أكسيد الزنك (ZNO): التركيب ، الخصائص ، الاستخدامات ، المخاطر - كيمياء - 2025

و أكسيد الزنك هو مركب غير عضوي له الصيغة الكيميائية أكسيد الزنك. يتكون فقط من Zn ²⁺ و ^O2- أيونات بنسبة 1: 1 ؛ ومع ذلك، يمكن شعرية لها البلورية يقدم O ^2- الشغور ، الذي يؤدي إلى عيوب هيكلية قادرة على تغيير الألوان من بلورات الاصطناعية لها.

يتم الحصول عليها تجارياً كمادة صلبة مسحوقية بيضاء (الصورة السفلية) ، والتي يتم إنتاجها مباشرة من أكسدة الزنك المعدني بواسطة العملية الفرنسية ؛ أو تعريض خامات الزنك لتقليل الكربوهيدرات ، بحيث تتأكسد أبخرتها وتتصلب في النهاية.

مشاهدة الزجاج بأكسيد الزنك. المصدر: Adam Rędzikowski

تتكون الطرق الأخرى لتحضير ZnO من ترسيب هيدروكسيده ، Zn (OH) ₂ ، من المحاليل المائية لأملاح الزنك. وبالمثل ، يمكن تصنيع الأغشية الرقيقة المتنوعة شكليًا أو الجسيمات النانوية من ZnO بتقنيات أكثر تطورًا مثل الترسيب الكيميائي لأبخرة.

تم العثور على أكسيد المعدن هذا في الطبيعة مثل معدن الزنك ، وعادة ما تكون بلوراته صفراء أو برتقالية بسبب الشوائب المعدنية. تتميز بلورات ZnO بكونها كهرضغطية ، حرارية ، مضيئة ، قطبية ، وأيضًا بامتلاك نطاق طاقة واسع جدًا في خواصها شبه الموصلة.

من الناحية الهيكلية ، يتشابه مع كبريتيد الزنك ، ZnS ، اعتمادًا على بلورات سداسية ومكعبة مماثلة لتلك الموجودة في wurzite و blende ، على التوالي. في هذه هناك شخصية تساهمية معينة في التفاعلات بين Zn ²⁺ و O ^2- ، مما يجعل هناك توزيعًا غير متجانس للشحنات في بلورة ZnO.

تمتد دراسات خصائص واستخدامات ZnO إلى مجالات الفيزياء والإلكترونيات والطب الحيوي. أبسط الاستخدامات اليومية وأكثرها لا يلاحظها أحد في كريمات الوجه ومنتجات النظافة الشخصية ، وكذلك في واقي الشمس.

بناء

تعدد الأشكال

يتبلور ZnO تحت ظروف الضغط ودرجة الحرارة العادية في هيكل wurzite سداسي. في هذا الهيكل ، يتم ترتيب أيونات Zn ²⁺ و O2 ^- في طبقات متناوبة ، بحيث ينتهي كل منها بمحاطة رباعي السطوح ، مع ZnO ₄ أو OZn ₄ ، على التوالي.

أيضًا ، باستخدام "قالب" أو دعامة مكعبة ، يمكن جعل ZnO يتبلور في هيكل مزيج الزنك المكعب ؛ والتي ، مثل wurzite ، تتوافق مع الهياكل المتشابهة (متطابقة في الفضاء ولكن مع أيونات مختلفة) من كبريتيد الزنك ، ZnS.

بالإضافة إلى هذين الهيكلين (wurzite و blende) ، يتبلور ZnO تحت ضغوط عالية (حوالي 10 جيجا باسكال) في بنية الملح الصخري ، تمامًا مثل كلوريد الصوديوم.

التفاعلات

التفاعلات بين Zn ²⁺ و O ^2- تقدم طابعًا معينًا من التساهم ، حيث يوجد جزئيًا رابطة تساهمية Zn-O (كلتا الذرتين مع تهجين sp ³) ، وبسبب تشوه رباعي الوجوه ، فإنها تظهر لحظة ثنائي القطب الذي يضيف إلى عوامل الجذب الأيونية لبلورات ZnO.

Blende (يسار) و wurzite (يمين) هيكل ZnO. المصدر: غابرييل بوليفار.

لديك الصورة العلوية لتصور رباعي السطوح المذكورة لهياكل ZnO.

يكمن الاختلاف بين هياكل blenda و wurzite أيضًا في تلك التي تُرى من الأعلى ، فالأيونات لا تنكسر. على سبيل المثال ، في wurzite ، تُرى الكرات البيضاء (Zn ²⁺) فوق الكرات الحمراء (O ^2-). من ناحية أخرى ، ليس هذا هو الحال في بنية blende التكعيبية لأن هناك ثلاث طبقات: A و B و C بدلاً من طبقتين فقط.

