ЦИНК: ИСТОРИЯ, СВОЙСТВА, СТРУКТУРА, РИСКОВЕ, УПОТРЕБИ - ХИМИЯ - 2026

На цинк е преходен метал, принадлежащ към група 12 от периодичната таблица и е представен чрез химически символ Zn. Това е 24-ият елемент в изобилие в земната кора, който се намира в серни минерали, като сфалерит или карбонати, като сметонит.

Това е метал, много известен в популярната култура; цинковите покриви са пример, както и добавки за регулиране на мъжките хормони. Той се намира в много храни и е съществен елемент за безброй метаболитни процеси. Има няколко предимства на умерения му прием в сравнение с отрицателните ефекти от неговия излишък в организма.

Покрив от цинкова сплав на Риверсайдския музей. Източник: Eoin

Цинкът е бил известен много преди стоманите и други метали, поцинковани в сребрист цвят. Месинг, сплав с разнообразен състав на мед и цинк, е част от исторически обекти от хиляди години. Днес златният му цвят често се наблюдава в някои музикални инструменти.

По същия начин, това е метал, с който се правят алкални батерии, тъй като намаляващата му мощност и лекотата на даряване на електрони го правят добър вариант като аноден материал. Основната му употреба е за поцинковане на стомани, покриването им със слой от цинк, който окислява или жертва, за да предотврати по-късно корозия на желязото отдолу.

В производните си съединения почти винаги има окислително число или състояние +2. Следователно, Zn2 ⁺ йонът се счита за обвит от молекулярна или йонна среда. Въпреки че Zn ²⁺ е Люисова киселина, която може да причини проблеми в клетките, координирана с други молекули, тя взаимодейства положително с ензимите и ДНК.

По този начин цинкът е важен кофактор за много метало-ензими. Въпреки изключително важната си биохимия и блясъка на зеленикавите му мигания и пламъци при изгаряне, в света на науката той се счита за „скучен“ метал; тъй като неговите свойства нямат привлекателност на други метали, както и точката на топене е значително по-ниска от тяхната.

история

античност

Цинкът се манипулира от хиляди години; но по незабелязан начин, тъй като древните цивилизации, включително персите, римляните, трансилванците и гърците, вече са направили предмети, монети и месингови оръжия.

Следователно месингът е една от най-старите известни сплави. Те го приготвяли от минерала каламин, Zn ₄ Si ₂ O ₇ (OH) ₂ · H ₂ O, който смилали и нагрявали в присъствие на вълна и мед.

По време на процеса малките количества метален цинк, които биха могли да се образуват, избягаха като пара, факт, който отлагаше идентифицирането му като химически елемент с години. С течение на вековете месингът и другите сплави увеличаваха съдържанието на цинк, изглеждаше по-сивкав.

През четиринадесети век, в Индия, те вече са успели да произвеждат метален цинк, който са нарекли Jasada и след това са го търгували с Китай.

И така алхимиците успяха да го придобият, за да извършат своите експерименти. Именно известната историческа фигура Парацелс го нарече "цинк", вероятно от приликата между цинковите кристали и зъбите. Малко по малко, всред други имена и различни култури, името „цинк“ в крайна сметка се извива за този метал.

Изолация

Въпреки че Индия вече произвежда метален цинк от 1300-те години, това идва от метода, който използва каламин с вълна; следователно, това не е метална проба със значителна чистота. Уилям Шампион подобри този метод през 1738 г., Великобритания, използвайки вертикална реторна пещ.

През 1746 г. немският химик Андреас Сигизмунд Маргграф получава за първи път проба от чист цинк, като нагрява каламин в присъствие на въглен (по-добър редуциращ агент от вълна), вътре в контейнер с мед. Този начин на получаване на цинк се е развил търговски и паралелно с този на Champion.

По-късно бяха разработени процеси, които накрая станаха независими от каламин, използвайки вместо това цинков оксид; с други думи, много подобен на настоящия пирометалургичен процес. Пещите също се подобриха, като бяха в състояние да произвеждат все по-големи количества цинк.

