Cink-oksid

Шаблон:Chembox-lat Cink oksid je neorgansko jedinjenje sa hemijskom formulom -{ZnO}-. 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. 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. Promena boje je uzrokovana vrlo malim gubitkom kiseonika na visokoj temperaturi, pri čemu nastaje spoj nestehiometrijskog sastava: -{Zn_1+xO}-, gde na 800 °-{C}-, x = 0.00007.

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:

$\mathrm{Z}\mathrm{n}\mathrm{O}\mathrm{+}\mathrm{2}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{⟶}\mathrm{Z}\mathrm{n}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

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

$\mathrm{Z}\mathrm{n}\mathrm{O}\mathrm{+}\mathrm{2}\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{⟶}\mathrm{N}{\mathrm{a}}_{\mathrm{2}}\mathrm{(}\mathrm{Z}\mathrm{n}\mathrm{(}\mathrm{O}\mathrm{H}{\mathrm{)}}_{\mathrm{4}}\mathrm{)}$

-{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. Ovaj cement se ranije koristio u stomatologiji.

Hopeit

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

-{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.

$\mathrm{Z}\mathrm{n}\mathrm{O}\mathrm{+}\mathrm{C}\mathrm{⟶}\mathrm{Z}\mathrm{n}\mathrm{+}\mathrm{C}\mathrm{O}$

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.

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

$\mathrm{Z}\mathrm{n}\mathrm{O}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}\mathrm{⟶}\mathrm{Z}\mathrm{n}\mathrm{S}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

Kada se masti koje sadrže -{ZnO}- i voda rastope i izlože ultraljubičastoj svjetlosti, nastaje vodonik peroksid.

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}-.

Heksagonalni oblik i cinkblend su polimorfi koji nemaju inverzionu simetriju. Ova i druge osobine simetrije kristalne rešetke rezultuju 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. Visok toplotni kapacitet i toplotna provodljivost, niska termalna ekspanzija i visoka tačka topljenja su pogodne osobine za keramike.

-{ZnO}- ima najveći piezoelektrični efekat među tetraedarski vezanim poluprovodnicima. On je sličan galijum nitridu -{GaN}-. Ova osobina čini -{ZnO}- tehnološki važnim materijalom.

Proizvodnja

Za industrijsku upotrebu -{ZnO}- se proizvodi u nivoima od 10⁵ tona godišnje putem tri postupka:

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 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. -{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. -{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.

Literatura

Шаблон:Литература-{

• U. Ozgur et al. "A comprehensive review of ZnO materials and devices" (103 pages) J. Appl. Phys. 98 (2005) 041301Шаблон:Мртва веза
• A. Bakin and A. Waag "ZnO Epitaxial Growth" (28 pages) Chapter in “Comprehensive Semiconductor Science and Technology“ 6 Volume Encyclopaedia, ELSEVIER, edited by Pallab Bhattacharya, Roberto Fornari and Hiroshi Kamimura. Шаблон:Page
• S. Baruah and J. Dutta "Hydrothermal growth of ZnO nanostructures" (18 pages) Sci. Technol. Adv. Mater. 10 (2009) 013001 free downloadШаблон:Мртва веза
• R. Janisch et al. "Transition metal-doped TiO2 and ZnO—present status of the field" (32 pages) Шаблон:Cite journal
• Шаблон:Cite journal
• Шаблон:Cite journal
• Шаблон:Cite journal
• Шаблон:Cite journal
• Шаблон:Cite book
• Шаблон:Cite book
• Шаблон:Cite book
• Шаблон:Cite bookШаблон:Мртва веза
• Шаблон:Cite book
• Шаблон:Cite book
• Шаблон:Cite book
• Шаблон:Cite book

Spoljašnje veze

• Osobine cinkita
• Karta međunarodne hemijske bezbednosti 0208