CINKAS: ISTORIJA, SAVYBĖS, STRUKTŪRA, RIZIKA, PANAUDOJIMAS - CHEMIJA - 2025

Cinko yra pereinamasis metalas, priklausanti 12 grupės periodinės lentelės ir atstovauja cheminis simbolis Zn. Tai yra 24-asis žemės plutos elementas, kuriame yra sieros mineralų, tokių kaip sfaleritas, arba karbonatų, tokių kaip smitsonitas.

Tai metalas, plačiai žinomas populiariojoje kultūroje; cinko stogai yra pavyzdys, kaip ir priedai, skirti reguliuoti vyriškus hormonus. Jis randamas daugelyje maisto produktų ir yra svarbus elementas nesuskaičiuojamiems medžiagų apykaitos procesams. Yra keletas jo saikingo vartojimo privalumų, palyginti su neigiamu jo pertekliaus poveikiu organizmui.

Upės muziejaus cinko lydinio stogas. Šaltinis: Eoin

Cinkas buvo žinomas jau seniai, kol jis buvo cinkuotas plienas ir kiti metalai. Žalvaris, įvairios sudėties vario ir cinko lydinys, tūkstančius metų buvo istorinių objektų dalis. Šiandien jos auksinė spalva dažnai pastebima kai kuriuose muzikos instrumentuose.

Taip pat tai yra metalas, iš kurio gaminamos šarminės baterijos, nes dėl mažėjančios galios ir lengvo elektronų dovanojimo jis yra geras pasirinkimas kaip anodinė medžiaga. Pagrindinė jo paskirtis yra plienų galvanizavimas, padengiant juos cinko sluoksniu, kuris oksiduojasi arba paverčiamas, kad po juo esanti geležis vėliau nesusidarytų.

Išvestiniuose junginiuose jo oksidacijos skaičius arba būsena beveik visada yra +2. Todėl laikoma, kad Zn ²⁺ joną gaubia molekulinė arba joninė aplinka. Nors Zn ²⁺ yra Lewis rūgštis, galinti sukelti problemų ląstelėse, suderinta su kitomis molekulėmis, ji teigiamai sąveikauja su fermentais ir DNR.

Taigi cinkas yra svarbus daugelio metalo fermentų kofaktorius. Nepaisant nepaprastai svarbios biochemijos ir žalsvų blyksnių bei liepsnos ryškumo degant, mokslo pasaulyje jis laikomas „nuobodžiu“ metalu; nes jo savybėms trūksta kitų metalų patrauklumo, taip pat jo lydymosi temperatūra yra žymiai mažesnė nei jų.

Istorija

Antika

Cinku buvo manipuliuojama tūkstančius metų; tačiau nepastebėtu būdu, nes senovės civilizacijos, įskaitant persus, romėnus, transilvaniečius ir graikus, jau gamino daiktus, monetas ir žalvarinius ginklus.

Todėl žalvaris yra vienas seniausių žinomų lydinių. Jie paruošė jį iš mineralinio kalamino, Zn ₄ Si ₂ O ₇ (OH) ₂ · H ₂ O, kurį sumalė ir kaitino esant vilnai ir variui.

Proceso metu nedideli metalinio cinko kiekiai, kurie galėjo susidaryti, išgaravo kaip garai, o tai daugelį metų atidėdavo jo kaip cheminio elemento identifikavimą. Praėjus šimtmečiams, žalvaris ir kiti lydiniai padidino cinko kiekį ir atrodė labiau pilkšvi.

XIV amžiuje Indijoje jie jau sugebėjo gaminti metalinį cinką, kurį jie vadino Jasada ir tada juo prekiavo su Kinija.

Taigi alchemikai sugebėjo tai įsigyti, kad galėtų atlikti savo eksperimentus. Žinomas istorinis veikėjas Paracelsas pavadino jį „cinku“, galbūt dėl ​​cinko kristalų ir dantų panašumo. Pamažu, tarp kitų pavadinimų ir įvairių kultūrų, pavadinimas „cinkas“ baigėsi šio metalo garbanojimu.

