OXID ZINEČNATÝ (ZNO): STRUKTURA, VLASTNOSTI, POUŽITÍ, RIZIKA - CHEMIE - 2025

Oxid zinečnatý je anorganická sloučenina s chemickým vzorcem ZnO. Skládá se výhradně z iontů Zn ²⁺ a O ^{2- 2} v poměru 1: 1; avšak její krystalická mříž může představovat volné místo O ², což vede ke strukturálním defektům schopným měnit barvy jejích syntetických krystalů.

Komerčně se získává jako prášková bílá pevná látka (nižší obrázek), která se vyrábí přímo oxidací kovového zinku francouzským procesem; nebo vystavení zinkových rud karbotermické redukci takovým způsobem, že jejich páry pak oxidují a nakonec ztuhnou.

Hodinkové sklo s oxidem zinečnatým. Zdroj: Adam Rędzikowski

Další způsoby přípravy ZnO spočívají ve srážení hydroxidu Zn (OH) ₂ z vodných roztoků solí zinku. Podobně lze morfologicky rozmanité tenké filmy nebo nanočástice ZnO syntetizovat pomocí sofistikovanějších technik, jako je chemické ukládání jejich par.

Tento oxid kovu se v přírodě vyskytuje jako minerální zinek, jehož krystaly jsou obvykle žluté nebo oranžové v důsledku kovových nečistot. Krystaly ZnO se vyznačují tím, že jsou piezoelektrické, termochromní, luminiscenční, polární a také mají velmi široké energetické pásmo ve svých polovodičových vlastnostech.

Strukturálně je izomorfní sulfid zinečnatý, ZnS, přijímající krystaly hexagonální a krychlové podobné krystalům wurzitu a směsi. V nich existuje určitá kovalentní charakter v interakcích mezi Zn ²⁺ a O ^2-, což se heterogenní distribuci poplatků v ZnO krystalu.

Studie vlastností a použití ZnO se rozšiřují do oblastí fyziky, elektroniky a biomedicíny. Její nejjednodušší a nej každodennější použití zůstává bez povšimnutí ve složení krémů na obličej a výrobků osobní hygieny a také na opalovací krém.

Struktura

Polymorfy

ZnO krystalizuje za normálních podmínek tlaku a teploty v hexagonální wurzitové struktuře. V této konstrukci, Zn ²⁺ a O ^2- ionty jsou uspořádány ve střídajících se vrstvách, a to takovým způsobem, že každý z nich končí uprostřed čtyřstěnu, s ZnO ₄ nebo OZN ₄, v daném pořadí.

Také pomocí „šablony“ nebo krychlové podpory může být ZnO krystalizováno do struktury krychlové zinkové směsi; které, podobně jako wurzit, odpovídají izomorfním strukturám (identickým v prostoru, ale s různými ionty) sulfidu zinečnatého, ZnS.

Kromě těchto dvou struktur (wurzit a směs) krystalizuje ZnO při vysokých tlacích (kolem 10 GPa) ve struktuře skalní soli, stejně jako u NaCl.

Interakce

Interakce mezi Zn ²⁺ a O ^2- představovat určitý charakter covalence, na kterém je částečně Zn-O kovalentní vazby (oba atomy s sp ³ hybridizace), a vzhledem k narušení tetraedrů, se projeví v okamžiku, dipól, který přidává iontové atrakce krystalů ZnO.

Blende (vlevo) a wurzite (vpravo) struktura ZnO. Zdroj: Gabriel Bolívar.

Máte horní obrázek pro vizualizaci tetrahedry zmíněné pro struktury ZnO.

Rozdíl mezi strukturou blendu a wurzitu spočívá také v tom, že při pohledu shora nejsou ionty zatměny. Například u wurzitu jsou bílé koule (Zn ²⁺) vidět těsně nad červenou koulí (O ^2-). Na druhé straně ve struktuře krychlových směsí tomu tak není, protože existují tři vrstvy: A, B a C místo pouze dvou.

