ZINKOXIDE (ZNO): STRUCTUUR, EIGENSCHAPPEN, GEBRUIK, RISICO'S - CHEMIE

Het zinkoxide is een anorganische verbinding met de chemische formule ZnO. Het is uitsluitend samengesteld uit Zn ²⁺ en O ² -ionen in een verhouding van 1: 1; echter kan het kristalrooster aanwezig O ^2- vacature , die aanleiding geven tot gebreken die tot een andere kleuren zijn synthetische kristallen geeft.

Het wordt commercieel verkregen als een poederachtige witte vaste stof (onderste afbeelding), die rechtstreeks wordt geproduceerd door de oxidatie van metallisch zink volgens het Franse proces; of het onderwerpen van zinkertsen aan carbothermische reductie, op een zodanige manier dat hun dampen dan oxideren en uiteindelijk stollen.

Horlogeglas met zinkoxide. Bron: Adam Rędzikowski

Andere methoden voor het bereiden van ZnO bestaan uit het neerslaan van zijn hydroxide, Zn (OH) ₂ , uit waterige oplossingen van zinkzouten. Evenzo kunnen morfologisch gevarieerde dunne films of nanodeeltjes van ZnO worden gesynthetiseerd door meer geavanceerde technieken zoals de chemische afzetting van de dampen ervan.

Dit metaaloxide wordt in de natuur aangetroffen als het mineraal zinkiet, waarvan de kristallen meestal geel of oranje zijn vanwege metallische onzuiverheden. ZnO-kristallen worden gekenmerkt doordat ze piëzo-elektrisch, thermochromatisch, luminescerend, polair zijn en ook een zeer brede energieband hebben in hun halfgeleidereigenschappen.

Structureel is het isomorf met zinksulfide, ZnS, en neemt hexagonale en kubische kristallen aan die lijken op die van respectievelijk wurziet en blende. In deze is er een zeker covalent karakter in de interacties tussen Zn ²⁺ en O ^2- , wat een heterogene verdeling van ladingen in het ZnO-kristal veroorzaakt.

Studies naar de eigenschappen en toepassingen van ZnO strekken zich uit tot de gebieden natuurkunde, elektronica en biomedische geneeskunde. Het eenvoudigste en meest alledaagse gebruik ervan blijft onopgemerkt in de samenstelling van gezichtscrèmes en producten voor persoonlijke hygiëne, evenals in zonnebrandcrème.

Structuur

Polymorfen

ZnO kristalliseert onder normale druk- en temperatuuromstandigheden in een hexagonale wurzietstructuur. In deze structuur zijn de Zn ²⁺ en O ² -ionen in afwisselende lagen gerangschikt, zodanig dat ze elk omgeven worden door een tetraëder, met respectievelijk ZnO ₄ of OZn ₄ .

Door gebruik te maken van een "sjabloon" of kubische drager kan ZnO ook kristalliseren tot een kubische zinkblende structuur; die, net als wurziet, overeenkomen met isomorfe structuren (identiek in de ruimte maar met verschillende ionen) van zinksulfide, ZnS.

Naast deze twee structuren (wurziet en blende) kristalliseert ZnO onder hoge drukken (ongeveer 10 GPa) in de steenzoutstructuur, dezelfde als die van NaCl.

Interacties

De interacties tussen Zn ²⁺ en O ² geven een bepaald karakter van covalentie, waarbij een Zn-O covalente binding (beide atomen met sp er gedeeltelijk ³ hybridisatie ) en vanwege de vervorming van de tetraëders, zij manifest even dipool die bijdraagt aan de ionische aantrekkingskracht van ZnO-kristallen.

Blende (links) en wurziet (rechts) structuur van ZnO. Bron: Gabriel Bolívar.

Je hebt de bovenste afbeelding om de tetraëders te visualiseren die worden genoemd voor de ZnO-structuren.

Het verschil tussen de blenda- en wurzietstructuren zit hem ook in dat van bovenaf gezien de ionen niet verduisterd worden. In wurziet worden de witte bollen (Zn ²⁺ ) bijvoorbeeld net boven de rode bollen (O ^2- ) gezien. Aan de andere kant is dit in de kubische blende-structuur niet het geval omdat er drie lagen zijn: A, B en C in plaats van slechts twee.

