Оксид цинка, характеристика, свойства и получение, химические реакции
Оксид цинка, характеристика, свойства и получение, химические реакции.
Оксид цинка – неорганическое вещество, имеет химическую формулу ZnO.
Краткая характеристика оксида цинка:
Оксид цинка – неорганическое вещество белого цвета.
Так как валентность цинка равна двум, то оксид цинка содержит один атом кислорода и один атом цинка.
Химическая формула оксида цинка ZnO.
При нагревании желтеет. При температуре 1800 о С сублимируется.
В воде не растворяется.
Оксид цинка относится к малотоксичным веществам. Его пыль вредна для органов дыхания.
Физические свойства оксида цинка:
Наименование параметра:
Значение:
Химическая формула
ZnO
Синонимы и названия иностранном языке
zinc oxide (англ.)
цинковые белила (рус.)
Тип вещества
неорганическое
Внешний вид
белые гексагональные кристаллы
Цвет
белый
Вкус
—*
Запах
—
Агрегатное состояние (при 20 °C и атмосферном давлении 1 атм.)
твердое вещество
Плотность (состояние вещества – твердое вещество, при 20 °C), кг/м 3
5610
Плотность (состояние вещества – твердое вещество, при 20 °C), г/см 3
5,61
Температура сублимации, °C
1800
Температура плавления, °C
1975
Молярная масса, г/моль
81,408
Теплопроводность, Вт/(м·К)
54
Получение оксида цинка:
В природе встречается в виде минерала цинкита, который практически полностью состоит из оксида цинка.
Оксид цинка также получают в результате следующих химических реакций:
2Zn + О2 → 2ZnО (t > 250 o C).
Zn(OH)2 → ZnO + H2О (t = 100-250 o C).
ZnCO3 → ZnO + CO2 (t = 200-300 o C).
2ZnS + 3O2 → 2ZnO + 2SO2 (t = 800-1000 o C).
Химические свойства оксида цинка. Химические реакции оксида цинка:
Оксид цинка относится к амфотерным оксидам. Он проявляет в зависимости от условий либо основные, либо кислотные свойства.
1. реакция оксида цинка с углеродом:
ZnO + C → Zn + CO (t = 1200-1300 o C).
В результате реакции образуется цинк и оксид углерода (II). Таким образом, цинк восстанавливается из оксида цинка коксом или углем при температуре 1200-1300 o C.
2. реакция оксида цинка с оксидом кремния:
ZnО + SiО2 → ZnSiО3 (t = 1200-1400 o C),
Оксид кремния является кислотным оксидом. В результате реакции в первом случае образуется соль – метасиликат цинка, во втором – ортосиликат цинка.
3. реакция оксида цинка с оксидомсеры:
Оксид серы является кислотным оксидом. В результате реакции образуется соль – сульфит цинка.
4. реакция оксида цинка с оксидом бора:
В результате реакции образуется соль – борат цинка.
5. реакция оксида цинка с оксидом углерода :
ZnО + СО → Zn + CO2 (t = 700 o C).
6. реакция оксида цинка с оксидом бария :
ZnО + BaО → BaZnО2 (t = 1100 o C).
В результате реакции образуется соль – цинкат бария.
7. реакция оксида цинка с оксидом хрома :
В результате реакции образуется соль – хромат цинка.
8. реакция оксида цинка с оксидом железа:
9. реакция оксида цинка с оксидом молибдена :
В результате реакции образуется соль – молибдат цинка.
10. реакция оксида цинка с оксидом ванадия :
В результате реакции образуется соль – тетраоксованадат цинка.
11. реакция оксида цинка с оксидом марганца :
В результате реакции образуется в первом случае – оксид марганца-трицинка, во втором – оксид марганца-цинка.
12. реакция оксида цинка с оксидом вольфрама :
ZnО + WО3 → ZnWО4 (t = 600-800 o C).
В результате реакции образуется соль – вольфрамат цинка.
