ZINK: HISTORIK, EGENSKAPER, STRUKTUR, RISKER, ANVÄNDNINGSOMRÅDEN - KEMI - 2025

Den zink är en övergångsmetall tillhörande grupp 12 i det periodiska systemet och representeras av den kemiska symbolen Zn. Det är det 24: e elementet i överflöd i jordskorpan, som finns i svavelmineraler, såsom sfalerit eller karbonater, som smitsonit.

Det är en metall som är mycket känd inom populärkulturen; zinktak är ett exempel, liksom tillskott för att reglera manliga hormoner. Det finns i många livsmedel och är ett viktigt element för otaliga metaboliska processer. Det finns flera fördelar med dess måttliga intag jämfört med de negativa effekterna av dess överskott i kroppen.

Zinklegeringstak i Riverside Museum. Källa: Eoin

Zink har varit känt långt innan dess silverfärgade galvaniserade stål och andra metaller. Mässing, en legering med varierad sammansättning av koppar och zink, har varit en del av historiska föremål i tusentals år. Idag ses dess gyllene färg ofta i vissa musikinstrument.

På samma sätt är det en metall med vilken alkaliska batterier tillverkas, eftersom dess minskande kraft och lätthet att donera elektroner gör det till ett bra alternativ som ett anodiskt material. Dess huvudsakliga användning är att galvanisera stål, belägga dem med ett lager av zink som oxiderar eller offrar för att förhindra att järnet under senare korroderar.

I sina derivatföreningar har det nästan alltid ett oxidationsnummer eller -tillstånd på +2. Därför anses Zn2 ⁺ -jonen vara innesluten av molekylära eller joniska miljöer. Även om Zn ²⁺ är en Lewis-syra som kan orsaka problem inom celler, koordinerad med andra molekyler, interagerar den positivt med enzymer och DNA.

Således är zink en viktig kofaktor för många metallenzymer. Trots dess oerhört viktiga biokemi och glans av dess grönaktiga blinkar och flammor när den brinner, anses den inom vetenskapens värld vara en "tråkig" metall; eftersom dess egenskaper saknar attraktivitet för andra metaller, liksom dess smältpunkt är betydligt lägre än deras.

Historia

antiken

Zink har manipulerats i tusentals år; men på ett obemärkt sätt, eftersom forntida civilisationer, inklusive perserna, romarna, transylvanierna och grekerna, redan gjorde föremål, mynt och mässingsvapen.

Därför är mässing en av de äldsta kända legeringarna. De förberett den från mineral kalamin, Zn ₄ Si ₂ O ₇ (OH) ₂ • H ₂ O, vilket de maldes och värmdes i närvaro av ull och koppar.

Under processen slapp de små mängder metalliskt zink som kan ha bildats som ånga, ett faktum som försenade identifieringen som ett kemiskt element i flera år. När århundradena gick ökade mässingen och andra legeringar sitt zinkinnehåll och såg mer gråaktig ut.

Under det fjortonde århundradet, i Indien, hade de redan lyckats producera metalliskt zink, som de kallade Jasada och sedan handlade det med Kina.

Och så kunde alkemisterna förvärva det för att genomföra sina experiment. Det var den berömda historiska figuren Paracelsus som kallade den "zinkum", möjligen från likheten mellan zinkkristaller och tänder. Lite efter lite, mitt i andra namn och olika kulturer, hamnade namnet 'zink' för denna metall.

Isolering

Även om Indien redan producerat metalliskt zink sedan 1300-talet kom detta från metoden som använde kalamin med ull; därför var det inte ett metalliskt prov med betydande renhet. William Champion förbättrades på denna metod 1738, Storbritannien, med hjälp av en vertikal retortugn.

1746 erhöll den tyska kemisten Andreas Sigismund Marggraf för "första gången" ett prov av rent zink genom att värma upp kalamin i närvaro av kol (ett bättre reduktionsmedel än ull), inuti en behållare med koppar. Detta sätt att producera zink utvecklades kommersiellt och parallellt med Champion's.

