ЦИНКОВ ОКСИД (ОБЛИ): СТРУКТУРА, СВОЙСТВА, ПРИЛОЖЕНИЯ, РИСКОВЕ - ХИМИЯ - 2025

На цинков оксид е неорганично съединение с химична формула ZnO. Състои се само от Zn ²⁺ и O ^2- йони в съотношение 1: 1; въпреки това кристалната му решетка може да представлява ваканция O ², което поражда структурни дефекти, способни да променят цветовете на нейните синтетични кристали.

Комерсиално се придобива като прахообразно бяло твърдо вещество (долно изображение), което се получава директно от окисляването на метален цинк чрез френския процес; или подлагане на цинкови руди на карботермична редукция по такъв начин, че техните пари след това се окисляват и в крайна сметка се втвърдяват.

Гледайте стъкло с цинков оксид. Източник: Адам Рендзиковски

Други методи за получаване на ZnO се състоят в утаяване на неговия хидроксид Zn (OH) ₂ от водни разтвори на цинкови соли. По същия начин, морфологично разнообразни тънки филми или наночастици на ZnO могат да бъдат синтезирани чрез по-сложни техники, като химическо отлагане на неговите пари.

Този метален оксид се среща в природата като минерал цинцит, чиито кристали обикновено са жълти или оранжеви поради метални примеси. Кристалите на ZnO се характеризират с това, че са пиезоелектрични, термохромни, луминисцентни, полярни, а също и като имат много широка енергийна лента в техните полупроводникови свойства.

Структурно той е изоморфен на цинковия сулфид, ZnS, приемайки хексагонални и кубични кристали, подобни на тези на вурзит и смес. В тях има определен ковалентен характер във взаимодействията между Zn ²⁺ и O ^2-, което прави хетерогенно разпределение на зарядите в ZnO кристала.

Изследванията на свойствата и употребите на ZnO се простират в областта на физиката, електрониката и биомедицината. Неговите най-прости и ежедневни употреби остават незабелязани в състава на кремове за лице и лични хигиенни продукти, както и в слънцезащитен крем.

структура

Polymorphs

ZnO кристализира при нормални условия на налягане и температура в шестоъгълна структура на вурзит. В тази структура Zn2 ⁺ и O ^2- йони са подредени в редуващи се слоеве по такъв начин, че всеки завършва заобиколен от тетраедър, съответно с ZnO ₄ или OZn ₄.

Също така, с помощта на "шаблон" или кубична подложка, ZnO може да се направи, за да кристализира в кубична цинкова смес; които, подобно на вурзит, съответстват на изоморфни структури (идентични в пространството, но с различни йони) на цинков сулфид, ZnS.

В допълнение към тези две структури (wurzite и blende), ZnO под високо налягане (около 10 GPa) кристализира в структурата на каменната сол, същата като тази на NaCl.

Взаимодействия

Взаимодействията между Zn ²⁺ и O ^2- представляват определен характер на ковалентност, за който има частично ковалентна Zn-O връзка (и двата атома с sp ³ хибридизация) и поради изкривяването на тетраедрите те проявяват момент дипол, който добавя към йонните атракции на ZnO кристалите.

Blende (вляво) и wurzite (вдясно) структура на ZnO. Източник: Габриел Боливар.

Имате горното изображение, за да визуализирате тетраедрите, споменати за ZnO структурите.

Разликата между структурата на смес и вурзит също се крие в тази, която се вижда отгоре, йоните не са затъмнени. Например при вурзит белите сфери (Zn ²⁺) се виждат точно над червените сфери (O ^2-). От друга страна, в структурата на кубичните смеси това не е така, защото има три слоя: A, B и C, вместо само два.

Морфология на наночастиците

Въпреки че ZnO кристалите имат склонност да имат шестоъгълни урзитни структури, морфологията на наночастиците им е друга история. В зависимост от параметрите и методите на синтез, те могат да приемат такива разнообразни форми като пръти, чинии, листа, сфери, цветя, колани, игли, между другото.

Имоти

Външен вид

Бяло прахообразно твърдо вещество без мирис с горчив вкус. В природата той може да бъде открит кристализиран, с метални примеси, като минерал цинкит. Ако такива кристали са бели, те показват термохромизъм, което означава, че когато се нагряват, те променят цвета си: от бял до жълт.

По същия начин синтетичните му кристали могат да представят червеникави или зеленикави цветове в зависимост от стехиометричния им кислороден състав; тоест пропуските или свободните места, причинени от липсата на O ^2- аниони, пряко влияят върху начина, по който светлината взаимодейства с йонните мрежи.

Моларна маса

81.406 g / mol

Точка на топене

1974 ° С. При тази температура той претърпява термично разлагане, отделяйки цинкови пари и молекулен или газообразен кислород.

плътност

5.1 g / cm ³

Разтворимост във вода

ZnO е практически неразтворим във вода и едва ли поражда разтвори с концентрация 0,0004% при 18 ° C.

Amphotericism

ZnO може да реагира както с киселини, така и с основи. Когато реагира с киселина във воден разтвор, нейната разтворимост се увеличава чрез образуване на разтворима сол, където Zn ²⁺ завършва комплексиране с водни молекули: ²⁺. Например, той реагира със сярна киселина за получаване на цинков сулфат:

ZnO + H ₂ SO ₄ → ZnSO ₄ + H ₂ O

По подобен начин той реагира с мастни киселини и образува съответните им соли, като цинков стеарат и палмитат.

