CINK: POVIJEST, SVOJSTVA, STRUKTURA, RIZICI, UPORABE - KEMIJA - 2025

Cink je prijelazni metal koji pripada skupini 12 periodičkog sustava i predstavljen kemijskom simbolom Zn. To je 24. element u obilju zemljine kore, koji se nalazi u mineralima sumpora, poput sfalerita ili karbonata, poput smitsonita.

To je metal vrlo poznat u popularnoj kulturi; cink-krovovi su primjer, dodaci za regulaciju muških hormona. Nalazi se u mnogim namirnicama i ključan je element za bezbroj metaboličkih procesa. Nekoliko je prednosti njegovog umjerenog unosa u usporedbi s negativnim učincima njegovog viška u tijelu.

Krov od legure cinka muzeja Riverside. Izvor: Eoin

Cink je bio poznat mnogo prije pocinčanog čelika i drugih metala srebrne boje. Brass, slitina raznolikog sastava bakra i cinka, dio je povijesnih predmeta već tisućama godina. Danas se njegova zlatna boja često vidi na nekim glazbenim instrumentima.

Isto tako, to je metal od kojeg se izrađuju alkalne baterije, jer njegova smanjena snaga i lakoća doniranja elektrona čine ga dobrom opcijom kao anodnim materijalom. Njegova glavna upotreba je galvaniziranje čelika, oblaganje ih slojem cinka koji oksidira ili žrtvuje kako bi se željezo ispod njega kasnije korodiralo.

U svojim derivatnim spojevima gotovo uvijek ima oksidacijski broj ili stanje +2. Stoga se smatra da ion Zn ²⁺ obuhvaća molekularno ili ionsko okruženje. Iako je Zn ²⁺ Lewisova kiselina koja može uzrokovati probleme unutar stanica, koordinirana s drugim molekulama pozitivno djeluje s enzimima i DNK.

Stoga je cink važan kofaktor za mnoge metalo-enzime. Unatoč neizmjerno važnoj biokemiji i sjaju njenih zelenkastih bljeskova i plamena pri gorenju, unutar svijeta znanosti smatra se "dosadnim" metalom; budući da njegova svojstva nemaju atraktivnost drugih metala, a talište je znatno niže od njihovog.

Povijest

antika

Cinkom se manipulira tisućama godina; ali na neprimjećen način, jer su drevne civilizacije, uključujući Perzijce, Rimljane, Transilvanijce i Grke, već izrađivale predmete, kovanice i mjedeno oružje.

Stoga je mjed jedna od najstarijih poznatih legura. Pripremali su ga iz minerala kalamina, Zn ₄ Si ₂ O ₇ (OH) ₂ · H ₂ O, koji su ga mleli i grijali u prisustvu vune i bakra.

Tijekom postupka, male količine metalnog cinka koje bi se mogle stvoriti iscurile su kao para, činjenica koja je godinama odgađala njegovu identifikaciju kao kemijski element. Kako su prolazila stoljeća, mesing i druge legure povećavale su svoj sadržaj cinka, izgledajući sivkasto.

U četrnaestom stoljeću u Indiji već su uspjeli proizvesti metalni cink, koji su nazvali Jasada i tada su ga trgovali s Kinom.

I tako su ga alkemičari mogli nabaviti za provođenje svojih pokusa. Čuveni povijesni lik Paracelsus nazvao ga je 'zincumom', vjerojatno zbog sličnosti između cinkovih kristala i zuba. Malo po malo, usred drugih imena i raznih kultura, naziv 'cink' završio je promuklo za ovaj metal.

Izolacija

Iako je Indija već proizvodila metalni cink od 1300-ih, to je proizišlo iz metode koja je koristila kalamin s vunom; stoga nije bio metalni uzorak znatne čistoće. William Champion poboljšao se ovom metodom 1738. godine u Velikoj Britaniji, koristeći vertikalnu retortsku peć.

1746. njemački kemičar Andreas Sigismund Marggraf po prvi put je dobio uzorak čistog cinka zagrijavanjem kalama u prisustvu drvenog ugljena (boljeg reducirajućeg sredstva od vune), unutar posude s bakrom. Ovaj način proizvodnje cinka razvio se komercijalno i paralelno s Championovim.