Senare utvecklades processer som slutligen blev oberoende av kalamin, med hjälp av zinkoxid istället; med andra ord, mycket lik den nuvarande pyrometallurgiska processen. Ugnarna förbättrades också och kunde producera ökande mängder zink.

Fram till dess fanns det fortfarande ingen applikation som krävde enorma mängder zink; men det förändrades med bidrag från Luigi Galvani och Alessandro Volta, som gav plats för begreppet galvanisering. Volta tänkte också på vad som kallas en galvanisk cell, och zink var snart en del av utformningen av torra celler.

Fysiska och kemiska egenskaper

Fysiskt utseende

Det är en gråaktig metall, vanligtvis tillgänglig i granulär eller pulverform. Fysiskt sett är det svagt, så det är inte ett bra val för applikationer där det måste stödja tunga föremål.

På samma sätt är det sprött, även om det värms över 100 ºC blir formbart och smidigt; upp till 250 ºC, temperatur vid vilken den blir spröd och sprutbar igen.

Molmassa

65,38 g / mol

Atomnummer (Z)

30

Smältpunkt

419,53 ° C Denna låga smältpunkt indikerar dess svaga metalliska bindning. När den smälts har den ett utseende som liknar flytande aluminium.

Kokpunkt

907 ºC

Autoignitionstemperatur

460 ºC

Densitet

-7,14 g / ml vid rumstemperatur

-6,57 g / ml vid smältpunkten, det vill säga just vid smältning eller smältning

Smältvärme

7,32 kJ / mol

Förångningsvärme

115 kJ / mol

Molär värmekapacitet

25,470 J / (mol K)

Elektronnegativitet

1,65 på Pauling-skalan

Ioniseringsenergier

-Först: 906,4 kJ / mol (Zn ⁺ gas)

-Sekund: 1733,3 kJ / mol (Zn ²⁺ gasformig)

-Tredde: 3833 kJ / mol (Zn ³⁺ gasformig)

Atomradio

Empiriskt 134 pm

Kovalent radie

122 ± 16:00

Mohs hårdhet

2,5. Detta värde är avsevärt lägre jämfört med hårdheten hos andra övergångsmetaller, det vill säga volfram.

Magnetisk ordning

diamagnetiska

Värmeledningsförmåga

116 W / (mK)

Elektrisk resistans

59 nm vid 20 ° C

löslighet

Det är olösligt i vatten så länge oxidskiktet skyddar det. När den avlägsnats genom attacken av en syra eller en bas, slutar zinken att reagera med vattnet för att bilda den komplexa vattenhaltiga, Zn (OH ₂ ) ₆ ²⁺ , och placerar Zn ²⁺ i mitten av ett begränsat oktaedron av vattenmolekyler.

Sönderfall

När det bränner kan det släppa giftiga ZnO-partiklar i luften. Under processen observeras en grönaktig flamma och glödande ljus.

Kemiska reaktioner

Reaktion mellan zink och svavel i en degel där den grönblå färgen på lågorna uppskattas. Källa: Eoin

Zink är en reaktiv metall. Vid rumstemperatur kan den inte bara täckas av ett oxidskikt utan också med basisk karbonat, Zn ₅ (OH) ₆ (CO ₃ ) ₂ , eller till och med svavel, ZnS. När detta skikt med varierad komposition förstörs av attacken av en syra, reagerar metallen:

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

Kemisk ekvation motsvarande dess reaktion med svavelsyra och:

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

Med saltsyra. I båda fallen, även om den inte är skriven, är den komplexa vattenhaltiga Zn (OH ₂ ) ₆ ^{2+ närvarande} ; förutom om mediet är basiskt, eftersom det fälls ut som zinkhydroxid, Zn (OH) ₂ :

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

Som är en vit, amorf och amfotera hydroxid, kan fortsätta att reagera med flera OH ^- joner :

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

Zn (OH) ₄ ^2- är zinkat-anjonen. Faktum är att när zink reagerar med en sådan stark bas, såsom koncentrerad NaOH, natrium zinkat komplex, Na ₂ , produceras direkt :

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

På samma sätt kan zink reagera med icke-metalliska element, såsom halogener i gasformigt tillstånd eller svavel:

Zn (s) + I ₂ (g) → ZnI ₂ (s)

Zn (s) + S (s) → ZnS (s) (övre bild)

isotoper

Zink finns i naturen som fem isotoper: ⁶⁴ Zn (49,2%), ⁶⁶ Zn (27,7%), ⁶⁸ Zn (18,5%), ⁶⁷ Zn (4%) och ⁷⁰ Zn (0,62) %). De andra är syntetiska och radioaktiva.

