CYNK: HISTORIA, WŁAŚCIWOŚCI, STRUKTURA, ZAGROŻENIA, ZASTOSOWANIA - CHEMIA - 2025

Cynku metal przejściowy należący do grupy 12 układu okresowego pierwiastków i jest reprezentowana przez symbole chemiczne Zn. Jest to 24. pierwiastek występujący w skorupie ziemskiej, występujący w minerałach siarkowych, takich jak sfaleryt lub węglany, takie jak smitsonit.

Jest to metal bardzo znany w kulturze popularnej; Przykładem są cynkowe dachy, podobnie jak suplementy regulujące męskie hormony. Występuje w wielu produktach spożywczych i jest niezbędnym składnikiem niezliczonych procesów metabolicznych. Jego umiarkowane spożycie ma kilka zalet w porównaniu z negatywnymi skutkami jego nadmiaru w organizmie.

Dach ze stopu cynku Muzeum Riverside. Źródło: Eoin

Cynk był znany na długo przed jego srebrną galwanizowaną stalą i innymi metalami. Mosiądz, stop o zróżnicowanym składzie miedzi i cynku, od tysięcy lat jest częścią zabytków. Dziś jego złoty kolor jest często widoczny na niektórych instrumentach muzycznych.

Podobnie, jest to metal, z którego wykonane są baterie alkaliczne, ponieważ jego redukcja mocy i łatwość oddawania elektronów sprawia, że ​​jest to dobra opcja jako materiał anodowy. Jego głównym zastosowaniem jest cynkowanie stali, powlekanie ich warstwą cynku, która utlenia się lub poświęca, aby zapobiec późniejszej korozji znajdującego się pod spodem żelaza.

W związkach pochodnych prawie zawsze ma stopień utlenienia lub stan +2. Dlatego uważa się, że jon Zn ²⁺ jest otoczony przez środowiska molekularne lub jonowe. Chociaż Zn ²⁺ jest kwasem Lewisa, który może powodować problemy w komórkach, skoordynowany z innymi cząsteczkami, pozytywnie oddziałuje z enzymami i DNA.

Zatem cynk jest ważnym kofaktorem dla wielu metaloenzymów. Pomimo niezwykle ważnej biochemii i blasku zielonkawych błysków i płomieni podczas spalania, w świecie nauki jest uważany za „nudny” metal; ponieważ jego właściwościom brakuje atrakcyjności innych metali, a także jego temperatura topnienia jest znacznie niższa niż ich.

Historia

Antyk

Cynk był manipulowany przez tysiące lat; ale w sposób niezauważalny, ponieważ starożytne cywilizacje, w tym Persowie, Rzymianie, Siedmiogród i Grecy, już wytwarzały przedmioty, monety i mosiężną broń.

Dlatego mosiądz jest jednym z najstarszych znanych stopów. Przygotowali go z mineralnej galmanu Zn ₄ Si ₂ O ₇ (OH) ₂ · H ₂ O, którą rozdrobnili i podgrzali w obecności wełny i miedzi.

Podczas tego procesu niewielkie ilości metalicznego cynku, które mogły powstać, wydostały się w postaci pary, co opóźniało jego identyfikację jako pierwiastka chemicznego na lata. W miarę upływu stuleci mosiądz i inne stopy zwiększały zawartość cynku, wyglądając bardziej szaro.

Już w XIV wieku w Indiach udało im się wyprodukować metaliczny cynk, który nazwali Jasada i następnie handlowali nim z Chinami.

W ten sposób alchemicy mogli go zdobyć, aby przeprowadzić swoje eksperymenty. To słynna postać historyczna Paracelsus nazwał go „cynkiem”, prawdopodobnie z powodu podobieństwa między kryształami cynku i zębami. Stopniowo, pośród innych nazw i różnych kultur, nazwa „cynk” zaczęła się topić dla tego metalu.

Izolacja

Chociaż Indie już produkowały metaliczny cynk od XIV wieku, pochodzi on z metody, w której używano galmanu z wełną; dlatego nie była to metalowa próbka o znacznej czystości. William Champion udoskonalił tę metodę w 1738 r. W Wielkiej Brytanii, stosując pionowy piec retortowy.

