ZINKOXID (ZNO): STRUKTUR, EGENSKABER, ANVENDELSER, RISICI - KEMI - 2025

Den zinkoxid er en uorganisk forbindelse med den kemiske formel ZnO. Det er udelukkende sammensat af Zn ²⁺ og O ^2- ioner i forholdet 1: 1; dens krystallinske gitter kan imidlertid give O ^2- ledighed, hvilket giver anledning til strukturelle defekter, der er i stand til at ændre farverne på dets syntetiske krystaller.

Det erhverves kommercielt som et pulverformigt hvidt fast stof (lavere billede), som fremstilles direkte fra oxidation af metallisk zink ved den franske proces; eller udsættelse af zinkmalm for kulhydratisk reduktion på en sådan måde, at deres damp derefter oxideres og ender med at størkne.

Se glas med zinkoxid. Kilde: Adam Rędzikowski

Andre metoder til fremstilling af ZnO består i at udfælde dets hydroxid, Zn (OH) ₂, fra vandige opløsninger af zinksalte. Ligeledes kan morfologisk varierede tynde film eller nanopartikler af ZnO syntetiseres ved anvendelse af mere sofistikerede teknikker, såsom den kemiske afsætning af deres dampe.

Dette metaloxid findes i naturen som mineralzinkit, hvis krystaller normalt er gul eller orange på grund af metalliske urenheder. ZnO-krystaller er kendetegnet ved at være piezoelektriske, termokromiske, selvlysende, polære og også ved at have et meget bredt energibånd i deres halvlederegenskaber.

Strukturelt set er det isomorf til zinksulfid, ZnS, ved anvendelse af hexagonale og kubiske krystaller svarende til henholdsvis wurzit og blende. I disse er der en vis kovalent karakter i interaktionerne mellem Zn2 ⁺ og O ^2-, hvilket bevirker en heterogen fordeling af ladninger i ZnO-krystallen.

Undersøgelser af ZnOs egenskaber og anvendelsesområder omfatter områderne fysik, elektronik og biomedicin. Dens enkleste og mest daglige anvendelser bemærkes ikke i sammensætningen af ​​ansigtscremer og personlige hygiejneprodukter samt i solcreme.

Struktur

polymorfe

ZnO krystalliserer under normalt tryk og temperaturforhold i en hexagonal wurzitstruktur. I denne struktur Zn ²⁺ og O ^2- ioner er anbragt i skiftende lag, på en sådan måde, at hver ene slutter op omgivet af et tetraeder, med ZnO ₄ eller OZN ₄ hhv.

Ved anvendelse af en "skabelon" eller kubisk understøtning kan ZnO også fremstilles til at krystallisere til en kubisk zinkblendestruktur; som ligesom wurzit svarer til isomorfe strukturer (identiske i rummet men med forskellige ioner) af zinksulfid, ZnS.

Ud over disse to strukturer (wurzit og blende) krystalliserer ZnO under højt tryk (ca. 10 GPa) i klippesaltstrukturen, det samme som NaCl.

Interaktioner

Interaktionerne mellem Zn2 ⁺ og O ^2- præsenterer en bestemt karakter af kovalens, for hvilken der delvist er en kovalent Zn-O-binding (begge atomer med sp ^3- hybridisering), og på grund af forvrængningen af ​​tetrahedraen manifesterer de et øjeblik dipol, der tilføjer de ioniske attraktioner i ZnO-krystaller.

Blende (venstre) og wurzit (højre) struktur af ZnO. Kilde: Gabriel Bolívar.

Du har det øverste billede til at visualisere den tetrahedra, der er nævnt for ZnO-strukturer.

Forskellen mellem blenda- og wurzitstrukturen ligger også i den set ovenfra, at ionerne ikke er formørkede. For eksempel i wurzit ses de hvide kugler (Zn ²⁺) lige over de røde kugler (O ^2-). På den anden side er det ikke i den kubiske blendestruktur tilfældet, fordi der er tre lag: A, B og C i stedet for kun to.

