CINK: ELŐZMÉNYEK, TULAJDONSÁGOK, SZERKEZET, KOCKÁZATOK, FELHASZNÁLÁSOK - KÉMIA - 2025

A cink a periódusos rendszer 12. csoportjába tartozó átmeneti fém, amelyet Zn kémiai szimbólum képvisel. A földkéregben a 24. elem, amely kén ásványokban, például szfaleritben vagy karbonátokban, például smitsonitban található.

Ez a népkultúrában közismert fém; A cinktetők példa, csakúgy, mint a férfi hormonok szabályozására szolgáló kiegészítők. Számos ételben megtalálható, és számtalan anyagcsere-folyamat elengedhetetlen eleme. A mérsékelt bevitelnek számos előnye van, szemben a túlzott test negatív hatásaival.

A Riverside Museum cinkötvözet teteje. Forrás: Eoin

A cink már régen ismert ezüst színű galvanizált acélokkal és más fémekkel. A sárgaréz, a réz és a cink változatos összetételű ötvözete évezredek óta a történelmi tárgyak része. Ma aranyszínét gyakran látják egyes hangszerekben.

Hasonlóképpen, ez egy fém, mellyel alkáli elemeket készítenek, mivel csökkentő ereje és az elektronok adományozásának könnyűsége miatt jó választás lehet anódos anyagként. Fő célja acélok galvanizálása, bevonva azokat egy cinkréteggel, amely oxidálódik vagy feláldozik, hogy megakadályozzák az alatta lévő vas későbbi korrodálódását.

Származékos vegyületeiben az oxidációs száma vagy állapota szinte mindig +2. Ezért úgy tekintik, hogy a Zn ²⁺ -ion molekuláris vagy ionos környezetbe burkolódik. Noha a Zn ²⁺ egy Lewis sav, amely problémákat okozhat a sejtekben, más molekulákkal összehangolva, pozitívan kölcsönhatásba lép az enzimekkel és a DNS-vel.

Így a cink fontos kofaktor számos metalloenzim számára. Annak ellenére, hogy rendkívül fontos biokémiája van, és zöldes villogása és lángja égés közben ragyog, a tudomány világában „unalmas” fémnek tekintik; mivel tulajdonságainak hiányzik más fémek vonzereje, valamint olvadáspontja lényegesen alacsonyabb, mint az övéknél.

Történelem

Antikvitás

A cink már évezredek óta manipulált; de észrevétlenül, mivel az ősi civilizációk, beleértve a perzsakat, a rómait, az erdélyeket és a görögöket, már tárgyakat, érméket és sárgaréz fegyvereket készítettek.

Ezért a sárgaréz az egyik legrégebbi ismert ötvözet. Előállították az ásványi calaminból (Zn ₄ Si ₂ O ₇ (OH) ₂ · H ₂ O), amelyet őröltek és melegítettek gyapjú és réz jelenlétében.

A folyamat során az esetlegesen képződött fém cink kis mennyisége gőzként távozott, ami évekig késleltette kémiai elemként való azonosítását. Az évszázadok elteltével a sárgaréz és más ötvözetek növelték cinktartalmukat, szürkés színűnek tűntek.

A tizennegyedik században Indiában már sikerült fémes cinket előállítani, amelyet Jasada-nak hívtak, majd Kínával kereskedtek.

És így az alkimisták megszerezhetik azt kísérleteik elvégzéséhez. A híres történelmi alak, a Paracelsus, a „cinkum” -nak nevezte el, valószínűleg a cinkkristályok és a fogak hasonlósága miatt. Alig-kevésbé, más nevek és különféle kultúrák közepette a „cink” név végiggördült e fém számára.

Elkülönítés

Bár India már az 1300-as évek óta gyártott fémes cinket, ez az eljárás eredménye, amelyben a kalamint gyapjúval használják; ezért nem volt jelentős tisztaságú fémminta. A William Champion 1738-ban, Nagy-Britanniában továbbfejlesztette ezt a módszert, függőleges utókemencével.

Andreas Sigismund Marggraf német kémikus 1746-ban először kapott tiszta cink-mintát, melegítve kalamint faszén jelenlétében (jobb redukálószer, mint a gyapjú) egy réztartályban. A cink előállításának ez a módja a kereskedelemben és a Championéval párhuzamosan fejlődött.

Később olyan eljárásokat fejlesztettek ki, amelyek végül függetlenek a kalamintól, helyett cink-oxidot alkalmazva; más szóval, nagyon hasonló a jelenlegi pirometallurgical eljáráshoz. A kemencék szintén javultak, mivel növekvő mennyiségű cinket tudtak előállítani.