Isolation

Nors Indijoje metalinis cinkas buvo gaminamas jau nuo 1300-ųjų, tai atsirado dėl metodo, kuriame kalaminas buvo naudojamas su vilna; todėl tai nebuvo labai gryno metalo pavyzdys. Viljamas Čempionas patobulino šį metodą 1738 m., Didžiojoje Britanijoje, naudodamas vertikalią retortinę krosnį.

1746 m. ​​Vokiečių chemikas Andreasas Žygimantas Marggrafas pirmą kartą „pagamino“ gryno cinko mėginį kaitindamas kalaminą, naudodamas anglis (geriau redukuojančią medžiagą nei vilna), talpyklos su variu pavidalu. Šis cinko gamybos būdas vystėsi komerciškai ir lygiagrečiai su „Champion's“.

Vėliau buvo sukurti procesai, kurie galiausiai tapo nepriklausomi nuo kalamino, vietoj jų naudodami cinko oksidą; kitaip tariant, labai panašus į dabartinį pirometalurginį procesą. Taip pat patobulėjo krosnys, gaminant vis daugiau cinko.

Iki tol dar nebuvo programos, kuriai reikėjo didžiulių cinko kiekių; tačiau tai pasikeitė Luigi Galvani ir Alessandro Volta, kurie užleido vietą galvanizacijos koncepcijai, indėliais. „Volta“ taip pat sugalvojo vadinamąją galvaninę kamerą, o cinkas netrukus buvo sausų elementų projektavimo dalis.

Fizinės ir cheminės savybės

Fizinė išvaizda

Tai yra pilkšvas metalas, dažniausiai tiekiamas granulių arba miltelių pavidalu. Jis yra fiziškai silpnas, todėl jis nėra geras pasirinkimas programoms, kuriose jis turi palaikyti sunkius daiktus.

Be to, jis yra trapus, nors, įkaitęs virš 100 ºC, tampa kaliojo ir kaliojo; iki 250 ºC, kai temperatūra tampa trapi ir vėl purškiama.

Molinė masė

65,38 g / mol

Atominis skaičius (Z)

30

Lydymosi temperatūra

419,53 ° C. Šis žemas lydymosi taškas rodo silpną metalinį ryšį. Lydytas jis turi panašų į skystą aliuminį.

Virimo taškas

907 ºC

Savaiminio užsidegimo temperatūra

460 ºC

Tankis

-7,14 g / ml kambario temperatūroje

-6,57 g / ml lydymosi taške, tai yra, tiesiog tirpstant ar tirpstant

Lydymosi šiluma

7,32 kJ / mol

Garinimo šiluma

115 kJ / mol

Molinės šilumos talpa

25 470 J / (mol K)

Elektronegatyvumas

1,65 pagal Paulingo skalę

Jonizacijos energijos

-Pirma: 906,4 kJ / mol (Zn ⁺ dujos)

-Antra: 1733,3 kJ / mol (Zn ²⁺ dujinis)

- Trečiasis: 3833 kJ / mol (Zn ³⁺ dujinis)

Atominis radijas

Empirinis 134 val

Kovalentinis spindulys

122 ± 16 val

Mocso kietumas

2.5. Ši vertė yra žymiai mažesnė, palyginti su kitų pereinamųjų metalų, tai yra, volframo, kietumu.

Magnetinė tvarka

Diamagnetinis

Šilumos laidumas

116 W / (m K)

Elektrinė varža

59 nΩm esant 20 ° C

Tirpumas

Jis netirpsta vandenyje tol, kol jį apsaugo oksido sluoksnis. Kai jis pašalinamas dėl rūgšties arba bazės poveikio, cinkas reaguoja su vandeniu, sudarydamas sudėtingą vandeninį Zn (OH ₂ ) ₆ ²⁺ ir padėdamas Zn ²⁺ riboto oktaedro centre. pagal vandens molekules.

Skilimas

Kai jis dega, jis gali išleisti į orą nuodingas ZnO daleles. Proceso metu pastebima žalsva liepsna ir švytinti šviesa.