Kasnije su razvijeni procesi koji su konačno postali neovisni o kalaminu, koristeći umjesto toga cink oksid; drugim riječima, vrlo slično trenutnom pirometalurškom procesu. Peći su se također poboljšale, jer su u mogućnosti proizvoditi sve veće količine cinka.

Do tada još uvijek nije postojala aplikacija koja bi zahtijevala ogromne količine cinka; ali to se promijenilo doprinosima Luigija Galvanija i Alessandra Volta, koji su ustupili mjesto konceptu galvanizacije. Volta je također osmislila ono što je poznato kao galvanska stanica, a cink je uskoro bio dio dizajna suhih stanica.

Fizička i kemijska svojstva

Fizički izgled

To je sivkast metal, obično dostupan u obliku zrna ili praha. Fizički je slab, tako da nije dobar izbor za aplikacije gdje moraju podržavati teške predmete.

Isto tako, lomljiv je, iako se zagrijava iznad 100 ° C postaje koban i plastičan; do 250 ºC, temperatura pri kojoj ponovo postaje krhka i raspršiva.

Molekulska masa

65,38 g / mol

Atomski broj (Z)

30

Talište

419,53 ° C. Ovo nisko talište ukazuje na njegovu slabu metalnu vezu. Kad se rastopi, ima izgled sličan tekućem aluminijumu.

Vrelište

907 ºC

Temperatura samozapaljivanja

460 ºC

Gustoća

-7,14 g / ml na sobnoj temperaturi

-6,57 g / ml kod točke taljenja, odnosno upravo kod taljenja ili taljenja

Toplina fuzije

7,32 kJ / mol

Toplina isparavanja

115 kJ / mol

Molarni toplinski kapacitet

25.470 J / (mol K)

Elektronegativnost

1,65 na Paulingovoj skali

Ionizirajuće energije

-Prvo: 906,4 kJ / mol (Zn ⁺ plin)

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

-Treće: 3833 kJ / mol (Zn ³⁺ plinoviti)

Atomski radio

Empirijski 134 sati

Kovalentni polumjer

122 ± 16 sati

Mohsova tvrdoća

2.5. Ova je vrijednost znatno niža u odnosu na tvrdoću ostalih prijelaznih metala, odnosno volframa.

Magnetski red

dijamagnetski

Toplinska vodljivost

116 W / (m K)

Električni otpor

59 nΩm na 20 ° C

Topljivost

Netopiva je u vodi sve dok je njen oksidni sloj štiti. Jednom kada je uklonjen napadom kiseline ili baze, cink završava u reakciji s vodom, čime nastaje kompleksni vodeni sloj, Zn (OH ₂) ₆ ²⁺, postavljajući Zn ²⁺ u središte ograničenog oktaedra molekulama vode.

Raspad

Kada izgori, može otpustiti toksične čestice ZnO u zrak. U tom se procesu primjećuje zelenkasti plamen i užarena svjetlost.

Kemijske reakcije

Reakcija cinka i sumpora unutar lonca gdje se cijeni zelenkastoplava boja plamena. Izvor: Eoin

Cink je reaktivni metal. Na sobnoj temperaturi ne može se prekriti samo oksidnim slojem, već i osnovnim karbonatom, Zn ₅ (OH) ₆ (CO ₃) ₂ ili čak sumporom, ZnS. Kad se ovaj sloj raznolikog sastava uništi napadom kiseline, metal reagira:

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

Kemijska jednadžba koja odgovara njegovoj reakciji s sumpornom kiselinom i:

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

S klorovodičnom kiselinom. U oba slučaja, premda ne pisano kompleks vodeni Zn (OH ₂) ₆ ^{2+ prisutan}; osim ako je medij bazičan, jer se taloži kao cinkov hidroksid, Zn (OH) ₂:

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

Koji je bijeli, amorfni i amfoterni hidroksid, koji može nastaviti reagirati s više OH ^- iona:

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

Zn (OH) ₄ ^2- je zinkatni anion. U stvari, kada se cink reagira s jakom bazom takvom kao što je koncentrirana NaOH, natrijeve cinkat kompleks, Na ₂, dobiva se izravno:

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

Isto tako, cink može reagirati s nemetalnim elementima, poput halogena u plinovitom stanju ili sumpora:

Zn (s) + I ₂ (g) → ZnI ₂ (s)

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

izotopi

Cink u prirodi postoji kao pet izotopa: ⁶⁴ Zn (49,2%), ⁶⁶ Zn (27,7%), ⁶⁸ Zn (18,5%), ⁶⁷ Zn (4%) i ⁷⁰ Zn (0,62) %). Ostali su sintetski i radioaktivni.

