy są białe, to wykazują termochromizm, co oznacza, że ​​po podgrzaniu zmieniają kolor: z białego na żółty.

Podobnie, jego syntetyczne kryształy mogą mieć czerwonawe lub zielonkawe zabarwienie w zależności od ich stechiometrycznego składu tlenu; innymi słowy, luki lub luki spowodowane brakiem anionów O ² bezpośrednio wpływają na sposób, w jaki światło oddziałuje z sieciami jonowymi.

Masa cząsteczkowa

81,406 g / mol

Temperatura topnienia

1974 ° C W tej temperaturze ulega rozkładowi termicznemu, uwalniając opary cynku i tlen cząsteczkowy lub gazowy.

Gęstość

5,1 g / cm ³

Rozpuszczalność w wodzie

ZnO jest praktycznie nierozpuszczalny w wodzie, prawie nie powodując powstania roztworów o stężeniu 0,0004% w 18ºC.

Amfoterycyzm

ZnO może reagować zarówno z kwasami, jak i zasadami. Kiedy reaguje z kwasem w roztworze wodnym, jego rozpuszczalność wzrasta, tworząc rozpuszczalną sól, w której Zn ²⁺ tworzy kompleksy z cząsteczkami wody: ²⁺ . Na przykład reaguje z kwasem siarkowym, tworząc siarczan cynku:

ZnO + H ₂ SO ₄ → ZnSO ₄ + H ₂ O

Podobnie reaguje z kwasami tłuszczowymi, tworząc ich odpowiednie sole, takie jak stearynian cynku i palmitynian.

A kiedy reaguje z zasadą, w obecności wody powstają sole cynku:

ZnO + 2NaOH + H ₂ O → Na ₂

Pojemność cieplna

40,3 J / K mol

Bezpośrednia przerwa energetyczna

3,3 eV. Ta wartość sprawia, że ​​jest to półprzewodnik szerokopasmowy, zdolny do pracy w warunkach silnego pola elektrycznego. Ma również cechy półprzewodnika typu n, co nie zostało wyjaśnione, dlaczego w jego strukturze znajduje się dodatkowy zapas elektronów.

Tlenek ten wyróżnia się właściwościami optycznymi, akustycznymi i elektronicznymi, dzięki czemu jest uznawany za kandydata do potencjalnych zastosowań związanych z rozwojem urządzeń optoelektronicznych (sensory, diody laserowe, ogniwa fotowoltaiczne). Przyczyna takich właściwości wykracza poza dziedzinę fizyki.

Aplikacje

Leczniczy

Tlenek cynku był stosowany jako dodatek do wielu białych kremów do leczenia podrażnień skóry, trądzików, zapalenia skóry, otarć i pęknięć. W tym obszarze jego stosowanie jest popularne w łagodzeniu podrażnień skóry niemowląt spowodowanych pieluchami.

Podobnie jest składnikiem filtrów przeciwsłonecznych, ponieważ wraz z nanocząsteczkami dwutlenku tytanu TiO ₂ pomaga blokować promieniowanie ultrafioletowe słońca, pełni również rolę zagęszczacza, dlatego występuje w pewnym jasnym makijażu, płyny, emalie, pudry i mydła.

Z drugiej strony ZnO jest źródłem cynku używanego w suplementach diety i produktach witaminowych, a także w zbożach.

Przeciwbakteryjny

Zgodnie z morfologią jego nanocząstek, ZnO może być aktywowany pod wpływem promieniowania ultrafioletowego w celu wytworzenia nadtlenków wodoru lub reaktywnych form osłabiających błony komórkowe mikroorganizmów.

Kiedy to nastąpi, pozostałe nanocząsteczki ZnO brudzą cytoplazmę i zaczynają oddziaływać z kompendium biocząsteczek tworzących komórkę, powodując ich apoptozę.

Dlatego nie wszystkie nanocząsteczki można stosować w kompozycjach przeciwsłonecznych, ale tylko te, które nie mają działania przeciwbakteryjnego.