Cheminės reakcijos

Cinko ir sieros reakcija tiglio viduje, kur pastebima žalsvai mėlyna liepsnos spalva. Šaltinis: Eoin

Cinkas yra reaktyvus metalas. Kambario temperatūroje jis gali būti padengtas ne tik oksido sluoksniu, bet ir baziniu karbonatu, Zn ₅ (OH) ₆ (CO ₃ ) ₂ ar net siera, ZnS. Kai šis įvairios sudėties sluoksnis sunaikinamas dėl rūgšties poveikio, metalas reaguoja:

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

Cheminė lygtis, atitinkanti jos reakciją su sieros rūgštimi ir:

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

Su druskos rūgštimi. Abiem atvejais, nors ir neparašyta, yra kompleksinis vandeninis Zn (OH ₂ ) ₆ ²⁺ ; išskyrus tuos atvejus, kai terpė yra bazinė, nes ji nusėda kaip cinko hidroksidas, Zn (OH) ₂ :

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

Kuris yra balta, amorfinis ir Amfoteryczny hidroksidas, gali toliau reaguoja su daugiau OH ^- jonų :

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

Zn (OH) ₄ ^2- yra cinkato anijonas. Iš tiesų, kai cinko reaguoja su tokios stiprios bazės, pavyzdžiui, koncentruoto NaOH, natrio zincate komplekso, Na ₂ , yra pagamintas tiesiogiai :

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

Taip pat cinkas gali reaguoti su nemetaliniais elementais, tokiais kaip halogenai dujinėje būsenoje arba siera:

Zn (s) + I ₂ (g) → ZnI ₂ (s)

Zn (s) + S (s) → ZnS (s) (viršutinis vaizdas)

Izotopai

Cinkas gamtoje egzistuoja kaip penki izotopai: ⁶⁴ Zn (49,2%), ⁶⁶ Zn (27,7%), ⁶⁸ Zn (18,5%), ⁶⁷ Zn (4%) ir ⁷⁰ Zn (0,62). %). Kiti yra sintetiniai ir radioaktyvūs.

Struktūra ir elektroninė konfigūracija

Cinko atomai kristalizuojasi į kompaktišką, bet iškraipytą šešiakampę struktūrą (hcp), savo metalo jungties produktą. Valentiniai elektronai, valdantys tokią sąveiką, pagal elektronų konfigūraciją yra tie, kurie priklauso 3d ir 4s orbitalėms:

3d ¹⁰ 4s ²

Abi orbitos yra visiškai užpildytos elektronų, todėl jų sutapimas nėra labai efektyvus, net kai cinko branduoliai daro jiems patrauklią jėgą.

Taigi Zn atomai nėra labai rišlūs - tai atsispindi jų žemoje lydymosi temperatūroje (419,53 ºC), palyginti su kitais pereinamaisiais metalais. Iš tikrųjų tai yra 12 grupės metalų (kartu su gyvsidabrio ir kadmio) savybė, todėl jie kartais abejoja, ar jie tikrai turėtų būti laikomi d bloko elementais.

Nepaisant to, kad 3D ir 4s orbitalės yra užpildytos, cinkas yra geras elektros laidininkas; todėl jo valentiniai elektronai gali „peršokti“ į laidumo juostą.

Oksidacijos skaičiai

Neįmanoma, kad cinkas praranda dvylika valentinių elektronų arba turi oksidacijos skaičių arba +12 būseną, darant prielaidą, kad yra Zn ¹²⁺ katijonas . Jis praranda tik du savo elektronus; konkrečiai iš 4s orbitos, elgiasi panašiai kaip šarminiai žemės metalai (p. Becambara).

Kai tai atsitiks, sakoma, kad cinkas dalyvauja junginyje, kurio oksidacijos skaičius arba būsena yra +2; tai yra, darant prielaidą, kad yra Zn ²⁺ katijonas . Pavyzdžiui, cinko oksidas ZnO turi šį oksidacijos numerį (Zn ²⁺ O ^2- ). Tas pats pasakytina apie daugelį kitų junginių, manant, kad egzistuoja tik Zn (II).