Struktura i elektronička konfiguracija

Atomi cinka kristaliziraju se u kompaktnu, ali iskrivljenu šesterokutnu strukturu (hcp), produkt njihove metalne veze. Prema elektronskoj konfiguraciji valencijski elektroni koji upravljaju takvim interakcijama su oni koji pripadaju 3d i 4s orbitalama:

3d ¹⁰ 4s ²

Obje su orbitale u potpunosti ispunjene elektronima, pa njihovo preklapanje nije baš učinkovito, čak i kad jezgra cinka na njih djeluju privlačno.

Slijedom toga, atomi Zn nisu baš kohezivni, što se odražava na njihovu nisku talište (419,53 ºC) u usporedbi s drugim prijelaznim metalima. Zapravo, ovo je karakteristika metala skupine 12 (zajedno s živom i kadmijem), pa ponekad postavljaju pitanje trebaju li ih zaista smatrati elementima bloka d.

Unatoč tome što su orbitale 3d i 4s pune, cink je dobar provodnik električne energije; prema tome, njegovi valentni elektroni mogu "uskočiti" u kondukcijski pojas.

Oksidacijski brojevi

Nemoguće je da cink izgubi svojih dvanaest valentnih elektrona ili ima oksidacijski broj ili stanje +12, pod pretpostavkom postojanja kationa Zn ¹²⁺. Umjesto toga, gubi samo dva svoja elektrona; posebno one iz 4b orbitale, ponašajući se na sličan način kao zemnoalkalijski metali (gospodin Becambara).

Kada se to dogodi, kaže se da cink sudjeluje u spoju s oksidacijskim brojem ili stanjem +2; to jest, pretpostavljajući postojanje kationa Zn ²⁺. Primjerice, cink u svom oksidu, ZnO, ima ovaj oksidacijski broj (Zn ²⁺ O ^2-). Isto se odnosi i na mnoge druge spojeve, misleći da postoji samo Zn (II).

Međutim, tu je i Zn (I) ili Zn ⁺, koji je izgubio samo jedan od elektrona iz 4b orbitale. Drugi mogući oksidacijski broj cinka je 0 (Zn ⁰), gdje njegovi neutralni atomi stupaju u interakciju sa plinovitim ili organskim molekulama. Stoga se može predstaviti kao Zn ²⁺, Zn ⁺ ili Zn ⁰.

Kako se dobiva

Sirovina

Uzorak minerala sfalerita iz Rumunjske. Izvor: James St. John

Cink se nalazi na dvadeset četvrtoj poziciji najobilnijih elemenata u zemljinoj kori. Obično se nalazi u mineralima sumpora, distribuiranim po cijeloj planeti.

Za dobivanje metala u svom čistom obliku prvo je potrebno sakupiti stijene smještene u podzemnim tunelima i koncentrirati minerale bogate cinkom, koji predstavljaju pravu sirovinu.

Ti minerali uključuju: sfalerit ili wurzit (ZnS), cinkit (ZnO), villemit (Zn ₂ SiO ₄), smitsonit (ZnCO ₃) i gahnit (ZnAl ₂ O ₄). Sfalerit je daleko glavni izvor cinka.

Kalcinacija

Nakon što je mineral koncentriran nakon procesa flotacije i pročišćavanja stijena, mora se kalcinirati kako bi se sulfidi pretvorili u njihove odgovarajuće. U ovom se koraku mineralno jednostavno zagrijava u prisutnosti kisika, razvijajući sljedeću kemijsku reakciju:

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

SO ₂ također reagira s kisikom tako da generira ₃, spoj predodređen za sintezu sumporne kiseline.

Jednom kada se dobije ZnO, on može proći ili pirometalurški postupak, ili elektrolizu, gdje je krajnji rezultat stvaranje metalnog cinka.

Pirometalurški proces

ZnO se smanjuje korištenjem ugljena (mineralnog ili koksnog) ili ugljičnog monoksida:

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

ZnO (s) + CO (g) → Zn (g) + CO ₂ (g)

Poteškoća s kojom se ovaj proces suočava je stvaranje plinovitog cinka, zbog njegovog niskog vrelišta koje prevladavaju visoke temperature peći. Zbog toga se pare cinka moraju destilirati i odvojiti od ostalih plinova, dok se njihovi kristali kondenziraju na rastaljenom olovu.