مورفولوجيا الجسيمات النانوية

على الرغم من أن بلورات ZnO تميل إلى أن يكون لها هياكل سداسية من wurzite ، إلا أن شكل جسيمات نانوية لها قصة أخرى. اعتمادًا على المعلمات وطرق التجميع ، يمكن أن تتخذ أشكالًا متنوعة مثل القضبان ، والألواح ، والأوراق ، والمجالات ، والزهور ، والأحزمة ، والإبر ، وغيرها.

الخصائص

مظهر جسماني

مسحوق أبيض عديم الرائحة صلبة بطعم مر. في الطبيعة يمكن العثور عليها متبلورة ، مع شوائب معدنية ، مثل معدن الزنك. إذا كانت هذه البلورات بيضاء ، فإنها تظهر صبغة حرارية ، مما يعني أنه عند تسخينها فإنها تغير لونها: من الأبيض إلى الأصفر.

وبالمثل ، يمكن أن تظهر بلوراتها الاصطناعية ألوانًا ضاربة إلى الحمرة أو الخضرة اعتمادًا على تركيبة الأكسجين المتكافئ ؛ وبعبارة أخرى، فإن الفجوات أو الشواغر الناجمة عن عدم وجود O ^2- الأنيونات تؤثر بشكل مباشر على الطريقة التي يتفاعل الخفيفة مع شبكات الأيونية.

الكتلة المولية

81.406 جم / مول

نقطة الانصهار

1974 درجة مئوية. عند هذه الدرجة يخضع للتحلل الحراري ويطلق أبخرة الزنك والأكسجين الجزيئي أو الغازي.

كثافة

5.1 جم / سم ³

الذوبان في الماء

ZnO غير قابل للذوبان عمليًا في الماء ، وبالكاد ينتج عنه حلول بتركيز 0.0004٪ عند 18 درجة مئوية.

أمفوتريكسم

يمكن أن يتفاعل ZnO مع كل من الأحماض والقواعد. عندما يتفاعل مع حمض في محلول مائي ، تزداد قابليته للذوبان عن طريق تكوين ملح قابل للذوبان حيث ينتهي Zn ²⁺ بالتعقيد مع جزيئات الماء: ²⁺. على سبيل المثال ، يتفاعل مع حامض الكبريتيك لإنتاج كبريتات الزنك:

ZnO + H ₂ SO ₄ → ZnSO ₄ + H ₂ O

وبالمثل ، فإنه يتفاعل مع الأحماض الدهنية لتكوين أملاحها الخاصة ، مثل إستيرات الزنك وبالميتات.

وعندما تتفاعل مع قاعدة ، في وجود الماء ، تتشكل أملاح الزنك:

ZnO + 2NaOH + H ₂ O → Na ₂

السعة الحرارية

40.3 جول / ك مول

فجوة الطاقة المباشرة

3.3 فولت. تجعل هذه القيمة من أشباه الموصلات ذات النطاق العريض ، قادرة على العمل في ظل مجالات كهربائية مكثفة. كما أن لها خصائص كونها أشباه موصلات من النوع n ، والتي لم تكن قادرة على تفسير أسباب وجود مساهمة إضافية للإلكترونات في بنيتها.

يتميز هذا الأكسيد بخصائصه البصرية والصوتية والإلكترونية ، وبفضله يعتبر مرشحًا للتطبيقات المحتملة المتعلقة بتطوير الأجهزة الإلكترونية الضوئية (أجهزة الاستشعار ، صمامات الليزر ، الخلايا الكهروضوئية). سبب هذه الخصائص هو خارج مجال الفيزياء.

التطبيقات

طبي

يستخدم أكسيد الزنك كمادة مضافة في العديد من الكريمات البيضاء لعلاج تهيج الجلد ، حب الشباب ، التهاب الجلد ، السحجات والشقوق. في هذه المنطقة ، يعتبر استخدامه شائعًا لتخفيف التهيج الناجم عن الحفاضات على جلد الأطفال.

وبالمثل، بل هو مكون من واقيات الشمس، لأن جنبا إلى جنب مع جزيئات ثاني أكسيد التيتانيوم، تيو ₂ ، فإنه يساعد على منع أشعة الشمس فوق البنفسجية. وبالمثل، فإنه يعمل كعامل سماكة، وهذا هو السبب انها وجدت في بعض الماكياج الخفيف، المستحضرات والمينا والمساحيق والصابون.

من ناحية أخرى ، يعتبر ZnO مصدرًا للزنك المستخدم في المكملات الغذائية ومنتجات الفيتامينات ، وكذلك في الحبوب.

مضاد للجراثيم

وفقًا لتشكل الجسيمات النانوية ، يمكن تنشيط ZnO تحت الأشعة فوق البنفسجية لتوليد بيروكسيدات الهيدروجين أو الأنواع التفاعلية التي تضعف أغشية الخلايا للكائنات الحية الدقيقة.

عندما يحدث هذا ، فإن الجسيمات النانوية المتبقية من ZnO تخترق السيتوبلازم وتبدأ في التفاعل مع خلاصة الجزيئات الحيوية التي تتكون منها الخلية ، مما يؤدي إلى موت الخلايا المبرمج.