Tačiau yra ir Zn (I) arba Zn ⁺ , kurie prarado tik vieną elektroną iš 4s orbitos. Kitas galimas cinko oksidacijos skaičius yra 0 (Zn ⁰ ), kur jo neutralūs atomai sąveikauja su dujinėmis arba organinėmis molekulėmis. Todėl jis gali būti pateiktas kaip Zn ²⁺ , Zn ⁺ arba Zn ⁰ .

Kaip jis gaunamas

Žaliava

Sphalerite mineralinio mėginio iš Rumunijos. Šaltinis: James St. John

Cinkas yra dvidešimt ketvirtoje gausiausių žemės plutos elementų pozicijoje. Paprastai jis randamas sieros mineraluose, pasiskirstančiuose visoje planetoje.

Norint gauti gryną metalą, pirmiausia reikia surinkti požeminiuose tuneliuose esančias uolienas ir sukoncentruoti mineralus, kuriuose gausu cinko, kurie yra tikroji žaliava.

Šie mineralai apima: sfaleritą ar wurzitą (ZnS), cinkitą (ZnO), vilemitą (Zn ₂ SiO ₄ ), smitsonitą (ZnCO ₃ ) ir gahnitą (ZnAl ₂ O ₄ ). Sphaleritas yra pagrindinis cinko šaltinis.

Kalcinavimas

Po uolienų flotacinio ir gryninimo mineralas sukoncentruotas, jis turi būti kalcinuotas, kad sulfidai būtų paversti atitinkamais. Šiame etape mineralas tiesiog kaitinamas esant deguoniui, vykstant tokiai cheminei reakcijai:

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

SO ₂ taip pat reaguoja su deguonimi generuoti SO ₃ , junginį, skirtoms sieros rūgšties sintezę.

Gavęs ZnO, jis gali būti arba pirometalurginis, arba elektrolizinis, kai galutinis rezultatas yra metalo cinko susidarymas.

Pirometalurginis procesas

ZnO redukuojamas naudojant anglį (mineralą ar koksą) arba anglies monoksidą:

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

ZnO (s) + CO (g) → Zn (g) + CO ₂ (g)

Sunkumas, su kuriuo susiduria šis procesas, yra dujinio cinko susidarymas dėl jo žemos virimo temperatūros, kurią įveikia aukšta krosnies temperatūra. Štai kodėl cinko garai turi būti distiliuojami ir atskirti nuo kitų dujų, o jų kristalai kondensuojasi ant išlydyto švino.

Elektrolitinis procesas

Iš dviejų jo gavimo būdų tai plačiausiai naudojamas visame pasaulyje. ZnO reaguoja su praskiesta sieros rūgštimi ir išplauna cinko jonus kaip jo sulfato druską:

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

Galiausiai šis tirpalas elektrolizuojamas, kad susidarytų metalinis cinkas:

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

Pavojai

Cheminių reakcijų poskyryje buvo paminėta, kad vandenilio dujos yra vienas pagrindinių produktų, kai cinkas reaguoja su vandeniu. Štai kodėl metaline būsena jis turi būti tinkamai laikomas ir neprieinamas rūgštims, bazėms, vandeniui, sierai ar bet kuriam šilumos šaltiniui; priešingu atveju kyla gaisro pavojus.

Kuo smulkiau padalintas cinkas, tuo didesnė gaisro ar net sprogimo rizika.

Priešingu atveju, kol temperatūra nėra artima 500 ºC, jo kieta ar granuliuota forma nekelia jokio pavojaus. Jei jis yra padengtas oksido sluoksniu, jį galima tvarkyti plikomis rankomis, nes jis nereaguoja su jų drėgme; tačiau, kaip ir bet kuri kieta medžiaga, ji dirgina akis ir kvėpavimo takus.

Nors cinkas yra būtinas sveikatai, per didelė dozė gali sukelti šiuos simptomus ar šalutinį poveikį:

- Pykinimas, vėmimas, nevirškinimas, galvos skausmai ir skrandžio ar viduriavimas.