Addig még nem létezett olyan alkalmazás, amely hatalmas mennyiségű cinket igényelne; de ez Luigi Galvani és Alessandro Volta közreműködésével megváltozott, akik helyet adott a galvanizálás fogalmának. A Volta előállt egy úgynevezett galvanikus cellával is, és a cink hamarosan része volt a száraz cellák tervezésének.

Fizikai és kémiai tulajdonságok

Fizikai megjelenés

Szürkés fém, általában granulátum vagy por formájában kapható. Fizikailag gyenge, tehát nem jó választás olyan alkalmazásokhoz, ahol nehéz tárgyakat kell támogatnia.

Hasonlóképpen, törékeny, bár 100 ° C feletti hevítés során temperálhatóvá és gömbölyűvé válik; 250 ºC-ig, hőmérsékleten, amikor törékeny és újra permetezhető.

Moláris tömeg

65,38 g / mol

Atomszám (Z)

30

Olvadáspont

419,53 ° C. Ez az alacsony olvadáspont a gyenge fémes kötésére utal. Olvasztáskor a folyékony alumíniumhoz hasonló megjelenésű.

Forráspont

907 ° C

Öngyulladási hőmérséklet

460 ºC

Sűrűség

-7,14 g / ml szobahőmérsékleten

-6,57 g / ml olvadáspontban, vagyis éppen olvadás vagy olvadás közben

A fúziós hő

7,32 kJ / mol

A párolgás hője

115 kJ / mol

Moláris hőkapacitás

25,470 J / (mol K)

elektronegativitás

1,65 a Pauling skálán

Ionizációs energiák

-Első: 906,4 kJ / mol (Zn ⁺ gáz)

-Második: 1733,3 kJ / mol (Zn ²⁺ gáznemű)

-Harmadik: 3833 kJ / mol (Zn ³⁺ gáznemű)

Atomic radio

Empirikusan 134 órakor

Kovalens sugár

122 ± 4 órakor

Mohs keménysége

2.5. Ez az érték jóval alacsonyabb más átmeneti fémek, azaz a volfrám keménységéhez képest.

Mágneses sorrend

diamágnesesek

Hővezető

116 W / (mK)

Elektromos ellenállás

59 nΩm 20 ° C-on

Oldhatóság

Vízben nem oldódik, mindaddig, amíg oxidrétege védi. Miután egy sav vagy bázis megsemmisítésével eltávolítottuk, a cink a vízzel reagálva komplex vizes Zn (OH ₂) ₆ ²⁺ képződik, és a Zn ²⁺ -ot egy korlátozott oktaéder közepére helyezi. vízmolekulák által.

bomlás

Ha ég, mérgező ZnO-részecskéket szabadíthat fel a levegőbe. A folyamat során zöldes lángot és izzó fényt figyelnek meg.

Kémiai reakciók

A cink és a kén közötti reakció egy tégelyen belül, ahol a lángok zöldes-kék színét észlelik. Forrás: Eoin

A cink reaktív fém. Szobahőmérsékleten nemcsak oxidréteggel fedhető le, hanem bázikus karbonáttal, Zn ₅ (OH) ₆ (CO ₃) ₂ -vel vagy akár kénnel is, ZnS-sel. Amikor ezt a változatos összetételű réteget egy támadás megsemmisíti, a fém reagál:

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

A kénsavval való reakciójának megfelelő kémiai egyenlet:

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

Sósavval. Mindkét esetben, bár nem írták meg, a komplex vizes Zn (OH ₂) ₆ ^{2+ jelen van}; kivéve, ha a közeg bázikus, mivel cink-hidroxidként kicsapódik, Zn (OH) ₂:

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

Ami egy fehér, amorf és amfoter-hidroxid, amely képes folyamatosan reagál több OH ^- ionok:

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

Zn (OH) ₄ ^2- a cinkát-anion. Valójában, amikor a cink reagál egy ilyen erős bázissal, például tömény NaOH, a nátrium-cinkát komplex, Na ₂, termelődik közvetlenül:

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

Hasonlóképpen, a cink reagálhat nemfém elemekkel, például gáz halmazállapotú halogénnel vagy kénnel:

Zn (s) + I ₂ (g) → ZnI ₂ (s)

Zn (s) + S (s) → ZnS (s) (felső kép)

Izotóp

A cink a természetben öt izotóp formájában létezik: ⁶⁴ Zn (49,2%), ⁶⁶ Zn (27,7%), ⁶⁸ Zn (18,5%), ⁶⁷ Zn (4%) és ⁷⁰ Zn (0,62) %). A többi szintetikus és radioaktív.