Struktur och elektronisk konfiguration

Zinkatomer kristalliseras till en kompakt men förvrängd hexagonal struktur (hcp), en produkt av deras metalliska bindning. Valenselektronerna som styr sådana interaktioner är, enligt elektronkonfigurationen, de som hör till 3d- och 4-orbitalerna:

3d ¹⁰ 4s ²

Båda orbitalerna är helt fyllda med elektroner, så deras överlappning är inte särskilt effektiv, även när zinkkärnorna utövar en attraktiv kraft på dem.

Följaktligen är Zn-atomerna inte särskilt sammanhängande, vilket återspeglas i deras låga smältpunkt (419,53 ºC) jämfört med andra övergångsmetaller. I själva verket är detta ett kännetecken för grupp 12-metaller (tillsammans med kvicksilver och kadmium), så de ifrågasätter ibland om de verkligen bör betraktas som element i block d.

Trots att 3d- och 4-orbitalerna är fulla är zink en bra ledare för elektricitet; därför kan dess valenselektroner "hoppa" in i ledningsbandet.

Oxidationsnummer

Det är omöjligt för zink att förlora sina tolv valenselektroner eller har ett oxidationsnummer eller tillstånd på +12, förutsatt att Zn ¹²⁺ -katjonen finns . Istället förlorar den bara två av sina elektroner; speciellt de från 4-talets omloppsbana, som uppträder på liknande sätt som jordalkalimetaller (Mr. Becambara).

När detta händer sägs zink delta i föreningen med ett oxidationsnummer eller ett tillstånd av +2; det vill säga om vi antar att Zn 2 ⁺ -katjonen finns . Till exempel har zink i sin oxid, ZnO, detta oxidationsnummer (Zn ²⁺ O ^2- ). Detsamma gäller för många andra föreningar och tror att det bara finns Zn (II).

Men det finns också Zn (I) eller Zn ⁺ , som bara har tappat en av elektronerna från 4-talsbanan. Ett annat möjligt oxidationsnummer för zink är 0 (Zn ⁰ ), där dess neutrala atomer interagerar med gasformiga eller organiska molekyler. Därför kan den presenteras som Zn ²⁺ , Zn ⁺ eller Zn ⁰ .

Hur erhålls det

Råmaterial

Sphalerit mineralprov från Rumänien. Källa: James St. John

Zink är i den tjugofyra positionen av de mest rikliga elementen i jordskorpan. Det finns generellt i svavelmineraler, fördelade över hela planeten.

För att erhålla metallen i sin rena form är det först nödvändigt att samla bergarter som ligger i underjordiska tunnlar och koncentrera mineralerna som är rika på zink, som representerar det verkliga råmaterialet.

Dessa mineraler inkluderar: zinkblände eller wurzite (ZnS), zincite (ZnO), willemit (Zn ₂ SiO ₄ ), smitsonite (ZnCOs ₃ ) och gahnit (ZnAl ₂ O ₄ ). Sphalerit är den överlägset huvudsakliga källan till zink.

Kalcinering

När mineralen har koncentrerats efter en process med flotation och rening av stenarna, måste det kalcineras för att omvandla sulfiderna till deras respektive. I detta steg värms mineralet helt enkelt i närvaro av syre och utvecklar följande kemiska reaktion:

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

SO ₂ också reagerar med syre för att generera SO ₃ , en förening avsedd för syntes av svavelsyra.

När ZnO har erhållits kan den utsättas för antingen en pyrometallurgisk process eller elektrolys, där slutresultatet är bildandet av metalliskt zink.

