CINK: ZGODOVINA, LASTNOSTI, STRUKTURA, TVEGANJA, UPORABE - KEMIJA - 2026

Cink je prehodna kovina, ki spada v skupino 12 periodnega sistema in je predstavljen s kemijskim simbolom Zn. Je 24. element, ki ga ima v zemeljski skorji obilje, ki ga najdemo v mineralih žvepla, kot sta sfalerit ali karbonati, kot je smitsonit.

Je kovina, ki je v popularni kulturi zelo znana; cinkove strehe so primer, prav tako dopolnila za uravnavanje moških hormonov. Najdemo ga v številnih živilih in je bistven element za nešteto presnovnih procesov. Njenega zmernega vnosa je več koristi v primerjavi z negativnimi učinki njegovega presežka v telesu.

Streha iz cinkove zlitine muzeja Riverside. Vir: Eoin

Cink je bil znan že dolgo pred jeklenimi in drugimi kovinami srebrne barve. Medenina, zlitina raznolike sestave bakra in cinka, je del zgodovinskih predmetov že tisočletja. Danes je zlato barvo pogosto videti v nekaterih glasbenih inštrumentih.

Prav tako gre za kovino, iz katere so izdelane alkalne baterije, saj je njegova manjša moč in enostavnost dajanja elektronov dobra izbira kot anodni material. Njegova glavna uporaba je galvaniziranje jekel in njihovo prevleko s plastjo cinka, ki oksidira ali žrtvuje, da prepreči, da bi železo pod njim kasneje korodiralo.

V svojih derivatnih spojinah ima skoraj vedno oksidacijsko število ali stanje +2. Zato velja, da je ion Zn ²⁺ zajet v molekularnem ali ionskem okolju. Čeprav je Zn ²⁺ Lewisova kislina, ki lahko povzroča težave znotraj celic, pa usklajena z drugimi molekulami pozitivno deluje z encimi in DNK.

Tako je cink pomemben kofaktor za številne metalo-encime. Kljub izjemno pomembni biokemiji in sijaju njenih zelenkastih utripov in plamenov pri gorenju v svetu znanosti velja za "dolgočasno" kovino; ker njegove lastnosti nimajo privlačnosti drugih kovin, pa tudi tališče je znatno nižje od njihovega.

Zgodovina

Antika

S cinkom se manipulira tisoče let; vendar neopazno, saj so stare civilizacije, vključno s Perzijci, Rimljani, Transilvanijci in Grki, že izdelovali predmete, kovance in medeninasto orožje.

Zato je medenina ena najstarejših znanih zlitin. Pripravili so ga iz minerala kalamina, Zn ₄ Si ₂ O ₇ (OH) ₂ · H ₂ O, ki so ga mleli in segrevali ob prisotnosti volne in bakra.

Med postopkom so majhne količine kovinskega cinka, ki bi se lahko tvorile, uhajale kot hlapi, kar je dolga leta odlagalo njegovo identifikacijo kot kemični element. Ko so stoletja minila, so medenina in druge zlitine povečevale svojo vsebnost cinka in izgledale bolj sivkasto.

V štirinajstem stoletju so v Indiji že uspeli proizvesti kovinski cink, ki so ga poimenovali Jasada in so ga nato prodali s Kitajsko.

In tako so ga alkimisti uspeli pridobiti za izvedbo svojih poskusov. Ugledni zgodovinski lik Paracelsus ga je poimenoval "zincum", morda zaradi podobnosti med cinkovimi kristali in zobmi. Malo po malo, sredi drugih imen in različnih kultur, je ime 'cink' končalo zavijanje za to kovino.

Izolacija

Čeprav je Indija že leta 1300 proizvajala kovinski cink, je to izhajalo iz metode, ki je uporabljala kalamin z volno; torej ni šlo za kovinski vzorec velike čistosti. William Champion se je na tej metodi leta 1738 v Veliki Britaniji izboljšal z uporabo vertikalne peči za retorte.

Leta 1746 je nemški kemik Andreas Sigismund Marggraf "prvič" vzel vzorec čistega cinka s segrevanjem kalama v prisotnosti oglja (boljše redukcijsko sredstvo kot volna), znotraj posode z bakrom. Ta način pridobivanja cinka se je razvil komercialno in vzporedno s Champion's.