А когато реагира с основа, в присъствието на вода се образуват цинкови соли:

ZnO + 2NaOH + H ₂ O → Na ₂

Топлинен капацитет

40.3 J / K мол

Пряка енергийна пропаст

3.3 eV. Тази стойност го прави широколентов полупроводник, способен да работи в интензивни електрически полета. Той също има характеристики, че е n-тип полупроводник, което не е обяснено защо има допълнителна доставка на електрони в неговата структура.

Този оксид се отличава със своите оптични, акустични и електронни свойства, благодарение на които се счита за кандидат за потенциални приложения, свързани с разработването на оптоелектронни устройства (сензори, лазерни диоди, фотоволтаични клетки). Причината за такива свойства е извън сферата на физиката.

Приложения

лечебен

Цинковият оксид се използва като добавка в много бели кремове за лечение на кожни раздразнения, акне, дерматит, ожулвания и пукнатини. В тази област употребата му е популярна за облекчаване на дразненето, причинено от памперси по кожата на бебетата.

По същия начин той е компонент на слънцезащитните кремове, защото заедно с наночастиците от титанов диоксид, TiO ₂, той помага за блокиране на слънчевата ултравиолетова радиация. лосиони, емайли, пудри и сапуни.

От друга страна, ZnO е източник на цинк, използван в хранителни добавки и витаминни продукти, както и в зърнени култури.

Антибактериален

Според морфологията на своите наночастици, ZnO може да се активира при ултравиолетово лъчение за генериране на водородни пероксиди или реактивни видове, които отслабват клетъчните мембрани на микроорганизмите.

Когато това се случи, останалите наночастици ZnO браздат цитоплазмата и започват да взаимодействат с компендиума от биомолекули, които съставляват клетката, което води до тяхната апоптоза.

Ето защо не всички наночастици могат да бъдат използвани в слънцезащитни състави, а само тези, при които липсва антибактериална активност.

Продуктите с този тип ZnO са предназначени, покрити с разтворими полимерни материали, за лечение на инфекции, рани, язви, бактерии и дори диабет.

Пигменти и покрития

Пигментът, известен като бял цинк, е ZnO, който се добавя към различни бои и покрития за защита на метални повърхности, където се прилагат от корозия. Например, покрития с добавен ZnO се използват за защита на поцинковано желязо.

От друга страна, тези покрития се използват и върху стъкло на прозореца, за да се предотврати проникването на топлина (ако е отвън) или да влезе (ако е вътре). По същия начин той предпазва някои полимерни и текстилни материали от разрушаване поради действието на слънчевата радиация и топлината.

Bioimages

Луминесценцията на наночастиците ZnO е проучена за използване в биовизуализация, като по този начин се изучават вътрешните структури на клетките чрез сините, зелените или оранжевите светлини, които излъчват.

допълнителен

ZnO намира приложение и като добавка в каучуци, цименти, зъбни апарати, стъкла и керамика, поради по-ниската си точка на топене и, следователно, се държи като флюс.

Препарат за отстраняване на сероводород

ZnO премахва неприятните газове на H ₂ S, като помага за десулфуриране на някои газове:

ZnO + H ₂ S → ZnS + H ₂ O

Рискове

Цинковият оксид като такъв е нетоксично и безвредно съединение, така че разумното боравене с твърдото му вещество не представлява никакъв риск.

Проблемът обаче се крие в дима му, тъй като въпреки че при високи температури той се разлага, цинковите пари в крайна сметка замърсяват белите дробове и причиняват вид „метална треска“. Това заболяване се характеризира със симптоми на кашлица, висока температура, усещане за стягане в гърдите и постоянен метален вкус в устата.

Той също не е канцерогенен и не е доказано, че съдържащите го кремове увеличават абсорбцията на цинк в кожата, така че слънцезащитните кремове на базата на ZnO се считат за безопасни; освен ако няма алергични реакции, в този случай употребата му трябва да бъде спряна.

По отношение на определени наночастици, предназначени за борба с бактериите, те могат да имат отрицателни ефекти, ако не бъдат транспортирани правилно до мястото на действие.

Препратки

1. Шивър и Аткинс. (2008 г.). Неорганична химия. (Четвърто издание). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Цинков оксид. Възстановено от: en.wikipedia.org
3. Хадис Моркоч и Юмит Йозгур. (2009 г.). Цинков оксид: основи, материали и технология на устройството., Възстановена от: application.wiley-vch.de
4. Парихар, М. Раджа и Р. Паулоза. (2018). Кратък преглед на структурните, електрическите и електрохимичните свойства на наночастиците от цинков оксид., Възстановено от: ipme.ru
5. А. Родни и IV Ходюк. (2011 г.). Оптични и луминесценционни свойства на цинков оксид. Възстановено от: arxiv.org
6. Siddiqi, KS, Ur Rahman, A., Tajuddin, & Husen, A. (2018). Свойства на наночастиците на цинков оксид и тяхната активност срещу микробите. Наноразмерни изследователски писма, 13 (1), 141. doi: 10.1186 / s11671-018-2532-3
7. ChemicalSafetyFacts. (2019). Цинков оксид. Възстановено от: chemicalsafetyfacts.org
8. Jinhuan Jiang, Jiang Pi и Jiye Cai. (2018). Подобряване на наночастиците на цинков оксид за биомедицински приложения. Биоорганична химия и приложения, кн. 2018 г., номер на артикул 1062562, 18 страници. doi.org/10.1155/2018/1062562