Pyrometallurgisk process

ZnO reduceras med användning av kol (mineral eller koks) eller kolmonoxid:

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

ZnO (s) + CO (g) → Zn (g) + CO ₂ (g)

Svårigheten med denna process är genereringen av gasformig zink på grund av dess låga kokpunkt, som övervinns av ugns höga temperaturer. Det är därför zinkångor måste destilleras och separeras från de andra gaserna, medan deras kristaller kondenserar på smält bly.

Elektrolytisk process

Av de två metoderna för att få den är detta den mest använda världen över. ZnO reagerar med utspädd svavelsyra för att läcka ut zinkjoner som dess sulfatsalt:

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

Slutligen elektrolyseras denna lösning för att generera metalliskt zink:

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

risker

I avsnittet om kemiska reaktioner nämndes att vätgas är en av huvudprodukterna när zink reagerar med vatten. Det är därför det i metalliskt tillstånd måste lagras på rätt sätt och utom räckhåll för syror, baser, vatten, svavel eller någon värmekälla; annars finns det risk för brand.

Ju mer finfördelad zink, desto större är risken för brand eller till och med explosion.

Annars, så länge temperaturen inte är nära 500 ºC, utgör dess fasta eller granulära form ingen fara. Om det täcks av ett lager av oxid, kan det hanteras med bara händer, eftersom det inte reagerar med deras fuktighet; men liksom alla fasta ämnen är det irriterande för ögonen och luftvägarna.

Även om zink är avgörande för hälsan, kan en överskottsdos orsaka följande symtom eller biverkningar:

- Illamående, kräkningar, matsmältningsbesvär, huvudvärk och mage eller diarré.

- Den förskjuter koppar och järn under absorptionen i tarmen, vilket återspeglas i ökande svagheter i extremiteterna.

- Njursten.

- Förlust av luktkänsla.

tillämpningar

- Metall

Alloys

Många musikinstrument är tillverkade av mässing, en koppar- och zinklegering. Källa: Pxhere.

Kanske är zink en av metallerna, tillsammans med koppar, som bildar de mest populära legeringarna: mässing och galvaniserat järn. Mässing har observerats vid ett flertal tillfällen under en musikalisk orkester, eftersom instrumentets gyllene glöd delvis beror på den nämnda legeringen av koppar och zink.

Metalliskt zink i sig har inte många användningsområden, även om det rullas upp fungerar det som anoden för torra celler, och i pulverform är det avsett som ett reduktionsmedel. När ett lager av denna metall elektroavsätts på en annan, skyddar den förstnämnda den senare från korrosion eftersom den är mer mottaglig för oxidation; dvs zink oxiderar före järn.

Det är därför stål är galvaniserade (belagda med zink) för att öka hållbarheten. Exempel på dessa galvaniserade stål finns också i oändliga "zink" -tak, varav vissa har ett lager grön färg, och i bussar, hushållsredskap och hängbroar.

Det finns också aluzink, en aluminium-zinklegering som används i civila konstruktioner.

Reduktionsmedel

Zink är ett bra reduktionsmedel, så det tappar sina elektroner för att en annan art ska få; speciellt en metallkatjon. I pulverform är dess reducerande verkan ännu snabbare än för fasta granuler.

Det används i processerna för att erhålla metaller från deras mineraler; såsom rodium, silver, kadmium, guld och koppar.

På samma sätt används dess reducerande verkan för att minska organiska arter, som kan vara involverade i oljeindustrin, såsom bensen och bensin, eller i läkemedelsindustrin. Å andra sidan kan zinkdamm också tillämpas i alkaliska zink-mangandioxidbatterier.

Diverse

På grund av dess reaktivitet och mer energiska förbränning, hittar zinkdamm användning som tillsatsmedel i tändstickor, i sprängämnen och fyrverkerier (de ger vita blixtar och grönaktiga lågor).

- Föreningar

svavelväte

Klocka med fosforescerande färg på händerna och timmarna. Källa: Francis Flinch

Zinksulfid har egenskapen att vara fosforescerande och självlysande, varför den används vid framställning av ljusfärger.

Oxid

Den vita färgen på sin oxid, liksom dess halv- och fotokonduktivitet, används som pigment för keramik och papper. Dessutom finns det i talk, kosmetika, gummi, plast, tyger, mediciner, bläck och emaljer.