W 1746 r. Niemiecki chemik Andreas Sigismund Marggraf „po raz pierwszy” uzyskał próbkę czystego cynku poprzez podgrzanie galmanu w obecności węgla drzewnego (lepszego środka redukującego niż wełna) wewnątrz pojemnika z miedzią. Ten sposób wytwarzania cynku rozwinął się komercyjnie równolegle z metodami Champion.

Później opracowano procesy, które ostatecznie uniezależniły się od kalaminy, wykorzystując zamiast tego tlenek cynku; innymi słowy, bardzo podobny do obecnego procesu pirometalurgicznego. Udoskonalono również piece, które są w stanie wytwarzać coraz większe ilości cynku.

Do tego czasu nadal nie było aplikacji wymagającej dużych ilości cynku; ale to się zmieniło dzięki wkładowi Luigiego Galvaniego i Alessandro Volty, którzy ustąpili miejsca koncepcji galwanizacji. Volta wymyślił również tak zwane ogniwo galwaniczne, a cynk stał się wkrótce częścią projektu suchych ogniw.

Fizyczne i chemiczne właściwości

Wygląd fizyczny

Jest to szarawy metal, zwykle dostępny w postaci granulatu lub proszku. Jest fizycznie słaby, więc nie jest dobrym wyborem do zastosowań, w których musi obsługiwać ciężkie przedmioty.

Podobnie jest kruchy, chociaż po podgrzaniu powyżej 100 ° C staje się plastyczny i ciągliwy; do 250 ºC, temperatura, w której staje się ponownie kruchy i podatny na natryskiwanie.

Masa cząsteczkowa

65,38 g / mol

Liczba atomowa (Z)

30

Temperatura topnienia

419,53 ° C. Ta niska temperatura topnienia wskazuje na jego słabe wiązanie metaliczne. Po stopieniu ma wygląd podobny do płynnego aluminium.

Temperatura wrzenia

907 ºC

Temperatura samozapłonu

460 ºC

Gęstość

-7,14 g / ml w temperaturze pokojowej

-6,57 g / ml w temperaturze topnienia, czyli właśnie podczas topnienia lub topnienia

Ciepło topnienia

7,32 kJ / mol

Ciepło parowania

115 kJ / mol

Molowa pojemność cieplna

25,470 J / (mol K)

Elektroujemność

1,65 w skali Paulinga

Energie jonizacji

-Pierwszy: 906,4 kJ / mol (Zn ⁺ gaz)

-Druga: 1733,3 kJ / mol ( gazowy Zn ²⁺ )

-Trzecie: 3833 kJ / mol ( gazowy Zn ³⁺ )

Radio atomowe

Empiryczne 134 pm

Promień kowalencyjny

122 ± 16:00

Twardość Mohsa

2.5. Wartość ta jest znacznie niższa w porównaniu z twardością innych metali przejściowych, czyli wolframu.

Porządek magnetyczny

Diamagnetyczny

Przewodność cieplna

116 W / (m · K)

Rezystancja

59 nm przy 20 ° C

Rozpuszczalność

Jest nierozpuszczalny w wodzie, o ile chroni go warstwa tlenku. Po usunięciu przez atak kwasu lub zasady cynk reaguje z wodą, tworząc kompleks wodny Zn (OH ₂ ) ₆ ²⁺ , umieszczając Zn ²⁺ w środku ograniczonego ośmiościanu przez cząsteczki wody.

Rozkład

Kiedy się pali, może uwolnić toksyczne cząsteczki ZnO do powietrza. Obserwuje się przy tym zielonkawy płomień i świecące światło.

