ЦИНК: ИСТОРИЈА, СВОЈСТВА, СТРУКТУРА, РИЗИЦИ, УПОТРЕБЕ - ХЕМИЈА - 2025

Цинк је транзиција металом који припада групи 12 периодног система и заступа хемијски симбол Зн. То је 24. елемент у богатству земљине коре, који се налази у минералима сумпора, попут сфалерита или карбоната, као што је смитсонит.

То је метал врло познат у популарној култури; цинк-кровови су пример, као и додаци за регулисање мушких хормона. Налази се у многим намирницама и кључан је елемент за безброј метаболичких процеса. Постоји неколико предности његовог умереног уноса у поређењу са негативним ефектима његовог вишка у организму.

Кров од легуре цинка музеја Риверсиде. Извор: Еоин

Цинк је био познат много пре својих поцинкованих челика и других метала сребрне боје. Месинг, легура разноврсног састава бакра и цинка, део је историјских објеката хиљадама година. Данас се његова златна боја често види на неким музичким инструментима.

Исто тако, то је метал од којег се праве алкалне батерије, јер му смањена снага и лакоћа донирања електрона чине добру опцију као анодни материјал. Његова главна употреба је галванизирање челика, премазивање слојем цинка који оксидира или жртвује како би се гвожђе испод кородирало касније.

У својим дериватним једињењима готово увек има оксидациони број или стање +2. Стога се сматра да је ион Зн ²⁺ обухваћен молекуларним или јонским окружењем. Иако је Зн ²⁺ Левисова киселина која може узроковати проблеме унутар ћелија, координирана с другим молекулама она позитивно дјелује са ензимима и ДНК.

Стога је цинк важан кофактор за многе метало-ензиме. Упркос огромној важној биохемији и сјају својих зеленкастих бљескова и пламена при горењу, у свету науке сматра се „досадним“ металом; пошто његова својства немају привлачност других метала, а тачка топљења знатно је нижа од њихове.

Историја

Антика

Цинком се манипулише хиљадама година; али на непримећен начин, јер су древне цивилизације, укључујући Перзијце, Римљане, Трансилванијце и Грке, већ правили предмете, кованице и месингано оружје.

Стога је месинг једна од најстаријих познатих легура. Припремали су га из минерала каламина, Зн ₄ Си ₂ О ₇ (ОХ) ₂ · Х ₂ О, који су га млели и грејали у присуству вуне и бакра.

Током процеса, мале количине металног цинка које су могле да се формирају истекле су као пара, чињеница која је годинама одлагала његову идентификацију као хемијски елемент. Како су векови пролазили, месинг и друге легуре повећавале су свој садржај цинка, изгледајући сивкасто.

У четрнаестом веку, у Индији, они су већ успели да произведу метални цинк, који су назвали Јасада, а затим су га продавали са Кином.

И тако су га алхемичари успели набавити да би извели своје експерименте. То је позната историјска фигура Парацелсус назвала "зинцум", вероватно по сличности између кристала цинка и зуба. Мало по мало, усред других имена и различитих култура, име 'цинк' је завршило завијање за овај метал.

Изолација

Иако је Индија већ производила метални цинк од 1300-их, то је проистекло из методе која је користила каламин с вуном; стога није био метални узорак значајне чистоће. Виллиам Цхампион је побољшан овом методом 1738. године у Великој Британији, користећи вертикалну рекортску пећ.

1746. године, немачки хемичар Андреас Сигисмунд Маргграф по први пут је добио узорак чистог цинка загревањем каламина у присуству дрвеног угља (боље редукционо средство од вуне), унутар посуде са бакром. Овај начин производње цинка развио се комерцијално и паралелно са Цхампион-овим.

Касније су развијени процеси који су коначно постали независни од каламина, користећи уместо тога цинков оксид; другим речима, врло слично тренутном пирометалуршком процесу. Такође су побољшане пећи и могле су да производе све веће количине цинка.

До тада још увек није постојала апликација која би захтевала огромне количине цинка; али то се променило доприносима Луигија Галванија и Алессандра Волте, који су уступили место концепту галванизације. Волта је такође пронашла оно што је познато као галванска ћелија, а цинк је ускоро био део дизајна сувих ћелија.

