OXID ZINOČNATÝ (ZNO): ŠTRUKTÚRA, VLASTNOSTI, POUŽITIA, RIZIKÁ - CHÉMIA - 2026

Oxid zinočnatý je anorganická zlúčenina s chemickým vzorcom ZnO. Skladá sa výlučne z iónov Zn ²⁺ a O ^2- iónov v pomere 1: 1; jeho kryštalická mriežka však môže predstavovať 0 - ² voľné miesto , čo vedie k štrukturálnym defektom schopným meniť farby jeho syntetických kryštálov.

Je komerčne získaná ako prášková biela pevná látka (spodný obrázok), ktorá sa vyrába priamo oxidáciou kovového zinku francúzskym procesom; alebo vystavenie zinkových rúd karbotermickej redukcii takým spôsobom, že ich pary potom oxidujú a nakoniec stuhnú.

Hodinkové sklo s oxidom zinočnatým. Zdroj: Adam Rędzikowski

Ďalšie spôsoby prípravy ZnO spočívajú v vyzrážaní hydroxidu Zn (OH) ₂ z vodných roztokov solí zinku. Podobne sa môžu morfologicky rôzne tenké filmy alebo nanočastice ZnO syntetizovať sofistikovanejšími technikami, ako je chemické ukladanie jeho pár.

Tento oxid kovu sa v prírode vyskytuje ako minerálny zinit, ktorého kryštály sú zvyčajne žlté alebo oranžové z dôvodu kovových nečistôt. Kryštály ZnO sa vyznačujú tým, že sú piezoelektrické, termochromatické, luminiscenčné, polárne a tiež majú veľmi široké energetické pásmo vo svojich polovodičových vlastnostiach.

Štruktúrne je izomorfný sulfid zinočnatý, ZnS, ktorý prijíma hexagonálne a kubické kryštály podobné kryštálom wurzitu a zmesi. V nich existuje určitá kovalentnej charakter v interakciách medzi Zn ²⁺ a O ^2- , čo spôsobuje heterogénne distribúciu poplatkov v ZnO kryštálu.

Štúdie vlastností a použitia ZnO sa rozširujú do oblastí fyziky, elektroniky a biomedicíny. Jeho najjednoduchšie a najbežnejšie spôsoby použitia zostávajú nepovšimnuté v zložení pleťových krémov a výrobkov osobnej hygieny, ako aj v opaľovacích krémoch.

štruktúra

polymorfov

ZnO kryštalizuje za normálnych podmienok tlaku a teploty v hexagonálnej wurzitovej štruktúre. V tejto konštrukcii, Zn ²⁺ a O ^2- ióny sú usporiadané vo striedajúcich sa vrstvách, a to takým spôsobom, že každý z nich sa končí uprostred štvorstena, s ZnO ₄ alebo OZN ₄ , v danom poradí.

Použitím „templátu“ alebo kubického nosiča sa ZnO môže kryštalizovať do štruktúry kubických zinkových zmesí; ktoré podobne ako wurzit zodpovedajú izomorfným štruktúram (zhodné s priestorom, ale s rôznymi iónmi) sulfidu zinočnatého, ZnS.

Okrem týchto dvoch štruktúr (wurzit a zmes) ZnO pod vysokým tlakom (okolo 10 GPa) kryštalizuje v štruktúre kamennej soli, rovnako ako štruktúra NaCl.

interakcie

Interakcia medzi Zn ²⁺ a O ^2- predstavovať určitý charakter covalence, na ktorom je čiastočne kovalentnej Zn-O väzba (obaja atómy s sp ³ hybridizácie ), a vzhľadom k narušeniu tetraéderov, sa prejaví v okamihu, dipól, ktorý zvyšuje iónové príťažlivosť kryštálov ZnO.

Blende (vľavo) a wurzite (vpravo) štruktúra ZnO. Zdroj: Gabriel Bolívar.

Máte horný obrázok na vizualizáciu štvorsteny uvedenej pre štruktúry ZnO.

Rozdiel medzi štruktúrou zmesi a wurzitu spočíva aj v tom, že pri pohľade zhora nie sú ióny zatienené. Napríklad v wurzite, bielej gule (Zn ²⁺ ) sú vidieť len nad červenou guľou (O ² ). Na druhej strane v štruktúre kubických zmesí to tak nie je, pretože existujú iba tri vrstvy: A, B a C namiesto iba dvoch.

