Cink oksid

Cink oksid
Drugi nazivi Kalamin
Cinkovo belilo
Identifikacija
CAS registarski broj 1314-13-2 DaY
PubChem[1][2] 14806
ChemSpider[3] 14122 DaY
EINECS broj 215-222-5
ChEBI 36560
ChEMBL[4] CHEMBL1201128 DaY
RTECS registarski broj toksičnosti ZH4810000
Svojstva
Molekulska formula ZnO
Molarna masa 81.408 g/mol
Agregatno stanje bela čvrsta materija
Miris bez mirsia
Gustina 5.606 g/cm3
Tačka topljenja

1975 °C (razlaže se)[5]

Tačka ključanja

2360 °C

Rastvorljivost u vodi 0.16 mg/100 mL (30 °C)
Energijska barijera 3.3 eV
Indeks prelamanja (nD) 2.0041
Termohemija
Standardna entalpija stvaranja jedinjenja ΔfHo298 -348.0 kJ/mol
Standardna molarna entropija So298 43.9 J·K−1mol−1
Opasnost
Podaci o bezbednosti prilikom rukovanja (MSDS) ICSC 0208
EU-klasifikacija Opasan za životnu sredinu (N)
EU-indeks 030-013-00-7
NFPA 704
1
2
0
W
R-oznake R50/53
S-oznake S60, S61
Tačka paljenja 1436 °C
Srodna jedinjenja
Drugi anjoni Cink sulfid
Cink selenid
Cink telurid
Drugi katjoni Kadmijum oksid
Živa(II) oksid

 DaY (šta je ovo?)   (verifikuj)

Ukoliko nije drugačije napomenuto, podaci se odnose na standardno stanje (25 °C, 100 kPa) materijala

Infobox references

Cink oksid je neorgansko jedinjenje sa hemijskom formulom ZnO.[6][7] Obično je u obliku belog praha, gotovo nerastvornog u vodi. Prah cink oksida ima široku upotrebu kao aditiv u brojnim materijalima i proizvodima, npr. plastika, keramika, staklo, cement, guma, lubrikanti, boje, masti, lepak, zaptivne smeše, pigmenti, hrana, baterije, usporivači gorenja, trake za prvu pomoć, itd. Cink oksid je prisutan u Zemljinoj kori kao mineral cinkit, ali se većina komercijalno korištenog cink oksida proizvodi veštačkim postupkom.

U nauci o materijalima, cink oksid se često naziva poluprovodnikom II-VI grupe, zbog toga što cink i kiseonik pripadaju drugoj i šestoj grupi respektivno. Ovaj poluprovodnik ima nekoliko pogodnih osobina: dobra transparencija, visoka pokretljivost elektrona, široka razlika između energetskih nivoa, jaka luminiscencija na sobnoj temperaturi, itd. Ove osobine se koriste u proizvodnji transparentnih elektroda u displejima sa tečnim kristalima, prozorima za uštedu energije, tranzistorima sa tankim filmom, LED diodama, itd.

Hemijske osobine

ZnO se pojavljuje kao beli prah poznat kao cinkovo belilo ili kao mineral cinkit. Mineral obično sadrži određenu količinu mangana i drugih elemenata i to daje mu žutu ili crvenu boju.[8] Kristalni cink oksid je termohromna supstanca, čija se boja menja od bele do žute kada se zagreva na vazduhu i vraća se u belu pri hlađenju.[9] Promena boje je uzrokovana vrlo malim gubitkom kiseonika na visokoj temperaturi, pri čemu nastaje spoj nestehiometrijskog sastava: Zn1+xO, gde na 800 °C, x = 0.00007.[9]

Cink oksid je amfoteran oksid. Gotovo je nerastvorljiv u vodi i alkoholu, ali je rastvorljiv u većini kiselina (npr. hlorovodonična kiselina), i razgrađuje se pri rastvaranju:[10][11]