Felépítés és elektronikus konfiguráció

A cink-atomok kristályosodnak egy kompakt, de torzított hatszögletű struktúrává (hcp), amely fémes kötésük terméke. Az ilyen interakciókat szabályozó valenciaelektronok az elektronkonfiguráció szerint a 3d és a 4s orbitálokhoz tartozóak:

3d ¹⁰ 4s ²

Mindkét pálya teljesen tele van elektronokkal, így átfedésük nem túl hatékony, még akkor sem, ha a cinkmagok vonzó erőt gyakorolnak rájuk.

Következésképpen a Zn-atomok nem nagyon kohéziós, ezt tükrözi alacsony olvadáspontja (419,53 ºC) más átmeneti fémekhez képest. Valójában ez a 12. csoportba tartozó fémek jellemzője (a higanyval és a kadmiummal együtt), tehát néha megkérdőjelezik, vajon valóban a d blokk elemeinek kell-e tekinteni.

Annak ellenére, hogy a 3d és a 4s körüli pályák tele vannak, a cink jó áramvezető; ezért valencia elektronjai "átugrhatnak" a vezető sávba.

Oxidációs számok

Lehetséges, hogy a cink elveszíti tizenkét vegyérték-elektronát, vagy az oxidációs száma vagy +12 állapota feltételezhető, hogy a Zn ¹²⁺ kation létezik. Ehelyett csak kettő elektronát veszíti el; konkrétan a 4s-es keringő orbitáihoz hasonlóan viselkednek, mint az alkáliföldfémek (Mr. Becambara).

Amikor ez megtörténik, azt mondják, hogy a cink részt vesz a vegyületben oxidációs számmal vagy +2 állapotmal; vagyis feltételezve a Zn ²⁺ kation létezését. Például a ZnO oxidjában, a cinknél ez az oxidációs szám (Zn ²⁺ O ²). Ugyanez vonatkozik sok más vegyületre is, amikor azt gondolják, hogy csak Zn (II) létezik.

Vannak azonban olyan Zn (I) vagy Zn ^{+ is}, amelyek csak az egyik elektronot veszítették el a 4s körüli pályán. A cink másik lehetséges oxidációs száma 0 (Zn ⁰), ahol semleges atomjai kölcsönhatásban vannak gáznemű vagy szerves molekulákkal. Ezért Zn ²⁺, Zn ⁺ vagy Zn ⁰ formájában lehet bemutatni.

Hogyan nyerik?

Nyersanyag

Romániából származó sphalerite ásványminta. Forrás: James St. John

A cink a földkéregben a legelterjedtebb elemek huszonnegyedik helyzetében van. Általában a kén ásványokban található meg, amelyek az egész bolygón eloszlanak.

A tiszta formájú fém előállításához először össze kell gyűjteni a föld alatti alagutakban található kőzeteket, és koncentrálni kell a cinkben gazdag ásványokat, amelyek a valódi nyersanyagot képviselik.

Ezek az ásványok a következők: sphalerite vagy wurzite (ZnS), cinkit (ZnO), willemite (Zn ₂ SiO ₄), smitsonite (ZnCO ₃) és gahnite (ZnAl ₂ O ₄). A szfalerit messze a cink fő forrása.

kalcinálást

Miután az ásványi anyag koncentrálódott a kőzetek flotálásának és tisztításának folyamata után, azt meg kell kalcinálni, hogy a szulfidok a megfelelőkké alakuljanak. Ebben a lépésben az ásványt egyszerűen melegítik oxigén jelenlétében, a következő kémiai reakció kialakulásával:

2 ZnS (ek) + 3 O ₂ (g) → 2 ZnO (k) + 2 SO ₂ (g)

SO ₂ is reakcióba lép az oxigénnel, hogy létrehoz SO ₃, vegyület szánt szintézisére kénsav.

Miután megkapta a ZnO-t, elvégezhető akár pirometallurgiai eljárás, akár elektrolízis, ahol a végeredmény fém-cink képződése.

Pirometallurgical folyamat

A ZnO-t szén (ásványi vagy koksz) vagy szén-monoxiddal redukálják:

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

ZnO (s) + CO (g) → Zn (g) + CO ₂ (g)

Ennek a folyamatnak a nehézsége az, hogy gáznemű cink képződik, alacsony forráspontja miatt, amelyet a kemence magas hőmérséklete okoz. Ezért kell a cinkgőzöket desztillálni és elválasztani a többi gáztól, miközben kristályaik az olvadt ólomon kondenzálnak.