Elektrolitički proces

Od dvije metode dobivanja, ovaj se najviše koristi u cijelom svijetu. ZnO reagira s razrijeđenom sumpornom kiselinom kako bi ispuštao ione cinka kao njegove sulfatne soli:

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

Konačno ovo se rješenje elektrolizira i stvara metalni cink:

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

rizici

U pododjeljku o kemijskim reakcijama spomenuto je da je vodikov plin jedan od glavnih proizvoda kada cink reagira s vodom. Zbog toga se u metalnom stanju mora pravilno skladištiti i izvan dosega kiselina, baza, vode, sumpora ili bilo kojeg izvora topline; inače postoji opasnost od požara.

Što je cink više podijeljen, to je veći rizik od požara ili čak eksplozije.

Inače, sve dok temperatura nije blizu 500 ° C, njegov čvrsti ili zrnati oblik ne predstavlja nikakvu opasnost. Ako je prekriven slojem oksida, može se rukovati golim rukama, jer ne reagira s njihovom vlagom; međutim, poput svake čvrste tvari, iritira oči i dišne ​​puteve.

Iako je cink ključan za zdravlje, prekomjerna doza može izazvati sljedeće simptome ili nuspojave:

- Mučnina, povraćanje, probavne smetnje, glavobolje i želudac ili proljev.

- Zamjenjuje bakar i željezo tijekom njihove apsorpcije u crijevima, što se očituje u sve većim slabostima ekstremiteta.

- Bubrežni kamenci.

- Gubitak mirisa.

Prijave

- Metal

legure

Mnogi glazbeni instrumenti izrađeni su od mjedi, legure bakra i cinka. Izvor: Pxhere.

Možda je cink jedan od metala, zajedno s bakrom, koji tvori najpopularnije legure: mesing i pocinčano željezo. Mjedenje je bilo prisutno u više navrata tijekom glazbenog orkestra, jer zlatni sjaj instrumenata djelomično pripada spomenutoj leguri bakra i cinka.

Metalni cink sam po sebi nema mnogo koristi, iako se u naguranom stanju služi kao anoda suhih stanica, a u obliku praha namijenjen je kao redukcijsko sredstvo. Kad je sloj ovog metala na drugi način elektrodeponiran, prvi ga štiti od korozije jer je podložniji oksidaciji; to jest, cink oksidira prije željeza.

Zbog toga su čelici pocinčani (presvučeni cinkom) kako bi se povećala njihova trajnost. Primjeri ovih pocinčanih čelika prisutni su i u beskrajnim krovovima od „cinka“, od kojih su neki prekriveni zelenom bojom, te u autobusima, kućanskim priborom i ovjesnim mostovima.

Tu je i aluzinc, aluminij-cinkova legura koja se koristi u građanskim građevinama.

Redukcijsko sredstvo

Cink je dobro reducirajuće sredstvo, pa gubi elektrone da bi ih druga vrsta stekla; posebno metalni kation. U obliku praha, njegovo smanjivanje djeluje čak i brže od čvrstog zrnca.

Koristi se u postupcima dobivanja metala iz njihovih minerala; poput rodija, srebra, kadmija, zlata i bakra.

Isto tako, njegovo redukcijsko djelovanje koristi se za smanjenje organskih vrsta koje mogu biti uključene u naftnu industriju, poput benzena i benzina, ili u farmaceutskoj industriji. S druge strane, cinkova prašina nalazi primjenu i u alkalnim baterijama cink-mangan dioksidom.

razni

Zbog svoje reaktivnosti i energičnijeg izgaranja, cinkova prašina nalazi se kao dodatak u glavama šibica, eksplozivima i vatrometima (odaju bijele bljeskove i zelenkast plamen).

- Spojevi

sulfid

Sat s fosforescentnom bojom na rukama i satima. Izvor: Francis Flinch

Cink sulfid ima svojstvo fosforescencije i luminiscencije, zbog čega se koristi u proizvodnji svjetlosnih boja.

Oksid

Bijela boja njegovog oksida, kao i njegova polu i foto provodljivost, koriste se kao pigment za keramiku i papire. Osim toga, prisutan je u talku, kozmetici, gumama, plastici, tkaninama, lijekovima, tintama i emajlima.

