CINKOV OKSID (OBRA): STRUKTURA, LASTNOSTI, UPORABE, TVEGANJA - KEMIJA - 2025

Cinkov oksid je anorganska spojina s kemijsko formulo ZnO. Sestavljen je izključno iz ionov Zn ²⁺ in O ^2- v razmerju 1: 1; vendar pa lahko njegova kristalna rešetka predstavlja prosto ^2- O , kar povzroči strukturne pomanjkljivosti, ki lahko spremenijo barve svojih sintetičnih kristalov.

Komercialno se pridobiva v obliki praškaste bele trdne snovi (spodnja slika), ki nastaja neposredno pri oksidaciji kovinskega cinka s francoskim postopkom; ali izpostavitev cinkovih rud karbotermični redukciji tako, da njihove hlape nato oksidirajo in se na koncu strdijo.

Pazi na steklo z cinkovim oksidom. Vir: Adam Rędzikowski

Druge metode priprave ZnO sestavljajo oboritev njegovega hidroksida Zn (OH) ₂ iz vodnih raztopin cinkovih soli. Prav tako je mogoče morfološko raznolike tanke filme ali nanodelce ZnO sintetizirati z uporabo bolj izpopolnjenih tehnik, kot je kemično nanašanje njihovih hlapov.

Ta kovinski oksid najdemo v naravi kot mineral cinkit, katerega kristali so zaradi kovinskih nečistoč običajno rumeni ali oranžni. Za kristale ZnO je značilno, da so piezoelektrični, termokromni, luminescentni, polarni in imajo tudi zelo širok energijski pas v svojih polprevodniških lastnostih.

Strukturno je izomorfen cink sulfidu, ZnS, ki ima šestkotne in kubične kristale, podobne tistim iz wurzita in mešanice. V njih je določen kovalenten značaj v interakcijah med Zn ²⁺ in O ^2- , zaradi česar je v kristalu ZnO heterogena porazdelitev nabojev.

Študije lastnosti in uporabe ZnO segajo na področja fizike, elektronike in biomedicine. Njegova najpreprostejša in najbolj vsakodnevna uporaba ostane neopažena pri sestavi krem ​​za obraz in izdelkov za osebno higieno, pa tudi pri kremi za sončenje.

Struktura

Polimorfi

ZnO kristalizira pri normalnih tlačnih in temperaturnih pogojih v šesterokotni strukturi wurzita. V tej strukturi sta iona Zn ²⁺ in O ^2- razporejena v izmeničnih plasteh tako, da se vsak konča obdan s tetraedrom oziroma z ZnO ₄ oziroma OZn ₄ .

Z uporabo "šablone" ali kubičnega nosilca lahko ZnO kristaliziramo v kubično mešanico cinkove cinka; ki podobno kot wurzit ustrezajo izomorfnim strukturam (identične v prostoru, vendar z različnimi ioni) cinkovega sulfida, ZnS.

Poleg teh dveh struktur (wurzita in mešanice) se v strukturi kamene soli kristalizira ZnO pod visokimi tlaki (okoli 10 GPa), enak kot NaCl.

Interakcije

Interakcije med Zn ²⁺ in O ^2- predstavljajo določen značaj kovalencije, pri čemer je delno kovalentna vez Zn-O (oba atoma s sp ³ hibridizacijo ), zaradi izkrivljanja tetraedre pa se manifestirajo trenutek dipola, ki dodaja ionske zanimivosti kristalov ZnO.

Blende (levo) in wurzite (desno) struktura ZnO. Vir: Gabriel Bolívar.

Zgornjo sliko lahko prikažete tetraedrom, omenjenim za strukture ZnO.

Razlika med strukturo mešanice in wurzita je tudi v tistem, kar gledamo od zgoraj, ioni niso zatemnjeni. Na primer, v wurzitu so bele krogle (Zn ²⁺ ) vidne tik nad rdečimi kroglicami (O ^2- ). Po drugi strani pa v strukturi kubične mešanice ni tako, ker obstajajo tri plasti: A, B in C namesto le dveh.