Дотогава все още нямаше приложение, което да изисква огромни количества цинк; но това се промени с приноса на Луиджи Галвани и Алесандро Волта, които отстъпиха на концепцията за галванизация. Volta също излезе с това, което е известно като галванична клетка, а цинкът скоро беше част от дизайна на сухи клетки.

Физични и химични свойства

Външен вид

Това е сивкав метал, обикновено се предлага в гранулирана или прахообразна форма. Тя е физически слаба, така че не е добър избор за приложения, където трябва да поддържа тежки предмети.

По същия начин той е крехък, въпреки че при нагряване над 100 ° C става ковък и пластичен; до 250 ° C, температура, при която отново става чуплива и разпръскваща.

Моларна маса

65.38 g / mol

Атомно число (Z)

30

Точка на топене

419,53 ° С. Тази ниска точка на топене е показателна за слабата му метална връзка. Когато се разтопи, той има вид, подобен на течния алуминий.

Точка на кипене

907 ºC

Температура на самозапалване

460 ºC

плътност

-7.14 g / mL при стайна температура

-6.57 g / mL в точка на топене, тоест точно при топене или топене

Топлина от синтез

7,32 kJ / mol

Топлина от изпаряване

115 kJ / mol

Моларен топлинен капацитет

25,470 J / (мол K)

Електроотрицателност

1,65 по скалата на Полинг

Йонизационни енергии

-Първо: 906,4 kJ / mol (Zn ⁺ газ)

-Втора: 1733.3 kJ / mol (Zn ²⁺ газообразни)

-Трето: 3833 kJ / mol (Zn ³⁺ газообразни)

Атомно радио

Емпиричен 134 ч

Ковалентен радиус

122 ± 16:00

Моос твърдост

2.5. Тази стойност е значително по-ниска в сравнение с твърдостта на други преходни метали, тоест волфрам.

Магнетичен ред

диамагнитно

Топлопроводимост

116 W / (m K)

Електрическо съпротивление

59 nΩm при 20 ° C

разтворимост

Той е неразтворим във вода, стига оксидният му слой да го защитава. След като бъде отстранен чрез атака на киселина или основа, цинкът завършва в реакция с водата, за да образува сложния воден Zn (OH ₂) ₆ ²⁺, поставяйки Zn ²⁺ в центъра на ограничен октаедър чрез водни молекули.

разлагане

Когато изгори, той може да отдели токсични частици ZnO във въздуха. В процеса се наблюдава зеленикав пламък и светеща светлина.

Химична реакция

Реакция между цинк и сяра вътре в тигел, където се оценява зеленикаво-синия цвят на пламъците. Източник: Eoin

Цинкът е реактивен метал. При стайна температура той може да бъде покрит не само от оксиден слой, но и от основен карбонат, Zn ₅ (OH) ₆ (CO ₃) ₂ или дори сяра, ZnS. Когато този слой с разнообразен състав е унищожен от атаката на киселина, металът реагира:

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

Химическо уравнение, съответстващо на реакцията му със сярна киселина и:

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

С солна киселина. И в двата случая, въпреки че не писано комплекс воден Zn (OH ₂) ₆ ^{2+ присъства}; освен ако средата е основна, тъй като се утаява като цинков хидроксид, Zn (OH) ₂:

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

Което представлява бял, аморфен и амфотерн хидроксид, способен да продължи да реагира с повече ОН ^- йони:

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

Zn (OH) ₄ ^2- е цинкатният анион. В действителност, когато реагира с цинк като силна основа, като например концентрирана NaOH, цинкатно комплекс натрий, натриев ₂, се произвежда директно:

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

По същия начин, цинкът може да реагира с неметални елементи, като халогени в газообразно състояние или сяра:

Zn (s) + I ₂ (g) → ZnI ₂ (s)

Zn (s) + S (s) → ZnS (s) (горно изображение)

Изотопи

Цинкът съществува в природата като пет изотопа: ⁶⁴ Zn (49,2%), ⁶⁶ Zn (27,7%), ⁶⁸ Zn (18,5%), ⁶⁷ Zn (4%) и ⁷⁰ Zn (0,62) %). Останалите са синтетични и радиоактивни.