Morfologie nanočástic

Ačkoli krystaly ZnO mají tendenci mít hexagonální wurzitové struktury, morfologie jejich nanočástic je dalším příběhem. V závislosti na parametrech a metodách syntézy mohou mít tyto formy různé formy, jako jsou pruty, talíře, listy, koule, květiny, pásy, jehly.

Vlastnosti

Fyzický vzhled

Bílá prášková pevná látka bez zápachu s hořkou chutí. V přírodě se vyskytuje krystalizovaný, s kovovými nečistotami, jako je minerál zinku. Pokud jsou takové krystaly bílé, vykazují termochromismus, což znamená, že když se zahřejí, změní barvu: z bílé na žlutou.

Podobně jeho syntetické krystaly mohou mít načervenalé nebo nazelenalé barvy v závislosti na jejich stechiometrickém složení kyslíku; jinými slovy, mezery nebo volná místa způsobená nedostatkem O ^2- aniontů přímo ovlivňují způsob, jakým světlo interaguje s iontovými sítěmi.

Molární hmotnost

81,406 g / mol

Bod tání

1974 ° C Při této teplotě podléhá tepelnému rozkladu a uvolňuje páry zinku a molekulární nebo plynný kyslík.

Hustota

5,1 g / cm ³

Rozpustnost ve vodě

ZnO je prakticky nerozpustný ve vodě a těžko vytváří roztoky s koncentrací 0,0004% při 18 ° C.

Amfotericismus

ZnO může reagovat s kyselinami i zásadami. Když reaguje s kyselinou ve vodném roztoku, její rozpustnost se zvyšuje vytvořením rozpustné soli, kde Zn ²⁺ končí tvorbou komplexů s molekulami vody: ²⁺. Například reaguje s kyselinou sírovou za vzniku síranu zinečnatého:

ZnO + H ₂ SO ₄ → ZnSO ₄ + H ₂ O

Podobně reaguje s mastnými kyselinami za vzniku svých příslušných solí, jako je stearát zinečnatý a palmitát.

A když reaguje s bází v přítomnosti vody, tvoří se zinečnaté soli:

ZnO + 2NaOH + H ₂ O → Na ₂

Tepelná kapacita

40,3 J / K mol

Přímá energetická mezera

3,3 eV. Tato hodnota z něj činí širokopásmový polovodič, schopný provozu v intenzivních elektrických polích. Má také vlastnosti jako polovodič typu n, což nebylo vysvětleno, proč je ve své struktuře navíc dodáván elektronů.

Tento oxid se vyznačuje optickými, akustickými a elektronickými vlastnostmi, díky čemuž je považován za kandidáta na potenciální aplikace související s vývojem optoelektronických zařízení (senzory, laserové diody, fotovoltaické články). Důvod pro takové vlastnosti je nad sférou fyziky.

Aplikace

Léčivý

Oxid zinečnatý se používá jako přísada v mnoha bílých krémech k léčbě podráždění pokožky, akné, dermatitidy, odřenin a prasklin. V této oblasti je její použití populární pro zmírnění podráždění způsobeného plenkami na kůži dětí.

Stejně tak je to součást krémů na opalování, protože spolu s nanočásticemi oxidu titaničitého, TiO ₂, pomáhá blokovat sluneční ultrafialové záření. Rovněž působí jako zahušťovadlo, a proto se nachází v určitém světelném složení, pleťové vody, smalty, prášky a mýdla.

Na druhé straně je ZnO zdrojem zinku používaného v doplňcích stravy a vitamínových výrobcích, jakož i v obilovinách.

Antibakteriální

Podle morfologie svých nanočástic může být ZnO aktivován pod ultrafialovým zářením za vzniku peroxidů vodíku nebo reaktivních druhů, které oslabují buněčné membrány mikroorganismů.

Když k tomu dojde, zbývající nanočástice ZnO rozruší cytoplazmu a začnou interagovat s kompendiem biomolekul, které tvoří buňku, což vede k jejich apoptóze.

