ЦИНК: ІСТОРІЯ, ВЛАСТИВОСТІ, СТРУКТУРА, РИЗИКИ, ВИКОРИСТАННЯ - ХІМІЯ - 2025

Цинку являє собою перехідний метал , належить до групи 12 періодичної таблиці і представлена хімічним символом Zn. Це 24-й елемент з великою кількістю земної кори, який міститься в сірчаних мінералах, таких як сфалерит або карбонати, такі як смітоніт.

Це метал, широко відомий у популярній культурі; цинкові дахи - приклад, як і доповнення для регулювання чоловічих гормонів. Він міститься в багатьох продуктах харчування і є важливим елементом для незліченних обмінних процесів. Є кілька переваг його помірного споживання в порівнянні з негативними наслідками його надлишку в організмі.

Дах із цинкового сплаву в річковому музеї. Джерело: Eoin

Цинк був відомий задовго до оцинкованих сталей та інших металів срібного кольору. Латунь, сплав різноманітного складу міді та цинку, вже тисячі років є частиною історичних об'єктів. Сьогодні його золотий колір часто можна побачити на деяких музичних інструментах.

Так само це метал, з якого виготовлені лужні батареї, оскільки його знижена потужність і простота подачі електронів робить його хорошим варіантом як анодного матеріалу. Основне його використання - цинкування сталей, покриття їх шаром цинку, який окислює або жертвує, щоб запобігти заліза, що знаходиться під ним, згодом.

У своїх похідних сполуках він майже завжди має число окиснення або стан +2. Тому іон Zn ²⁺ вважається окриленим молекулярними або іонними середовищами. Хоча Zn ²⁺ - кислота Льюїса, яка може викликати проблеми всередині клітин, координуючись з іншими молекулами, вона позитивно взаємодіє з ферментами та ДНК.

Таким чином, цинк є важливим кофактором для багатьох металоферментів. Незважаючи на надзвичайно важливу біохімію та блиск зеленуватих спалахів та полум’я при горінні, у світі науки він вважається "нудним" металом; оскільки його властивості не мають привабливості інших металів, а також температура його плавлення значно нижча за їхню.

Історія

Античність

Цинком маніпулювали тисячі років; але непомітно, оскільки стародавні цивілізації, включаючи перси, римляни, трансільванці та греки, вже виготовляли предмети, монети та латунну зброю.

Тому латунь є одним із найдавніших відомих сплавів. Вони готували його з мінералу каламіну, Zn ₄ Si ₂ O ₇ (OH) ₂ · H ₂ O, який подрібнювали та нагрівали у присутності вовни та міді.

Під час цього процесу невеликі кількості металевого цинку, які могли б утворитися, витікали у вигляді пари, що затягнуло його ідентифікацію як хімічний елемент на роки. Із часом століть латунь та інші сплави збільшували вміст цинку, виглядаючи сіруватим.

У чотирнадцятому столітті в Індії їм уже вдалося виробити металевий цинк, який вони назвали Джасада, а потім торгували ним з Китаєм.

І так алхіміки змогли придбати його для проведення своїх експериментів. Саме відомий історичний діяч Парацельс назвав його «цинкумом», можливо, за схожістю між кристалами цинку та зубами. Потроху, серед інших назв та різних культур, назва «цинк» закінчилася згортанням цього металу.

Ізоляція

Хоча Індія вже виробляла металевий цинк з 1300-х років, це походить від методу, який використовував каламін з вовною; отже, це не був металевий зразок значної чистоти. Вільям Чемпіон удосконалив цей метод у 1738 р., Великобританія, використовуючи вертикальну ретортну піч.

У 1746 році німецький хімік Андреас Сигізмунд Маргграф вперше отримав зразок чистого цинку шляхом нагрівання каламіну в присутності деревного вугілля (кращого відновника, ніж вовна), всередині ємності з міддю. Цей спосіб одержання цинку розвивався комерційно та паралельно шампанським.

Пізніше були розроблені процеси, які нарешті стали незалежними від каламіну, використовуючи замість цього оксид цинку; іншими словами, дуже схожий на поточний пірометалургійний процес. Печі також покращилися, завдяки чому можна виробляти зростаючу кількість цинку.