Reakcje chemiczne

Reakcja między cynkiem i siarką wewnątrz tygla, gdzie docenia się zielonkawo-niebieski kolor płomieni. Źródło: Eoin

Cynk jest metalem reaktywnym. W temperaturze pokojowej może być pokryty nie tylko warstwą tlenkową, ale także zasadowym węglanem Zn ₅ (OH) ₆ (CO ₃ ) ₂ , a nawet siarką, ZnS. Kiedy ta warstwa o różnym składzie zostanie zniszczona przez atak kwasu, metal reaguje:

Zn (s) + H ₂ SO ₄ (aq) → Zn ²⁺ (aq) + SO ₄ ²⁻ (aq) + H ₂ (g)

Równanie chemiczne odpowiadające jego reakcji z kwasem siarkowym i:

Zn (s) + 4 HNO ₃ (aq) → Zn (NO ₃ ) ₂ (aq) + 2 NO ₂ (g) + 2 H ₂ O (l)

Z kwasem solnym. W obu przypadkach, choć nie jest to napisane, ^{obecny jest} złożony wodny Zn (OH ₂ ) ₆ ²⁺ ; chyba że medium jest zasadowe, ponieważ wytrąca się jako wodorotlenek cynku, Zn (OH) ₂ :

Zn ²⁺ (aq) + 2OH ^- (aq) → Zn (OH) ₂ (s)

Który jest białym, amorficznym i amfoterycznym wodorotlenkiem, zdolnym do dalszej reakcji z większą liczbą jonów OH ^- :

Zn (OH) ₂ (s) + 2OH ^- (aq) → Zn (OH) ₄ ^2- (aq)

Zn (OH) ₄ ^2- to anion cynkowy. W rzeczywistości, gdy cynk reaguje z tak mocną zasadą, jak stężony NaOH, kompleks cynkowo-sodowy Na ₂ jest wytwarzany bezpośrednio :

Zn (s) + 2NaOH (aq) + 2H ₂ O (l) → Na ₂ (aq) + H ₂ (g)

Podobnie cynk może reagować z pierwiastkami niemetalicznymi, takimi jak halogeny w stanie gazowym lub siarka:

Zn (s) + I ₂ (g) → ZnI ₂ (s)

Zn (s) + S (s) → ZnS (s) (górne zdjęcie)

Izotopy

Cynk występuje w przyrodzie w postaci pięciu izotopów: ⁶⁴ Zn (49,2%), ⁶⁶ Zn (27,7%), ⁶⁸ Zn (18,5%), ⁶⁷ Zn (4%) i ⁷⁰ Zn (0,62 %). Pozostałe są syntetyczne i radioaktywne.

Struktura i konfiguracja elektroniczna

Atomy cynku krystalizują w zwartą, ale zniekształconą strukturę heksagonalną (hcp), będącą produktem ich metalicznego wiązania. Elektrony walencyjne, które rządzą takimi interakcjami, to, zgodnie z konfiguracją elektronów, te należące do orbitali 3d i 4s:

3d ¹⁰ 4s ²

Oba orbitale są całkowicie wypełnione elektronami, więc ich nakładanie się nie jest zbyt efektywne, nawet gdy jądra cynku oddziałują na nie przyciągającą siłą.

W konsekwencji atomy Zn nie są bardzo spójne, o czym świadczy ich niska temperatura topnienia (419,53 ° C) w porównaniu z innymi metalami przejściowymi. W rzeczywistości jest to charakterystyczne dla metali z grupy 12 (wraz z rtęcią i kadmem), więc czasami kwestionują, czy naprawdę należy je uznać za elementy bloku d.

Pomimo pełnych orbitali 3d i 4s cynk jest dobrym przewodnikiem prądu; dlatego jego elektrony walencyjne mogą „przeskoczyć” w pasmo przewodnictwa.

Liczby utleniania

Niemożliwe jest, aby cynk stracił dwanaście elektronów walencyjnych lub miał stopień utlenienia lub stan +12, zakładając istnienie kationu Zn ¹²⁺ . Zamiast tego traci tylko dwa ze swoich elektronów; szczególnie te z orbity 4s, zachowujące się podobnie do metali ziem alkalicznych (pan Becambara).

W takim przypadku mówi się, że cynk uczestniczy w związku o stopniu utlenienia lub stopniu utlenienia +2; to znaczy przy założeniu istnienia kationu Zn ²⁺ . Na przykład cynk w swoim tlenku ZnO ma ten stopień utlenienia (Zn ²⁺ O ^2- ). To samo odnosi się do wielu innych związków, dochodząc do wniosku, że istnieje tylko Zn (II).

