ОКСИД ЦИНКУ (ЗНО): СТРУКТУРА, ВЛАСТИВОСТІ, ВИКОРИСТАННЯ, РИЗИКИ - ХІМІЯ - 2025

Оксид цинку являє собою неорганічну сполуку з хімічною формулою ZnO. Він складається виключно з іонів Zn ²⁺ та O ^2- у співвідношенні 1: 1; однак його кристалічна решітка може представляти собою вакансію O ² , що спричиняє структурні дефекти, здатні змінювати кольори синтетичних кристалів.

Він комерційно набувається у вигляді порошкоподібного білого твердого речовини (нижнє зображення), який утворюється безпосередньо при окисленні металевого цинку французьким процесом; або піддають карботермічним відновленням цинкові руди таким чином, що їх пари потім окислюються і закінчуються твердінням.

Дивитися скло з оксидом цинку. Джерело: Адам Рендзіковський

Інші способи приготування ZnO складаються з осадження його гідроксиду Zn (OH) ₂ з водних розчинів солей цинку. Так само морфологічно різноманітні тонкі плівки або наночастинки ZnO можуть бути синтезовані більш складними методами, такими як хімічне осадження його пари.

Цей оксид металу зустрічається в природі як мінерал цинкіт, кристали якого зазвичай жовті або оранжеві через металеві домішки. Для кристалів ZnO характерно, що вони є п'єзоелектричними, термохроматичними, люмінесцентними, полярними, а також мають дуже широку енергетичну смугу за своїми напівпровідниковими властивостями.

Структурно він ізоморфний сульфіду цинку, ZnS, приймаючи гексагональні та кубічні кристали, подібні до вурзиту та суміші відповідно. У них є певний ковалентний характер у взаємодіях між Zn ²⁺ та O ^2- , що викликає неоднорідний розподіл зарядів у кристалі ZnO.

Дослідження властивостей та застосувань ZnO поширюються на галузі фізики, електроніки та біомедицини. Його найпростіші та найбільш повсякденні використання залишаються непоміченими у складі кремів для обличчя та засобів особистої гігієни, а також у сонцезахисних засобах.

Будова

Поліморфи

ZnO кристалізується при нормальних умовах тиску та температури в шестикутній структурі вурциту. У цій структурі іони Zn ²⁺ і O ^2- розташовані в чергуються шари таким чином, що кожен закінчується оточеним тетраедром відповідно ZnO ₄ або OZn ₄ .

Також, використовуючи «шаблон» або кубічну підставку, ZnO може бути виготовлений для кристалізації в кубічну цинкову суміш; які, як і вурцит, відповідають ізоморфним структурам (однакових за простором, але з різними іонами) сульфіду цинку, ZnS.

На додаток до цих двох структур (вурзиту та суміші), ZnO під високим тиском (близько 10 ГПа) кристалізується у структурі кам'яної солі, такої ж, як у NaCl.

Взаємодії

Взаємодії між Zn ²⁺ і O ^2- представляють певний характер ковалентності, для якого частково існує ковалентний зв'язок Zn-O (обидва атоми з sp ³ гібридизацією ), і внаслідок спотворення тетраедрів вони проявляються моментом диполь, що додає до іонних атракціонів кристалів ZnO.

Бленде (ліворуч) і вурзітова (права) структура ZnO. Джерело: Габріель Болівар.

У вас є верхнє зображення для візуалізації тетраедрів, згаданих для структур ZnO.

Різниця між структурою суміші та вурциту полягає також у тому, що видно зверху, іони не затемнюються. Наприклад, у вурзиті білі сфери (Zn ²⁺ ) видно трохи над червоними сферами (O ^2- ). З іншого боку, у структурі кубічної суміші це не так, оскільки є три шари: A, B і C замість лише двох.

Морфологія наночастинок

Незважаючи на те, що кристали ZnO мають гексагональну вурзитову структуру, морфологія їх наночастинок - інша історія. Залежно від параметрів та методів синтезу вони можуть приймати такі різноманітні форми, як прути, тарілки, листя, сфери, квіти, пояси, голки.

Властивості

Зовнішність

Біла борошниста тверда речовина без запаху з гірким смаком. У природі його можна знайти кристалізованим, з металевими домішками, такими як мінерал цинкіт. Якщо такі кристали білі, вони проявляють термохромізм, це означає, що при нагріванні вони змінюють свій колір: від білого до жовтого.

Так само його синтетичні кристали можуть мати червонуватий або зеленуватий колір, залежно від їх стехіометричного кисневого складу; Іншими словами, розриви або вакансії, спричинені нестачею аніонів O ^2-, безпосередньо впливають на спосіб взаємодії світла з іонними мережами.

Молярна маса

81.406 г / моль

Точка плавлення

1974 ° С. При цій температурі він зазнає термічного розкладання, виділяючи пари цинку та молекулярний або газоподібний кисень.

Щільність

5,1 г / см ³

Розчинність у воді

ZnO є практично нерозчинним у воді, навряд чи утворює розчини з концентрацією 0,0004% при 18 ° C.

Амфотеризм

ZnO може реагувати як з кислотами, так і з основами. Коли він реагує з кислотою у водному розчині, її розчинність збільшується, утворюючи розчинну сіль, де Zn ²⁺ закінчується комплексоутворенням з молекулами води: ²⁺ . Наприклад, він реагує з сірчаною кислотою з утворенням сульфату цинку:

ZnO + H ₂ SO ₄ → ZnSO ₄ + H ₂ O

Аналогічно, він реагує з жирними кислотами з утворенням відповідних солей, таких як стеарат цинку та пальмітат.