13. реакция оксида цинка с сульфидом цинка:
2ZnO + ZnS → 3Zn + SO2.
В результате химической реакции получается цинк и оксид цинка.
14. реакция оксида цинка с хлоридом цинка и водой:
ZnO + ZnCl2 + H2O → 2Zn(OH)Cl (t = 100-130 o C).
В результате химической реакции получается быстро (2-3 минуты) твердеющая масса – хлорид-гидроксид цинка (т.н. цинковый цемент ). Хлорид цинка – концентрированный раствор.
15. реакция оксида цинка с плавиковой кислотой:
В результате химической реакции получается соль – фторид цинка и вода.
16. реакция оксида цинка с азотной кислотой:
17. реакция оксида цинка с ортофосфорной кислотой:
Аналогично проходят реакции оксида цинка и с другими кислотами.
18. реакция оксида цинка с бромистым водородом (бромоводородом):
19. реакция оксида цинка с йодоводородом:
20. реакция оксида цинка с сероводородом:
ZnO + H2S → ZnS + H2O (t = 450-550 o C).
21. реакция оксида цинка с гидроксидом натрия :
ZnO + 2NaOH → Na2ZnO2 + H2O (t = 500-600 o C).
22. реакция оксида цинка с гидроксидом натрия и водой:
ZnO + NaOH + H2O → Na[Zn(OН)3] (t = 100 o C),
В результате химической реакции во втором случае получается тригидроксоцинкат натрия. Гидроксид натрия изначально растворен в воде. Раствор гидроксида натрия в воде 60 %. Реакция протекает при температуре 90 o C.
23. реакция оксида цинка с гидратом аммиака:
В результате реакции образуются гидроксид тетраамминцинка и вода. Гидрат аммиака – концентрированный раствор.
24. реакция оксида цинка с хлоридом аммония:
В результате реакции образуются хлорид цинка, аммиак и вода.
Применение и использование оксида цинка:
Оксид цинка применяется в качестве наполнителя, компонента или катализатора в химической, фармацевтической, резинотехнической, лакокрасочной и нефтеперерабатывающей промышленности, в производстве стекла и керамики, а также медицине.
Окси́д ци́нка (окись цинка, цинковые белила) — химическое соединение цинка с кислородом, имеющее формулу ZnO.
Белый, желтеющий при нагревании порошок. Кристалл при комнатной температуре бесцветен.
Содержание
Свойства
Физические свойства
Оксид цинка является прямозонным полупроводником с шириной запрещённой зоны 3,36 эВ.
При нагревании вещество меняет цвет: белый при комнатной температуре, оксид цинка становится жёлтым. Объясняется это уменьшением ширины запрещенной зоны и сдвигом края в спектре поглощения из УФ-области в синюю.
Химические свойства
Кристаллические свойства
Пьезоэлектрические свойства
Нанокристаллический оксид цинка
Получение
Применение
Известно также, что оксид цинка обладает фотокаталитической активностью, что на практике используется для создания самоочищающихся поверхностей, бактерицидных покрытий для стен и потолков в больницах и пр. Для фотокаталитической очистки воды в промышленных масштабах оксид цинка в настоящее время не используется.
Кроме того, порошок оксида цинка — перспективный материал в качестве рабочей среды для порошковых лазеров. На основе оксида цинка создали светодиод голубого цвета. Тонкие пленки и иные наноструктуры на основе оксида цинка могут применяться как чувствительные газовые и биологические сенсоры.
Свойства оксида цинка обуславливают его широко применение в фармацевтической промышленности. Оксид цинка нашел широкое применение в создании абразивных зубных паст и цементов в терапевтической стоматологии, в кремах для загара и косметических процедурах, в производстве электрокабеля, искусственной кожи и резинотехнических изделий. Кроме того, применение распространено в шинной, лакокрасочной, нефтеперерабатывающей промышленностях. Оксид цинка участвует процессе производства стекла и керамики.