Физичка и хемијска својства

Физичка присутност

То је сивкаст метал, обично доступан у облику зрна или праха. Физички је слаб, тако да није добар избор за апликације где морају подржавати тешке предмете.

Исто тако, крхка је, иако када се загрева изнад 100 ° Ц постаје кожна и пластична; до 250 ° Ц, температура при којој поново постаје крхка и распршива.

Моларна маса

65,38 г / мол

Атомски број (З)

30

Тачка топљења

419.53 ° Ц Ова тачка топљења указује на његову слабу металну везу. Када се топи, има изглед сличан течном алуминијуму.

Тачка кључања

907 ºЦ

температура самопаљења

460 ºЦ

Густина

-7.14 г / мЛ на собној температури

-6.57 г / мЛ у талишту, односно тачно током топљења или топљења

Топлина фузије

7,32 кЈ / мол

Топлина испаравања

115 кЈ / мол

Моларни топлотни капацитет

25.470 Ј / (мол К)

Електронегативност

1,65 по Паулинг-овој скали

Енергије јонизације

-Прво: 906,4 кЈ / мол (Зн ⁺ гас)

-Секунда: 1733,3 кЈ / мол (Зн ²⁺ гасовити)

-Треће: 3833 кЈ / мол (Зн ³⁺ гасовити)

Атомски радио

Емпиријски 134 пм

Ковалентни радијус

122 ± 4 пм

Мохсова тврдоћа

2.5. Ова вредност је знатно нижа у поређењу са тврдоћом осталих прелазних метала, односно волфрама.

Магнетни ред

Диамагнетиц

Топлотна проводљивост

116 В / (м К)

Електрична отпорност

59 нΩм на 20 ° Ц

Растворљивост

Нерастворљив је у води све док га оксидни слој штити. Једном када је уклоњен нападом киселине или базе, цинк завршава реакцијом са водом да би се формирао комплексни водени слој, Зн (ОХ ₂ ) ₆ ²⁺ , постављајући Зн ²⁺ у центар ограниченог октаедра помоћу молекула воде.

Декомпозиција

Када изгори, може отпустити токсичне честице ЗнО у ваздух. У том процесу примећује се зеленкаст пламен и ужарена светлост.

Хемијске реакције

Реакција између цинка и сумпора унутар лончића где се цени зеленкасто-плава боја пламена. Извор: Еоин

Цинк је реактиван метал. На собној температури не може се прекрити само оксидним слојем, већ и основним карбонатом, Зн ₅ (ОХ) ₆ (ЦО ₃ ) ₂ , или чак сумпором, ЗнС. Када се овај слој разноврсног састава уништи нападом киселине, метал реагује:

Зн (с) + Х ₂ СО ₄ (ак) → Зн ²⁺ (ак) + СО ₄ ²⁻ (ак) + Х ₂ (г)

Хемијска једначина која одговара његовој реакцији са сумпорном киселином и:

Зн (с) + 4 ХНО ₃ (ак) → Зн (НО ₃ ) ₂ (ак) + 2 НО ₂ (г) + 2 Х ₂ О (л)

Са хлороводоничном киселином. У оба случаја, иако није написао, комплекс водени Зн (ОХ ₂ ) ₆ ^{2+ присутан} ; осим ако је медијум базичан, јер се таложи као цинков хидроксид, Зн (ОХ) ₂ :

Зн ²⁺ (ак) + 2ОХ ^- (ак) → Зн (ОХ) ₂ (с)

Који је бели, аморфни и амфотерни хидроксид, који је у стању да настави да реагује са више ОХ ^- јона :

Зн (ОХ) ₂ (с) + 2ОХ ^- (ак) → Зн (ОХ) ₄ ^2- (ак)

Зн (ОХ) ₄ ^2- је зинкатни анион. У ствари, када цинк реагује са таквом јаком базом, као што је концентрована НаОХ, у зинцате комплекс Натријум ₂ , се производи директно :

Зн (с) + 2НаОХ (ак) + 2Х ₂ О (л) → На ₂ (ак) + Х ₂ (г)

Исто тако, цинк може реаговати са неметалним елементима, као што су халогени у гасовитом стању или сумпор:

Зн (с) + И ₂ (г) → ЗнИ ₂ (с)

Зн (с) + С (и) → ЗнС (горња слика)

Изотопи

Цинк у природи постоји као пет изотопа: ⁶⁴ Зн (49,2%), ⁶⁶ Зн (27,7%), ⁶⁸ Зн (18,5%), ⁶⁷ Зн (4%) и ⁷⁰ Зн (0,62) %). Остале су синтетичке и радиоактивне.

