CINKA OKSĪDS (ZNO): STRUKTŪRA, ĪPAŠĪBAS, LIETOJUMS, RISKI - ĶĪMIJA - 2025

Cinka oksīds ir neorganisks savienojums ar ķīmiskā formula ZnO. Tas sastāv tikai no Zn ²⁺ un O ² joniem proporcijā 1: 1; tomēr tā kristāliskajā režģī var būt O- ² vakance , kas rada struktūras defektus, kas var mainīt tā sintētisko kristālu krāsu.

To komerciāli iegūst kā pulverveida baltu cietu vielu (apakšējais attēls), ko iegūst tieši no metāla cinka oksidēšanas Francijas procesā; vai cinka rūdu pakļaušana karbotermiskai reducēšanai tādā veidā, ka to tvaiki oksidējas un beidzas sacietēšana.

Skatīties stiklu ar cinka oksīdu. Avots: Adam Rędzikowski

Citas ZnO pagatavošanas metodes ir tā hidroksīda Zn (OH) ₂ izgulsnēšana no cinka sāļu ūdens šķīdumiem. Tāpat ar morfoloģiski daudzveidīgām ZnO plēvēm vai nanodaļiņām var sintezēt ar sarežģītākām metodēm, piemēram, tās tvaiku ķīmisku nogulsnēšanos.

Šis metāla oksīds dabā ir atrodams kā minerālais cinkīts, kura kristāli parasti ir dzelteni vai oranži metālisku piemaisījumu dēļ. ZnO kristāliem raksturīgi pjezoelektriski, termohromiski, luminiscējoši, polāri un arī ar to, ka pusvadītāju īpašībās ir ļoti plaša enerģijas josla.

Strukturāli tas ir izomorfs pret cinka sulfīdu (ZnS), pieņemot sešstūrainus un kubiskos kristālus, kas ir līdzīgi attiecīgi wurzite un blende kristāliem. Tajos mijiedarbībā starp Zn ²⁺ un O ^2- ir noteikts kovalents raksturs , kas izraisa nevienmērīgu lādiņu sadalījumu ZnO kristālā.

ZnO īpašību un pielietojuma pētījumi attiecas uz fizikas, elektronikas un biomedicīnas jomām. Tās vienkāršākais un ikdienas lietojums paliek nepamanīts sejas krēmu un personīgās higiēnas līdzekļu sastāvā, kā arī sauļošanās līdzekļos.

Uzbūve

Polimorfi

ZnO normālā spiediena un temperatūras apstākļos kristalizējas sešstūra formā ar wurzite. Šajā struktūrā Zn ²⁺ un O ² joni ir izvietoti mainīgos slāņos tā, lai katrs no tiem nonāktu tetraedra ieskauts , attiecīgi ar ZnO ₄ vai OZn ₄ .

Arī, izmantojot "veidni" vai kubisko balstu, ZnO var pagatavot, lai izkristalizētos kubiskā cinka maisījuma struktūrā; kas, tāpat kā wurzite, atbilst cinka sulfīda izomorfām struktūrām (identiskām telpā, bet ar dažādiem joniem), ZnS.

Papildus šīm divām struktūrām (wurzite un blende), ZnO augstā spiedienā (ap 10 GPa) kristalizējas akmeņsāls struktūrā, tāpat kā NaCl.

Mijiedarbība

Mijiedarbība starp Zn ²⁺ un O ^2- , ir zināms raksturu covalence, pēc kura ir daļēji Zn-O kovalentā saite (abi atomiem, pie tam sp ³ hibridizācija ), un sakarā ar traucējumus tetraedram, tie manifests brīdi dipols, kas papildina ZnO kristālu jonu atrakcijas.

ZnO struktūra (kreisajā pusē) un wurzite (labajā pusē). Avots: Gabriel Bolívar.

Jums ir augšējais attēls, lai vizualizētu tetraedru, kas minēts ZnO struktūrām.

Atšķirība starp blendas un wurzite struktūrām slēpjas arī tajā, kas redzams no augšas, joni netiek aizēnoti. Piemēram, vurzītā baltas sfēras (Zn ²⁺ ) ir redzamas tieši virs sarkanajām sfērām (O ^2- ). No otras puses, kubiskā maisījuma struktūrā tas tā nav, jo ir tikai trīs slāņi: A, B un C, nevis tikai divi.