- Jis išstumia varį ir geležį absorbcijos metu žarnyne, o tai atsispindi didėjančiuose galūnių silpnumuose.

- Inkstų akmenys.

- Uoslės praradimas.

Programos

- Metalas

Lydiniai

Daugelis muzikos instrumentų yra pagaminti iš žalvario, vario ir cinko lydinio. Šaltinis: Pxhere.

Ko gero, cinkas kartu su variu yra vienas iš metalų, sudarantis populiariausius lydinius: žalvarį ir cinkuotą geležį. Žalvaris daugelį kartų buvo stebimas muzikinio orkestro metu, nes aukso instrumentų spindesys iš dalies atsirado dėl minėto vario ir cinko lydinio.

Pats metalinis cinkas neturi daug panaudojimo galimybių, nors susuktas jis yra sausų elementų anodas, o miltelių pavidalu jis yra naudojamas kaip reduktorius. Kai šio metalo sluoksnis ant kito metalo nusodinamas, pirmasis apsaugo pastarąjį nuo korozijos, nes jis yra jautresnis oksidacijai; ty cinkas oksiduojasi prieš geležį.

Štai kodėl plienai yra cinkuoti (padengti cinku), kad padidėtų jų ilgaamžiškumas. Šių cinkuotų plienų pavyzdžių taip pat yra begaliniuose „cinko“ stoguose, iš kurių kai kurie padengiami žaliais dažais, ir autobusų kėbuose, buitiniuose induose ir pakabos tiltuose.

Taip pat yra aluzinc, aliuminio-cinko lydinio, naudojamo civilinėse statybose.

Reduktorius

Cinkas yra geras reduktorius, todėl jis praranda elektronus, kad galėtų įgyti kitą rūšį; ypač metalinis katijonas. Miltelių pavidalo, jo redukuojamasis poveikis yra dar greitesnis nei kietųjų granulių.

Jis naudojamas gaunant metalus iš jų mineralų; tokie kaip rodis, sidabras, kadmis, auksas ir varis.

Taip pat jos redukcinis poveikis yra naudojamas organinėms rūšims, kurios gali būti naudojamos naftos pramonėje, tokioms kaip benzenas ir benzinas, arba farmacijos pramonėje, sumažinti. Kita vertus, cinko dulkes galima naudoti ir šarminėse cinko-mangano dioksido baterijose.

Įvairūs

Dėl savo reaktyvumo ir energingesnio degimo cinko dulkės gali būti naudojamos kaip priedas degtukų galvutėse, sprogmenyse ir fejerverkuose (jos skleidžia baltą blyksnį ir žalsvą liepsną).

- Junginiai

Sulfidas

Laikrodis su fosforuojančiais dažais ant rankų ir valandų. Šaltinis: Francisas Flinchas

Cinko sulfidas turi fosforescuojančių ir liuminescencinių savybių, todėl jis naudojamas gaminant šviesius dažus.

Oksidas

Balta jo oksido spalva, taip pat puslaidininkis ir fotolaidumas yra naudojami kaip keramikos ir popieriaus pigmentas. Be to, jo yra talke, kosmetikoje, kaučiukuose, plastikuose, audiniuose, vaistuose, dažuose ir emaliuose.

Maisto papildas

Mūsų kūnui reikalingas cinkas, kad galėtų atlikti daugelį savo gyvybinių funkcijų. Norėdami jį įsigyti, jis yra įtrauktas į kai kuriuos maisto papildus, turinčius oksido, gliukonato ar acetato pavidalą. Jo taip pat yra kremuose, palengvinančiuose nudegimus ir odos sudirginimus, ir šampūnuose.

Kai kurie žinomi ar siejami su cinko vartojimu susiję pranašumai:

- Gerina imuninę sistemą.

- Tai geras priešuždegiminis vaistas.

- Sumažina erzinančius peršalimo simptomus.

- Užkerta kelią ląstelių pažeidimams tinklainėje, todėl rekomenduojama regėjimui.

- Padeda reguliuoti testosterono lygį, taip pat yra susijęs su vyrų vaisingumu, jų spermos kokybe ir raumenų audinio vystymusi.