Структура и електронска конфигурација

Атоми цинка кристализирају се у компактну шестерокутну структуру (хцп), иако изобличена, продукт њихове металне везе. Валентни електрони који управљају таквим интеракцијама су, према конфигурацији електрона, они који припадају 3д и 4с орбиталима:

3д ¹⁰ 4с ²

Обје орбитале су у потпуности испуњене електронима, па њихово преклапање није баш ефикасно, чак ни када језгра цинка на њих дјелују привлачно.

Према томе, атоми Зн нису баш кохезивни, што се одражава на њихову ниску тачку топљења (419,53 ºЦ) у поређењу с другим прелазним металима. У ствари, ово је карактеристика метала групе 12 (заједно са живом и кадмијумом), па понекад постављају питање да ли их заиста треба сматрати елементима блока д.

Упркос томе што су 3д и 4с орбите пуне, цинк је добар проводник електричне енергије; према томе, валентни електрони могу „скочити“ у проводни опсег.

Оксидациони бројеви

Немогуће је да цинк изгуби својих дванаест валентних електрона или има оксидациони број или стање +12, претпостављајући постојање Зн ¹²⁺ катиона . Уместо тога, губи само два електрона; посебно оне из 4б орбитале, понашајући се слично на алкалне метале (Мр. Бецамбара).

Када се то догоди, за цинк се каже да учествује у једињењу са оксидационим бројем или стањем +2; то јест, претпостављајући постојање Зн ²⁺ катиона . На пример, у свом оксиду, ЗнО, цинк има овај оксидациони број (Зн ²⁺ О ^2- ). Исто се односи и на многа друга једињења, мислећи да постоји само Зн (ИИ).

Међутим, ту је и Зн (И) или Зн ⁺ , који је изгубио само један електрон из 4с орбитале. Други могући оксидациони број цинка је 0 (Зн ⁰ ), при чему његови неутрални атоми ступају у интеракцију са гасовитим или органским молекулама. Стога се може представити као Зн ²⁺ , Зн ⁺ или Зн ⁰ .

Како се добија

Сировина

Узорак минерала сфалерита из Румуније. Извор: Јамес Ст. Јохн

Цинк се налази на двадесет четвртој позицији најбогатијих елемената у земљиној кори. Обично се налази у сумпорним минералима који су дистрибуирани широм планете.

Да бисте добили метал у свом чистом облику, прво је потребно сакупити стене смештене у подземним тунелима и концентрисати минерале богате цинком, који представљају праву сировину.

Ови минерали укључују: сфалерит или вурзит (ЗнС), цинкит (ЗнО), вилемит (Зн ₂ СиО ₄ ), смитсонит (ЗнЦО ₃ ) и гахнит (ЗнАл ₂ О ₄ ). Сфалерит је далеко главни извор цинка.

Калцинација

Једном када се минерал концентрише после процеса флотације и пречишћавања стена, он се мора калцинирати како би се сулфиди претворили у њихове одговарајуће. У овом кораку минерал се једноставно загрева у присуству кисеоника, развијајући следећу хемијску реакцију:

2 ЗнС (с) + 3 О ₂ (г) → 2 ЗнО (с) + 2 СО ₂ (г)

СО ₂ такође реагује са кисеоником за генерирање СО ₃ , једињење предодређено за синтезу сумпорне киселине.

Једном када се добије ЗнО, он се може подвргнути пирометалуршком процесу или електролизи, где је крајњи резултат формирање металног цинка.