Morfológia nanočastíc

Aj keď kryštály ZnO majú tendenciu mať hexagonálne wurzitové štruktúry, morfológia ich nanočastíc je ďalším príbehom. V závislosti od parametrov a metód syntézy môžu mať tieto formy, medzi inými, rôzne formy, ako sú tyčinky, taniere, listy, gule, kvety, opasky, ihly.

vlastnosti

Fyzický vzhľad

Biela prášková pevná látka bez zápachu s horkou chuťou. V prírode sa nachádza v kryštalizácii s kovovými nečistotami, napríklad zinočnatým minerálom. Ak sú takéto kryštály biele, vykazujú termochromizmus, čo znamená, že keď sa zahrievajú, menia svoju farbu: z bielej na žltú.

Podobne jeho syntetické kryštály môžu mať červenkasté alebo nazelenalé farby v závislosti od ich stechiometrického zloženia kyslíka; inými slovami, medzery alebo neobsadené miesta spôsobené nedostatkom O ^2- aniónov priamo ovplyvňujú spôsob interakcie svetla s iónovými sieťami.

Molárna hmota

81,406 g / mol

Bod topenia

1974 ° C Pri tejto teplote podlieha tepelnému rozkladu a uvoľňuje zinkové výpary a molekulárny alebo plynný kyslík.

Hustota

5,1 g / cm ³

Rozpustnosť vo vode

ZnO je prakticky nerozpustný vo vode, ťažko vzniká roztok s koncentráciou 0,0004% pri 18 ° C.

Amphotericism

ZnO môže reagovať s kyselinami aj zásadami. Keď reaguje s kyselinou vo vodnom roztoku, jej rozpustnosť sa zvyšuje tvorbou rozpustnej soli, kde Zn ²⁺ končí tvorbou komplexov s molekulami vody: ²⁺ . Napríklad reaguje s kyselinou sírovou za vzniku síranu zinočnatého:

ZnO + H ₂ SO ₄ → ZnSO ₄ + H ₂ O

Podobne reaguje s mastnými kyselinami za vzniku svojich príslušných solí, ako je stearát zinočnatý a palmitát.

A keď reaguje s bázou v prítomnosti vody, tvoria sa zinočnaté soli:

ZnO + 2NaOH + H ₂ O → Na ₂

Tepelná kapacita

40,3 J / K mol

Priama energetická medzera

3,3 eV. Táto hodnota z neho robí širokopásmový polovodič, schopný pracovať v intenzívnych elektrických poliach. Má tiež vlastnosti polovodiča typu n, čo nebolo vysvetlené, prečo je v jeho štruktúre dodatočný prísun elektrónov.

Tento oxid sa vyznačuje optickými, akustickými a elektronickými vlastnosťami, vďaka ktorým je považovaný za kandidáta na potenciálne aplikácie súvisiace s vývojom optoelektronických zariadení (senzory, laserové diódy, fotovoltaické články). Dôvod týchto vlastností je mimo sféry fyziky.

aplikácia

liečivý

Oxid zinočnatý sa používa ako prísada v mnohých bielych krémoch na liečbu podráždenia kože, akné, dermatitídy, odrenín a prasklín. V tejto oblasti je jeho použitie populárne na zmiernenie podráždenia spôsobeného plienkami na pokožke dojčiat.

Rovnako je súčasťou ochranných prostriedkov proti slnečnému žiareniu, pretože spolu s nanočasticami oxidu titaničitého, TiO ₂ , pomáha blokovať slnečné ultrafialové žiarenie. Pôsobí tiež ako zahusťovadlo, a preto sa nachádza v určitom zložení svetla, Pleťové vody, smaltované výrobky, prášky a mydlá.

Na druhej strane je ZnO zdrojom zinku, ktorý sa používa v potravinových doplnkoch a vitamínových výrobkoch, ako aj v obilninách.

antibakteriálne

Podľa morfológie svojich nanočastíc sa ZnO môže aktivovať pod ultrafialovým žiarením za vzniku peroxidov vodíka alebo reaktívnych druhov, ktoré oslabujú bunkové membrány mikroorganizmov.

Keď k tomu dôjde, zostávajúce nanočastice ZnO poškodzujú cytoplazmu a začínajú interagovať s kompendiom biomolekúl, ktoré tvoria bunku, čo vedie k ich apoptóze.