Влияние на человека
Слабо токсичен, ПДК в воздухе рабочих помещений — 6 мг/м³. Пыль может образовываться при обжиге изделий из латуни.
В заданиях ЕГЭ есть такие вопросы, где требуется определить тип оксида. Прежде всего, следует запомнить четыре типа оксидов:
Основные, кислотные и амфотерные оксиды часто также объединяют в группу солеобразующих оксидов.
Не вдаваясь в теоретические подробности, изложу пошаговый алгоритм определения типа оксида.
Первое — определите: оксид металла перед вами или оксид неметалла.
Второе — установив, какой оксид металла или неметалла перед вами, определите степень окисления элемента в нем и воспользуйтесь таблицей ниже. Естественно, правила отнесения оксидов в этой таблице нужно выучить. Поначалу можно решать задания, подглядывая в нее, но ваша цель ее запомнить, так как на экзамене никаких источников информации, кроме таблицы Д.И. Менделеева, таблицы растворимости и ряда активности металлов, у вас не будет.
1) Степень окисления неметалла +1 или +2
Вывод: оксид несолеобразующий
Исключение: Cl2O не относится к несолеобразующим оксидам
1) Степень окисления металла равна +1, +2
Вывод: оксид металла основный
Исключение: BeO, ZnO, SnO и PbO не относятся к основным оксидам!!
2) Степень окисления больше либо равна +3
Вывод: оксид кислотный
Исключение: Cl2O относится к кислотным оксидам, несмотря на степень окисления хлора +1
2) Степень окисления металла +3, +4,
Вывод: оксид амфотерный.
Исключение: BeO, ZnO, SnO и PbO амфотерны, несмотря на степень окисления +2 у металлов
3) Степень окисления металла +5,+6,+7
Вывод: оксид кислотный.
Примеры:
Задание: определите тип оксида MgO.
Решение: MgO является оксидом металла, при этом степень окисления металла в нем +2. Все оксиды металлов в степени окисления +1 и +2 основны, кроме оксида бериллия или цинка.
Ответ: MgO – основный оксид.
Задание: определите тип оксида Mn2O7
Решение: Mn2O7 – оксид металла, и степень окисления металла в этом оксиде равна +7. Оксиды металлов в высоких степенях окисления (+5,+6,+7) относятся к кислотным.
Ответ: Mn2O7 – кислотный оксид
Задание: определите тип оксида Cr2O3.
Решение: Cr2O3 – оксид металла, и степень окисления металла в этом оксиде равна +3. Оксиды металлов в степенях окисления +3 и +4 относятся к амфотерным.
Ответ: Cr2O3 – амфотерный оксид.
Задание: определите тип оксида N2O.
Решение: N2O – оксид неметалла, и степень окисления неметалла в этом оксиде равна +1. Оксиды неметаллов в степенях окисления +1 и +2 относятся к несолеобразующим.
Ответ: N2O – несолеобразующий оксид.
Задание: определите тип оксида BeO.
Решение: оксид бериллия, а также оксид цинка являются исключениями. Несмотря на степень окисления металлов в них, равную +2, они амфотерны.
Ответ: BeO – амфотерный оксид.
С химическими свойствами оксидов можно ознакомиться здесь
Молекулярные постоянные 64 Zn 16 O, использованные для расчета термодинамических функций, приведены в табл. Zn.6.
Погрешности в рассчитанных термодинамических функциях обусловлены низкой точностью колебательных постоянных и энергий возбужденных состояния, а также отсутствием данных о вращательной структуре состояний и могут достигать 0.4, 0,5, 0,6 и 0.7 Дж × K ‑1 × моль ‑1 в Φº(T) при T = 298.15, 1000, 3000 и 6000 K, соответственно.