Nanopartikel-morfologi

Selvom ZnO-krystaller har en tendens til at have hexagonale wurzitstrukturer, er morfologien af ​​deres nanopartikler en anden historie. Afhængig af parametrene og syntesemetoderne kan disse have så forskellige former som stænger, plader, blade, kugler, blomster, bælter, nåle, blandt andre.

Ejendomme

Fysisk fremtoning

Lugtfri, hvidt pulverformigt fast stof med en bitter smag. I naturen kan det findes krystalliseret med metalliske urenheder, såsom zinkitmineral. Hvis sådanne krystaller er hvide, viser de termokromisme, hvilket betyder, at når de opvarmes, ændrer de deres farve: fra hvid til gul.

Ligeledes kan dets syntetiske krystaller præsentere rødlige eller grønlige farver afhængigt af deres støkiometriske iltkomposition; med andre ord påvirker huller eller ledige stillinger forårsaget af manglen på O ^2- anioner direkte den måde, hvorpå lys interagerer med ioniske netværk.

Molar masse

81,406 g / mol

Smeltepunkt

1974 ° C Ved denne temperatur gennemgår den termisk nedbrydning, der frigiver zinkdampe og molekylært eller gasformigt ilt.

Massefylde

5,1 g / cm ³

Vandopløselighed

ZnO er praktisk taget uopløselig i vand, hvilket næppe giver anledning til opløsninger med en koncentration på 0,0004% ved 18 ° C.

Amphotericism

ZnO kan reagere med både syrer og baser. Når den reagerer med en syre i vandig opløsning, øges dens opløselighed ved dannelse af et opløseligt salt, hvor Zn ²⁺ ender med at kompleksere med vandmolekyler: ²⁺. F.eks. Reagerer den med svovlsyre for at producere zinksulfat:

ZnO + H ₂ SO ₄ → ZnSO ₄ + H ₂ O

Tilsvarende reagerer den med fedtsyrer for at danne deres respektive salte, såsom zinkstearat og palmitat.

Og når den reagerer med en base, i nærværelse af vand, dannes zinksalte:

ZnO + 2NaOH + H ₂ O → Na ₂

Varmekapacitet

40,3 J / K mol

Direkte energigap

3.3 eV. Denne værdi gør det til en bredbånds halvleder, der er i stand til at fungere under intense elektriske felter. Det har også egenskaber ved at være en halvleder af n-typen, hvilket ikke er blevet forklaret, hvorfor der er en ekstra forsyning med elektroner i dens struktur.

Dette oxid er kendetegnet ved dets optiske, akustiske og elektroniske egenskaber, som det betragtes som en kandidat til potentielle anvendelser relateret til udvikling af optoelektroniske enheder (sensorer, laserdioder, fotovoltaiske celler). Årsagen til sådanne egenskaber er uden for fysikens område.

Applikationer

lægemidlet

Zinkoxid er blevet brugt som et tilsætningsstof i mange hvide cremer til at behandle hudirritationer, akne, dermatitis, skrubbe og revner. I dette område er dets anvendelse populært til at lindre irritation forårsaget af bleer på huden hos babyer.

Ligeledes er det en del af solcreme, fordi det sammen med titandioxid-nanopartikler, TiO ₂, hjælper med at blokere solens ultraviolette stråling. På samme måde fungerer det som et fortykningsmiddel, hvorfor det findes i bestemt lysmasse, lotions, emaljer, pulvere og sæber.

På den anden side er ZnO en kilde til zink, der bruges i kosttilskud og vitaminprodukter såvel som i korn.

antibakteriel

I henhold til morfologien i dets nanopartikler kan ZnO aktiveres under ultraviolet stråling for at generere brintperoxider eller reaktive arter, der svækker cellemembranerne i mikroorganismer.

Når dette sker, fyrer de resterende ZnO-nanopartikler cytoplasmaet og begynder at interagere med kompendiet af biomolekyler, der udgør cellen, hvilket resulterer i deres apoptose.