Nanodaļiņu morfoloģija

Kaut arī ZnO kristāliem ir raksturīgas sešstūrainas wurzite struktūras, to nanodaļiņu morfoloģija ir cits stāsts. Atkarībā no parametriem un sintēzes metodēm tās var būt dažādas formas, piemēram, stieņi, plāksnes, lapas, lodes, ziedi, jostas, adatas.

Īpašības

Ārējais izskats

Balta pulverveida cieta viela bez smaržas bez smaržas. Dabā to var izkristalizēt ar metāliskiem piemaisījumiem, piemēram, cinkīta minerālu. Ja šādi kristāli ir balti, tie parāda termohromismu, kas nozīmē, ka sildot, tie maina savu krāsu: no baltas līdz dzeltenai.

Tāpat tā sintētiskie kristāli var būt sarkanīgi vai zaļganā krāsā atkarībā no to stehiometriskā skābekļa sastāva; citiem vārdiem sakot, spraugas vai vakances, ko rada O ^- anjonu trūkums, tieši ietekmē gaismas mijiedarbības veidu ar jonu tīkliem.

Molārā masa

81,406 g / mol

Kušanas punkts

1974 ° C. Šajā temperatūrā tā termiski sadalās, atbrīvojot cinka tvaikus un molekulāro vai gāzveida skābekli.

Blīvums

5,1 g / cm ³

Šķīdība ūdenī

ZnO praktiski nešķīst ūdenī, diez vai rada šķīdumus ar 0,0004% koncentrāciju 18ºC temperatūrā.

Amfoterisms

ZnO var reaģēt gan ar skābēm, gan ar bāzēm. Kad tas reaģē ar skābi ūdens šķīdumā, tā šķīdība palielinās, veidojot šķīstošu sāli, kurā Zn ²⁺ nonāk kompleksā ar ūdens molekulām: ²⁺ . Piemēram, tas reaģē ar sērskābi, iegūstot cinka sulfātu:

ZnO + H ₂ SO ₄ → ZnSO ₄ + H ₂ O

Līdzīgi tas reaģē ar taukskābēm, veidojot to attiecīgos sāļus, piemēram, cinka stearātu un palmitātu.

Un, reaģējot ar bāzi, ūdens klātbūtnē veidojas cinka sāļi:

ZnO + 2NaOH + H ₂ O → Na ₂

Siltuma jauda

40,3 J / K mol

Tieša enerģijas plaisa

3,3 eV. Šī vērtība padara to par platjoslas pusvadītāju, kas spēj darboties intensīvā elektriskā laukā. Tam ir arī n-veida pusvadītāja īpašības, kas nav izskaidrots, kāpēc tā struktūrā ir papildu elektronu pievade.

Šis oksīds izceļas ar tā optiskajām, akustiskajām un elektroniskajām īpašībām, pateicoties kuriem tas tiek uzskatīts par potenciālu pielietojumu, kas saistīts ar optoelektronisko ierīču (sensoru, lāzera diožu, fotoelektrisko elementu) attīstību. Šādu īpašību iemesls nav fizika.

Lietojumprogrammas

Zāles

Cinka oksīds ir izmantots kā piedeva daudzos baltajos krēmos ādas kairinājumu, pūtīšu, dermatīta, nobrāzumu un plaisu ārstēšanai. Šajā jomā tā lietošana ir populāra, lai mazinātu kairinājumu, ko mazuļu autiņbiksītes rada mazuļiem.

Tas ir arī saules aizsarglīdzekļu sastāvdaļa, jo kopā ar titāna dioksīda nanodaļiņām TiO ₂ tas palīdz bloķēt saules ultravioleto starojumu. Tāpat tas darbojas kā sabiezējošs līdzeklis, tāpēc tas ir atrodams noteiktā gaismas veidojumā, losjoni, emaljas, pulveri un ziepes.

No otras puses, ZnO ir cinka avots, ko izmanto uztura bagātinātājos un vitamīnu produktos, kā arī labībā.

Antibakteriāls

Saskaņā ar tā nanodaļiņu morfoloģiju ZnO var aktivizēt ultravioletā starojuma ietekmē, veidojot ūdeņraža peroksīdus vai reaktīvās sugas, kas vājina mikroorganismu šūnu membrānas.

Kad tas notiek, atlikušās ZnO nanodaļiņas vago citoplazmu un sāk mijiedarboties ar biomolekulām, kas veido šūnu, un tādējādi veidojot to apoptozi.