І коли він реагує з основою, у присутності води утворюються солі цинку:

ZnO + 2NaOH + H ₂ O → Na ₂

Теплоємність

40,3 Дж / К моль

Прямий енергетичний розрив

3,3 еВ. Це значення робить його широкосмуговим напівпровідником, здатним працювати в напружених електричних полях. Він також має характеристики того, що він є напівпровідником n-типу, що не пояснило, чому в його структурі є додаткова подача електронів.

Цей оксид відрізняється своїми оптичними, акустичними та електронними властивостями, завдяки яким він вважається кандидатом у потенційні можливості, пов'язані з розробкою оптоелектронних пристроїв (датчиків, лазерних діодів, фотоелектричних комірок). Причина таких властивостей виходить за межі сфери фізики.

Програми

Лікарські

Оксид цинку використовується як добавка у багатьох білих кремах для лікування подразнень шкіри, вугрів, дерматитів, потертостей та тріщин. У цій області популярне його використання для зняття подразнень, викликаних пелюшками на шкірі немовлят.

Так само вона є складовою сонцезахисних кремів, оскільки разом з наночастинками діоксиду титану TiO ₂ сприяє блокуванню ультрафіолетового випромінювання Сонця. лосьйони, емалі, порошки та мило.

З іншого боку, ZnO є джерелом цинку, який використовується в харчових добавках та вітамінних продуктах, а також у зернових.

Антибактеріальні

Відповідно до морфології його наночастинок, ZnO може бути активований ультрафіолетовим випромінюванням для утворення пероксидів водню або реактивних видів, які послаблюють клітинні мембрани мікроорганізмів.

Коли це відбувається, що залишилися наночастинки ZnO борознують цитоплазму і починають взаємодіяти з компендієм біомолекул, що складають клітину, внаслідок чого відбувається їх апоптоз.

Ось чому не всі наночастинки можна використовувати в сонцезахисних засобах, а лише ті, у яких відсутня антибактеріальна активність.

Продукти з цим типом ZnO розроблені, покриті розчинними полімерними матеріалами, для лікування інфекцій, ран, виразок, бактерій і навіть діабету.

Пігменти та покриття

Пігментом, відомим як білий цинк, є ZnO, який додається до різних фарб та покриттів для захисту металевих поверхонь, де вони наносяться від корозії. Наприклад, покриття з доданим ZnO використовуються для захисту оцинкованого заліза.

З іншого боку, ці покриття також використовувались на віконному склі, щоб запобігти проникненню тепла (якщо воно знаходиться зовні) або потрапляння (якщо воно всередині). Так само він захищає деякі полімерні та текстильні матеріали від зносу внаслідок дії сонячної радіації та тепла.

Біообрази

Люмінесценцію наночастинок ZnO вивчали для використання в біовимірюванні, таким чином, вивчаючи внутрішні структури клітин за допомогою синього, зеленого або оранжевого світла, що випромінюють.

Добавка

ZnO також знаходить застосування в якості добавки в каучуки, цементи, зубні вироби, окуляри та кераміку, завдяки нижчій температурі плавлення і, отже, поводиться як флюсуючий агент.

Видалення сірководню

ZnO видаляє неприємні гази H ₂ S, допомагаючи десульфурити деякі викиди газу:

ZnO + H ₂ S → ZnS + H ₂ O

Ризики

Оксид цинку як такий є нетоксичним і нешкідливим складом, тому розважливе поводження з його твердим не представляє ніякого ризику.

Однак проблема полягає в його димі, оскільки, хоча при високій температурі він розкладається, пари цинку в кінцевому підсумку забруднюють легені і викликають свого роду "металеву лихоманку". Це захворювання характеризується симптомами кашлю, лихоманки, відчуття стягнутості в грудях і постійного металевого присмаку в роті.

Він також не є канцерогенним, і креми, що містять його, не показали, що підвищують всмоктування цинку в шкіру, тому сонцезахисні креми на основі ZnO вважаються безпечними; якщо немає алергічних реакцій, в такому випадку його використання слід припинити.

Щодо певних наночастинок, призначених для боротьби з бактеріями, вони можуть мати негативні наслідки, якщо їх неправильно транспортувати до місця дії.

Список літератури

1. Шивер і Аткінс. (2008). Неорганічна хімія. (Четверте видання). Mc Graw Hill.
2. Вікіпедія. (2019). Оксид цинку. Відновлено з: en.wikipedia.org
3. Хадіс Моркоч та Юміт Озгур. (2009). Оксид цинку: основи, матеріали та технологія пристроїв. . Відновлено з: application.wiley-vch.de
4. Парихар, М. Раджа та Р. Паулоза. (2018). Короткий огляд структурних, електричних та електрохімічних властивостей наночастинок оксиду цинку. . Відновлено з: ipme.ru
5. А. Родний та І. В. Ходюк. (2011 р.). Оптичні та люмінесцентні властивості оксиду цинку. Відновлено з: arxiv.org
6. Siddiqi, KS, Ur Rahman, A., Tajuddin, & Husen, A. (2018). Властивості наночастинок оксиду цинку та їх активність проти мікробів. Нанорозмірні дослідницькі листи, 13 (1), 141. doi: 10.1186 / s11671-018-2532-3
7. Хімічна безпека (2019). Оксид цинку. Відновлено з: chemicalsafetyfacts.org
8. Цзіньхуань Цзян, Цзян Пі і Джіе Чай. (2018). Просування наночастинок оксиду цинку для біомедичних застосувань. Біоорганічна хімія та застосування, т. 2018 рік, номер статті 1062562, 18 сторінок. doi.org/10.1155/2018/1062562