Kasneje so se razvili procesi, ki so se končno osamosvojili od kalamina, namesto tega pa je uporabljal cinkov oksid; z drugimi besedami, zelo podoben trenutnemu pirometalurškemu postopku. Izboljšale so se tudi peči, ki so lahko proizvajale večje količine cinka.

Do takrat še vedno ni bilo nobene aplikacije, ki bi zahtevala ogromne količine cinka; vendar se je to spremenilo s prispevki Luigija Galvanija in Alessandra Volte, ki sta odstopila konceptu galvanizacije. Volta je prišla tudi do tako imenovane galvanske celice, cink pa je bil kmalu del zasnove suhih celic.

Fizikalne in kemijske lastnosti

Fizični videz

Gre za sivkasto kovino, običajno na voljo v obliki zrna ali prahu. Fizično je šibek, zato ni dobra izbira za aplikacije, kjer mora podpirati težke predmete.

Prav tako je krhka, čeprav postane, ko se segreje nad 100 ° C, postane kovljiva in nodirana; do 250 ° C, temperatura pri kateri spet postane krhka in se lahko razprši.

Molarna masa

65,38 g / mol

Atomska številka (Z)

30

Tališče

419,53 ° C. To nizko tališče kaže na njegovo šibko kovinsko vez. Ko se topi, ima videz podoben tekočemu aluminiju.

Vrelišče

907 ºC

Temperatura samovžiga

460 ºC

Gostota

-7,14 g / ml pri sobni temperaturi

-6,57 g / ml pri taljenju, torej ravno pri taljenju oz

Vročina fuzije

7,32 kJ / mol

Toplota izparevanja

115 kJ / mol

Molarna toplotna zmogljivost

25.470 J / (mol K)

Elektronegativnost

1,65 po Paulingovi lestvici

Ionizacijske energije

-Prvič: 906,4 kJ / mol (Zn ⁺ plin)

-Sekunda: 1733,3 kJ / mol (Zn ²⁺ plinasti)

-Tretje: 3833 kJ / mol (Zn ³⁺ plinasti)

Atomski radio

Empirični 134

Kovalentni polmer

122 ± 16.00

Mohsova trdota

2.5. Ta vrednost je bistveno nižja v primerjavi s trdoto drugih prehodnih kovin, to je volframa.

Magnetni red

Diamagnetno

Toplotna prevodnost

116 W / (m K)

Električni upor

59 nΩm pri 20 ° C

Topnost

V vodi je netopna, dokler jo oksidna plast ščiti. Ko ga odstranimo z napadom kisline ali baze, cink na koncu reagira z vodo, da tvori kompleksno vodno, Zn (OH ₂ ) ₆ ²⁺ in postavi Zn ²⁺ v središče omejenega oktaedra z molekulami vode.

Razgradnja

Ko gori, lahko v zrak sprosti strupene delce ZnO. Pri tem opazimo zelenkast plamen in žarečo svetlobo.

Kemijske reakcije

Reakcija med cinkom in žveplom v lončku, kjer se ceni zelenkasto modra barva plamena. Vir: Eoin

Cink je reaktivna kovina. Pri sobni temperaturi ga ne more prekriti le oksidna plast, ampak tudi bazični karbonat, Zn ₅ (OH) ₆ (CO ₃ ) ₂ ali celo žveplo, ZnS. Ko ta plast raznolike sestave uniči napad kisline, kovina reagira:

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

Kemijska enačba, ki ustreza reakciji z žveplovo kislino in:

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

S klorovodikovo kislino. V obeh primerih je kompleksen vodni Zn (OH ₂ ) ₆ ²⁺ , čeprav ni zapisan, ^prisoten ; razen če je medij bazičen, saj se obori kot cinkov hidroksid, Zn (OH) ₂ :

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

Kateri je beli, amorfni in amfoterni hidroksid, ki lahko še naprej reagira z več OH ^- ioni :

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

Zn (OH) ₄ ^2- je zinkatni anion. Dejansko, ko cink reagira s takšno močne baze, kot so koncentrirane NaOH, zincate kompleks natrijevega, Na ₂ je izdelano neposredno :

Zn (y) + 2NaOH (aq) + 2H ₂ O (l) → natrija ₂ (aq) + H ₂ (g)

Prav tako lahko cink reagira z nekovinskimi elementi, kot so halogeni v plinastem stanju ali žveplo:

Zn (s) + I ₂ (g) → ZnI ₂ (s)

Zn (s) + S (s) → ZnS (s) (zgornja slika)

Izotopi

Cink v naravi obstaja kot pet izotopov: ⁶⁴ Zn (49,2%), ⁶⁶ Zn (27,7%), ⁶⁸ Zn (18,5%), ⁶⁷ Zn (4%) in ⁷⁰ Zn (0,62) %). Drugi so sintetični in radioaktivni.