ZnO + 2 HCl → ZnCl2 + H2O

Baze takođe razgrađuju cink oksid, pri čemu nastaju rastvorljivi cinkati:

ZnO + 2 NaOH + H2O → Na2(Zn(OH)4)

ZnO sporo reaguje sa masnim kiselinama u uljima pri čemu nastaju karboksilati, kao npr. oleati i stearati. ZnO stvara proizvode slične cementu kada se pomeša sa koncentrovanim vodenim rastvorom cink hlorida, koji su po sastavu cink hidroksi hloridi.[12] Ovaj cement se ranije koristio u stomatologiji.[13]

Hopeit

ZnO takođe stvara jedinjenja slična cementu kada reaguje sa fosfornom kiselinom i neki od ovih materijala se koriste u stomatologiji.[13] Glavna komponenta ovako nastalog cink fosfatnog cementa je hopeit, Zn3(PO4)2•4H2O.[14]

ZnO se razlaže u cinkove pare i kiseonik na temperaturi oko 1975 °C, što ukazuje na njegovu značajnu stabilnost. Zagrevanje sa ugljenikom prevodi oksid u metal, koji je više isparljiv od oksida.[15]

ZnO + C → Zn + CO

Cink oksid može da burno reaguje sa aluminijumom i magnezijumom u prahu. Sa hlorisanom gumom i lanenim uljem pri zagrevanju može da izazove požar i eksploziju.[16][17]

ZnO reaguje sa vodonik sulfidom pri čemu nastaje sulfid. Ova reakcije se koristi komercijalno pri uklanjanju H2S koristeći ZnO prah (npr. kao dezodorans).

ZnO + H2S → ZnS + H2O

Kada se masti koje sadrže ZnO i voda rastope i izlože ultraljubičastoj svjetlosti, nastaje vodonik peroksid.[11]

Fizičke osobine

Jedinična ćelija vurcita
Struktura vurcita
Jedinična ćelija cinkblenda

Kristalna struktura

Cink oksid se kristališe u dve forme: heksagonalni (vurzit), kubni (cinkblend). Na sobnoj temperaturi je najstabilnija struktura vurzita i zbog toga je najčešća. Struktura cinkblenda se može stabilisati kristalizacijom ZnO na supstratu sa kubnom kristalnom rešetkom. U oba slučaja cink i kiseonik su u centru tetraedra. Struktura kamene soli (tip strukture natrijum hlorida) se pojavljuje samo pri visokom pritisku, oko 10 Gpa.[18]

Heksagonalni oblik i cinkblend su polimorfi koji nemaju inverzionu simetriju. Ova i druge osobine simetrije kristalne rešetke rezultiraju kao piezoelektricitet) heksagonalnog ZnO i cinkblenda, te piroelektriciteta heksagonalnog ZnO.

Kao što je slučaj kod većine jedinjenja elemenata druge i šeste grupe hemijskih elemenata, veza u ZnO je većinom jonska, čime se objašnjava piezoelektricitet. Zbog polarizacije Zn – O veze, cink nosi pozitivan, a kiseonik negativan električni naboj.

Mehaničke osobine

ZnO je relativno mek materijal sa približnom tvrdoćom 4,5 na Mosovoj skali.[19] Visok toplotni kapacitet i toplotna provodljivost, niska termalna ekspanzija i visoka tačka topljenja su pogodne osobine za keramike.[20]

ZnO ima najveći piezoelektrični efekat među tetraedarski vezanim poluprovodnicima. On je sličan galijum nitridu GaN.[21] Ova osobina čini ZnO tehnološki važnim materijalom.

Proizvodnja

Za industrijsku upotrebu ZnO se proizvodi u nivoima od 105 tona godišnje[8] putem tri postupka:[20]

Indirektni (francuski) proces

Metalni cink se topi u grafitnoj posudi i isparava na temperaturi iznad 907 °C (tipično oko 1000 °C). Cinkove pare odmah reaguju sa kiseonikom iz vazduha pri čemu nastaje ZnO, pri čemu dolazi do pada temperature i jake luminiscencije. Čestice cink oksida se provode u cev za hlađenje i skupljaju u kućištu. Ovaj indirektni metod je popularisao LeClaire (Francuska) u 1844. i zbog toga se naziva francuski proces. Proizvod se sastoji od aglomerata čestica cink oksida, čija je prosečna veličina 0.1 do nekoliko mikrometara.