До цього часу ще не було жодної програми, яка вимагала б величезної кількості цинку; але це змінилося завдяки внескам Луїджі Гальвані та Алессандро Вольти, які поступилися місцем концепції гальванізації. Вольта також придумав те, що відомо як гальванічна клітина, і цинк незабаром став частиною дизайну сухих клітин.

Фізичні та хімічні властивості

Зовнішність

Це сіруватий метал, як правило, випускається в гранульованому або порошкоподібному вигляді. Він фізично слабкий, тому не є хорошим вибором для програм, де він повинен підтримувати важкі предмети.

Так само він крихкий, хоча при нагріванні вище 100 ºC він стає ковким і пластичним; до 250 ºС, температура при якій знову стає крихкою і розпилюваною.

Молярна маса

65,38 г / моль

Атомне число (Z)

30

Точка плавлення

419,53 ° С. Ця низька температура плавлення свідчить про її слабкий металевий зв’язок. При розплаві він має вигляд схожий на рідкий алюміній.

Точка кипіння

907 ºC

Температура автозапуску

460 ºC

Щільність

-7,14 г / мл при кімнатній температурі

-6,57 г / мл при температурі плавлення, тобто саме при плавленні або плавленні

Тепло синтезу

7,32 кДж / моль

Тепло випаровування

115 кДж / моль

Молярна теплоємність

25,470 Дж / (моль К)

Електронегативність

1,65 за шкалою Полінга

Енергії іонізації

-По-перше: 906,4 кДж / моль (Zn ⁺ газ)

-Друге: 1733,3 кДж / моль (Zn ²⁺ газоподібний)

-Трете: 3833 кДж / моль (Zn ³⁺ газоподібний)

Атомне радіо

Емпіричний 134 вечора

Ковалентний радіус

122 ± 4 вечора

Твердість Мооса

2.5. Ця величина значно нижча порівняно з твердістю інших перехідних металів, тобто вольфраму.

Магнітний порядок

Діамагнітний

Теплопровідність

116 Вт / (м К)

Електричний опір

59 нОм при 20 ° С

Розчинність

Він нерозчинний у воді до тих пір, поки його оксидний шар захищає його. Після того як він видаляється нападом кислоти або основи, цинк закінчує взаємодію з водою з утворенням складного водного, Zn (OH ₂ ) ₆ ²⁺ , розміщуючи Zn ²⁺ у центрі обмеженого октаедра молекулами води.

Розкладання

Коли він горить, він може виділяти в повітря токсичні частинки ZnO. В процесі цього спостерігається зеленуватий вогник і світиться світло.

Хімічні реакції

Реакція між цинком та сіркою всередині тигля, де цінується зеленувато-синій колір полум'я. Джерело: Eoin

Цинк - це реактивний метал. При кімнатній температурі він може покриватися не тільки оксидним шаром, але й основним карбонатом, Zn ₅ (OH) ₆ (CO ₃ ) ₂ , або навіть сіркою, ZnS. Коли цей шар різноманітного складу руйнується при нападі кислоти, метал реагує:

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

Хімічне рівняння, що відповідає його реакції з сірчаною кислотою та:

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

З соляною кислотою. В обох випадках, хоча це не написано, присутній складний водний Zn (OH ₂ ) ₆ ²⁺ ; за винятком випадків, коли середовище є основним, оскільки воно осідає як гідроксид цинку, Zn (OH) ₂ :

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

Який є білим, аморфним і амфотерні гідроксиду, здатні продовжувати реакцію з більш ОН ^- іонів :

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

Zn (OH) ₄ ^2- - аніон цинкату. Фактично, коли цинк реагує з такою сильною основою, як концентрований NaOH, комплекс цинкату натрію, Na ₂ , утворюється безпосередньо :

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

Так само цинк може реагувати з неметалічними елементами, такими як галогени в газоподібному стані або сірка:

Zn (s) + I ₂ (g) → ZnI ₂ (s)

Zn (s) + S (s) → ZnS (s) (верхнє зображення)

Ізотопи

Цинк існує в природі у вигляді п'яти ізотопів: ⁶⁴ Zn (49,2%), ⁶⁶ Zn (27,7%), ⁶⁸ Zn (18,5%), ⁶⁷ Zn (4%) і ⁷⁰ Zn (0,62) %). Інші синтетичні та радіоактивні.