Preto nie všetky nanočastice sa môžu použiť v prostriedkoch na ochranu proti slnečnému žiareniu, ale iba tie, ktoré nemajú antibakteriálnu aktivitu.

Výrobky s týmto typom ZnO sú navrhnuté potiahnuté rozpustnými polymérnymi materiálmi na liečenie infekcií, rán, vredov, baktérií a dokonca aj cukrovky.

Pigmenty a nátery

Pigment známy ako biely zinok je ZnO, ktorý sa pridáva do rôznych farieb a povlakov na ochranu kovových povrchov, na ktorých sa nanáša pred koróziou. Napríklad povlaky s prídavkom ZnO sa používajú na ochranu galvanizovaného železa.

Na druhej strane sa tieto povlaky tiež používajú na okenné sklo, aby sa zabránilo prenikaniu tepla (ak je vonku) alebo vniknutiu (ak je vo vnútri). Rovnako chráni niektoré polymérne a textilné materiály pred poškodením v dôsledku pôsobenia slnečného žiarenia a tepla.

Bioimages

Luminiscencia nanočastíc ZnO bola študovaná na použitie pri bioobrazovaní, a teda študovanie vnútorných štruktúr buniek pomocou modrého, zeleného alebo oranžového svetla, ktoré vyžaruje.

prísada

ZnO tiež nachádza uplatnenie ako prísada v kaučukoch, cementoch, prostriedkoch na čistenie zubov, sklách a keramike, a to vďaka svojej nižšej teplote topenia, a preto sa správa ako tavidlo.

Odstraňovač sírovodíka

ZnO odstraňuje nepríjemné plyny H ₂ S, pomáha odsírenie niektoré emisie plynov:

ZnO + H ₂ S → ZnS + H ₂ O

riziká

Oxid zinočnatý ako taký je netoxická a neškodná zlúčenina, preto opatrné zaobchádzanie s jeho pevnou látkou nepredstavuje žiadne riziko.

Problém však spočíva v jeho dyme, pretože aj keď sa pri vysokých teplotách rozkladá, zinkové pary nakoniec kontaminujú pľúca a spôsobujú určitý druh „kovovej horúčky“. Toto ochorenie sa vyznačuje príznakmi kašľa, horúčky, pocitom zovretia na hrudi a stálou kovovou chuťou v ústach.

Nie je tiež karcinogénny a krémy, ktoré ho obsahujú, nepreukázali zvýšenie absorpcie zinku do pokožky, preto sa opaľovacie krémy na báze ZnO považujú za bezpečné; pokiaľ neexistujú alergické reakcie, v takom prípade by sa malo jeho používanie zastaviť.

Pokiaľ ide o určité nanočastice určené na boj proti baktériám, tieto by mohli mať negatívne účinky, ak sa nebudú správne prenášať na miesto svojho pôsobenia.

Referencie

1. Shiver a Atkins. (2008). Anorganická chémia. (Štvrté vydanie). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Oxid zinočnatý. Obnovené z: en.wikipedia.org
3. Hadis Morkoç a Ümit Özgur. (2009). Oxid zinočnatý: základy, materiály a technológia zariadení. , Obnovené z: application.wiley-vch.de
4. Parihar, M. Raja a R. Paulose. (2018). Stručný prehľad štrukturálnych, elektrických a elektrochemických vlastností nanočastíc oxidu zinočnatého. , Získané z: ipme.ru
5. A. Rodnyi a IV Khodyuk. (2011). Optické a luminiscenčné vlastnosti oxidu zinočnatého. Obnovené z: arxiv.org
6. Siddiqi, KS, Ur Rahman, A., Tajuddin a Husen, A. (2018). Vlastnosti nanočastíc oxidu zinočnatého a ich aktivita proti mikróbom. Výskumné listy v Nanoscale, 13 (1), 141. doi: 10,1186 / s11671-018-2532-3
7. ChemicalSafetyFacts. (2019). Oxid zinočnatý. Získané z: Chemicalsafetyfacts.org
8. Jinhuan Jiang, Jiang Pi a Jiye Cai. (2018). Pokrok nanočastíc oxidu zinočnatého pre biomedicínske aplikácie. Bioinorganical Chemistry and Applications, zv. 2018, ID článku 1062562, 18 strán. doi.org/10.1155/2018/1062562