ZINCUL: ISTORIC, PROPRIETĂȚI, STRUCTURĂ, RISCURI, UTILIZĂRI - CHIMIE - 2025

Zincul este un metal de tranziție aparținând grupului 12 din tabelul periodic și este reprezentat prin simbolul chimic Zn. Este cel de-al 24-lea element din abundență în scoarța terestră, care se găsește în minerale cu sulf, cum ar fi sphaleritul sau carbonatele, cum ar fi smitsonitul.

Este un metal foarte cunoscut în cultura populară; acoperișurile de zinc sunt un exemplu, precum și suplimentele pentru reglarea hormonilor masculini. Se găsește în multe alimente și este un element esențial pentru nenumărate procese metabolice. Există mai multe beneficii ale aportului său moderat în comparație cu efectele negative ale excesului său în organism.

Acoperiș din aliaj de zinc al Muzeului Riverside. Sursa: Eoin

Zincul a fost cunoscut cu mult timp înainte de oțelurile sale galvanizate de culoare argintie și alte metale. Alama, un aliaj cu o compoziție variată de cupru și zinc, a fost o parte a obiectelor istorice de mii de ani. Astăzi culoarea sa aurie este adesea văzută în unele instrumente muzicale.

La fel, este un metal cu care sunt fabricate baterii alcaline, deoarece puterea sa de reducere și ușurința de a dona electroni îl fac o opțiune bună ca material anodic. Utilizarea sa principală este să galvanizeze oțelurile, acoperindu-le cu un strat de zinc care se oxidează sau se sacrifică pentru a împiedica fierul de dedesubt să se corodeze ulterior.

În compușii săi derivați, are aproape întotdeauna un număr sau o stare de oxidare de +2. Prin urmare, ionul Zn ²⁺ este considerat a fi învăluit de medii moleculare sau ionice. Deși Zn ²⁺ este un acid Lewis care poate cauza probleme în celule, coordonat cu alte molecule, interacționează pozitiv cu enzimele și ADN-ul.

Astfel, zincul este un cofactor important pentru multe metal-enzime. În ciuda biochimiei sale extrem de importante și a strălucirii sclipirilor și flăcărilor sale verzuie la ardere, în lumea științei este considerat un metal „plictisitor”; deoarece proprietățile sale nu au atractivitatea altor metale, precum și punctul de topire este considerabil mai mic decât al lor.

Istorie

Antichitate

Zincul a fost manipulat de mii de ani; dar într-un mod neobservat, deoarece civilizațiile antice, inclusiv perșii, romanii, ardelenii și grecii, au făcut deja obiecte, monede și arme de aramă.

Prin urmare, alama este unul dintre cele mai vechi aliaje cunoscute. Au preparat-o din calamina minerală, Zn ₄ Si ₂ O ₇ (OH) ₂ · H ₂ O, pe care le-au macinat și încălzit în prezență de lână și cupru.

În timpul procesului, cantitățile mici de zinc metalic care s-ar fi putut forma au scăpat ca vapori, fapt care a întârziat identificarea ca element chimic ani de zile. Pe măsură ce au trecut secolele, arama și alte aliaje și-au mărit conținutul de zinc, arătând mai gri.

În secolul al XIV-lea, în India, reușiseră deja să producă zinc metalic, pe care l-au numit Jasada și l-au tranzacționat apoi cu China.

Și astfel alchimiștii au reușit să o achiziționeze pentru a-și desfășura experimentele. A fost renumitul personaj istoric Paracelsus cel care l-a numit „zincum”, probabil din asemănarea dintre cristalele de zinc și dinți. Încetul cu încetul, în mijlocul altor nume și culturi diferite, denumirea „zinc” a sfârșit să curgă pentru acest metal.

Izolare

Deși India produce deja zinc metalic încă din anii 1300, aceasta provenea din metoda care folosea calamina cu lână; prin urmare, nu era un eșantion metalic de o puritate considerabilă. William Champion s-a îmbunătățit pe această metodă în 1738, Marea Britanie, folosind un cuptor cu replică verticală.

În 1746, chimistul german Andreas Sigismund Marggraf a obținut pentru prima dată un eșantion de zinc pur încălzind calamina în prezența cărbunelui (un agent de reducere mai bun decât lâna), în interiorul unui recipient cu cupru. Acest mod de a produce zinc s-a dezvoltat comercial și în paralel cu Champion's.