Istnieje jednak również Zn (I) lub Zn ⁺ , który stracił tylko jeden elektron z orbitalu 4s. Innym możliwym stopniem utlenienia cynku jest 0 (Zn ⁰ ), gdzie jego obojętne atomy oddziałują z cząsteczkami gazowymi lub organicznymi. Dlatego można go przedstawić jako Zn ²⁺ , Zn ⁺ lub Zn ⁰ .

Jak to się uzyskuje

Surowiec

Próbka minerału sfalerytowego z Rumunii. Źródło: James St. John

Cynk zajmuje dwudzieste czwarte miejsce wśród pierwiastków występujących najczęściej w skorupie ziemskiej. Zwykle występuje w minerałach siarki, rozmieszczonych na całej planecie.

Aby uzyskać metal w czystej postaci, należy najpierw zebrać skały znajdujące się w podziemnych tunelach i zagęścić bogate w cynk minerały, które stanowią prawdziwy surowiec.

Do minerałów tych należą: sfaleryt lub wurzit (ZnS), cynkit (ZnO), willemit (Zn ₂ SiO ₄ ), smitsonit (ZnCO ₃ ) i gahnit (ZnAl ₂ O ₄ ). Sfaleryt jest zdecydowanie głównym źródłem cynku.

Prażenie

Po zagęszczeniu minerału po procesie flotacji i oczyszczania skał, należy go kalcynować, aby przekształcić siarczki w odpowiednie. Na tym etapie minerał jest po prostu podgrzewany w obecności tlenu, wywołując następującą reakcję chemiczną:

2 ZnS (s) + 3 O ₂ (g) → 2 ZnO (s) + 2 SO ₂ (g)

SO ₂ reaguje również z tlenem , tworząc SO ₃ , związek przeznaczony do syntezy kwasu siarkowego.

Po uzyskaniu ZnO można go poddać procesowi pirometalurgicznemu lub elektrolizie, w której końcowym efektem jest tworzenie się metalicznego cynku.

Proces pirometalurgiczny

ZnO redukuje się za pomocą węgla (minerału lub koksu) lub tlenku węgla:

2 ZnO (s) + C (s) → 2 Zn (g) + CO ₂ (g)

ZnO (s) + CO (g) → Zn (g) + CO ₂ (g)

Trudność w tym procesie polega na wytwarzaniu cynku w postaci gazowej, ze względu na jego niską temperaturę wrzenia, którą pokonują wysokie temperatury w piecu. Dlatego pary cynku muszą być destylowane i oddzielane od innych gazów, a ich kryształy kondensują na stopionym ołowiu.

Proces elektrolityczny

Z dwóch metod jej uzyskiwania jest to najczęściej stosowana na całym świecie. ZnO reaguje z rozcieńczonym kwasem siarkowym, wypłukując jony cynku w postaci soli siarczanowej:

ZnO (s) + H ₂ SO ₄ (aq) → ZnSO ₄ (aq) + H ₂ O (l)

Ostatecznie to rozwiązanie poddaje się elektrolizie w celu wytworzenia metalicznego cynku:

2 ZnSO ₄ (aq) + 2 H ₂ O (l) → 2 Zn (s) + 2 H ₂ SO ₄ (aq) + O ₂ (g)

Ryzyka

W podrozdziale dotyczącym reakcji chemicznych wspomniano, że wodór jest jednym z głównych produktów reakcji cynku z wodą. Dlatego w stanie metalicznym musi być odpowiednio przechowywany i poza zasięgiem kwasów, zasad, wody, siarki lub jakiegokolwiek źródła ciepła; w przeciwnym razie istnieje ryzyko pożaru.

Im drobniej rozdrobniony cynk, tym większe ryzyko pożaru, a nawet wybuchu.