Константа равновесия ZnO(г) = Zn(г) + O(г) вычислена с использованием принятого значения энергии диссоциации:
Старые значения, полученные масс-спектрометрическим методом в работах [76GRA/HIR], [83СЕМ/ЮРК] и [84КАЗ/ЗВИ], как показали последующие измерения, выполненные тем же методом [93WAT/THI], [2000GUS/MAK] и [2003МАК/ГУС], по-видимому, ошибочны из-за возможности присутствия в препаратах (и/или материалах контейнера) примесей (наиболее вероятен селен), интерферирующих с искомым ZnO.
Работу [83WIC], приводящую к близкому результату, также следует считать ошибочной из-за того, что весь измеренный в работе эффект может относиться не к основному состоянию Zn(г), а к возбужденному. Анализ этого в работе [83WIC] отсутствует.
Принятой энергии диссоциации соотвествует величина:
Шенявская Е.А. eshen@orc.ru
Гусаров А.В. a-gusarov@yandex.ru
Класс точности 4-E
Оксид цинка ZnO(г)
Таблица Zn.5. Результаты определений энергии диссоциации молекулы ZnO (кДж × моль ‑1 ).
оксид цинка представляет собой химическое соединение формулы ZnO. Это неорганическое химическое соединение, используемое в качестве ингредиента в безрецептурных препаратах. Он также используется в основном в качестве добавки в пигментах и полупроводниках в различных отраслях промышленности..
Оксид цинка встречается в природе в цинките, минерале, обнаруженном в основном в Нью-Джерси, США. Цинцит имеет гексагональную кристаллическую структуру (mindat.org и Институт минералогии Хадсона, 2017).
Существует несколько процессов для синтеза оксида цинка, основными способами являются французский и американский метод.
Во французском процессе металлический цинк испаряется, а пар окисляется предварительно нагретым воздухом. Американский процесс использует различные неочищенные соединения цинка, которые восстанавливаются углеродом, образуя пары цинка. Затем пары цинка окисляются кислородом, присутствующим в воздухе, аналогично французскому процессу.
Другим способом синтеза оксида цинка является мокрый процесс, который заключается в очистке сульфата или хлорида цинка путем осаждения карбонатом. Затем осадок прокаливают для получения оксида цинка (формула оксида цинка, S.F.).
Физико-химические свойства
Оксид цинка представляет собой белое твердое вещество без аромата и горького вкуса (Национальный центр биотехнологической информации., 2017). Его внешний вид показан на рисунке 2.
Оксид цинка имеет две возможные структуры: гексагональную и кубическую, но гексагональные кристаллы являются наиболее распространенными. Соединение имеет молекулярную массу 81,38 г / моль и плотность 5,606 г / мл. Его температура плавления составляет 1975 ° C, где он начинает разлагаться (Royal Society of Chemistry, 2015).
ZnO представляет собой амфотерный оксид, который может растворяться в кислотах или щелочах в результате реакций:
ZnO + 2H + → Zn +2 + H2О
Оксид цинка нерастворим в воде (0,0004 г на 100 мл воды при 17 ° C). Низкая растворимость, которую он производит, дает водные растворы, которые имеют нейтральный уровень pH. Реагирует бурно с алюминиевой и магниевой пылью с опасностью пожара и взрыва.
Интимные смеси оксида цинка и хлорированного каучука с или без углеводородов или хлорированных растворителей бурно реагируют, даже при взрыве, при нагревании.
Медленное добавление оксида цинка для покрытия поверхности лака из льняного масла вызывает выделение тепла и возгорание (CAMEO, 2016).
Реактивность и опасности
Оксид цинка является стабильным соединением, которое не является легковоспламеняющимся и не проявляет несовместимости с другими химическими соединениями, но при нагревании выделяет токсичные пары. Соединение не токсично и не опасно при попадании внутрь или при контакте с кожей или глазами, однако соединение представляет опасность при вдыхании.
Вредная концентрация частиц в воздухе может быть достигнута быстро, особенно для частиц оксида цинка. Вдыхание паров может вызвать металлическую лихорадку со следующими симптомами:
Вещество, подобное дыму, раздражает дыхательные пути. Эффекты могут быть отложены. Симптомы металлической лихорадки дыма проявляются лишь через несколько часов (NIOSH, 2015).