Struktura in elektronska konfiguracija

Cinkovi atomi kristalizirajo v kompaktno, a izkrivljeno šestkotno strukturo (hcp), produkt njihove kovinske vezi. Valenčni elektroni, ki upravljajo takšne interakcije, so po elektronski konfiguraciji tisti, ki pripadajo 3d in 4s orbitali:

3d ¹⁰ 4s ²

Obe orbitali sta v celoti napolnjeni z elektroni, zato njihovo prekrivanje ni zelo učinkovito, tudi kadar cinkova jedra na njih privlačijo silo.

Posledično atomi Zn niso zelo kohezivni, kar se odraža v njihovem nizkem tališču (419,53 ° C) v primerjavi z drugimi prehodnimi kovinami. V resnici je to značilnost kovin skupine 12 (skupaj z živim srebrom in kadmijem), zato se včasih sprašujejo, ali bi jih res lahko šteli za elemente bloka d.

Kljub polni 3d in 4s orbitali je cink dober prevodnik električne energije; zato lahko valenčni elektroni "skočijo" v prevodni pas.

Oksidacijske številke

Nemogoče je, da bi cink izgubil svojih dvanajst valenčnih elektronov ali imel oksidacijsko število ali stanje +12, ob predpostavki obstoja kationa Zn ¹²⁺ . Namesto tega izgubi le dva elektrona; zlasti tiste iz orbite 4s, ki se obnašajo podobno kot zemeljskoalkalijske kovine (g. Becambara).

Ko se to zgodi, naj bi cink sodeloval v spojini z oksidacijskim številom ali stanjem +2; torej ob predpostavki obstoja kationa Zn ²⁺ . Na primer, v svojem oksidu, ZnO, cink ima to oksidacijsko številko (Zn ²⁺ O ^2- ). Enako velja za številne druge spojine, če pomislimo, da obstaja samo Zn (II).

Vendar obstaja tudi Zn (I) ali Zn ⁺ , ki je izgubil le enega izmed elektronov iz 4b orbitale. Drugo možno število oksidacije za cink je 0 (Zn ⁰ ), kjer njegovi nevtralni atomi medsebojno delujejo s plinastimi ali organskimi molekulami. Zato ga lahko predstavimo kot Zn ²⁺ , Zn ⁺ ali Zn ⁰ .

Kako se pridobiva

Surovina

Vzorec minerala sfalerita iz Romunije. Vir: James St. John

Cink je na štiriindvajsetem mestu najbolj obilnih elementov v zemeljski skorji. Na splošno ga najdemo v žveplovih mineralih, porazdeljenih po vsem planetu.

Za pridobitev kovine v čisti obliki je treba najprej zbrati kamnine, ki se nahajajo v podzemnih tunelih, in koncentrirati minerale, bogate s cinkom, ki predstavljajo pravo surovino.

Ti minerali vključujejo: sfalerit ali wurzit (ZnS), cinkit (ZnO), vilemit (Zn ₂ SiO ₄ ), smitsonit (ZnCO ₃ ) in gahnit (ZnAl ₂ O ₄ ). Sfalerit je daleč glavni vir cinka.

Kalcinacija

Ko je mineral koncentriran po flotaciji in čiščenju kamnin, ga je treba kalcinirati, da sulfide pretvori v ustrezne. V tem koraku se mineral enostavno segreje v prisotnosti kisika in razvije naslednjo kemično reakcijo:

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

SO ₂ reagira tudi s kisikom, da ustvari SO ₃ , spojino, namenjeno sintezi žveplove kisline.

Ko je ZnO pridobljen, ga lahko podvržemo pirometalurškemu postopku ali elektrolizi, kjer je končni rezultat tvorba kovinskega cinka.

Pirometalurški postopek

ZnO se zmanjša z uporabo premoga (minerala ali koksa) ali ogljikovega monoksida:

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

ZnO (s) + CO (g) → Zn (g) + CO ₂ (g)

Težava, s katero se sooča ta postopek, je pridobivanje plinastega cinka zaradi njegove nizke vrelišča, ki jo premagajo visoke temperature peči. Zato je treba cinkove hlape destilirati in ločiti od ostalih plinov, medtem ko se njihovi kristali kondenzirajo na staljenem svincu.