W przeciwnym razie, o ile temperatura nie jest bliska 500 ºC, jego stała lub ziarnista postać nie stanowi żadnego zagrożenia. Jeśli jest pokryty warstwą tlenku, można go obsługiwać gołymi rękami, ponieważ nie reaguje z ich wilgocią; jednakże, jak każde ciało stałe, działa drażniąco na oczy i drogi oddechowe.

Chociaż cynk jest niezbędny dla zdrowia, nadmierna dawka może powodować następujące objawy lub skutki uboczne:

- Nudności, wymioty, niestrawność, bóle głowy i żołądka lub biegunka.

- Wypiera miedź i żelazo podczas ich wchłaniania w jelicie, co przekłada się na narastające osłabienie kończyn.

- Kamienie nerkowe.

- Utrata węchu.

Aplikacje

- Metal

Stopy

Wiele instrumentów muzycznych jest wykonanych z mosiądzu, stopów miedzi i cynku. Źródło: Pxhere.

Być może cynk jest jednym z metali, obok miedzi, który tworzy najpopularniejsze stopy: mosiądz i żelazo ocynkowane. Mosiądz był wielokrotnie obserwowany podczas orkiestry muzycznej, ponieważ złoty blask instrumentów jest częściowo zawdzięczany wspomnianemu stopowi miedzi i cynku.

Sam cynk metaliczny nie ma wielu zastosowań, choć zwinięty służy jako anoda ogniw suchych, aw postaci proszku jest przeznaczony jako środek redukujący. Kiedy warstwa tego metalu jest osadzana elektrolitycznie na drugiej, ta pierwsza chroni tę drugą przed korozją, ponieważ jest bardziej podatna na utlenianie; to znaczy cynk utlenia się przed żelazem.

Dlatego stale są ocynkowane (pokryte cynkiem), aby zwiększyć ich trwałość. Przykłady tej galwanizowanej stali są również obecne w niekończących się dachach „cynkowych”, z których niektóre są pokryte zieloną farbą, a także w nadwoziach autobusów, sprzęcie domowym i mostach wiszących.

Istnieje również alucynk, stop aluminiowo-cynkowy stosowany w budownictwie cywilnym.

Środek redukujący

Cynk jest dobrym środkiem redukującym, więc traci elektrony, aby inny gatunek mógł je zdobyć; zwłaszcza kation metalu. W postaci proszku jego działanie redukujące jest nawet szybsze niż w przypadku stałych granulek.

Znajduje zastosowanie w procesach pozyskiwania metali z ich minerałów; takie jak rod, srebro, kadm, złoto i miedź.

Podobnie jego działanie redukujące jest wykorzystywane do redukcji związków organicznych, które mogą być wykorzystywane w przemyśle naftowym, takich jak benzen i benzyna, lub w przemyśle farmaceutycznym. Z drugiej strony pył cynkowy znajduje również zastosowanie w bateriach alkalicznych z dwutlenkiem cynku i manganu.

Różne

Pył cynkowy ze względu na swoją reaktywność i bardziej energiczne spalanie znajduje zastosowanie jako dodatek w główkach zapałek, materiałach wybuchowych i fajerwerkach (wywołują białe błyski i zielonkawe płomienie).

- Związki

Siarczek

Zegar z fosforyzującą farbą na wskazówkach i godzinach. Źródło: Francis Flinch

Siarczek cynku ma właściwości fosforyzujące i luminescencyjne, dlatego znajduje zastosowanie w produkcji farb świecących.

Tlenek

Biały kolor jego tlenku, a także jego półprzewodnictwo i fotoprzewodnictwo są używane jako pigment do ceramiki i papieru. Ponadto występuje w talku, kosmetykach, gumach, tworzywach sztucznych, tkaninach, lekarstwach, tuszach i emaliach.

Suplement diety

Nasz organizm potrzebuje cynku, aby spełniał wiele jego ważnych funkcji. Aby go zdobyć, jest dodawany do niektórych suplementów diety w postaci tlenku, glukonianu lub octanu. Występuje również w kremach łagodzących oparzenia i podrażnienia skóry oraz w szamponach.

Niektóre korzyści znane lub związane z przyjmowaniem cynku to:

- Poprawia system odpornościowy.