Структура та електронна конфігурація

Атоми цинку кристалізуються в компактну, але спотворену шестикутну структуру (hcp), продукт їх металевого зв’язку. Валентні електрони, які керують такими взаємодіями, відповідно до конфігурації електронів, належать орбіталям 3d і 4s:

3d ¹⁰ 4s ²

Обидві орбіталі повністю заповнені електронами, тому їх перекриття не дуже ефективно, навіть коли ядра цинку чинять на них привабливу силу.

Отже, атоми Zn не є дуже згуртованими, що відбивається на їх низькій температурі плавлення (419,53 ºC) порівняно з іншими перехідними металами. Насправді це характеристика металів групи 12 (поряд із ртуттю та кадмієм), тому вони іноді ставлять під сумнів, чи слід насправді вважати елементами блоку d.

Незважаючи на повноту орбіталей 3d і 4s, цинк є хорошим провідником електрики; тому його валентні електрони можуть «стрибати» в зону провідності.

Окислювальні числа

Неможливо, щоб цинк втратив свої дванадцять валентних електронів або мав число або стан окислення +12, якщо припустити існування катіона Zn ¹²⁺ . Натомість він втрачає лише два своїх електрона; зокрема, орбіталі 4-х, які поводяться аналогічно лужноземельним металам (Містер Бекамбара).

Коли це відбувається, кажуть, що цинк бере участь у сполуці з окислювальним числом або станом +2; тобто припускаючи існування катіона Zn ²⁺ . Наприклад, в оксиді ZnO цинк має це число окислення (Zn ²⁺ O ^2- ). Це ж стосується багатьох інших сполук, думаючи, що існує лише Zn (II).

Однак є також Zn (I) або Zn ⁺ , який втратив лише один з електронів з орбіталі 4s. Інше можливе число окислення цинку - 0 (Zn ⁰ ), де його нейтральні атоми взаємодіють з газоподібними або органічними молекулами. Тому його можна представити як Zn ²⁺ , Zn ⁺ або Zn ⁰ .

Як це виходить

Сирий матеріал

Проба мінералу сфалериту з Румунії. Джерело: Джеймс Сент-Джон

Цинк знаходиться в двадцять четвертому положенні найпоширеніших елементів земної кори. Він, як правило, міститься в сірчаних мінералах, поширених по всій планеті.

Для отримання металу в чистому вигляді спочатку необхідно зібрати гірські породи, розташовані в підземних тунелях, і сконцентрувати мінерали, багаті цинком, які представляють справжню сировину.

До таких мінералів відносяться: сфалерит або вурцит (ZnS), цинкіт (ZnO), віллеміт (Zn ₂ SiO ₄ ), смітоніт (ZnCO ₃ ) і ганіт (ZnAl ₂ O ₄ ). Сфалерит на сьогоднішній день є основним джерелом цинку.

Прожарювання

Після того, як мінерал був сконцентрований після процесу флотації та очищення гірських порід, його необхідно прожарити, щоб перетворити сульфіди у відповідні. На цьому етапі мінерал просто нагрівається в присутності кисню, розвиваючи наступну хімічну реакцію:

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

SO ₂ також реагує з киснем, щоб утворити SO ₃ , сполуку, призначену для синтезу сірчаної кислоти.

Після отримання ZnO він може бути підданий або пірометалургійному процесу, або електролізу, де кінцевим результатом є утворення металевого цинку.

Пірометалургійний процес

ZnO відновлюється за допомогою вугілля (мінерального або коксового) або чадного газу:

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

ZnO (s) + CO (g) → Zn (g) + CO ₂ (g)

Складність, з якою стикається цей процес, полягає в утворенні газоподібного цинку внаслідок його низької температури кипіння, яку долають високі температури печі. Ось чому пари цинку необхідно переганяти та відокремлювати від інших газів, тоді як їх кристали конденсуються на розплаві свинцю.