В случае вдыхания пострадавшему должно быть разрешено отдыхать в хорошо проветриваемом помещении. Если вдыхание серьезное, пострадавшего следует как можно скорее эвакуировать в безопасное место..
Ослабьте тесную одежду, такую как воротник рубашки, ремни или галстук. Если пострадавшему трудно дышать, следует назначить кислород.
Если пострадавший не дышит, проводится реанимация из уст в уста. Всегда с учетом того, что человеку, оказывающему помощь в проведении реанимации изо рта в рот, может быть опасно, когда вдыхаемый материал является токсичным, инфекционным или коррозийным (Паспорт безопасности материала Оксид цинка, 2013 г.).
Несмотря на использование оксида цинка в качестве лекарственного средства, он очень токсичен для окружающей среды, особенно для водных организмов. Должны быть приняты немедленные меры для ограничения их распространения в окружающую среду в соответствии с установленными правилами.
наночастицы
Сегодня нанотехнологии работают в различных областях науки, воздействуя на материалы и устройства, используя различные методы нанометрового масштаба (Васим Мохаммад (Ph.D.), 2010)..
Наночастицы являются частью наноматериалов, которые определяются как отдельные частицы диаметром 1-100 нм..
В последние годы наночастицы стали общим материалом для разработки новых передовых приложений в области связи, хранения энергии, обнаружения, хранения данных, оптики, передачи, защиты окружающей среды, косметики, биологии и медицины благодаря их важные оптические, электрические и магнитные свойства.
В частности, уникальные свойства и полезность наночастиц также проистекают из множества атрибутов, включая схожие размеры наночастиц и биомолекул, таких как белки и полинуклеотидные кислоты. Кроме того, наночастицы могут быть сделаны с широким спектром металлов.
Наночастицы оксида металла, включая оксид цинка, являются универсальными платформами для биомедицинских применений и терапевтического вмешательства.
Существует острая необходимость в разработке новых классов противораковых агентов, и недавние исследования показывают, что наноматериалы ZnO являются очень многообещающими (John W. Rasmussen, 2010).
Эти наночастицы обладают антибактериальными, антикоррозийными, противогрибковыми и ультрафиолетовыми фильтрационными свойствами. Некоторыми синонимами наночастиц оксида цинка являются оксидатум, оксида цинка, перманентный белый цвет, кетоцинк и оксоцинк (AZoNano, 2013).
приложений
1- Медицина
Оксид цинка является одним из самых безопасных ингредиентов для защиты кожи от вредного воздействия ультрафиолетовых (УФ) лучей. УФ-лучи проникают в кожу и повреждают ткани, ускоряя процесс старения и высушивая кожу..
Эти лучи также увеличивают риск рака кожи. Солнцезащитные кремы, содержащие оксид цинка, фильтруют ультрафиолетовые лучи, предотвращая их проникновение в кожу и повреждение клеток..
Оксид цинка также эффективен при лечении кожи. Может использоваться для заживления ран, снижения чувствительности, связанной с солнечными ожогами, и смягчения потрескавшейся кожи..
Люди с дефицитом цинка, как правило, испытывают медленные циклы заживления ран. Когда оксид цинка наносится на область раны, он обеспечивает организм дополнительным количеством цинка, необходимого для восстановления клеток кожи. Оксид цинка помогает поддерживать влажную и чистую область раны.
Лосьоны и кремы, содержащие оксид цинка, являются эффективными вяжущими веществами кожи. Оксид цинка может быть нанесен для предотвращения образования избытка масла на поверхности..
Национальные институты здравоохранения сообщают, что местное и пероральное введение цинка, по-видимому, является безопасным и эффективным средством лечения прыщей (PEARSON, 2015).
Цинковая мазь может лучше всего действовать для этого общего состояния кожи при использовании в сочетании с актуальным антибиотиком эритромицином.
