Cink-oksid

Sa Wikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na: navigacija, traži
Cink-oksid
Zinc oxide.jpg
Općenito
Hemijski spoj Cink-oksid
Molekularna formula ZnO
CAS registarski broj 1314-13-2
Kratki opis Bijela čvrsta supstanca
Osobine1
Molarna masa 81,408 g/mol
Agregatno stanje čvrsto
Gustoća 5,606 g/cm3
Tačka topljenja 1975 °C (razlaže se)[1]
Tačka ključanja 2360 °C
1 Gdje god je moguće korištene su SI jedinice. Ako nije drugačije naznačeno, dati podaci vrijede pri standardnim uslovima.

Cink-oksid je anorganski spoj čija je hemijska formula ZnO. Obično je u obliku bijelog praha, gotovo nerastvorljivog u vodi. Prah cink-oksida ima široku upotrebu kao aditiv u brojnim materijalima i proizvodima, npr. plastika, keramika, staklo, cement, guma, lubrikanti, boje, masti, ljepila, zaptivne smjese, 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 vještačkim postupkom. U nauci o materijalima, cink-oksid se često naziva poluprovodnikom II-VI grupe, zbog toga što cink i oksigen 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[uredi | uredi izvor]

ZnO se pojavljuje kao bijeli prah poznat kao cinkovo bjelilo ili kao mineral cinkit. Mineral obično sadrži određenu količinu mangana i drugih elemenata i daje mu žutu ili crvenu boju.[2] Kristalični cink oksid je termohromna supstanca, čija se boja mijenja od bijele do žute kada se zagrijava na zraku i vraća se u bijelu pri hlađenju.[3] Promjena boje je uzrokovana vrlo malim gubitkom oksigena na visokoj temperaturi, pri čemu nastaje spoj nestehiometrijskog sastava: Zn1+xO, gdje je pri 800 °C, x = 0,00007.[3] Cink oksid je amfoteran oksid. Gotovo je nerastvorljiv u vodi i alkoholu, ali je rastvorljiv u većini kiselina (npr. hloridna kiselina) i razgrađuje se pri rastvaranju: [4][5]

ZnO + 2 HCl → ZnCl2 + H2O

Baze također 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 pomiješa sa koncentrovanim vodenim rastvorom cink hlorida, koji su po sastavu cink-hidroksihloridi.[6] Taj cement se koristi u stomatologiji.[7]

Hopeit

ZnO također stvara spojeve slične cementu kada reaguje sa fosfatnom kiselinom i neki od ovih materijala se koriste u stomatologiji. [7] Glavna komponenta ovako nastalog cink fosfatnog cementa je hopeit, Zn3(PO4)2•4H2O.[8]

ZnO se razlaže u cinkove pare i oksigen na temperaturi oko 1975 °C, što ukazuje na njegovu značajnu stabilnost. Zagrijavanje sa ugljikom prevodi oksid u metal, koji je više volatilan nego oksid. [9]

ZnO + C → Zn + CO

Cink oksid može burno reagovati sa aluminijem i magnezijem u prahu, sa hloriranom gumom i lanenim uljem pri zagrijavanju može uzrokovati požar i eksploziju. [10][11]

ZnO reaguje sa hidrogen 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 vodik-peroksid.[5]

Fizičke osobine[uredi | uredi izvor]

Jedinična ćelija vurcita
Struktura vurcita
Jedinična ćelija cinkblende

Kristalna struktura[uredi | uredi izvor]

Cink oksid kristalizira u tri forme: heksagonski (vurzit), kubični (cinkblenda) i rijetko kao kubični - struktura kamene soli. Na sobnoj temperaturi je najstabilnija struktura vurcita i zbog toga je najčešća. Struktura cinkblende se može stabilizirati kristalizacijom ZnO na supstratu sa kubičnom kristalnom rešetkom. U oba slučaja cink i oksigen su u centru tetraedra. Struktura kamene soli (tip strukture natrij-hlorida) se pojavljuje samo pri visokom pritisku, oko 10 Gpa.[12]

Heksagonski oblik i cinkblenda su polimorfi koji nemaju inverzionu simetriju. Ova i druge osobine simetrije kristalne rešetke rezultiraju kao piezoelektricitet heksagonskog ZnO i cinkblende te piroelektriciteta heksagonskog ZnO.

Kao što je slučaj kod većine spojeva iz elemenata druge i šeste grupe hemijskih elemenata, veza u ZnO je većinom ionska, čime se objašnjava piezoelektricitet. Zbog polarizacije Zn – O veze, zink nosi pozitivan, a oksigen negativan električni naboj.

Mehaničke osobine[uredi | uredi izvor]

ZnO je relativno mehak materijal sa približnom tvrdoćom 4,5 na Mohsovoj skali.[13] Visok toplotni kapacitet i toplotna provodljivost, niska termalna ekspanzija i visoka tačka topljenja su pogodne osobine za keramike.[14] ZnO ima najveći piezoelektrični efekat između tetraedarski vezanih poluprovodnika, približno sličan galijum nitridu GaN.[15] Ova osobina čini ZnO tehnološki važnim materijalom.