Derfor kan ikke alle nanopartikler bruges i solcreme-sammensætninger, men kun dem, der mangler antibakteriel aktivitet.

Produkter med denne type ZnO er designet, overtrukket med opløselige polymere materialer, til behandling af infektioner, sår, mavesår, bakterier og endda diabetes.

Pigmenter og overtræk

Pigmentet kendt som hvidt zink er ZnO, som tilsættes forskellige malinger og overtræk for at beskytte metaloverflader, hvor de påføres mod korrosion. For eksempel anvendes overtræk med tilsat ZnO til at beskytte galvaniseret jern.

På den anden side er disse overtræk også brugt på vinduesglas for at forhindre, at varme trænger igennem (hvis det er udenfor) eller kommer ind (hvis det er indeni). Ligeledes beskytter det nogle polymere og tekstilmaterialer mod forringelse på grund af virkningen af ​​solstråling og varme.

Bioimages

Luminescensen af ​​ZnO-nanopartikler er blevet undersøgt til brug i bioimaging, og studerer således de indre strukturer i celler gennem de blå, grønne eller orange lys, der udstråler.

Tilsætningsstof

ZnO finder også anvendelse som et additiv i gummier, cement, tandplejemidler, glas og keramik på grund af dets lavere smeltepunkt og derfor opfører sig som et flydende middel.

Brændstofsulfidfjerner

ZnO fjerner de ubehagelige gasser fra H ₂ S, hvilket hjælper med at afsvovle nogle gasser:

ZnO + H ₂ S → ZnS + H ₂ O

Risici

Zinkoxid er som sådan en ikke-giftig og ufarlig forbindelse, så den forsigtige håndtering af det faste stof udgør ikke nogen risiko.

Problemet ligger dog i dets røg, for selv om det nedbrydes ved høje temperaturer, ender zinkdampene med at forurene lungerne og forårsager en slags ”metalfeber”. Denne sygdom er kendetegnet ved symptomer på hoste, feber, en følelse af tæthed i brystet og en konstant metallisk smag i munden.

Det er heller ikke kræftfremkaldende, og cremer der indeholder det har ikke vist sig at øge absorptionen af ​​zink i huden, så ZnO-baserede solcremer betragtes som sikre; medmindre der er allergiske reaktioner, i hvilket tilfælde brugen skal stoppes.

Med hensyn til visse nanopartikler, der er designet til at bekæmpe bakterier, kan disse have negative virkninger, hvis de ikke transporteres korrekt til deres arbejdssted.

Referencer

1. Shiver & Atkins. (2008). Uorganisk kemi. (Fjerde udgave). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Zinkoxid. Gendannet fra: en.wikipedia.org
3. Hadis Morkoç og Ümit Özgur. (2009). Zinkoxid: Fundamentals, Materials and Device Technology.. Gendannes fra: application.wiley-vch.de
4. Parihar, M. Raja og R. Paulose. (2018). En kort gennemgang af zinkoxid-nanopartikels strukturelle, elektriske og elektrokemiske egenskaber.. Gendannes fra: ipme.ru
5. A. Rodnyi og IV Khodyuk. (2011). Optiske egenskaber og luminescensegenskaber ved zinkoxid. Gendannes fra: arxiv.org
6. Siddiqi, KS, Ur Rahman, A., Tajuddin, & Husen, A. (2018). Egenskaber ved zinkoxid-nanopartikler og deres aktivitet mod mikrober. Nanoskala-forskningsbreve, 13 (1), 141. doi: 10.1186 / s11671-018-2532-3
7. ChemicalSafetyFacts. (2019). Zinkoxid. Gendannes fra: chemicalafetyfacts.org
8. Jinhuan Jiang, Jiang Pi og Jiye Cai. (2018). Fremme af zinkoxid-nanopartikler til biomedicinske anvendelser. Bioinorganisk kemi og applikationer, vol. 2018, artikel ID 1062562, 18 sider. doi.org/10.1155/2018/1062562