- Reguliuoja smegenų neuronų sąveiką, todėl tai siejama su atminties ir mokymosi pagerėjimu.

- Be to, jis veiksmingas gydant viduriavimą.

Šie cinko papildai yra parduodami kaip kapsulės, tabletės arba sirupai.

Biologinis vaidmuo

Esant anglies anhidrazei ir karboksipeptidazei

Manoma, kad cinkas sudaro 10% visų žmogaus organizme veikiančių fermentų, maždaug 300 fermentų. Tarp jų galima paminėti anglies anhidrazę ir karboksipeptidazę.

Anglies anhidrazė, nuo cinko priklausomas fermentas, veikia audinių lygyje, katalizuodama anglies dioksido reakciją su vandeniu ir sudarydama bikarbonatą. Kai bikarbonatas pasiekia plaučius, fermentas atvirkščiai reaguoja ir susidaro anglies dioksidas, kuris paskleidžiamas į išorę.

Karboksipeptidazė yra eksopeptidazė, kuri virškina baltymus, išskirdama aminorūgštis. Cinkas veikia tiekdamas teigiamą krūvį, kuris palengvina fermento sąveiką su baltymais, kuriuos jis virškina.

Esant prostatos funkcionavimui

Cinko yra skirtinguose žmogaus kūno organuose, tačiau jo didžiausia koncentracija yra prostatoje ir spermoje. Cinkas yra atsakingas už tinkamą prostatos funkcionavimą ir vyrų lytinių organų vystymąsi.

Cinko pirštai

Cinkas dalyvauja RNR ir DNR metabolizme. Cinko pirštai (Zn pirštai) susideda iš cinko atomų, kurie yra jungiamieji tilteliai tarp baltymų, kurie kartu atlieka įvairias funkcijas.

Cinko pirštai yra naudingi skaitant, rašant ir perrašant DNR. Be to, yra hormonų, kurie juos naudoja atliekant funkcijas, susijusias su augimo homeostaze visame kūne.

Reguliuojant glutamatą

Glutamatas yra pagrindinis sužadinamasis neuromediatorius smegenų žievėje ir smegenyse. Cinkas kaupiasi presinapsinėse glutaminerginėse pūslelėse, įsikišdamas į neurotransmiterio glutamato išsiskyrimo reguliavimą ir neuronų jaudrumą.

Yra duomenų, kad per didelis neurotransmiterio glutamato išsiskyrimas gali turėti neurotoksinį poveikį. Todėl yra mechanizmų, reguliuojančių jo išleidimą. Taigi cinko homeostazė vaidina svarbų vaidmenį nervų sistemos funkciniame reguliavime.

Nuorodos

1. Šiveris ir Atkinsas. (2008). Neorganinė chemija. (Ketvirtasis leidimas). Mc Graw Hill.
2. Vikipedija. (2019 m.). Cinkas. Atkurta iš: en.wikipedia.org
3. Michaelas Pilgaardas. (2016 m., Liepos 16 d.). Cinkas: cheminės reakcijos. Atkurta iš: pilgaardelements.com
4. Nacionalinis biotechnologijų informacijos centras. (2019 m.). Cinkas. „PubChem“ duomenų bazė. CID = 23994. Atkurta iš: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Wojesas Ryanas. (2019 m. Birželio 25 d.). Cinko metalo savybės ir panaudojimas. Atkurta iš: thebalance.com
6. Ponas Kevinas A. Boudreaux. (sf). Cinkas + siera. Atkurta iš: angelo.edu
7. Alanas W. Richardsas. (2019 m. Balandžio 12 d.). Cinko apdirbimas. „Encyclopædia Britannica“. Atkurta iš: britannica.com
8. Grynumas cinko metalai. (2015). Pramoninės programos. Atkurta iš: purityzinc.com
9. „Nordqvist“, J. (2017 m. Gruodžio 5 d.). Kokia cinko nauda sveikatai? Medicinos naujienos šiandien. Atkurta iš: medicalnewstoday.com