OXID DE ZINC (ZNO): STRUCTURĂ, PROPRIETĂȚI, UTILIZĂRI, RISCURI - CHIMIE - 2025

Oxidul de zinc este un compus anorganic cu formula chimică ZnO. Este compus exclusiv din ioni Zn ²⁺ și O ^2- într-un raport 1: 1; cu toate acestea, rețeaua sa cristalină poate prezenta O- ² vacant , ceea ce dă naștere la defecte structurale capabile să modifice culorile cristalelor sale sintetice.

Este achiziționat comercial sub formă de solid alb pudră (imagine inferioară), care este produs direct din oxidarea zincului metalic prin procedeul francez; sau supun minereuri de zinc la o reducere carbotermică, astfel încât vaporii lor să se oxideze și să ajungă la solidificare.

Urmăriți sticla cu oxid de zinc. Sursa: Adam Rędzikowski

Alte metode de preparare a ZnO constau în precipitarea hidroxidului său, Zn (OH) ₂ , din soluții apoase de săruri de zinc. De asemenea, filmele subțiri sau nanoparticule variate morfologic de ZnO pot fi sintetizate prin tehnici mai sofisticate, cum ar fi depunerea chimică a vaporilor săi.

Acest oxid de metal se găsește în natură sub formă de zincit mineral, ale cărui cristale sunt de obicei galbene sau portocalii din cauza impurităților metalice. Cristalele ZnO se caracterizează prin faptul că sunt piezoelectrice, termocromatice, luminescente, polare și au, de asemenea, o bandă energetică foarte largă în proprietățile lor semiconductoare.

Din punct de vedere structural, este izomorf la sulfura de zinc, ZnS, adoptând cristale hexagonale și cubice similare cu cele ale wurzitei, respectiv blendei. În acestea există un anumit caracter covalent în interacțiunile dintre Zn ²⁺ și O ^2- , ceea ce determină o distribuție eterogenă a sarcinilor în cristalul ZnO.

Studiile privind proprietățile și utilizările ZnO se extind pe domeniile fizicii, electronicii și biomedicinei. Utilizările sale cele mai simple și de zi cu zi trec neobservate în compoziția cremelor faciale și a produselor de igienă personală, precum și în protecția solară.

Structura

polimorfi

ZnO cristalizează în condiții normale de presiune și temperatură într-o structură hezuronală de wurzită. În această structură, ionii Zn ²⁺ și O ^2- sunt aranjați în straturi alternative, astfel încât fiecare să ajungă înconjurat de un tetraedru, cu ZnO ₄ sau , respectiv, OZn ₄ .

De asemenea, folosind un „șablon” sau suport cubic, ZnO poate fi făcut pentru a cristaliza într-o structură cubică de blende de zinc; care, la fel ca wurzitul, corespund structurilor izomorfe (identice în spațiu, dar cu ioni diferiți) de sulfură de zinc, ZnS.

În plus față de aceste două structuri (wurzit și blende), ZnO sub presiune înaltă (în jur de 10 GPa) cristalizează în structura sării rocilor, la fel ca cea a NaCl.

interacţiuni

Interacțiunile dintre Zn ²⁺ și O ^2- prezintă un anumit caracter de covalență, pentru care există parțial o legătură covalentă Zn-O (ambii atomi cu hibridizarea sp ³ ) și datorită distorsiunii tetraedrei, acestea se manifestă un moment dipol care se adaugă la atracțiile ionice ale cristalelor ZnO.

Structura Blende (stânga) și wurzită (dreapta) a ZnO. Sursa: Gabriel Bolívar.

Aveți imaginea superioară pentru a vizualiza tetraedrul menționat pentru structurile ZnO.

Diferența dintre structurile de blenda și wurzite constă și în cea văzută de sus, ionii nu sunt eclipsați. De exemplu, în wurzită, sferele albe (Zn ²⁺ ) sunt văzute chiar deasupra sferelor roșii (O ^2- ). Pe de altă parte, în structura cubului blende nu este cazul, deoarece există trei straturi: A, B și C în loc de doar două.