Morfologija nanodelcev

Čeprav imajo kristali ZnO šesterokotne wurzitne strukture, je morfologija njihovih nanodelcev druga zgodba. Glede na parametre in metode sinteze lahko med njimi prevzamejo tako raznolike oblike, kot so palice, plošče, listi, kroglice, cvetovi, pasovi, igle.

Lastnosti

Fizični videz

Bela praškasta trdna vonj brez vonja in grenkega okusa. V naravi ga lahko najdemo kristalizirano, s kovinskimi nečistočami, kot je mineral cinkit. Če so takšni kristali beli, kažejo termokromizem, kar pomeni, da ob segrevanju spremenijo svojo barvo: iz bele v rumeno.

Prav tako lahko njeni sintetični kristali predstavljajo rdečkasto ali zelenkasto barvo, odvisno od njihove stehiometrične kisikove sestave; z drugimi besedami, vrzeli ali prosta mesta, ki jih povzroča pomanjkanje anionov O ^2-, neposredno vplivajo na način, kako svetloba posega v ionske mreže.

Molarna masa

81.406 g / mol

Tališče

1974 ° C. Pri tej temperaturi se podvrže termični razpadi, sprošča pare cinka in molekularni ali plinasti kisik.

Gostota

5,1 g / cm ³

Topnost v vodi

ZnO je praktično netopen v vodi in komaj povzroča raztopine s koncentracijo 0,0004% pri 18 ° C.

Amfoterika

ZnO lahko reagira tako s kislinami kot z bazami. Ko reagira s kislino v vodni raztopini, se njena topnost poveča tako, da tvori topno sol, pri kateri se Zn ²⁺ zaplete z molekulami vode: ²⁺ . Na primer, reagira z žveplovo kislino, da ustvari cinkov sulfat:

ZnO + H ₂ SO ₄ → ZnSO ₄ + H ₂ O

Podobno reagira z maščobnimi kislinami in tvori njihove ustrezne soli, na primer cinkov stearat in palmitat.

Ko reagira z bazo, v prisotnosti vode tvorijo cinkove soli:

ZnO + 2NaOH + H ₂ O → Na ₂

Toplotna zmogljivost

40,3 J / K mol

Neposredna energijska vrzel

3,3 eV Zaradi te vrednosti je širokopasovni polprevodnik, ki lahko deluje pod intenzivnimi električnimi polji. Ima tudi značilnosti, da je polprevodnik n tipa, kar pa ni bilo razloženo, zakaj je v njegovi strukturi dodatna dobava elektronov.

Ta oksid se odlikuje s svojimi optičnimi, zvočnimi in elektronskimi lastnostmi, zahvaljujoč temu pa velja za kandidata za potencialne aplikacije, povezane z razvojem optoelektronskih naprav (senzorji, laserske diode, fotovoltaične celice). Razlog za take lastnosti je zunaj področja fizike.

Prijave

Zdravilo

Cinkov oksid je bil uporabljen kot dodatek v številnih belih kremah za zdravljenje draženja kože, aken, dermatitisa, odrgnin in razpok. Na tem področju je njegova uporaba priljubljena za lajšanje draženja, ki ga povzročajo plenice na koži dojenčkov.

Prav tako je sestavina krem ​​za zaščito pred soncem, saj skupaj z nanodelci titanovega dioksida TiO ₂ pomaga blokirati sončno ultravijolično sevanje. Prav tako deluje kot zgoščevalno sredstvo, zato ga najdemo v določenem lahkem ličenju oz. losjoni, emajli, praški in mila.

Po drugi strani je ZnO vir cinka, ki se uporablja v prehranskih dopolnilih in vitaminskih izdelkih, pa tudi v žitih.

Antibakterijsko

Glede na morfologijo njegovih nanodelcev se lahko ZnO pod ultravijoličnim sevanjem aktivira za ustvarjanje vodikovih peroksidov ali reaktivnih vrst, ki oslabijo celične membrane mikroorganizmov.

Ko se to zgodi, preostali nanodelci ZnO brazdajo citoplazmo in začnejo medsebojno komunicirati s sestavkom biomolekul, ki sestavljajo celico, kar ima za posledico njihovo apoptozo.