Morfologie van nanodeeltjes

Hoewel ZnO-kristallen vaak hexagonale wurzietstructuren hebben, is de morfologie van hun nanodeeltjes een ander verhaal. Afhankelijk van de parameters en synthesemethoden kunnen deze verschillende vormen aannemen, zoals staven, platen, bladeren, bollen, bloemen, riemen, naalden, onder andere.

Eigendommen

Fysiek uiterlijk

Geurloze, witte poederachtige vaste stof met een bittere smaak. In de natuur kan het gekristalliseerd worden aangetroffen, met metallische onzuiverheden, zoals zinkietmineraal. Als dergelijke kristallen wit zijn, vertonen ze thermochromisme, wat betekent dat ze bij verhitting van kleur veranderen: van wit naar geel.

Evenzo kunnen de synthetische kristallen roodachtige of groenachtige kleuren vertonen, afhankelijk van hun stoichiometrische zuurstofsamenstelling; met andere woorden, de hiaten of vacatures die worden veroorzaakt door het ontbreken van O ² -anionen hebben een directe invloed op de manier waarop licht interageert met ionische netwerken.

Molaire massa

81.406 g / mol

Smeltpunt

1974 ° C. Bij deze temperatuur ondergaat het thermische ontleding waarbij zinkdampen en moleculaire of gasvormige zuurstof vrijkomen.

Dichtheid

5,1 g / cm ³

Oplosbaarheid in water

ZnO is praktisch onoplosbaar in water en geeft nauwelijks aanleiding tot oplossingen met een concentratie van 0,0004% bij 18ºC.

Amfoterie

ZnO kan reageren met zowel zuren als basen. Wanneer het reageert met een zuur in waterige oplossing, neemt de oplosbaarheid toe door een oplosbaar zout te vormen waarbij Zn ²⁺ een complex vormt met watermoleculen: ²⁺ . Het reageert bijvoorbeeld met zwavelzuur om zinksulfaat te produceren:

ZnO + H ₂ SO ₄ → ZnSO ₄ + H ₂ O

Evenzo reageert het met vetzuren om hun respectievelijke zouten te vormen, zoals zinkstearaat en palmitaat.

En wanneer het reageert met een base, in aanwezigheid van water, worden de zinkzouten gevormd:

ZnO + 2NaOH + H ₂ O → Na ₂

Warmte capaciteit

40,3 J / K mol

Directe energiekloof

3.3 eV. Deze waarde maakt het een breedband halfgeleider die in staat is om onder intense elektrische velden te werken. Het heeft ook de kenmerken van een n-type halfgeleider, die de redenen niet heeft kunnen verklaren waarom er een extra bijdrage van elektronen in zijn structuur is.

Dit oxide onderscheidt zich door zijn optische, akoestische en elektronische eigenschappen, waardoor het wordt beschouwd als een kandidaat voor mogelijke toepassingen die verband houden met de ontwikkeling van opto-elektronische apparaten (sensoren, laserdiodes, fotovoltaïsche cellen). De reden voor dergelijke eigenschappen ligt buiten het domein van de fysica.

Toepassingen

Medicinaal

Zinkoxide wordt in veel witte crèmes als additief gebruikt om huidirritaties, acnes, dermatitis, schaafwonden en scheuren te behandelen. In dit gebied is het gebruik ervan populair om irritatie door luiers op de huid van baby's te verlichten.

Evenzo is het een bestanddeel van zonnebrandmiddelen, omdat het samen met titaniumdioxide-nanodeeltjes, TiO ₂ , helpt om de ultraviolette straling van de zon te blokkeren. Evenzo werkt het als een verdikkingsmiddel, daarom wordt het aangetroffen in bepaalde lichte make-up, lotions, email, poeders en zeep.

Aan de andere kant is ZnO een bron van zink die wordt gebruikt in voedingssupplementen en vitamineproducten, evenals in granen.

Antibacterieel

Volgens de morfologie van zijn nanodeeltjes kan ZnO worden geactiveerd onder ultraviolette straling om waterstofperoxiden of reactieve soorten te genereren die de celmembranen van micro-organismen verzwakken.

Wanneer dit gebeurt, doorkruisen de resterende ZnO-nanodeeltjes het cytoplasma en beginnen ze te interageren met het compendium van biomoleculen waaruit de cel bestaat, wat resulteert in hun apoptose.