Direktni (američki) proces

Kod direktnog postupka, ulazni materijali su razni kontaminirani cinkovi kompoziti, kao npr. cinkove rude ili nusprodukti topljenja. Reducira se zagrevanjem sa ugljenikovim aditivom (npr. antracitom) pri čemu nastaju cinkove pare, koje se zatim oksidiraju u indirektnom procesu. Zbog niže čistoće izvornog materijala, konačni proizvod je takođe nižeg kvaliteta u poređenju sa indirektnim postupkom.

Hemijski postupak u rastvoru

Hemijski postupak u rastvoru počinje sa prečišćenim rastvorom cinka, iz kojeg se taloži cink karbonat ili cink hidroksid. Zatim se filtrira, ispira, suši i kalcinira na temperaturi ~800 °C.

Primena

Primena cink oksidnog praha je brojna i u nastavku su prikazane najvažnije primene. Mnogi postupci primene koriste reaktivnost ZnO kao prekursora za nastanak drugih jedinjenja cinka. Za primenu u nauci o materijalima, cink oksid ima visok indeks prelamanja, visoku termalnu provodljivost, antibakterijske i UV-zaštitne osobine. Zbog toga se dodaje raznim materijalima i proizvodima, uključujući plastiku, keramiku, staklo, cement, gumu, lubrikante[19] boje, masti, lepkove, smeše za zaptivanje, pigmente, hranu, baterije, itd.

Proizvodnja gume

Oko 50% ZnO se upotrebljava u proizvodnji gume. Cink oksid sa stearinskom kiselinom aktivira proces vulkanizacije, koji se u suprotnom ne bi mogao odvijati.[20] ZnO je takođe važan aditiv za automobilske gume. Katalizatori za vulkanizaciju se izvode iz cink oksida i to značajno poboljšava termalnu provodljivost, koja je ključna za oslobađanje toplote nastale pri trenju guma.[22][23] ZnO aditiv takođe štiti gumu od gljivica (videti medicinsku upotrebu) i UV zračenja.

Proizvodnja betona

Cink oksid se dosta koristi u proizvodnji betona. Dodatak ZnO poboljšava vreme sazrevanja i otpornost betona na uticaj vode.[22]