Elektrolitikus folyamat

A beszerzés két módszere közül ez a legszélesebb körben alkalmazott világszerte. A ZnO reagál hígított kénsavval, és cink-ionokat szulfát-sójaként kimosza:

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

Végül ezt az oldatot elektrolizálják, hogy fém cink képződjön:

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

kockázatok

A kémiai reakciók alszakaszban megemlítették, hogy a hidrogéngáz az egyik fő termék, amikor a cink reagál a vízzel. Ezért fémes állapotban kell megfelelő tárolást és sav, bázis, víz, kén vagy bármilyen hőforrás elérhetetlenségétől elzárva tartani; egyébként tűzveszély áll fenn.

Minél finomabb a cink, annál nagyobb a tűz vagy akár robbanás veszélye.

Ellenkező esetben, amíg a hőmérséklet nem közelít 500 ºC-ig, szilárd vagy szemcsés formája nem jelent veszélyt. Ha oxidréteggel borítja, akkor csupasz kézzel is kezelhető, mivel nem reagál a páratartalmukra; ugyanúgy, mint bármely szilárd anyag, irritálja a szemet és a légutakat.

Noha a cink nélkülözhetetlen az egészség szempontjából, a túlzott adag a következő tüneteket vagy mellékhatásokat okozhatja:

- Hányinger, hányás, emésztési zavarok, fejfájás és gyomor vagy hasmenés.

- Kihúzza a réz és a vas bejutását a bélben, ami a végtagok növekvő gyengeségeiben tükröződik.

- Vesekövek.

- A szaglás elvesztése.

Alkalmazások

- Fém

ötvözetek

Sok hangszer sárgarézből, réz és cink ötvözetből készül. Forrás: Pxhere.

Talán a cink és a réz az egyik fémek, amelyek a legnépszerűbb ötvözeteket képezik: sárgaréz és horganyzott vas. A rézfúvót számos alkalommal figyelték meg egy zenei zenekar alatt, mivel a hangszerek arany fénye részben az említett réz és cink ötvözetének köszönhető.

Maga a fémcinknak nincs sok felhasználása, bár feltekercselve a száraz cellák anódjaként szolgál, és por alakban redukálószerként szolgál. Ha egy fémréteget egy másikra elektro-lerakódnak, az előbbi védi az utóbbi a korróziótól, mivel jobban hajlamos az oxidációra; vagyis a cink a vas előtt oxidálódik.

Ez az oka az acélok horganyzása (cinkkel bevonva), hogy növeljék tartósságukat. Példák ezekre a galvanizált acélekre a végtelen „cink” tetőkben is, amelyek közül néhány zöld festékkel van ellátva, valamint a busztestekben, háztartási eszközökben és függőhidakban.

Van még aluzinc, egy alumínium-cink ötvözet, amelyet a polgári építményekben használnak.

Redukálószer

A cink jó redukálószer, tehát elveszíti elektronjait egy másik faj számára; különösen egy fém kation. Por formájában redukáló hatása még gyorsabb, mint a szilárd granulátumoké.

Fémek ásványaikból való kinyerésének folyamatában használják. például ródium, ezüst, kadmium, arany és réz.

Hasonlóképpen, redukáló hatása révén csökkentik az organikus fajok mennyiségét, amelyek részt vehetnek az olajiparban, például a benzol és a benzin, vagy a gyógyszeriparban. Másrészt a cinkpor alkalmazható lúgos cink-mangán-dioxid-akkumulátorokban is.

Vegyes

A cinkpor, tekintettel reaktivitására és energikusabb égésére, adalékanyagként használható a gyufafejekben, a robbanóanyagokban és a tűzijátékokban (fehér vakukat és zöldes lángot bocsátanak ki).

- Vegyületek

-szulfid

Óra foszforeszkáló festékkel a kezekre és órákra. Forrás: Francis Flinch

A cink-szulfidnak foszforeszkáló és lumineszcens tulajdonságai vannak, ezért használják világító festékek előállításához.

Oxid

Oxidjának fehér színét, valamint félvezető és fényvezető képességét a kerámia és a papírok pigmentjeként használják. Ezenkívül tartalmaz talkumban, kozmetikumokban, gumiban, műanyagokban, szövetekben, gyógyszerekben, tintákban és zománcokban.