هذا هو السبب في أنه لا يمكن استخدام جميع الجسيمات النانوية في تركيبات واقية من الشمس ، ولكن فقط تلك التي تفتقر إلى النشاط المضاد للبكتيريا

المنتجات التي تحتوي على هذا النوع من ZnO مخصصة ، مغطاة بمواد بوليمرية قابلة للذوبان ، لعلاج الالتهابات والجروح والقروح والبكتيريا وحتى مرض السكري.

أصباغ وطلاءات

الصباغ المعروف باسم الزنك الأبيض هو ZnO ، والذي يضاف إلى العديد من الدهانات والطلاء لحماية الأسطح المعدنية حيث يتم تطبيقها من التآكل. على سبيل المثال ، يتم استخدام الطلاءات المضاف إليها ZnO لحماية الحديد المجلفن.

من ناحية أخرى ، تم استخدام هذه الطلاءات أيضًا على زجاج النوافذ لمنع الحرارة من الاختراق (إذا كانت بالخارج) أو الدخول (إذا كانت بالداخل). وبالمثل ، فإنه يحمي بعض المواد البوليمرية والنسيجية من التلف بسبب تأثير الأشعة الشمسية والحرارة.

صور بيولوجية

تمت دراسة تألق الجسيمات النانوية ZnO لاستخدامها في التصوير الحيوي ، وبالتالي دراسة الهياكل الداخلية للخلايا من خلال الأضواء الزرقاء أو الخضراء أو البرتقالية التي تشع.

مادة مضافة

يجد ZnO أيضًا استخدامه كمادة مضافة في المطاط ، والأسمنت ، ومعجون الأسنان ، والزجاج ، والسيراميك ، نظرًا لانخفاض نقطة انصهاره ، وبالتالي ، يتصرف كعامل تدفق.

مزيل كبريتيد الهيدروجين

يزيل ZnO الغازات غير المستحبة من H ₂ S ، مما يساعد على إزالة الكبريت من بعض أبخرة الغاز:

ZnO + H ₂ S → ZnS + H ₂ O

المخاطر

أكسيد الزنك على هذا النحو مركب غير سام وغير ضار ، لذا فإن التعامل الحكيم مع صلبه لا يمثل أي خطر.

تكمن المشكلة ، مع ذلك ، في دخانه ، لأنه على الرغم من تحللها في درجات الحرارة العالية ، فإن أبخرة الزنك تلوث الرئتين وتسبب نوعًا من "الحمى المعدنية". يتميز هذا المرض بأعراض السعال والحمى والشعور بضيق في الصدر وطعم معدني دائم في الفم.

كما أنه ليس مادة مسرطنة ، ولم يثبت أن الكريمات المحتوية عليه تزيد من امتصاص الجلد للزنك ، لذلك تعتبر واقيات الشمس التي تحتوي على ZnO آمنة ؛ ما لم تكن هناك ردود فعل تحسسية ، وفي هذه الحالة يجب التوقف عن استخدامه.

فيما يتعلق ببعض الجسيمات النانوية المصممة لمكافحة البكتيريا ، يمكن أن يكون لها آثار سلبية إذا لم يتم نقلها بشكل صحيح إلى موقع عملها.

المراجع

1. رجفة وأتكينز. (2008). الكيمياء غير العضوية. (طبعة رابعة). ماك جراو هيل.
2. ويكيبيديا. (2019). أكسيد الزنك. تم الاسترجاع من: en.wikipedia.org
3. هادس مرقش وأميت أوزغور. (2009). أكسيد الزنك: الأساسيات والمواد وتكنولوجيا الأجهزة.. تم الاسترجاع من: application.wiley-vch.de
4. باريهار ، إم. رجا و ر. بولوز. (2018). استعراض موجز للخواص الهيكلية والكهربائية والكهروكيميائية لجسيمات أكسيد الزنك النانوية.. تم الاسترجاع من: ipme.ru
5. A. Rodnyi و IV Khodyuk. (2011). الخواص الضوئية والتلألئة لأكسيد الزنك. تم الاسترجاع من: arxiv.org
6. صديقي ، كانساس ، أور الرحمن ، أ. ، تاج الدين ، وحسين ، أ. (2018). خواص جزيئات أكسيد الزنك النانوية ونشاطها ضد الميكروبات. رسائل البحث النانوية ، 13 (1) ، 141. دوى: 10.1186 / s11671-018-2532-3
7. حقائق السلامة الكيميائية. (2019). أكسيد الزنك. تم الاسترجاع من: chemicalafetyfacts.org
8. Jinhuan Jiang و Jiang Pi و Jiye Cai. (2018). تقدم جزيئات أكسيد الزنك النانوية للتطبيقات الطبية الحيوية. الكيمياء الحيوية العضوية والتطبيقات ، المجلد. 2018 ، معرف المقالة 1062562 ، 18 صفحة. doi.org/10.1155/2018/1062562