Ulterior, au fost dezvoltate procese care au devenit în cele din urmă independente de calamină, folosind în schimb oxid de zinc; cu alte cuvinte, foarte asemănătoare cu procesul pirometalurgic actual. Cuptoarele s-au îmbunătățit, de asemenea, putând produce cantități din ce în ce mai mari de zinc.

Până atunci, încă nu exista o aplicație care să necesite cantități uriașe de zinc; dar asta s-a schimbat odată cu contribuțiile lui Luigi Galvani și Alessandro Volta, care au dat loc conceptului de galvanizare. Volta a apărut, de asemenea, cu ceea ce este cunoscută sub denumirea de celulă galvanică, iar zincul a fost în curând parte din proiectarea celulelor uscate.

Proprietati fizice si chimice

Aspectul fizic

Este un metal cenusiu, disponibil de obicei sub formă granulară sau pulbere. Este slab din punct de vedere fizic, deci nu este o alegere bună pentru aplicațiile în care trebuie să suporte obiecte grele.

La fel, este fragilă, deși atunci când este încălzit peste 100 ºC devine maleabil și ductil; până la 250 ºC, temperatura la care devine din nou fragilă și pulverizabilă.

Masă molară

65,38 g / mol

Număr atomic (Z)

30

Punct de topire

419,53 ° C. Acest punct de topire scăzut indică legătura sa metalică slabă. Când s-a topit are un aspect similar cu aluminiu lichid.

Punct de fierbere

907 ºC

temperatură de autoaprindere

460 ºC

Densitate

-7,14 g / ml la temperatura camerei

-6,57 g / ml în punctul de topire, adică exact la topire sau topire

Căldură de fuziune

7,32 kJ / mol

Căldură de vaporizare

115 kJ / mol

Capacitate termică molară

25.470 J / (mol K)

electronegativitate

1,65 pe scara Pauling

Energii de ionizare

-Primul: 906,4 kJ / mol (Zn ⁺ gaz)

-A doua: 1733,3 kJ / mol (Zn ²⁺ gazos)

-Tird: 3833 kJ / mol (Zn ³⁺ gazos)

Radio atomic

Empiric 134 pm

Raza covalentă

122 ± 4 pm

Duritate Mohs

2.5. Această valoare este considerabil mai mică în comparație cu duritatea altor metale de tranziție, adică tungstenul.

Ordine magnetică

Diamagnetic

Conductivitate termică

116 W / (m K)

Rezistență electrică

59 nΩm la 20 ° C

Solubilitate

Este insolubil în apă atât timp cât stratul său de oxid îl protejează. După ce este îndepărtat prin atacul unui acid sau al unei baze, zincul sfârșește reacționând cu apa pentru a forma complexul apos, Zn (OH ₂ ) ₆ ²⁺ , plasând Zn ²⁺ în centrul unui octaedru limitat de moleculele de apă.

Descompunere

Când arde, poate elibera particule toxice de ZnO în aer. În acest proces, se observă o flacără verzuie și o lumină strălucitoare.

Reacții chimice

Reacția dintre zinc și sulf în interiorul unui creuzet unde se apreciază culoarea albastru-verzui a flăcărilor. Sursa: Eoin

Zincul este un metal reactiv. La temperatura camerei nu poate fi acoperit numai de un strat de oxid, ci și de carbonat de bază, Zn ₅ (OH) ₆ (CO ₃ ) ₂ , sau chiar sulf, ZnS. Când acest strat de compoziție variată este distrus prin atacul unui acid, metalul reacționează:

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

Ecuația chimică corespunzătoare reacției sale cu acidul sulfuric și:

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

Cu acid clorhidric. În ambele cazuri, deși nu este scris, complexul apos Zn (OH ₂ ) ₆ ^{2+ este prezent} ; cu excepția cazului în care mediul este bazic, deoarece precipită sub formă de hidroxid de zinc, Zn (OH) ₂ :

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

Care este un hidroxid alb, amorf și amfoteri, capabil să continue să reacționeze cu mai mulți OH ^- ionii :

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

Zn (OH) ₄ ^2- este anionul zincat. De fapt, atunci când reacționează cu zinc , cu o astfel de bază tare, cum ar fi NaOH concentrată, complexul de sodiu zincat, Na ₂ , este produs direct :

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

De asemenea, zincul poate reacționa cu elemente nemetalice, cum ar fi halogenii în stare gazoasă sau sulf:

Zn (s) + I ₂ (g) → ZnI ₂ (s)

Zn (s) + S (s) → ZnS (imagini superioare)

izotopi

Zincul există în natură sub formă de cinci izotopi: ⁶⁴ Zn (49,2%), ⁶⁶ Zn (27,7%), ⁶⁸ Zn (18,5%), ⁶⁷ Zn (4%) și ⁷⁰ Zn (0,62 %). Celelalte sunt sintetice și radioactive.