Elektrolitski postopek

Od dveh načinov pridobivanja je ta najbolj razširjena po vsem svetu. ZnO reagira z razredčeno žveplovo kislino, da izpušča cinkove ione kot sulfatno sol:

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

Končno je raztopina elektrolizirana, da nastane kovinski cink

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

Tveganja

V pododdelku o kemijskih reakcijah je bilo omenjeno, da je vodikov plin eden glavnih produktov, ko cink reagira z vodo. Zato ga je treba v kovinskem stanju pravilno hraniti in izven dosega kislin, baz, vode, žvepla ali katerega koli vira toplote; v nasprotnem primeru obstaja nevarnost požara.

Bolj ko je cink bolj fino razdeljen, večja je nevarnost požara ali celo eksplozije.

V nasprotnem primeru, dokler temperatura ni blizu 500 ° C, njegova trdna ali zrnasta oblika ne predstavlja nobene nevarnosti. Če ga prekrije plast oksida, se z njim lahko ravnamo z golimi rokami, saj ne reagira z njihovo vlažnostjo; vendar kot vsaka trdna snov draži oči in dihala.

Čeprav je cink ključnega pomena za zdravje, lahko odvečni odmerek povzroči naslednje simptome ali neželene učinke:

- slabost, bruhanje, prebavne težave, glavoboli in želodec ali driska.

- Med absorpcijo v črevesju izpodriva baker in železo, kar se kaže v naraščajočih šibkostih okončin.

- Ledvični kamni.

- Izguba vonja.

Prijave

- Kovina

Zlitine

Mnogi glasbeni inštrumenti so izdelani iz medenine, zlitine bakra in cinka. Vir: Pxhere.

Morda je cink ena od kovin skupaj z bakrom, ki tvori najbolj priljubljene zlitine: medenino in pocinkano železo. Brass je bil v glasbenem orkestru že večkrat opažen, saj je zlati sijaj instrumentov deloma posledica omenjene zlitine bakra in cinka.

Kovinski cink sam po sebi nima veliko uporabe, čeprav se v valjanju uporablja kot anoda suhih celic, v obliki prahu pa je namenjen kot reducent. Ko je sloj te kovine na drugem elektrodeponiran, prvi ščiti slednjo pred korozijo, saj je bolj dovzeten za oksidacijo; to je cink pred železom oksidira.

Zaradi tega so jekla pocinkana (prevlečena s cinkom), da se poveča njihova trajnost. Primeri teh pocinkanih jekel so prisotni tudi v neskončnih „cinkovih“ strehah, od katerih so nekatere z nanosom zelene barve, ter v avtobusih, gospodinjskih pripomočkih in vzmetenih mostovih.

Obstaja tudi aluzinc, aluminijevo-cinkova zlitina, ki se uporablja v civilnih konstrukcijah.

Redukcijsko sredstvo

Cink je dobro reducirno sredstvo, zato izgubi elektrone, da bi druga vrsta pridobila; predvsem kovinski kation. Ko je v obliki prahu, je njegovo zmanjševanje celo hitrejše kot pri trdnih zrncih.

Uporablja se v postopkih pridobivanja kovin iz njihovih mineralov; kot so rodij, srebro, kadmij, zlato in baker.

Prav tako se njegovo zmanjševalno delovanje uporablja za zmanjšanje organskih vrst, ki so lahko vpletene v naftno industrijo, kot sta benzen in bencin, ali v farmacevtski industriji. Po drugi strani pa cinkov prah najde uporabo tudi v alkalnih baterijah cink-manganovega dioksida.

Razno

Cinkov prah zaradi svoje reaktivnosti in bolj energijskega izgorevanja najde dodatek v glavah v vžigalicah, eksplozivih in ognjemetu (dajejo beli utrip in zelenkast plamen).

- Spojine

Sulfid

Ura s fosforescentno barvo na rokah in ure. Vir: Francis Flinch

Cink sulfid ima lastnost fosforescenčnega in luminiscentnega, zato se uporablja pri proizvodnji svetlobnih barv.

Oksid

Bela barva njegovega oksida ter pol in foto prevodnost se uporablja kot pigment za keramiko in papirje. Poleg tega je prisoten v talku, kozmetiki, gumi, plastiki, tkaninah, zdravilih, črnilih in emajlih.