Morfologia nanoparticulelor

Deși cristalele ZnO tind să aibă structuri de wurzită hexagonale, morfologia nanoparticulelor lor este o altă poveste. În funcție de parametrii și metodele de sinteză, acestea pot lua forme atât de variate precum tije, plăci, frunze, sfere, flori, curele, ace, printre altele.

Proprietăți

Aspectul fizic

Solid inodor, alb pudră, cu gust amar. În natură poate fi găsit cristalizat, cu impurități metalice, cum ar fi mineralul de zincită. Dacă astfel de cristale sunt albe, acestea prezintă termocromism, ceea ce înseamnă că atunci când sunt încălzite își schimbă culoarea: de la alb la galben.

De asemenea, cristalele sale sintetice pot prezenta culori roșiatice sau verzui în funcție de compoziția lor de oxigen stoichiometric; cu alte cuvinte, golurile sau posturile vacante cauzate de lipsa de O ² anioni afectează direct modul în care interacționează lumina cu rețele ionice.

Masă molară

81,406 g / mol

Punct de topire

1974 ° C. La această temperatură suferă o descompunere termică, eliberând vapori de zinc și oxigen molecular sau gazos.

Densitate

5,1 g / cm ³

Solubilitatea apei

ZnO este practic insolubil în apă, dând naștere la soluții cu o concentrație de 0,0004% la 18 ° C.

Amphotericism

ZnO poate reacționa atât cu acizi, cât și cu baze. Când reacționează cu un acid în soluție apoasă, solubilitatea acestuia crește formând o sare solubilă în care Zn ²⁺ sfârșește să se complexeze cu molecule de apă: ²⁺ . De exemplu, reacționează cu acidul sulfuric pentru a produce sulfat de zinc:

ZnO + H ₂ SO ₄ → ZnSO ₄ + H ₂ O

În mod similar, reacționează cu acizii grași pentru a forma sărurile respective, cum ar fi stearatul de zinc și palmitul.

Și atunci când reacționează cu o bază, în prezența apei, se formează săruri de zinc:

ZnO + 2NaOH + H ₂ O → Na ₂

Capacitate de căldură

40,3 J / K mol

Decalaj energetic direct

3.3 eV. Această valoare îl face un semiconductor în bandă largă, capabil să funcționeze sub câmpuri electrice intense. De asemenea, are caracteristici de a fi un semiconductor de tip n, ceea ce nu a fost explicat de ce există o sursă suplimentară de electroni în structura sa.

Acest oxid se distinge prin proprietățile sale optice, acustice și electronice, datorită cărora este considerat un candidat pentru potențialele aplicații legate de dezvoltarea dispozitivelor optoelectronice (senzori, diode laser, celule fotovoltaice). Motivul pentru astfel de proprietăți este dincolo de domeniul fizicii.

Aplicații

Medicinal

Oxidul de zinc a fost utilizat ca aditiv în multe creme albe pentru a trata iritațiile pielii, acnee, dermatite, abraziuni și fisuri. În această zonă, utilizarea sa este populară pentru ameliorarea iritațiilor cauzate de scutece pe pielea bebelușilor.

De asemenea, este o componentă a protecțiilor solare, deoarece împreună cu nanoparticulele de dioxid de titan, TiO ₂ , ajută la blocarea radiațiilor ultraviolete ale soarelui. loțiuni, emailuri, pulberi și săpunuri.

Pe de altă parte, ZnO este o sursă de zinc folosită în suplimente dietetice și produse vitaminice, precum și în cereale.

antibacterice

Conform morfologiei nanoparticulelor sale, ZnO poate fi activat sub radiații ultraviolete pentru a genera peroxizi de hidrogen sau specii reactive care slăbesc membranele celulare ale microorganismelor.

Când se întâmplă acest lucru, nanoparticulele ZnO rămase îmbracă citoplasma și încep să interacționeze cu compendiul de biomolecule care alcătuiesc celula, rezultând în apoptoza lor.

De aceea, nu toate nanoparticulele pot fi utilizate în compozițiile de protecție solară, ci doar cele care nu au activitate antibacteriană.