Електролітичний процес

З двох методів її отримання цей найбільш широко застосовується у всьому світі. ZnO реагує з розведеною сірчаною кислотою для вилучення іонів цинку як його сульфатної солі:

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

Нарешті, цей розчин електролізується для отримання металевого цинку:

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

Ризики

У підрозділі про хімічні реакції було зазначено, що газ водню є одним із основних продуктів, коли цинк реагує з водою. Ось чому в металевому стані він повинен бути належним чином зберігатися та недоступний для дії кислот, основ, води, сірки чи будь-якого джерела тепла; інакше існує небезпека пожежі.

Чим дрібніше цинк розділений, тим більший ризик пожежі або навіть вибуху.

В іншому випадку, поки температура не наближається до 500 ºC, її тверда або зерниста форма не представляє ніякої небезпеки. Якщо він покритий шаром оксиду, з ним можна обробити голими руками, оскільки він не реагує на їх вологість; однак, як і будь-яке тверде речовина, воно подразнює очі та дихальні шляхи.

Хоча цинк є важливим для здоров'я, надмірна доза може викликати такі симптоми або побічні ефекти:

- Нудота, блювота, порушення травлення, головні болі і шлунок або діарея.

- Він витісняє мідь і залізо під час їх всмоктування в кишечнику, що відображається на зростаючих слабкостях кінцівок.

- Камені в нирках.

- Втрата нюху.

Програми

- Метал

Сплави

Багато музичних інструментів виготовлені з латуні, сплаву міді та цинку. Джерело: Pxhere.

Можливо, цинк є одним із металів, поряд із міддю, який утворює найпопулярніші сплави: латунь та оцинковане залізо. Брас спостерігали неодноразово під час музичного оркестру, оскільки золоте сяйво інструментів частково пояснюється згаданим сплавом міді та цинку.

Металевий цинк сам по собі не має багатьох застосувань, хоча згорнутий він служить анодом сухих клітин, а у вигляді порошку призначений як відновник. Коли шар цього металу електроосаджений на інший, перший захищає другий від корозії, оскільки він більш чутливий до окислення; тобто цинк окислюється перед залізом.

Ось чому сталі оцинковані (покриті цинком) для підвищення їх міцності. Приклади цих оцинкованих сталей також є в нескінченних «цинкових» дахах, деякі з яких мають покриття із зеленої фарби, а також у кузовах автобусів, домашньому посуді та підвісних мостах.

Є також алюзинк, алюмінієво-цинковий сплав, який використовується в цивільних конструкціях.

Відновлюючий засіб

Цинк - хороший відновник, тому він втрачає електрони для отримання іншого виду; особливо катіон металу. У формі порошку його відновлювальна дія навіть швидше, ніж у твердих гранул.

Застосовується в процесах одержання металів зі своїх мінералів; такі як родий, срібло, кадмій, золото і мідь.

Так само його відновлююча дія використовується для зменшення органічних видів, які можуть бути залучені до нафтової промисловості, наприклад, бензолу та бензину, або до фармацевтичної промисловості. З іншого боку, цинковий пил також знаходить застосування в лужних цинково-марганцевих акумуляторах.

Різне

Через свою реакційну здатність та більш енергійне горіння цинковий пил знаходить застосування як добавка в сірниках, у вибухівці та феєрверку (вони надають білі спалахи та зеленувате полум'я).

- Сполуки

Сульфідні

Годинник з фосфоресцентною фарбою на руках і години. Джерело: Френсіс Флінч

Сульфід цинку має властивість бути фосфоресцентним та люмінесцентним, тому його використовують у виробництві світлих фарб.

Оксид

Білий колір його оксиду, а також його напів- та фотопровідність використовують як пігмент для кераміки та паперів. Крім того, він присутній у тальку, косметиці, каучуках, пластмасі, тканинах, лікарських засобах, фарбах, емалях.