Produkty z tym rodzajem ZnO są przeznaczone, pokryte rozpuszczalnymi materiałami polimerowymi, do leczenia infekcji, ran, wrzodów, bakterii, a nawet cukrzycy.

Pigmenty i powłoki

Pigment znany jako biały cynk to ZnO, który jest dodawany do różnych farb i powłok w celu ochrony metalowych powierzchni, na które są nakładane, przed korozją. Na przykład powłoki z dodatkiem ZnO są używane do ochrony galwanizowanego żelaza.

Z drugiej strony powłoki te zostały również zastosowane na szkle okiennym, aby zapobiec przenikaniu ciepła (jeśli jest na zewnątrz) lub wnikaniu (jeśli jest wewnątrz). Podobnie chroni niektóre materiały polimerowe i tekstylne przed zniszczeniem w wyniku działania promieniowania słonecznego i ciepła.

Bioobrazki

Luminescencję nanocząstek ZnO zbadano pod kątem wykorzystania w bioobrazowaniu, badając w ten sposób wewnętrzne struktury komórek za pomocą promieniującego niebieskiego, zielonego lub pomarańczowego światła.

Przyłączeniowy

ZnO znajduje również zastosowanie jako dodatek w gumach, cementach, środkach do czyszczenia zębów, szkle i ceramice, ze względu na niższą temperaturę topnienia, a zatem zachowuje się jak topnik.

Środek do usuwania siarkowodoru

ZnO usuwa nieprzyjemne gazy H ₂ S, pomagając w odsiarczeniu niektórych oparów gazów:

ZnO + H ₂ S → ZnS + H ₂ O

Ryzyka

Tlenek cynku jako taki jest związkiem nietoksycznym i nieszkodliwym, więc ostrożne obchodzenie się z jego substancją stałą nie stanowi żadnego ryzyka.

Problem tkwi jednak w jego dymie, bo choć w wysokich temperaturach ulega rozkładowi, opary cynku w końcu zanieczyszczają płuca i wywołują swego rodzaju „metalową gorączkę”. Choroba ta charakteryzuje się objawami kaszlu, gorączki, uczuciem ucisku w klatce piersiowej i ciągłym metalicznym posmakiem w ustach.

Nie jest również rakotwórczy, a zawierające go kremy nie zwiększają wchłaniania cynku przez skórę, dlatego filtry przeciwsłoneczne na bazie ZnO są uważane za bezpieczne; chyba że występują reakcje alergiczne, w takim przypadku należy przerwać jego stosowanie.

Jeśli chodzi o niektóre nanocząsteczki zaprojektowane do zwalczania bakterii, mogą one mieć negatywne skutki, jeśli nie są prawidłowo transportowane do miejsca działania.

Bibliografia

1. Shiver & Atkins. (2008). Chemia nieorganiczna. (Czwarta edycja). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Tlenek cynku. Odzyskane z: en.wikipedia.org
3. Hadis Morkoç i Ümit Özgur. (2009). Tlenek cynku: podstawy, materiały i technologia urządzeń. . Odzyskany z: application.wiley-vch.de
4. Parihar, M. Raja i R. Paulose. (2018). Krótki przegląd właściwości strukturalnych, elektrycznych i elektrochemicznych nanocząstek tlenku cynku. . Odzyskany z: ipme.ru
5. A. Rodnyi i IV Khodyuk. (2011). Właściwości optyczne i luminescencyjne tlenku cynku. Odzyskany z: arxiv.org
6. Siddiqi, KS, Ur Rahman, A., Tajuddin i Husen, A. (2018). Właściwości nanocząstek tlenku cynku i ich działanie na drobnoustroje. Listy badawcze w nanoskali, 13 (1), 141. doi: 10.1186 / s11671-018-2532-3
7. ChemicalSafetyFacts. (2019). Tlenek cynku. Odzyskany z: chemicalafetyfacts.org
8. Jinhuan Jiang, Jiang Pi i Jiye Cai. (2018). Postęp w nanocząstkach tlenku cynku do zastosowań biomedycznych. Bioinorganic Chemistry and Applications, tom. 2018, numer artykułu 1062562, 18 stron. doi.org/10.1155/2018/1062562