Daarom kunnen niet alle nanodeeltjes in zonnebrandcrème worden gebruikt, maar alleen die welke antibacteriële activiteit missen.

Producten met dit type ZnO zijn ontworpen, gecoat met oplosbare polymere materialen, om infecties, wonden, zweren, bacteriën en zelfs diabetes te behandelen.

Pigmenten en coatings

Het pigment dat bekend staat als wit zink is ZnO, dat wordt toegevoegd aan verschillende verven en coatings om metalen oppervlakken waar ze worden aangebracht te beschermen tegen corrosie. Zo worden coatings met toegevoegd ZnO gebruikt om gegalvaniseerd ijzer te beschermen.

Aan de andere kant zijn deze coatings ook gebruikt op vensterglas om te voorkomen dat warmte binnendringt (als het buiten is) of binnendringt (als het binnen is). Evenzo beschermt het bepaalde polymere en textielmaterialen tegen bederf door de inwerking van zonnestraling en warmte.

Bioimages

De luminescentie van ZnO-nanodeeltjes is bestudeerd voor gebruik bij bioimaging, waardoor de interne structuren van cellen worden bestudeerd door de blauwe, groene of oranje lichten die uitstralen.

Additief

ZnO wordt ook gebruikt als additief in rubbers, cementen, tandreinigingsmiddelen, glazen en keramiek, vanwege het lagere smeltpunt en daarom gedraagt het zich als een vloeimiddel.

Waterstofsulfide verwijderaar

ZnO verwijdert de onaangename gassen van H ₂ S, waardoor sommige gasdampen worden ontzwaveld:

ZnO + H ₂ S → ZnS + H ₂ O

Risico's

Zinkoxide is als zodanig een niet-giftige en onschadelijke verbinding, dus de voorzichtige omgang met de vaste stof vormt geen enkel risico.

Het probleem zit hem echter in de rook, want hoewel het bij hoge temperaturen uiteenvalt, vervuilen de zinkdampen de longen en veroorzaken ze een soort "metaalkoorts". Deze ziekte wordt gekenmerkt door symptomen van hoesten, koorts, een beklemmend gevoel op de borst en een constante metaalsmaak in de mond.

Het is ook niet kankerverwekkend en van crèmes die het bevatten, is niet aangetoond dat ze de opname van zink in de huid verhogen, dus op ZnO gebaseerde zonnefilters worden als veilig beschouwd; tenzij er allergische reacties zijn, in welk geval het gebruik moet worden stopgezet.

Bepaalde nanodeeltjes die zijn ontworpen om bacteriën te bestrijden, kunnen negatieve effecten hebben als ze niet correct naar hun werkingsgebied worden getransporteerd.

Referenties

Shiver & Atkins. (2008). Anorganische scheikunde . (Vierde druk). Mc Graw Hill.
Wikipedia. (2019). Zinkoxide. Hersteld van: en.wikipedia.org
Hadis Morkoç en Ümit Özgur. (2009). Zinkoxide: grondbeginselen, materialen en apparaattechnologie. . Hersteld van: application.wiley-vch.de
Parihar, M. Raja en R. Paulose. (2018). Een kort overzicht van structurele, elektrische en elektrochemische eigenschappen van zinkoxide-nanodeeltjes. . Hersteld van: ipme.ru
A. Rodnyi en IV Khodyuk. (2011). Optische en luminescerende eigenschappen van zinkoxide. Hersteld van: arxiv.org
Siddiqi, KS, Ur Rahman, A., Tajuddin en Husen, A. (2018). Eigenschappen van zinkoxide-nanodeeltjes en hun activiteit tegen microben. Nanoscale research letters, 13 (1), 141. doi: 10.1186 / s11671-018-2532-3
Chemische Veiligheid Feiten. (2019). Zinkoxide. Hersteld van: chemicaliënafetyfacts.org
Jinhuan Jiang, Jiang Pi en Jiye Cai. (2018). De vooruitgang van zinkoxide-nanodeeltjes voor biomedische toepassingen. Bioanorganic Chemistry and Applications, vol. 2018, artikel-ID 1062562, 18 pagina's. doi.org/10.1155/2018/1062562

ZINKOXIDE (ZNO): STRUCTUUR, EIGENSCHAPPEN, GEBRUIK, RISICO'S - CHEMIE - 2025