Produsele cu acest tip de ZnO sunt proiectate, acoperite cu materiale polimerice solubile, pentru a trata infecțiile, rănile, ulcerul, bacteriile și chiar diabetul.

Pigmenți și acoperiri

Pigmentul cunoscut sub numele de zinc alb este ZnO, care se adaugă la diferite vopsele și acoperiri pentru a proteja suprafețele metalice unde sunt aplicate de coroziune. De exemplu, acoperirile cu adăugat ZnO sunt utilizate pentru a proteja fierul zincat.

Pe de altă parte, aceste acoperiri au fost de asemenea folosite pe geamul pentru a împiedica căldura să pătrundă (dacă este în exterior) sau să intre (dacă este în interior). De asemenea, protejează unele materiale polimerice și textile de deteriorare datorită acțiunii radiațiilor solare și a căldurii.

Bioimages

Luminescența nanoparticulelor ZnO a fost studiată pentru utilizare în bioimagistică, studiind astfel structurile interne ale celulelor prin luminile albastre, verzi sau portocalii care radiază.

Aditiv

ZnO găsește, de asemenea, utilizarea ca aditiv în cauciucuri, cimenturi, substanțe dentifrice, pahare și ceramică, datorită punctului său de topire mai scăzut și, prin urmare, se comportă ca un agent de curgere.

Îndepărtarea sulfurii de hidrogen

ZnO îndepărtează gazele neplăcute ale H ₂ S, ajutand la desulfurarea unor vapori de gaz:

ZnO + H ₂ S → ZnS + H ₂ O

riscuri

Oxidul de zinc ca atare este un compus non-toxic și inofensiv, astfel încât manipularea prudentă a solidului său nu reprezintă niciun risc.

Problema stă totuși în fumul său, deoarece, deși se descompune la temperaturi ridicate, vaporii de zinc sfârșesc prin contaminarea plămânilor și provocând un fel de „febră metalică”. Această boală se caracterizează prin simptome de tuse, febră, senzație de strângere în piept și un gust metalic constant în gură.

De asemenea, nu este cancerigenă, iar cremele care o conțin nu au dovedit a crește absorbția zincului în piele, astfel încât protecțiile solare pe bază de ZnO sunt considerate sigure; cu excepția cazului în care există reacții alergice, caz în care utilizarea sa trebuie oprită.

În ceea ce privește anumite nanoparticule concepute pentru a combate bacteriile, acestea ar putea avea efecte negative dacă nu sunt transportate corect la locul lor de acțiune.

Referințe

1. Shiver & Atkins. (2008). Chimie anorganică . (A patra editie). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Oxid de zinc. Recuperat de la: en.wikipedia.org
3. Hadis Morkoç și Ümit Özgur. (2009). Oxid de zinc: Bazele, tehnologia materialelor și dispozitivelor. . Recuperat din: application.wiley-vch.de
4. Parihar, M. Raja și R. Paulose. (2018). O scurtă trecere în revistă a proprietăților structurale, electrice și electrochimice ale nanoparticulelor de oxid de zinc. . Recuperat din: ipme.ru
5. A. Rodnyi și IV Khodyuk. (2011). Proprietăți optice și de luminiscență ale oxidului de zinc. Recuperat de la: arxiv.org
6. Siddiqi, KS, Ur Rahman, A., Tajuddin, & Husen, A. (2018). Proprietățile nanoparticulelor cu oxid de zinc și activitatea lor împotriva microbilor. Scrisori de cercetare la nano-scală, 13 (1), 141. doi: 10.1186 / s11671-018-2532-3
7. ChemicalSafetyFacts. (2019). Oxid de zinc. Recuperat din: produse chimiceafetyfacts.org
8. Jinhuan Jiang, Jiang Pi și Jiye Cai. (2018). Avansarea nanoparticulelor cu oxid de zinc pentru aplicații biomedicale. Chimie și aplicații bioinorganice, voi. 2018, articolul ID 1062562, 18 pagini. doi.org/10.1155/2018/1062562