- Jest dobrym środkiem przeciwzapalnym.

- Zmniejsza irytujące objawy przeziębienia.

- Zapobiega uszkodzeniom komórek siatkówki, dlatego polecany jest do widzenia.

- Pomaga regulować poziom testosteronu, a także jest związany z płodnością mężczyzn, jakością ich nasienia i rozwojem tkanki mięśniowej.

- Reguluje interakcje między neuronami mózgu, dlatego wiąże się z poprawą pamięci i uczenia się.

-A także jest skuteczny w leczeniu biegunki.

Te suplementy cynku są dostępne w handlu w postaci kapsułek, tabletek lub syropów.

Rola biologiczna

W anhydrazie węglanowej i karboksypeptydazie

Uważa się, że cynk jest częścią 10% wszystkich enzymów w ludzkim organizmie, czyli około 300 enzymów. Wśród nich można wymienić anhydrazę węglanową i karboksypeptydazę.

Anhydraza węglanowa, enzym zależny od cynku, działa na poziomie tkankowym, katalizując reakcję dwutlenku węgla z wodą z wytworzeniem wodorowęglanu. Kiedy wodorowęglan dotrze do płuc, enzym odwraca reakcję i powstaje dwutlenek węgla, który jest wydalany na zewnątrz podczas wydechu.

Karboksypeptydaza jest egzopeptydazą, która trawi białka, uwalniając aminokwasy. Cynk działa poprzez dostarczanie dodatniego ładunku, który ułatwia interakcję enzymu z trawionym białkiem.

W funkcjonowaniu prostaty

Cynk jest obecny w różnych narządach ludzkiego ciała, ale największe stężenie ma w prostacie i nasieniu. Cynk odpowiada za prawidłowe funkcjonowanie prostaty i rozwój męskich narządów rodnych.

Cynkowe palce

Cynk bierze udział w metabolizmie RNA i DNA. Paluszki cynkowe (palce Zn) składają się z atomów cynku, które służą jako mostki łączące między białkami, które razem pełnią różne funkcje.

Palce cynkowe są przydatne w czytaniu, pisaniu i transkrypcji DNA. Ponadto istnieją hormony, które wykorzystują je w funkcjach związanych z homeostazą wzrostu w całym organizmie.

W regulacji glutaminianu

Glutaminian jest głównym pobudzającym neuroprzekaźnikiem w korze mózgowej i pniu mózgu. Cynk gromadzi się w glutaminergicznych pęcherzykach presynaptycznych, wpływając na regulację uwalniania neuroprzekaźnika glutaminianu i pobudliwość neuronów.

Istnieją dowody, że przesadne uwalnianie glutaminianu neuroprzekaźnika może mieć działanie neurotoksyczne. Dlatego istnieją mechanizmy regulujące jego uwalnianie. Homeostaza cynkowa odgrywa zatem ważną rolę w funkcjonalnej regulacji układu nerwowego.

Bibliografia

1. Shiver & Atkins. (2008). Chemia nieorganiczna. (Czwarta edycja). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Cynk. Odzyskane z: en.wikipedia.org
3. Michael Pilgaard. (16 lipca 2016). Cynk: reakcje chemiczne. Odzyskane z: pilgaardelements.com
4. Narodowe Centrum Informacji Biotechnologicznej. (2019). Cynk. Baza danych PubChem. CID = 23994. Odzyskany z: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Wojes Ryan. (25 czerwca 2019). Właściwości i zastosowania cynku metalicznego. Odzyskane z: thebalance.com
6. Pan Kevin A. Boudreaux. (sf). Cynk + Siarka. Odzyskany z: angelo.edu
7. Alan W. Richards. (12 kwietnia 2019). Przetwarzanie cynku. Encyclopædia Britannica. Odzyskany z: britannica.com
8. Czystość metali cynkowych. (2015). Zastosowania przemysłowe. Odzyskany z: purityzinc.com
9. Nordqvist, J. (5 grudnia 2017). Jakie są korzyści zdrowotne cynku? Wiadomości medyczne dzisiaj. Odzyskany z: medicalnewstoday.com