Structura și configurația electronică

Atomii de zinc se cristalizează într-o structură compactă hexagonală (hcp), deși distorsionată, un produs al legăturii lor metalice. Electronii de valență care guvernează astfel de interacțiuni sunt, conform configurației electronilor, cei aparținând orbitalelor 3d și 4s:

3d ¹⁰ 4s ²

Ambele orbitale sunt complet umplute cu electroni, astfel încât suprapunerea lor nu este foarte eficientă, chiar și atunci când nucleele de zinc exercită o forță atractivă asupra lor.

În consecință, atomii Zn nu sunt foarte coezivi, fapt reflectat în punctul lor de topire scăzut (419,53 ºC) în comparație cu alte metale de tranziție. De fapt, aceasta este o caracteristică a metalelor din grupa 12 (împreună cu mercurul și cadmiul), astfel încât uneori se pun întrebări dacă ar trebui să fie considerate cu adevărat elemente ale blocului d.

În ciuda orbitalelor 3d și 4s pline, zincul este un bun conductor de electricitate; prin urmare, electronii săi de valență pot „sări” în banda de conducere.

Numere de oxidare

Este imposibil ca zincul să-și piardă cei doisprezece electroni de valență sau să aibă un număr sau o stare de oxidare de +12, presupunând existența cationului Zn ¹²⁺ . În schimb, pierde doar doi dintre electronii săi; în special cele ale orbitalului 4s, comportându-se în mod similar cu metalele alcaline de pământ (domnul Becambara).

Când se întâmplă acest lucru, se spune că zincul participă la compus cu un număr de oxidare sau o stare de +2; adică presupunând existența cationului Zn ²⁺ . De exemplu, în oxidul său, ZnO, zincul are acest număr de oxidare (Zn ²⁺ O ^2- ). Același lucru este valabil pentru mulți alți compuși, ajungând să credem că există doar Zn (II).

Cu toate acestea, există și Zn (I) sau Zn ⁺ , care a pierdut doar unul dintre electronii din orbitalul 4s. Un alt număr posibil de oxidare pentru zinc este 0 (Zn ⁰ ), unde atomii săi neutri interacționează cu moleculele gazoase sau organice. Prin urmare, poate fi prezentat ca Zn ²⁺ , Zn ⁺ sau Zn ⁰ .

Cum se obține

Materii prime

Eșantion de minerale sphalerite din România. Sursa: James St.

Zincul se află pe poziția a douăzeci și patra dintre cele mai abundente elemente din scoarța terestră. Se găsește, în general, în mineralele cu sulf, distribuite pe întreaga planetă.

Pentru a obține metalul în forma sa pură, este necesar mai întâi să colectăm rocile situate în tunelurile subterane și să concentrăm mineralele bogate în zinc, care reprezintă adevărata materie primă.

Aceste minerale includ: blendă sau wurzite (ZnS), zicita (ZnO), willemite (Zn ₂ SiO ₄ ), smitsonite (ZnCO ₃ ) și gahnite (ZnAl ₂ O ₄ ). Shalerita este de departe principala sursă de zinc.

Calcinare

După ce mineralul a fost concentrat după un proces de flotare și purificare a rocilor, acesta trebuie calcinat pentru a transforma sulfidele în cele respective. În această etapă, mineralul este încălzit pur și simplu în prezența oxigenului, dezvoltând următoarea reacție chimică:

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

SO ₂ , de asemenea , reacționează cu oxigenul pentru a genera SO ₃ , un compus destinat pentru sinteza acidului sulfuric.

Odată obținut ZnO, acesta poate suferi fie un proces pirometalurgic, fie electroliză, unde rezultatul final este formarea zincului metalic.

Procesul pirometalurgic

ZnO este redus folosind cărbune (mineral sau cocs) sau monoxid de carbon:

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

ZnO (s) + CO (g) → Zn (g) + CO ₂ (g)

Dificultatea cu care se confruntă acest proces este generarea de zinc gazos, datorită punctului de fierbere scăzut, care este depășit de temperaturile ridicate ale cuptorului. De aceea, vaporii de zinc trebuie distilați și separați de celelalte gaze, în timp ce cristalele lor se condensează pe plumbul topit.