Пирометалуршки процес

ЗнО се смањује коришћењем угља (минералног или коксног) или угљен моноксида:

2 ЗнО (с) + Ц (с) → 2 Зн (г) + ЦО ₂ (г)

ЗнО (с) + ЦО (г) → Зн (г) + ЦО ₂ (г)

Тешкоћа са којом се суочава овај процес је стварање гасовитог цинка, због његовог ниског тачка кључања, који се превазилази високим температурама у пећи. Због тога паре цинка морају бити дестиловане и одвојене од осталих гасова, док се њихови кристали кондензују на растаљеном олову.

Електролитички процес

Од двије методе добијања овог, овај се највише користи широм свијета. ЗнО реагира са разблаженом сумпорном киселином да испушта јоне цинка као његову сулфатну со:

ЗнО (с) + Х ₂ СО ₄ (ак) → ЗнСО ₄ (ак) + Х ₂ О (л)

Коначно се ово раствор електролизује да би се створио метални цинк:

2 ЗнСО ₄ (ак) + 2 Х ₂ О (л) → 2 Зн (с) + 2 Х ₂ СО ₄ (ак) + О ₂ (г)

Ризици

У пододјељку о хемијским реакцијама споменуто је да је водоник један од главних производа када цинк реагира с водом. Због тога се у металном стању мора правилно складиштити и ван досега киселина, база, воде, сумпора или било ког извора топлоте; у супротном, постоји опасност од пожара.

Што је цинк више фино подељен, то је већи ризик од пожара или чак експлозије.

Иначе, све док температура није близу 500 ° Ц, њен чврсти или зрнати облик не представља никакву опасност. Ако је прекривен слојем оксида, може се руковати голим рукама, јер не реагује на њихову влажност; међутим, као и свака чврста супстанца, иритира очи и респираторни тракт.

Иако је цинк неопходан за здравље, прекомерна доза може изазвати следеће симптоме или нежељене ефекте:

- Мучнина, повраћање, пробавне сметње, главобоље и желудац или пролив.

- Замењује бакар и гвожђе током апсорпције у цревима, што се огледа у повећаним слабостима екстремитета.

- Камен у бубрегу.

- Губитак мириса.

Апликације

- Метал

Легуре

Многи музички инструменти су израђени од месинга, легуре бакра и цинка. Извор: Пкхере.

Можда је цинк један од метала, заједно са бакром, који формира најпопуларније легуре: месинг и поцинковано гвожђе. Месинг је примећен у више наврата током музичког оркестра, јер златни сјај инструмената делимично припада споменутој легури бакра и цинка.

Метални цинк сам по себи нема много користи, мада се намотан служи као анода сувих ћелија, а у облику праха је замишљен као редукционо средство. Када се слој овог метала електроположи на други, први га штити од корозије јер је подложнији оксидацији; то јест, цинк оксидира пре гвожђа.

Због тога су челици поцинчани (пресвучени цинком) како би се повећала њихова издржљивост. Примери ових поцинкованих челика такође су присутни у бесконачним крововима од „цинка“, од којих су неки прекривени зеленом бојом, као и у аутобусима, кућним прибором и овјесним мостовима.

Ту је и алузинк, алуминијум-цинкова легура која се користи у грађевинским грађевинама.

Редукционо средство

Цинк је добро средство за смањивање, па губи електроне да би друга врста стекла; посебно метални катион. Када је у облику праха, његово редукционо деловање је чак брже од оног од чврстих гранула.

Користи се у процесима добијања метала из њихових минерала; као што је родијум, сребро, кадмијум, злато и бакар.

Исто тако, његово смањење се користи за смањење органских врста, које могу бити укључене у нафтну индустрију, као што су бензен и бензин, или у фармацеутској индустрији. С друге стране, цинкова прашина такође налази примену у алкалним батеријама цинк-манган диоксидом.

Остало

Због своје реактивности и енергичнијег сагоревања, цинкова прашина налази се као додатак у главама шибица, експлозивима и ватрометима (одају бели бљесак и зеленкасти пламен).

- Једињења

Сулфид

Сат са фосфоресцентном бојом на рукама и сатима. Извор: Францис Флинцх

Цинк сулфид има својство фосфоресцентне и луминисцентне боје, због чега се користи у производњи светлосних боја.