Prehrambeni dodatak

Naše tijelo treba cink za ispunjavanje mnogih njegovih vitalnih funkcija. Da bi ga stekli ugrađen je u neke dodatke prehrani u obliku oksida, glukonata ili acetata. Prisutan je i u kremama za ublažavanje opeklina i iritacija na koži, te u šamponima.

Neke prednosti poznate ili povezane s uzimanjem cinka su:

- Poboljšava imunološki sustav.

- Dobar je protuupalni.

- Umanjuje dosadne simptome prehlade.

- Sprječava oštećenje stanica u mrežnici, pa se preporučuje za vid.

- Pomaže u regulaciji razine testosterona, a povezana je i s plodnošću muškaraca, kvalitetom njihove sperme i razvojem mišićnog tkiva.

- Regulira interakcije između neurona mozga, zbog čega je povezan s poboljšanjima pamćenja i učenja.

-I također, učinkovit je u liječenju proljeva.

Ovi dodaci cinku dostupni su u prodaji u obliku kapsula, tableta ili sirupa.

Biološka uloga

U ugljičnoj anhidrazi i karboksipeptidazi

Smatra se da je cink dio 10% svih enzima u ljudskom tijelu, otprilike 300 enzima. Među njima se mogu spomenuti ugljična anhidraza i karboksipeptidaza.

Karbonska anhidraza, enzim ovisan o cinku, djeluje na razini tkiva katalizirajući reakciju ugljičnog dioksida s vodom, čime nastaje bikarbonat. Kad bikarbonat dospije u pluća, enzim preokrene reakciju i nastaje ugljični dioksid koji se tijekom ekspiracije izbacuje u van.

Karboksipeptidaza je egzopeptidaza koja probavlja proteine, oslobađajući aminokiseline. Cink djeluje davanjem pozitivnog naboja koji olakšava interakciju enzima s proteinom koji on probavlja.

U funkcioniranju prostate

Cink je prisutan u različitim organima ljudskog tijela, ali ima najveću koncentraciju u prostati i u sjemenu. Cink je odgovoran za pravilno funkcioniranje prostate i razvoj muških reproduktivnih organa.

Cink prstiju

Cink je uključen u metabolizam RNK i DNK. Cink prsti (Zn-prsti) sastoje se od cinkovih atoma koji služe kao vezni mostovi između proteina koji su zajedno uključeni u različite funkcije.

Cink prsti su korisni u čitanju, pisanju i prepisivanju DNK. Uz to, postoje hormoni koji ih koriste u funkcijama povezanim s homeostazom rasta u cijelom tijelu.

U regulaciji glutamata

Glutamat je glavni ekscitacijski neurotransmiter u moždanom korteksu i mozgu. Cink se akumulira u glutaminergičkim presinaptičkim vezikulama, intervenirajući u regulaciji oslobađanja neurotransmitera glutamata i uzbudljivosti neurona.

Postoje dokazi da pretjerano oslobađanje neurotransmitera glutamata može imati neurotoksično djelovanje. Stoga postoje mehanizmi koji reguliraju njegovo oslobađanje. Homeostaza cinka tako igra važnu ulogu u funkcionalnoj regulaciji živčanog sustava.

Reference

1. Shiver & Atkins. (2008). Neorganska kemija. (Četvrto izdanje). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Cinkov. Oporavilo sa: en.wikipedia.org
3. Michael Pilgaard. (2016., 16. srpnja). Cink: kemijske reakcije. Oporavilo od: pilgaardelements.com
4. Nacionalni centar za biotehnološke informacije. (2019). Cinkov. PubChem baza podataka. CID = 23994. Oporavak od: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Wojes Ryan. (25. lipnja 2019.). Svojstva i upotrebe metala cinka. Oporavilo od: thebalance.com
6. Gospodin Kevin A. Boudreaux. (SF). Cink + sumpor. Oporavak od: angelo.edu
7. Alan W. Richards. (12. travnja 2019.). Prerada cinka. Encyclopædia Britannica. Oporavilo od: britannica.com
8. Čistoće metala cinka. (2015). Primjene u industriji. Oporavak od: purityzinc.com
9. Nordqvist, J. (5. prosinca 2017). Koje su zdravstvene koristi cinka? Medicinske vijesti danas. Oporavilo od: medicalnewstoday.com