Prehransko dopolnilo

Naše telo potrebuje cink, da lahko izpolni številne svoje vitalne funkcije. Da bi ga pridobili, ga vključimo v nekatera prehranska dopolnila v obliki oksida, glukonata ali acetata. Prisotna je tudi v kremah za lajšanje opeklin in draženja kože ter v šamponih.

Nekatere prednosti, ki so znane ali povezane z jemanjem cinka, so:

- Izboljša imunski sistem.

- Je dobro protivnetno.

- Zmanjša moteče simptome navadnega prehlada.

- Preprečuje poškodbe celic v mrežnici, zato jo priporočamo za vid.

- Pomaga pri uravnavanju ravni testosterona in je povezan tudi s plodnostjo moških, kakovostjo njihove sperme in razvojem mišičnega tkiva.

- Uravnava interakcije med možganskimi nevroni, zato je povezan z izboljšanjem spomina in učenja.

-In prav tako je učinkovit pri zdravljenju driske.

Ti dodatki cinka so komercialno na voljo v obliki kapsul, tablet ali sirupov.

Biološka vloga

V ogljikovi anhidrazi in karboksipeptidazi

Menijo, da je cink del 10% celotnih encimov v človeškem telesu, približno 300 encimov. Med njimi lahko omenimo ogljikovo anhidrazo in karboksipeptidazo.

Ogljikova anhidraza, encim, odvisen od cinka, deluje na nivoju tkiva tako, da katalizira reakcijo ogljikovega dioksida z vodo in tvori bikarbonat. Ko bikarbonat doseže pljuča, encim obrne reakcijo in nastane ogljikov dioksid, ki se med izdihom izloči navzven.

Karboksipeptidaza je eksopeptidaza, ki prebavi beljakovine in sprosti aminokisline. Cink deluje tako, da zagotavlja pozitiven naboj, ki olajša interakcijo encima z beljakovinami, ki jih prebavi.

Pri delovanju prostate

Cink je prisoten v različnih organih človeškega telesa, vendar ima najvišjo koncentracijo v prostati in v semenu. Cink je odgovoren za pravilno delovanje prostate in razvoj moških reproduktivnih organov.

Cinkovi prsti

Cink sodeluje pri presnovi RNK in DNK. Cinkovi prsti (Zn-prsti) so sestavljeni iz cinkovih atomov, ki služijo kot vezni mosti med beljakovinami, ki so skupaj vključeni v različne funkcije.

Cinkovi prsti so uporabni pri branju, pisanju in prepisovanju DNK. Poleg tega obstajajo hormoni, ki jih uporabljajo pri funkcijah, povezanih z rastno homeostazo po telesu.

Pri uravnavanju glutamata

Glutamat je glavni vzbujevalni nevrotransmiter v možganski skorji in možganskem deblu. Cink se kopiči v glutaminergičnih presinaptičnih veziklih, saj posega v uravnavanje sproščanja nevrotransmiterja glutamata in pri nevronski ekscitabilnosti.

Obstajajo dokazi, da ima lahko pretirano sproščanje nevrotransmiterja glutamat nevrotoksično delovanje. Zato obstajajo mehanizmi, ki uravnavajo njegovo sproščanje. Homeostaza cinka ima tako pomembno vlogo pri funkcionalni uravnavi živčnega sistema.

Reference

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganska kemija. (Četrta izdaja). Mc Graw Hill.
2. Wikipedija. (2019). Cink. Pridobljeno: en.wikipedia.org
3. Michael Pilgaard. (2016, 16. julij). Cink: kemične reakcije. Pridobljeno: pilgaardelements.com
4. Nacionalni center za informacije o biotehnologiji. (2019). Cink. Baza podatkov PubChem. CID = 23994. Pridobljeno: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Wojes Ryan. (25. junij 2019). Lastnosti in uporabe cinkove kovine. Pridobljeno od: thebalance.com
6. G. Kevin A. Boudreaux. (sf). Cink + žveplo. Pridobljeno: angelo.edu
7. Alan W. Richards. (12. april 2019). Predelava cinka. Encyclopædia Britannica. Pridobljeno: britannica.com
8. Čistost cinkovih kovin. (2015). Uporaba v industriji. Pridobljeno: purityzinc.com
9. Nordqvist, J. (5. december 2017). Kakšne so zdravstvene koristi cinka za zdravje? Medicinske novice danes. Pridobljeno od: medicinskewstoday.com