Оксид

Бела боја његовог оксида, као и његова полу и фото проводљивост, користе се као пигмент за керамику и папире. Поред тога, присутан је у талку, козметици, гумама, пластици, тканинама, лековима, мастилу и емајлу.

Прехрамбени додатак

Нашем телу је потребан цинк да би испунио многе своје виталне функције. Да бисте га набавили, уграђен је у неке додатке исхрани у облику оксида, глуконата или ацетата. Присутан је и у кремама за ублажавање опекотина и иритација на кожи, те у шампонима.

Неке предности познате или повезане са узимањем цинка су:

- Побољшава имуни систем.

- То је добро противупално.

- Умањује досадне симптоме прехладе.

- Спречава оштећење ћелија у мрежници, па се препоручује због вида.

- Помаже у регулацији нивоа тестостерона, а такође је повезана са плодношћу мушкараца, квалитетом њихове сперме и развојем мишићног ткива.

- Регулише интеракције између неурона мозга, због чега је повезан са побољшањима памћења и учења.

-И такође, ефикасан је у лечењу дијареје.

Ови додаци цинку су комерцијално доступни у облику капсула, таблета или сирупа.

Биолошка улога

У угљеној анхидрази и карбоксипептидази

Сматра се да је цинк део 10% укупних ензима у људском телу, отприлике 300 ензима. Међу њима се могу навести угљенхидрата и карбоксипептидаза.

Карбонска анхидраза, ензим о зависности од цинка, делује на нивоу ткива катализујући реакцију угљен-диоксида са водом и формирајући бикарбонат. Када бикарбонат дође до плућа, ензим преокрене реакцију и формира се угљен диоксид који се током експилације избаци у спољашњу страну.

Карбоксипептидаза је егзопептидаза која вара протеине, ослобађајући аминокиселине. Цинк делује снабдевањем позитивним набојем који олакшава интеракцију ензима са протеином који он пробавља.

У функционисању простате

Цинк је присутан у различитим органима људског тела, али има највећу концентрацију у простати и у сперми. Цинк је одговоран за правилно функционисање простате и развој мушких репродуктивних органа.

Цинк прсти

Цинк је укључен у метаболизам РНК и ДНК. Цинк прсти (Зн-прсти) састоје се од атома цинка који служе као везивни мостови између протеина, који су заједно укључени у различите функције.

Цинк прсти су корисни за читање, писање и транскрипцију ДНК. Поред тога, постоје хормони који их користе у функцијама повезаним са хомеостазом раста у целом телу.

У регулацији глутамата

Глутамат је главни ексцитацијски неуротрансмитер у можданом кортексу и мозгу. Цинк се накупља у глутаминергичким пресинаптичким везикулама, интервенирајући у регулацији ослобађања неуротрансмитера глутамата и у ексцитабилности неурона.

Постоје докази да претерано ослобађање неуротрансмитера глутамата може имати неуротоксично деловање. Због тога постоје механизми који регулишу његово ослобађање. Хомеостаза цинка тако игра важну улогу у функционалној регулацији нервног система.

Референце

1. Схивер & Аткинс. (2008). Неорганска хемија . (Четврто издање). Мц Грав Хилл.
2. Википедиа. (2019). Цинк. Опоравак од: ен.википедиа.орг
3. Мицхаел Пилгаард. (2016, 16. јула). Цинк: хемијске реакције. Опоравак од: пилгаарделементс.цом
4. Национални центар за информације о биотехнологији. (2019). Цинк. ПубЦхем база података. ЦИД = 23994. Опоравак од: пубцхем.нцби.нлм.них.гов
5. Војес Риан. (25. јун 2019.). Својства и употребе цинковог метала. Опоравак од: тхебаланце.цом
6. Господин Кевин А. Боудреаук. (сф) Цинк + сумпор. Опоравак од: ангело.еду
7. Алан В. Рицхардс. (12. априла 2019). Прерада цинка. Енцицлопӕдиа Британница. Опоравак од: британница.цом
8. Чистоће цинк метала. (2015). Примене у индустрији. Опоравак од: пуритизинц.цом
9. Нордквист, Ј. (5. децембра 2017). Које су здравствене користи цинка? Медицинске вести данас. Опораван од: медицалневстодаи.цом