Структура и електронна конфигурация

Цинковите атоми кристализират в компактна, но изкривена шестоъгълна структура (hcp), продукт на металната им връзка. Валентните електрони, които управляват такива взаимодействия, са според електронната конфигурация, тези, които принадлежат на орбиталите 3d и 4s:

3d ¹⁰ 4s ²

И двете орбитали са пълни с електрони, така че тяхното припокриване не е много ефективно, дори когато цинковите ядра упражняват атрактивна сила върху тях.

Следователно, Zn атомите не са много сплотени, факт отразен в тяхната ниска точка на топене (419,53 ºC) в сравнение с други преходни метали. Всъщност това е характеристика на металите от група 12 (заедно с живак и кадмий), така че понякога те поставят под въпрос дали наистина трябва да се считат за елементи от блок d.

Въпреки че орбиталите на 3D и 4s са пълни, цинкът е добър проводник на електричество; следователно, валентните му електрони могат да "скочат" в проводната зона.

Окислителни числа

Невъзможно е цинкът да загуби своите дванадесет валентни електрона или да има окислително число или състояние от +12, ако приемем съществуването на катиона Zn ¹²⁺. Вместо това той губи само два от своите електрони; по-специално тези от 4-те орбитали, които се държат по сходен начин с алкалоземните метали (г-н Becambara).

Когато това се случи, се казва, че цинкът участва в съединението с окислително число или състояние +2; тоест, ако приемем съществуването на катиона Zn ²⁺. Например, в своя оксид, ZnO, цинкът има този номер на окисляване (Zn ²⁺ O ^2-). Същото се отнася и за много други съединения, като мислим, че съществува само Zn (II).

Съществува обаче и Zn (I) или Zn ⁺, който е загубил само един от електроните от 4s орбитала. Друго възможно окислително число за цинк е 0 (Zn ⁰), където неговите неутрални атоми взаимодействат с газообразни или органични молекули. Следователно той може да бъде представен като Zn ²⁺, Zn ⁺ или Zn ⁰.

Как се получава

Суров материал

Сфалерит минерална проба от Румъния. Източник: Джеймс Сейнт Джон

Цинкът е на двадесет и четвъртата позиция на най-изобилните елементи в земната кора. Обикновено се намира в серни минерали, разпространени по цялата планета.

За да се получи металът в чистата му форма, първо е необходимо да се съберат скалите, разположени в подземни тунели, и да се концентрират богатите на цинк минерали, които представляват истинската суровина.

Тези минерали са: сфалерит или wurzite (ZnS), zincite (ZnO), вилемит (Zn ₂ SiO ₄), smitsonite (ZnCO ₃) и gahnite (ZnAl ₂ O ₄). Сфалеритът е най-важният източник на цинк.

изпичане

След като минералът се концентрира след процес на флотация и пречистване на скалите, той трябва да бъде калциниран, за да превърне сулфидите в съответните им. В този етап минералът просто се нагрява в присъствието на кислород, развивайки следната химична реакция:

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

SO ₂ и реагира с кислорода за генериране SO ₃, съединение предназначени за синтез на сярна киселина.

След получаване на ZnO той може да претърпи или пирометалургичен процес, или електролиза, където крайният резултат е образуването на метален цинк.

Пирометалургичен процес

ZnO се намалява с помощта на въглища (минерали или кокс) или въглероден оксид:

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

ZnO (s) + CO (g) → Zn (g) + CO ₂ (g)

Трудността, с която се сблъсква този процес, е създаването на газообразен цинк, поради ниската му точка на кипене, която се преодолява от високите температури на пещта. Ето защо парите цинк трябва да бъдат дестилирани и отделени от останалите газове, докато техните кристали се кондензират върху разтопен олово.