Zato v sestavkih za zaščito pred soncem ni mogoče uporabiti vseh nanodelcev, temveč le tiste, ki nimajo antibakterijske aktivnosti.

Izdelki s to vrsto ZnO so zasnovani, prevlečeni z topnimi polimernimi materiali za zdravljenje okužb, ran, razjed, bakterij in celo sladkorne bolezni.

Pigmenti in premazi

Pigment, znan kot beli cink, je ZnO, ki se doda različnim barvam in premazom, da zaščiti kovinske površine, na katere se nanesejo pred korozijo. Na primer, prevleke z dodanim ZnO se uporabljajo za zaščito pocinkanega železa.

Po drugi strani so bili ti premazi uporabljeni tudi na okenskem steklu, da preprečijo, da bi toplota prodirala (če je zunaj) ali vstopila (če je znotraj). Prav tako ščiti nekatere polimerne in tekstilne materiale pred propadanjem zaradi delovanja sončnega sevanja in toplote.

Bioimaže

Luminescence nanodelcev ZnO so preučevali za uporabo pri biografiranju in s tem preučili notranje strukture celic s pomočjo modre, zelene ali oranžne luči.

Aditiv

ZnO se tudi zaradi nižje tališča in zaradi tega obnaša kot sredstvo za točenje, kot dodatek v gumah, cementih, zobeh in steklih, keramiki.

Odstranjevalec vodikovega sulfida

ZnO odstranjuje neprijetne pline H ₂ S in tako pomaga razžveplati nekaj plinov:

ZnO + H ₂ S → ZnS + H ₂ O

Tveganja

Cinkov oksid kot tak je nestrupen in neškodljiv spoj, zato previdno ravnanje s trdno snovjo ne predstavlja nobenega tveganja.

Težava pa je v njegovem dimu, saj cinkovi hlapi, čeprav se razgradijo pri visokih temperaturah, kontaminirajo pljuča in povzročijo nekakšno "kovinsko vročino". Za to bolezen so značilni simptomi kašlja, vročine, občutka tesnosti v prsih in stalnega kovinskega okusa v ustih.

Prav tako ni rakotvoren, zato kreme, ki ga vsebujejo, niso pokazale, da povečajo absorpcijo cinka v kožo, zato sončne kreme na osnovi ZnO veljajo za varne; razen če obstajajo alergijske reakcije, v tem primeru je treba njegovo uporabo prenehati.

Kar zadeva nekatere nanodelce, ki so namenjeni boju proti bakterijam, bi lahko imeli negativne učinke, če se ne bodo pravilno prevažali na mesto delovanja.

Reference

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganska kemija. (Četrta izdaja). Mc Graw Hill.
2. Wikipedija. (2019). Cinkov oksid. Pridobljeno: en.wikipedia.org
3. Hadis Morkoç in Ümit Özgur. (2009). Cinkov oksid: osnove, materiali in tehnologija naprav. . Pridobljeno iz: application.wiley-vch.de
4. Parihar, M. Raja in R. Paulose. (2018). Kratek pregled strukturnih, električnih in elektrokemijskih lastnosti nanodelcev cinkovega oksida. . Pridobljeno: ipme.ru
5. A. Rodnyi in IV Hhodyuk. (2011). Optične in luminiscenčne lastnosti cinkovega oksida. Pridobljeno: arxiv.org
6. Siddiqi, KS, Ur Rahman, A., Tajuddin, & Husen, A. (2018). Lastnosti nanodelcev cinkovega oksida in njihova aktivnost proti mikrobom. Raziskovalna pisma o nanobarvnikih, 13 (1), 141. doi: 10.1186 / s11671-018-2532-3
7. Kemični varnostni učinki. (2019). Cinkov oksid. Pridobljeno s: chemicalsafetyfacts.org
8. Jinhuan Jiang, Jiang Pi in Jiye Cai. (2018). Izboljšanje nanodelcev cinkovega oksida za biomedicinske namene. Bioinorganska kemija in aplikacije, vol. 2018, ID članka 1062562, 18 strani. doi.org/10.1155/2018/1062562