Proizvodnja[uredi | uredi izvor]

Za industrijsku upotrebu ZnO se proizvodi u nivoima od 105 tona godišnje[2] po tri postupka:[14]

Indirektni (francuski) proces[uredi | uredi izvor]

Metalni cink se topi u grafitnoj posudi i isparava na temperaturi iznad 907 °C (tipično oko 1000 °C). Cinkove pare odmah reaguju sa oksigenom iz zraka pri čemu nastaje ZnO, pri čemu dolazi do pada temperature i jake luminiscencije. Čestice cink oksida se provode u cijev za hlađenje i skupljaju u kućištu. Ovaj indirektni metod je popularizirao LeClaire (Francuska) u 1844. i zbog toga se naziva "francuski proces". Proizvod se sastoji od aglomerata čestica cink oksida, čija je prosječna veličina 0,1 do nekoliko mikrometara.

Direktni (američki) proces[uredi | uredi izvor]

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

Hemijski postupak u rastvoru[uredi | uredi izvor]

Hemisjki 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.

Primjena[uredi | uredi izvor]

Primjena cink oksidnog praha je brojna i u nastavku su prikazane najvažnije primjene. Mnogi postupci primjene koriste reaktivnost ZnO kao prekursora za nastanak drugih spojeva cinka. Za primjenu 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[13] boje, masti, ljepila, smjese za zaptivanje, pigmente, hranu, baterije, itd.

Proizvodnja gume[uredi | uredi izvor]

Oko 50% ZnO se upotrebljava u proizvodnji gume. Cink oksid sa stearinskom kiselinom aktivira proces vulkanizacije, koji se u suprotnom ne bi uopće mogao odvijati.[14] ZnO je također važan aditiv za automobilske gume. Katalizatori za vulkanizaciju se deriviraju iz cink oksida i to značajno poboljšava termalnu provodljivost, koja je ključna za oslobađanje toplote nastale pri trenju guma.[16][17] ZnO aditiv također štitu gumu od gljivica (vidjeti medicinsku upotrebu) i UV zračenja.

Proizvodnja betona[uredi | uredi izvor]

Cink oksid se dosta koristi u proizvodnji betona. Dodatak ZnO poboljšava vrijeme procesiranja i otpornost betona na uticaj vode.[16]

Također pogledajte[uredi | uredi izvor]

Reference[uredi | uredi izvor]

  1. ^ Takahashi, Kiyoshi; Yoshikawa, Akihiko; Sandhu, Adarsh (2007). Wide bandgap semiconductors: fundamental properties and modern photonic and electronic devices. Springer. str. 357. ISBN 3540472347. 
  2. ^ a b Klingshirn, C. (2007). "ZnO: Material, Physics and Applications". ChemPhysChem 8 (6): 782. doi:10.1002/cphc.200700002. PMID 17429819. 
  3. ^ a b Wiberg, E. and Holleman, A. F. (2001). Inorganic Chemistry. Elsevier. ISBN 0123526515. 
  4. ^ Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (2nd iz.). Oxford: Butterworth-Heinemann. ISBN 0080379419. 
  5. ^ a b Spero, J. M.; Devito, B.; Theodore, L. (2000). Regulatory chemical handbook. CRC Press. ISBN 0824703901. 
  6. ^ 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. 
  7. ^ a b Ferracane, Jack L. (2001). Materials in Dentistry: Principles and Applications. Lippincott Williams & Wilkins. str. 70,143. ISBN 0781727332. 
  8. ^ 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. 
  9. ^ Greenwood, N. N.; & Earnshaw, A. (1997). Chemistry of the Elements. Oxford:Butterworth-Heinemann. ISBN 0-7506-3365-4. 
  10. ^ International Occupational Safety and Health Information Centre (CIS) Access date January 25, 2009.
  11. ^ Zinc oxide MSDS. Access date January 25, 2009.
  12. ^ Özgür, Ü.; Alivov, Ya. I.; Liu, C.; Teke, A.; Reshchikov, M. A.; Doğan, S.; Avrutin, V.; Cho, S.-J.; Morkoç, H. (2005). "A comprehensive review of ZnO materials and devices". Journal of Applied Physics 98: 041301. doi:10.1063/1.1992666. 
  13. ^ a b 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. 
  14. ^ a b c Porter, F. (1991). Zinc Handbook: Properties, Processing, and Use in Design. CRC Press. ISBN 0824783409. 
  15. ^ 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. 
  16. ^ a b Brown, H. E. (1957). Zinc Oxide Rediscovered. New York: The New Jersey Zinc Company. 
  17. ^ Brown, H. E. (1976). Zinc Oxide Properties and Applications. New York: International Lead Zinc Research Organization.