Procesul electrolitic

Dintre cele două metode de obținere a acesteia, aceasta este cea mai utilizată la nivel mondial. ZnO reacționează cu acid sulfuric diluat pentru a scăpa ionii de zinc sub formă de sare sulfatată:

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

În cele din urmă această soluție este electrolizată pentru a genera zinc metalic:

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

riscuri

În subsecțiunea privind reacțiile chimice, a fost menționat că gazul hidrogen este unul dintre principalele produse atunci când zincul reacționează cu apa. De aceea, în starea metalică, trebuie să fie depozitat în mod corespunzător și la îndemâna acizilor, bazelor, apei, sulfului sau a oricărei surse de căldură; în caz contrar, există riscul de incendiu.

Cu cât zincul este mai bine divizat, cu atât este mai mare riscul de incendiu sau chiar de explozie.

În caz contrar, atâta timp cât temperatura nu este aproape de 500 ºC, forma sa solidă sau granulară nu reprezintă niciun pericol. Dacă este acoperit de un strat de oxid, acesta poate fi manipulat cu mâinile goale, deoarece nu reacționează cu umiditatea lor; cu toate acestea, ca orice solid, este iritant pentru ochi și tractul respirator.

Deși zincul este esențial pentru sănătate, o doză în exces poate provoca următoarele simptome sau reacții adverse:

- greață, vărsături, indigestie, dureri de cap și stomac sau diaree.

- Deplasează cupru și fier în timpul absorbției lor în intestin, ceea ce se reflectă în slăbiciuni crescânde la nivelul extremităților.

- Pietre la rinichi.

- Pierderea simțului mirosului.

Aplicații

- Metal

aliaje

Multe instrumente muzicale sunt realizate din alamă, un aliaj de cupru și zinc. Sursa: Pxhere.

Poate că zincul este unul dintre metalele, alături de cupru, care formează cele mai populare aliaje: alama și fier galvanizat. Alama a fost observată în numeroase rânduri în timpul unei orchestre muzicale, deoarece strălucirea aurie a instrumentelor se datorează în parte aliajului menționat de cupru și zinc.

Zincul metalic în sine nu are multe utilizări, deși este înrolat, servește ca anod al celulelor uscate, iar sub formă de pulbere este destinat ca agent de reducere. Când un strat din acest metal este electrodepusit pe un altul, primul îl protejează pe cel din urmă de coroziune, deoarece este mai susceptibil la oxidare; adică zincul se oxidează înainte de fier.

Acesta este motivul pentru care oțelurile sunt galvanizate (acoperite cu zinc) pentru a le crește durabilitatea. Exemple de aceste oțeluri zincate sunt, de asemenea, prezente în acoperișuri „de zinc” nesfârșite, unele dintre ele fiind acoperite cu un strat de vopsea verde, iar în corpuri de autobuz, ustensile de uz casnic și poduri suspendate.

Există, de asemenea, aluzinc, un aliaj de aluminiu-zinc utilizat în construcțiile civile.

Agent de reducere

Zincul este un bun agent de reducere, astfel încât își pierde electronii pentru ca o altă specie să câștige; mai ales un cation metalic. Când este sub formă de pulbere, acțiunea sa de reducere este chiar mai rapidă decât cea a granulelor solide.

Este utilizat în procesele de obținere a metalelor din mineralele lor; cum ar fi rodiu, argint, cadmiu, aur și cupru.

De asemenea, acțiunea sa de reducere este utilizată pentru a reduce speciile organice, care pot fi implicate în industria petrolului, cum ar fi benzenul și benzina sau în industria farmaceutică. Pe de altă parte, praful de zinc își găsește aplicarea și în bateriile alcaline de zinc-mangan.

Diverse

Datorită reactivității și a combustiei mai energice, praful de zinc își găsește utilizarea ca aditiv în capetele de chibrituri, în explozibili și artificii (imprimă sclipiri albe și flăcări verzuie).

- Compuși

Sulfuri

Ceas cu vopsea fosforescentă pe mâini și ore. Sursa: Francis Flinch

Sulfura de zinc are proprietatea de a fi fosforescentă și luminiscentă, motiv pentru care este utilizată în producerea de vopsele luminoase.

Oxid

Culoarea albă a oxidului său, precum și conductivitatea sa semi și foto, este utilizată ca un pigment pentru ceramică și hârtii. În plus, este prezent în talc, produse cosmetice, cauciucuri, materiale plastice, țesături, medicamente, cerneluri și emailuri.