Reference

  1. ↑ Li Q, Cheng T, Wang Y, Bryant SH (2010). „PubChem as a public resource for drug discovery.”. Drug Discov Today 15 (23-24): 1052-7. DOI:10.1016/j.drudis.2010.10.003. PMID 20970519.  edit
  2. ↑ Evan E. Bolton, Yanli Wang, Paul A. Thiessen, Stephen H. Bryant (2008). „Chapter 12 PubChem: Integrated Platform of Small Molecules and Biological Activities”. Annual Reports in Computational Chemistry 4: 217-241. DOI:10.1016/S1574-1400(08)00012-1. 
  3. ↑ Hettne KM, Williams AJ, van Mulligen EM, Kleinjans J, Tkachenko V, Kors JA. (2010). „Automatic vs. manual curation of a multi-source chemical dictionary: the impact on text mining”. J Cheminform 2 (1): 3. DOI:10.1186/1758-2946-2-3. PMID 20331846.  edit
  4. ↑ Gaulton A, Bellis LJ, Bento AP, Chambers J, Davies M, Hersey A, Light Y, McGlinchey S, Michalovich D, Al-Lazikani B, Overington JP. (2012). „ChEMBL: a large-scale bioactivity database for drug discovery”. Nucleic Acids Res 40 (Database issue): D1100-7. DOI:10.1093/nar/gkr777. PMID 21948594.  edit
  5. ↑ Takahashi, Kiyoshi; Yoshikawa, Akihiko; Sandhu, Adarsh (2007). Wide bandgap semiconductors: fundamental properties and modern photonic and electronic devices. Springer. str. 357. ISBN 3540472347. 
  6. ↑ Housecroft C. E., Sharpe A. G. (2008). Inorganic Chemistry (3rd izd.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-175553-6. 
  7. ↑ Holleman A. F., Wiberg E. (2001). Inorganic Chemistry (1st edition izd.). San Diego: Academic Press. ISBN 0-12-352651-5. 
  8. ↑ 8,0 8,1 Klingshirn, C (2007). „ZnO: Material, Physics and Applications”. ChemPhysChem 8 (6): 782. DOI:10.1002/cphc.200700002. PMID 17429819. 
  9. ↑ 9,0 9,1 Wiberg, E. and Holleman, A. F. (2001). Inorganic Chemistry. Elsevier. ISBN 0123526515. 
  10. ↑ Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (2nd izd.). Oxford: Butterworth-Heinemann. ISBN 0080379419. 
  11. ↑ 11,0 11,1 Spero, J. M.; Devito, B.; Theodore, L. (2000). Regulatory chemical handbook. CRC Press. ISBN 0824703901. 
  12. ↑ Nicholson, J. W; Nicholson, J. W (1998). „The chemistry of cements formed between zinc oxide and aqueous zinc chloride”. Journal of Materials Science 33: 2251. DOI:10.1023/A:1004327018497. 
  13. ↑ 13,0 13,1 Ferracane, Jack L. (2001). Materials in Dentistry: Principles and Applications. Lippincott Williams & Wilkins. str. 70,143. ISBN 0781727332. [mrtav link]
  14. ↑ Park C.-K., Silsbee M. R., Roy D. M. (1998). „Setting reaction and resultant structure of zinc phosphate cement in various orthophosphoric acid cement-forming liquids”. Cement and concrete research 28 (1): 141–150. DOI:10.1016/S0008-8846(97)00223-8. 
  15. ↑ Greenwood, N. N.; & Earnshaw, A. (1997). Chemistry of the Elements. Oxford: Butterworth-Heineman n. ISBN 0-7506-3365-4. 
  16. ↑ International Occupational Safety and Health Information Centre (CIS) Access date January 25, 2009.
  17. ↑ Zinc oxide MSDS. Access date January 25, 2009.
  18. ↑ Özgür, Ü.; Alivov, Ya. I.; Liu, C.; Teke, A.; Reshchikov, M. A.; Doğan, S.; Avrutin, V.; Cho, S.-J. i dr.. (2005). „A comprehensive review of ZnO materials and devices”. Journal of Applied Physics 98: 041301. DOI:10.1063/1.1992666. 
  19. ↑ 19,0 19,1 Hernandezbattez, A; Gonzalez, R; Viesca, J; Fernandez, J; Diazfernandez, J; MacHado, A; Chou, R; Riba, J (2008). „CuO, ZrO2 and ZnO nanoparticles as antiwear additive in oil lubricants”. Wear 265: 422. DOI:10.1016/j.wear.2007.11.013. 
  20. ↑ 20,0 20,1 20,2 Porter, F. (1991). Zinc Handbook: Properties, Processing, and Use in Design. CRC Press. ISBN 0824783409. 
  21. ↑ Dal Corso, Andrea; Posternak, Michel; Resta, Raffaele; Baldereschi, Alfonso (1994). „Ab initio study of piezoelectricity and spontaneous polarization in ZnO”. Physical Review B 50: 10715. DOI:10.1103/PhysRevB.50.10715. 
  22. ↑ 22,0 22,1 Brown, H. E. (1957). Zinc Oxide Rediscovered. New York: The New Jersey Zinc Company. 
  23. ↑ Brown, H. E. (1976). Zinc Oxide Properties and Applications. New York: International Lead Zinc Research Organization. 

Literatura

Vanjske veze