Из-за его антибактериальных и дезодорирующих свойств врачи обычно лечат опрелости с помощью мази с оксидом цинка. Обычно применяется при каждой смене подгузников для оптимальной эффективности..
Поддержание чистоты области подгузника и полное высыхание кожи перед нанесением мази из оксида цинка может помочь свести к минимуму выраженность сыпи на подгузнике..
По данным Американской академии дерматологии, мазь из оксида цинка может облегчить симптомы меланодермии. Мелазма является распространенным заболеванием кожи, которое вызывает появление коричневых пятен на лице, особенно на носу, щеках, губах и лбу подбородка..
Около 90 процентов случаев меланодермии встречаются у женщин. Наиболее часто встречается у людей с более темной кожей.
Небольшие раздражения кожи, такие как порезы, ожоги, царапины и ядовитый плющ, часто выигрывают от противовоспалительных свойств, содержащихся в мази с оксидом цинка. Вы можете наносить тонкий слой оксида цинка на пораженную кожу так часто, как это необходимо, чтобы снять раздражение и способствовать заживлению..
Защитное действие мази из оксида цинка на кожу делает ее одним из лучших безрецептурных средств лечения геморроя
2- Резиновая промышленность
Более 50% оксида цинка используется в резиновой промышленности. Благодаря процессу вулканизации отделка обладает более высокой прочностью на разрыв и стойкостью к набуханию и истиранию, а также эластична в более широком температурном диапазоне..
В своей простейшей форме вулканизация производится нагреванием каучука с серой (Encyclopædia Britannica, 2018).
Два компонента, которые играют важную роль в химии вулканизации, известны как «активаторы», обычно это оксид цинка и стеариновая кислота..
Эти соединения вступают в реакцию вместе и с ускорителями с образованием соединения сульфида цинка, которое, в свою очередь, является ключевым промежуточным соединением при добавлении серы к диеновому эластомеру и создании связей серы с образованием таких элементов, как шины, подошвы обувные и даже хоккейные шайбы (Гент, 2016).
3- Пигменты и краски
Наряду с льняным маслом (сушильным маслом, используемым в качестве транспортного средства) оксид цинка используется в качестве пигмента с 18-го века, что привело к быстрому расширению европейской лакокрасочной промышленности. Основные белые пигменты включают оксид цинка, сульфид цинка, литопон и диоксид титана (Encyclopædia Britannica, 1998).
4- Солнечные батареи
Очень важным применением является то, что оксид цинка широко используется в качестве буферного слоя в солнечных элементах CIGS (Copio Indio Gálio Selenido). В некоторых современных экспериментах основное внимание уделяется влиянию толщины ZnO на максимальную выходную мощность элементов..
5- пьезоэлектрический
Оксид цинка (ZnO) является интересным материалом с точки зрения проводимости. Он кристаллизуется в структуре вюрцита, и его соединение представляет собой смесь ионного и ковалентного. Монокристаллы высокой чистоты являются изоляторами.
Оксид цинка является хорошим полупроводником, когда в кристалле содержатся примеси алюминия. Поликристаллическая полупроводниковая керамика на основе оксида цинка ведет себя хорошо и подчиняется закону Ома.
Добавление небольшого количества других оксидов, таких как барий и хром, делает керамику на основе оксида цинка очень неомологическими электрическими свойствами.
6- Другое использование
Добавление оксида цинка помогает обрабатывать бетон, а также улучшает водостойкость.
Оксид цинка используется в сигаретных фильтрах и в качестве добавки в зерновых. Он также используется в ксерографии как фотопроводящий лист и как антикоррозийный.
Будущее высококачественного оксида цинка, несомненно, будет захватывающим. Потенциальные достижения для немедикаментозных применений даже превосходят таковые в современных медицинских целях.
Нанородный оксид цинка, спинтронные и пьезоэлектрические датчики являются очень многообещающими областями, и те, которые необходимо учитывать в недалеком будущем.