Kosttillskott

Vår kropp behöver zink för att fullgöra många av dess vitala funktioner. För att förvärva det, ingår det i vissa kosttillskott i form av oxid, glukonat eller acetat. Det finns också i krämer för att lindra brännskador och hudirritationer och i schampon.

Några fördelar som är kända eller förknippade med att ta zink är:

- Förbättrar immunsystemet.

- Det är en bra antiinflammatorisk.

- Minskar irriterande symtom på förkylning.

- Förhindrar cellskador i näthinnan, så det rekommenderas för syn.

- Det hjälper till att reglera testosteronnivåer och är också förknippat med mäns fertilitet, kvaliteten på deras spermier och utvecklingen av muskelvävnad.

- Reglerar interaktioner mellan hjärnneuroner, varför det är kopplat till förbättringar i minne och lärande.

-Det är också effektivt vid behandling av diarré.

Dessa zinktillskott finns kommersiellt tillgängliga som kapslar, tabletter eller sirap.

Biologisk roll

I kolanhydras och karboxipeptidas

Zink tros vara en del av 10% av den totala enzymen i människokroppen, cirka 300 enzymer. Bland dem kan kolsyraanhydras och karboxipeptidas nämnas.

Kolsyraanhydras, ett zinkberoende enzym, verkar på vävnadsnivån genom att katalysera reaktionen av koldioxid med vatten för att bilda bikarbonat. När bikarbonatet når lungorna, vänder enzymet reaktionen och koldioxid bildas, som drivs ut till utsidan under utgången.

Karboxypeptidas är ett exopeptidas som smälter proteiner och frisätter aminosyror. Zink fungerar genom att tillhandahålla en positiv laddning som underlättar interaktionen mellan enzymet och det protein som det smälter.

Vid prostatafunktion

Zink finns i olika organ i människokroppen, men har den högsta koncentrationen i prostata och sperma. Zink ansvarar för att prostata fungerar korrekt och utvecklingen av de manliga reproduktionsorganen.

Zinkfingrar

Zink är involverat i metabolismen av RNA och DNA. Zinkfingrar (Zn-fingrar) består av zinkatomer som fungerar som bindande broar mellan proteiner, som tillsammans är involverade i olika funktioner.

Zinkfingrar är användbara vid läsning, skrivning och transkription av DNA. Dessutom finns det hormoner som använder dem i funktioner som är förknippade med tillväxthomeostas i hela kroppen.

I regleringen av glutamat

Glutamat är den huvudsakliga excitatoriska neurotransmitteren i hjärnbarken och hjärnstammen. Zink ackumuleras i glutaminerga presynaptiska vesiklar, ingriper i regleringen av frisättningen av neurotransmitter glutamat och i neuronal excitabilitet.

Det finns bevis för att en överdriven frisättning av neurotransmitteren glutamat kan ha en neurotoxisk verkan. Därför finns det mekanismer som reglerar utsläppet. Zinkhomeostas spelar således en viktig roll i den funktionella regleringen av nervsystemet.

referenser

1. Shiver & Atkins. (2008). Oorganisk kemi . (Fjärde upplagan). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Zink. Återställd från: en.wikipedia.org
3. Michael Pilgaard. (2016, 16 juli). Zink: kemiska reaktioner. Återställd från: pilgaardelements.com
4. National Center for Biotechnology Information. (2019). Zink. PubChem-databas. CID = 23994. Återställd från: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Wojes Ryan. (25 juni 2019). Egenskaper och användningar av zinkmetall. Återställd från: thebalance.com
6. Mr. Kevin A. Boudreaux. (Sf). Zink + svavel. Återställd från: angelo.edu
7. Alan W. Richards. (12 april 2019). Zinkbearbetning. Encyclopædia Britannica. Återställd från: britannica.com
8. Renhet zinkmetaller. (2015). Branschapplikationer. Återställd från: purityzinc.com
9. Nordqvist, J. (5 december 2017). Vilka är hälsofördelarna med zink? Medicinska nyheter idag. Återställd från: medicalnewstoday.com