Supliment nutritional

Corpul nostru are nevoie de zinc pentru a îndeplini multe dintre funcțiile sale vitale. Pentru a-l dobândi, este încorporat în unele suplimente nutritive sub formă de oxid, gluconat sau acetat. Este prezentă și în cremele pentru a ameliora arsurile și iritațiile pielii, precum și în șampoane.

Unele avantaje cunoscute sau asociate cu luarea zincului sunt:

- Îmbunătățește sistemul imunitar.

- Este un bun antiinflamator.

- Reduce simptomele enervante ale răcelii obișnuite.

- Previne deteriorarea celulelor în retină, de aceea este recomandat pentru vedere.

- Ajută la reglarea nivelului de testosteron și este, de asemenea, asociat cu fertilitatea bărbaților, calitatea spermei lor și dezvoltarea țesutului muscular.

- Reglează interacțiunile dintre neuronii creierului, motiv pentru care este legat de îmbunătățiri în memorie și învățare.

-De asemenea, este eficient în tratamentul diareei.

Aceste suplimente de zinc sunt disponibile comercial sub formă de capsule, tablete sau siropuri.

Rolul biologic

În anhidraza carbonică și carboxipeptidaza

Se consideră că zincul face parte din 10% din totalul enzimelor din corpul uman, aproximativ 300 de enzime. Dintre acestea, pot fi menționate anhidraza carbonică și carboxipeptidaza.

Anhidraza carbonică, o enzimă dependentă de zinc, acționează la nivelul țesutului catalizând reacția dioxidului de carbon cu apa pentru a forma bicarbonat. Când bicarbonatul ajunge în plămâni, enzima inversează reacția și se formează dioxid de carbon, care este expulzat la exterior în timpul expirării.

Carboxipeptidaza este o exopeptidază care digeră proteinele, eliberând aminoacizi. Zincul funcționează prin furnizarea unei încărcări pozitive care facilitează interacțiunea enzimei cu proteina pe care o digeră.

În funcționarea prostatei

Zincul este prezent în diferite organe ale corpului uman, dar are cea mai mare concentrație în prostată și în spermă. Zincul este responsabil pentru buna funcționare a prostatei și dezvoltarea organelor de reproducere masculine.

Degete de zinc

Zincul este implicat în metabolismul ARN și ADN. Degetele de zinc (degete Zn) constau din atomi de zinc care servesc ca punți de legătură între proteine, care împreună sunt implicate în diferite funcții.

Degetele de zinc sunt utile în citirea, scrierea și transcrierea ADN-ului. În plus, există hormoni care îi folosesc în funcții asociate cu homeostazia de creștere în tot corpul.

În reglarea glutamatului

Glutamatul este principalul neurotransmițător excitator din cortexul cerebral și trunchiul creierului. Zincul se acumulează în veziculele presinaptice glutaminergice, intervenind în reglarea eliberării glutamatului neurotransmițător și în excitabilitatea neuronală.

Există dovezi că o eliberare exagerată a glutamatului neurotransmițător poate avea o acțiune neurotoxică. Prin urmare, există mecanisme care reglementează eliberarea sa. Homeostazia de zinc joacă astfel un rol important în reglarea funcțională a sistemului nervos.

Referințe

1. Shiver & Atkins. (2008). Chimie anorganică . (A patra editie). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Zinc. Recuperat de la: en.wikipedia.org
3. Michael Pilgaard. (2016, 16 iulie). Zincul: reacții chimice. Recuperat de la: pilgaardelements.com
4. Centrul Național de Informații Biotehnologice. (2019). Zinc. Baza de date PubChem. CID = 23994. Recuperat din: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Îl dorește pe Ryan. (25 iunie 2019). Proprietățile și utilizările metalului zincat. Recuperat de la: thebalance.com
6. Domnul Kevin A. Boudreaux. (Sf). Zinc + sulf. Recuperat din: angelo.edu
7. Alan W. Richards. (12 aprilie 2019). Prelucrarea zincului. Encyclopædia Britannica. Recuperat de la: britannica.com
8. Metale de zinc de puritate. (2015). Aplicații industriale. Recuperat de la: purityzinc.com
9. Nordqvist, J. (5 decembrie 2017). Care sunt beneficiile pentru sănătate ale zincului? Știri medicale astăzi. Recuperat de la: medicalnewstoday.com