Електролитичен процес

От двата метода за получаването му, това е най-широко използваното в световен мащаб. ZnO реагира с разредена сярна киселина, за да изтече цинковите йони като нейната сулфатна сол:

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

Накрая този разтвор се електролизира, за да генерира метален цинк:

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

Рискове

В подраздела за химичните реакции беше споменато, че водородът е един от основните продукти, когато цинкът реагира с вода. Ето защо в метално състояние той трябва да се съхранява правилно и извън обсега на киселини, основи, вода, сяра или какъвто и да е източник на топлина; в противен случай съществува риск от пожар.

Колкото по-фино е разделен цинкът, толкова по-голям е рискът от пожар или дори експлозия.

В противен случай, докато температурата не е близка до 500 ºC, нейната твърда или гранулирана форма не представлява никаква опасност. Ако е покрита със слой оксид, с него може да се борави с голи ръце, тъй като не реагира с тяхната влажност; обаче, като всяко твърдо вещество, той е дразнещ за очите и дихателните пътища.

Въпреки че цинкът е от съществено значение за здравето, излишната доза може да причини следните симптоми или странични ефекти:

- Гадене, повръщане, лошо храносмилане, главоболие и стомах или диария.

- Той измества медта и желязото по време на абсорбцията им в червата, което се отразява в нарастващите слабости на крайниците.

- Камъни в бъбреците.

- Загуба на обоняние.

Приложения

- Метал

сплави

Много музикални инструменти са изработени от месинг, медна и цинкова сплав. Източник: Pxhere.

Може би цинкът е един от металите, заедно с медта, който образува най-популярните сплави: месинг и поцинковано желязо. Брас е наблюдаван многократно по време на музикален оркестър, тъй като златният блясък на инструментите се дължи отчасти на споменатата сплав от мед и цинк.

Самият метален цинк няма много приложения, въпреки че навитият му служи като анод на сухи клетки, а в прахообразна форма е предназначен като редуциращ агент. Когато слой от този метал е електроосаден върху друг, първият предпазва последния от корозия, тъй като е по-податлив на окисляване; т. е. цинкът се окислява преди желязо.

Ето защо стоманите са поцинковани (покрити с цинк), за да се увеличи тяхната издръжливост. Примери за тези поцинковани стомани също присъстват в безкрайни „цинкови“ покриви, някои от които са с покритие от зелена боя, както и в автобуси, домакински съдове и окачени мостове.

Има и алузинк, алуминиево-цинкова сплав, използвана в граждански конструкции.

Редуциращ агент

Цинкът е добър редуциращ агент, така че губи електроните си за получаване на друг вид; особено метален катион. Когато е под формата на прах, намаляващото му действие е дори по-бързо от това на твърдите гранули.

Използва се в процесите на получаване на метали от техните минерали; като родий, сребро, кадмий, злато и мед.

По същия начин, намаляващото му действие се използва за намаляване на органичните видове, които могат да участват в нефтената промишленост, като бензол и бензин, или във фармацевтичната индустрия. От друга страна, цинковият прах намира приложение и в алкални батерии с цинково-манганов диоксид.

Разни

Поради своята реактивност и по-енергично изгаряне, цинковият прах намира приложение като добавка в мачните глави, в експлозивите и фойерверките (те придават бели светкавици и зеленикави пламъци).

- Съединения

сулфид, който е

Часовник с фосфоресцираща боя на ръцете и часове. Източник: Франсис Флинч

Цинковият сулфид има свойството да е фосфоресциращ и луминисцентен, поради което се използва при производството на светещи бои.

окис

Белият цвят на оксида му, както и неговата полу- и фотопроводимост се използват като пигмент за керамика и хартия. В допълнение, той присъства в талк, козметика, гуми, пластмаси, тъкани, лекарства, мастила и емайли.