Tāpēc sauļošanās līdzekļos nevar izmantot visas nanodaļiņas, bet tikai tās, kurām trūkst antibakteriālas aktivitātes.

Izstrādājumi ar šāda veida ZnO ir izstrādāti, pārklāti ar šķīstošiem polimēru materiāliem, infekciju, brūču, čūlu, baktēriju un pat diabēta ārstēšanai.

Pigmenti un pārklājumi

Pigments, kas pazīstams kā baltais cinks, ir ZnO, ko pievieno dažādām krāsām un pārklājumiem, lai aizsargātu metāla virsmas no korozijas. Piemēram, cinkota dzelzs aizsardzībai tiek izmantoti pārklājumi ar pievienotu ZnO.

No otras puses, šie pārklājumi ir izmantoti arī uz logu stikla, lai novērstu karstuma iekļūšanu (ja tas ir ārpusē) vai iekļūšanu (ja tas ir iekšpusē). Tāpat tas aizsargā dažus polimēru un tekstilmateriālus no bojājumiem, ko izraisa saules starojums un karstums.

Bioattēli

ZnO nanodaļiņu luminiscence ir pētīta izmantošanai bioattēlā, tādējādi pētot šūnu iekšējās struktūras caur zilo, zaļo vai oranžo gaismu, kas izstaro.

Piedevas

ZnO izmanto arī kā piedevu gumijās, cementos, zobu tīrīšanas līdzekļos, glāzēs un keramikā, pateicoties tā zemākajai kušanas temperatūrai un tāpēc rīkojoties kā plūstošs līdzeklis.

Sērūdeņraža noņemšanas līdzeklis

ZnO noņem nepatīkamās H ₂ S gāzes , palīdzot desulfurizēt dažus gāzes izgarojumus:

ZnO + H ₂ S → ZnS + H ₂ O

Riski

Cinka oksīds pats par sevi ir netoksisks un nekaitīgs savienojums, tāpēc piesardzīga rīcība ar cietu vielu nerada nekādu risku.

Problēma tomēr ir tā dūmos, jo, kaut arī tie sadalās augstā temperatūrā, cinka tvaiki nonāk plaušās un izraisa sava veida “metāla drudzi”. Šai slimībai raksturīgi klepus, drudža, necaurlaidības sajūta krūtīs un nemainīga metāla garša mutē.

Tas arī nav kancerogēns, un nav pierādīts, ka krēmi, kas to satur, palielina cinka uzsūkšanos ādā, tāpēc ZnO bāzes saules aizsarglīdzekļi tiek uzskatīti par drošiem; ja vien nav alerģiskas reakcijas, tādā gadījumā tā lietošana jāpārtrauc.

Atsevišķām nanodaļiņām, kas paredzētas baktēriju apkarošanai, tām varētu būt negatīva ietekme, ja tās netiek pareizi transportētas uz darbības vietu.

Atsauces

1. Šiveris un Atkins. (2008). Neorganiskā ķīmija. (Ceturtais izdevums). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019. gads). Cinka oksīds. Atgūts no: en.wikipedia.org
3. Hadis Morkoç un Ümit Özgur. (2009). Cinka oksīds: pamati, materiāli un ierīču tehnoloģija. . Atgūts no: application.wiley-vch.de
4. Parihars, M. Raja un R. Paulose. (2018). Īss cinka oksīda nanodaļiņu strukturālo, elektrisko un elektroķīmisko īpašību pārskats. . Atgūts no: ipme.ru
5. A. Rodnijs un IV Hodjuks. (2011). Cinka oksīda optiskās un luminiscences īpašības. Atgūts no: arxiv.org
6. Siddiqi, KS, Ur Rahman, A., Tajuddin, & Husen, A. (2018). Cinka oksīda nanodaļiņu īpašības un to darbība pret mikrobiem. Nanomēroga izpētes vēstules, 13 (1), 141. doi: 10.1186 / s11671-018-2532-3
7. ChemicalSafetyFacts. (2019. gads). Cinka oksīds. Atgūts no: chemicalsafetyfacts.org
8. Jinhuan Jiang, Jiang Pi un Jiye Cai. (2018). Cinka oksīda nanodaļiņu attīstīšana biomedicīnā. Bioinorganiskā ķīmija un pielietojumi, sēj. 2018. gads, rakstu ID 1062562, 18 lapas. doi.org/10.1155/2018/1062562