To je důvod, proč ne všechny nanočástice mohou být použity v prostředcích na ochranu proti slunečnímu záření, ale pouze ty, které postrádají antibakteriální aktivitu.

Výrobky s tímto typem ZnO jsou navrženy, potažené rozpustnými polymerními materiály, pro léčbu infekcí, ran, vředů, bakterií a dokonce i cukrovky.

Pigmenty a povlaky

Pigment známý jako bílý zinek je ZnO, který se přidává do různých barev a nátěrů, aby chránil kovové povrchy, kde jsou aplikovány před korozí. Například povlaky s přidaným ZnO se používají k ochraně galvanizovaného železa.

Na druhé straně se tyto povlaky používají také na okenní sklo, aby se zabránilo pronikání tepla (pokud je venku) nebo vniknutí (pokud je uvnitř). Rovněž chrání některé polymerní a textilní materiály před poškozením vlivem slunečního záření a tepla.

Bioimages

Luminiscence nanočástic ZnO byla studována pro použití v biologickém zobrazování, a tak studoval vnitřní struktury buněk pomocí modrého, zeleného nebo oranžového světla, které vyzařovalo.

Přísada

ZnO také nachází uplatnění jako přísada v kaučucích, cementech, zubních pastách, sklech a keramice, díky své nižší teplotě tání, a proto se chová jako tavidlo.

Odstraňovač sirovodíku

ZnO odstraňuje nepříjemné plyny H ₂ S, pomáhá odsiřování některé unikajícího plynu:

ZnO + H ₂ S → ZnS + H ₂ O

Rizika

Oxid zinečnatý jako takový je netoxická a neškodná sloučenina, proto opatrné zacházení s jeho pevnou látkou nepředstavuje žádné riziko.

Problém však spočívá v jeho kouři, protože ačkoli se při vysokých teplotách rozkládá, zinkové páry kontaminují plíce a způsobují určitý druh „kovové horečky“. Toto onemocnění se vyznačuje příznaky kašle, horečkou, pocitem napětí v hrudi a stálou kovovou chutí v ústech.

Není také karcinogenní a krémy, které jej obsahují, neprokázaly, že zvyšují absorpci zinku do pokožky, proto jsou opalovací krémy na bázi ZnO považovány za bezpečné; pokud nedochází k alergickým reakcím, mělo by být jeho používání zastaveno.

Pokud jde o určité nanočástice určené k boji proti bakteriím, mohly by mít negativní účinky, pokud nebudou správně přeneseny na místo svého působení.

Reference

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganická chemie. (Čtvrté vydání). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Oxid zinečnatý. Obnoveno z: en.wikipedia.org
3. Hadis Morkoç a Ümit Özgur. (2009). Oxid zinečnatý: základy, materiály a technologie zařízení.. Obnoveno z: application.wiley-vch.de
4. Parihar, M. Raja a R. Paulose. (2018). Stručný přehled strukturních, elektrických a elektrochemických vlastností nanočástic oxidu zinečnatého.. Obnoveno z: ipme.ru
5. A. Rodnyi a IV Khodyuk. (2011). Optické a luminiscenční vlastnosti oxidu zinečnatého. Obnoveno z: arxiv.org
6. Siddiqi, KS, Ur Rahman, A., Tajuddin a Husen, A. (2018). Vlastnosti nanočástic oxidu zinečnatého a jejich aktivita proti mikrobům. Výzkumné dopisy v Nanoscale, 13 (1), 141. doi: 10,1186 / s11671-018-2532-3
7. ChemicalSafetyFacts. (2019). Oxid zinečnatý. Obnoveno z: Chemicalsafetyfacts.org
8. Jinhuan Jiang, Jiang Pi a Jiye Cai. (2018). Pokrok nanočástic oxidu zinečnatého pro biomedicínské aplikace. Bioinorganická chemie a aplikace, sv. 2018, ID článku 1062562, 18 stran. doi.org/10.1155/2018/1062562