Харчова добавка

Нашому організму потрібен цинк для виконання багатьох його життєво важливих функцій. Для його придбання його включають в деякі харчові добавки у вигляді оксиду, глюконату або ацетату. Він також присутній у кремах для зняття опіків та подразнень шкіри, а також у шампунях.

Деякі переваги, відомі або пов'язані з прийомом цинку, є:

- Покращує імунну систему.

- Це хороший протизапальний засіб.

- Зменшує дратівливі симптоми застуди.

- Запобігає пошкодження клітин у сітківці, тому рекомендується для зору.

- Це допомагає регулювати рівень тестостерону, а також пов’язане з фертильністю чоловіків, якістю їх сперми та розвитком м’язової тканини.

- регулює взаємодію між нейронами мозку, через що це пов'язано з поліпшенням пам’яті та навчання.

-А також, він ефективний при лікуванні діареї.

Ці цинкові добавки комерційно доступні у вигляді капсул, таблеток або сиропів.

Біологічна роль

У вуглекислому ангідразі та карбоксипептидазі

Вважається, що цинк входить до складу 10% загальної кількості ферментів в організмі людини, приблизно 300 ферментів. Серед них можна згадати вуглеводневу ангідразу та карбоксипептидазу.

Вуглекислий ангідраза, цинк-залежний фермент, діє на тканинному рівні, каталізуючи реакцію вуглекислого газу з водою, утворюючи бікарбонат. Коли бікарбонат досягає легенів, фермент повертає реакцію і утворюється вуглекислий газ, який виводиться назовні під час видиху.

Карбоксипептидаза - це екзопептидаза, яка перетравлює білки, вивільняючи амінокислоти. Цинк працює, подаючи позитивний заряд, який полегшує взаємодію ферменту з білком, який він перетравлює.

У функціонуванні простати

Цинк присутній в різних органах людського організму, але він має найбільшу концентрацію в простаті та в спермі. Цинк відповідає за правильне функціонування простати і розвиток чоловічих репродуктивних органів.

Цинкові пальці

Цинк бере участь у метаболізмі РНК та ДНК. Цинкові пальці (Zn-пальці) складаються з атомів цинку, які служать сполучними містками між білками, які разом беруть участь у різних функціях.

Цинкові пальці корисні при читанні, письмі та транскрипції ДНК. Крім того, існують гормони, які використовують їх у функціях, пов’язаних із зростанням гомеостазу в усьому організмі.

У регуляції глутамату

Глутамат є головним збудливим нейротрансмітером у корі головного мозку та мозку. Цинк накопичується в глютамінергічних пресинаптичних везикулах, втручаючись у регуляцію вивільнення нейромедіатора глутамату та збудливість нейронів.

Є дані, що перебільшене вивільнення нейромедіатора глутамату може мати нейротоксичну дію. Тому існують механізми, які регулюють його вивільнення. Гомеостаз цинку, таким чином, відіграє важливу роль у функціональній регуляції нервової системи.

Список літератури

1. Шивер і Аткінс. (2008). Неорганічна хімія. (Четверте видання). Mc Graw Hill.
2. Вікіпедія. (2019). Цинк. Відновлено з: en.wikipedia.org
3. Майкл Пільгард. (2016 р., 16 липня). Цинк: хімічні реакції. Відновлено з: pilgaardelements.com
4. Національний центр інформації про біотехнології. (2019). Цинк. PubChem База даних. CID = 23994. Відновлено з: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Вуєс Райан. (25 червня 2019 р.). Властивості та використання цинкового металу. Відновлено з: thebalance.com
6. Містер Кевін А. Будро. (sf). Цинк + Сірка. Відновлено: angelo.edu
7. Алан В. Річардс. (12 квітня 2019 р.). Переробка цинку. Encyclopædia Britannica. Відновлено: britannica.com
8. Чистота цинкових металів. (2015). Застосування галузі. Відновлено з: purityzinc.com
9. Nordqvist, J. (5 грудня 2017 р.). Які корисні для цинку користь для здоров’я? Медичні новини сьогодні. Відновлено з: medicalnewstoday.com