Étrendkiegészítő

A testünknek cinkre van szüksége számos életfunkciójának teljesítéséhez. Ennek megszerzéséhez beépítik bizonyos étrend-kiegészítőkbe oxid, glükonát vagy acetát formájában. Ez az égési sérüléseket és a bőrirritációt enyhítő krémekben és a samponokban is megtalálható.

Néhány előnye, amely ismert vagy a cink szedésével kapcsolatos:

- Javítja az immunrendszert.

- Jó gyulladáscsökkentő.

- Csökkenti a nátha idegesítő tüneteit.

- Megakadályozza a retina sejtkárosodását, ezért látásra ajánlott.

- Segít a tesztoszteron szint szabályozásában, és kapcsolódik a férfiak termékenységéhez, a sperma minőségéhez és az izomszövet fejlődéséhez is.

- Szabályozza az agyi neuronok közötti kölcsönhatásokat, ezért kapcsolódik a memória és a tanulás javulásához.

- És hatékony a hasmenés kezelésében is.

Ezek a cinkkiegészítők kaphatók kapszulák, tabletták vagy szirupok formájában.

Biológiai szerepe

Szénanhidrázban és karboxipeptidázban

Úgy gondolják, hogy a cink az emberi testben levő összes enzim 10% -ának, körülbelül 300 enzimnek a része. Ezek közül megemlíthető a karbonanhidráz és a karboxipeptidáz.

A szénsav-anhidráz, egy cink-függő enzim, a szövet szintjén hat, mivel a szén-dioxid és a víz reakcióját bikarbonáttá alakítja. Amikor a hidrogén-karbonát eléri a tüdőt, az enzim megfordítja a reakciót, és szén-dioxid képződik, amelyet a lejárati ideje alatt kiűznek.

A karboxipeptidáz egy exopeptidáz, amely emészti a fehérjéket és felszabadítja az aminosavakat. A cink pozitív töltés révén működik, amely megkönnyíti az enzim kölcsönhatását az emésztő fehérjével.

A prosztata működésében

A cink az emberi test különféle szerveiben található, de a legmagasabb a prosztata és a sperma koncentrációja. A cink felelős a prosztata megfelelő működéséért és a férfi reproduktív szervek fejlődéséért.

Cink ujjak

A cink részt vesz az RNS és a DNS metabolizmusában. A cink ujjak (Zn-ujjak) cink-atomokból állnak, amelyek kötőhidakként szolgálnak a fehérjék között, amelyek együttesen részt vesznek a különböző funkciókban.

A cink ujjak hasznosak a DNS olvasásában, írásában és transzkripciójában. Ezenkívül vannak olyan hormonok, amelyek felhasználják a test egész növekedési homeosztázisához kapcsolódó funkciókban.

A glutamát szabályozásában

A glutamát a fő izgató neurotranszmitter az agykéregben és az agytörzsben. A cink felhalmozódik a glutaminerg preszinaptikus vezikulumokban, beavatkozva a neurotranszmitter glutamát felszabadulásának és az idegsejt ingerlékenységének szabályozásába.

Bizonyítékok vannak arra, hogy a neurotranszmitter glutamát túlzott felszabadulása neurotoxikus hatással lehet. Ezért vannak olyan mechanizmusok, amelyek szabályozzák a kibocsátását. A cink homeosztázis tehát fontos szerepet játszik az idegrendszer funkcionális szabályozásában.

Irodalom

1. Shiver és Atkins. (2008). Szervetlen kémia. (Negyedik kiadás). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Cink. Helyreállítva: en.wikipedia.org
3. Michael Pilgaard. (2016, július 16.). Cink: kémiai reakciók. Helyreállítva: pilgaardelements.com
4. Országos Biotechnológiai Információs Központ. (2019). Cink. PubChem adatbázis. CID = 23994. Helyreállítva: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Wojes Ryan. (2019. június 25.) A cinkfém tulajdonságai és felhasználása. Helyreállítva: thebalance.com
6. Kevin A. Boudreaux. (Sf). Cink + kén. Helyreállítva: angelo.edu
7. Alan W. Richards. (2019. április 12.). Cink feldolgozás. Encyclopædia Britannica. Helyreállítva: britannica.com
8. Tisztaságú cinkfémek. (2015). Ipari alkalmazások. Helyreállítva: purityzinc.com
9. Nordqvist, J. (2017. december 5.). Milyen egészségügyi előnyei vannak a cinknek? Orvosi hírek ma. Helyreállítva: medicalnewstoday.com