Хранителна добавка

Нашето тяло се нуждае от цинк, за да изпълни много от жизнените си функции. За да го придобиете, той е включен в някои хранителни добавки под формата на оксид, глюконат или ацетат. Присъства и в кремове за облекчаване на изгаряния и кожни раздразнения, и в шампоани.

Някои ползи, известни или свързани с приема на цинк, са:

- Подобрява имунната система.

- Добре е противовъзпалителното.

- Намалява досадните симптоми на обикновената настинка.

- Предотвратява увреждането на клетките в ретината, затова се препоръчва за зрение.

- Спомага за регулирането на нивата на тестостерон, а също така е свързан с фертилитета при мъжете, качеството на спермата им и развитието на мускулната тъкан.

- Регулира взаимодействията между мозъчните неврони, поради което е свързан с подобрения в паметта и ученето.

-И също така, той е ефективен при лечение на диария.

Тези цинкови добавки се предлагат в търговската мрежа като капсули, таблетки или сиропи.

Биологична роля

Въглеродна анхидраза и карбоксипептидаза

Смята се, че цинкът е част от 10% от всички ензими в човешкото тяло, приблизително 300 ензима. Сред тях могат да се посочат въглеродна анхидраза и карбоксипептидаза.

Въглеродната анхидраза, ензим, зависим от цинка, действа на тъканно ниво, като катализира реакцията на въглеродния диоксид с вода до образуване на бикарбонат. Когато бикарбонатът достигне до белите дробове, ензимът обръща реакцията и се образува въглероден диоксид, който по време на изтичане се изхвърля навън.

Карбоксипептидазата е екзопептидаза, която усвоява протеините, освобождавайки аминокиселини. Цинкът действа, като доставя положителен заряд, който улеснява взаимодействието на ензима с протеина, който той усвоява.

При функциониране на простатата

Цинкът присъства в различни органи на човешкото тяло, но той има най-висока концентрация в простатата и в спермата. Цинкът е отговорен за правилното функциониране на простатата и развитието на мъжките репродуктивни органи.

Цинк пръсти

Цинкът участва в метаболизма на РНК и ДНК. Цинк пръстите (Zn-пръстите) се състоят от цинкови атоми, които служат като свързващи мостове между протеините, които заедно участват в различни функции.

Цинк пръстите са полезни при четене, писане и транскрипция на ДНК. Освен това има хормони, които ги използват във функции, свързани с хомеостаза на растежа в цялото тяло.

В регулацията на глутамат

Глутаматът е основният възбуждащ невротрансмитер в мозъчната кора и мозъчния ствол. Цинкът се натрупва в глутаминергични пресинаптични везикули, като се намесва в регулацията на освобождаването на невротрансмитер глутамат и при невронна възбудимост.

Има доказателства, че преувеличеното освобождаване на невротрансмитер глутамат може да има невротоксично действие. Затова съществуват механизми, които регулират освобождаването му. По този начин хомеостазата на цинка играе важна роля във функционалната регулация на нервната система.

Препратки

1. Шивър и Аткинс. (2008 г.). Неорганична химия. (Четвърто издание). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Цинк. Възстановено от: en.wikipedia.org
3. Майкъл Пилгард. (2016 г., 16 юли). Цинк: химични реакции. Възстановени от: pilgaardelements.com
4. Национален център за информация за биотехнологиите. (2019). Цинк. PubChem база данни. CID = 23994. Възстановени от: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Wojes Ryan. (25 юни 2019 г.). Свойствата и употребата на цинковия метал. Възстановени от: thebalance.com
6. Г-н Кевин А. Будо. (SF). Цинк + сяра. Възстановена от: angelo.edu
7. Алън У. Ричардс. (12 април 2019 г.). Преработка на цинк. Encyclopædia Britannica. Възстановено от: britannica.com
8. Чистота на цинкови метали. (2015). Индустриални приложения. Възстановени от: purityzinc.com
9. Nordqvist, J. (5 декември 2017 г.). Какви са ползите за цинка за здравето? Медицински новини днес. Възстановени от: medicalnewstoday.com