ZINKOXID (ZNO): STRUKTUR, EIGENSCHAFTEN, VERWENDUNGEN, RISIKEN - CHEMIE - 2024

Das Zinkoxid ist eine anorganische Verbindung mit der chemischen Formel ZnO. Es besteht ausschließlich aus Zn ^{2+ -} und O ^2- -Ionen im Verhältnis 1: 1; Sein Kristallgitter kann jedoch eine O ² -Lücke aufweisen , was zu strukturellen Defekten führt, die die Farben seiner synthetischen Kristalle verändern können.

Es wird kommerziell als pulverförmiger weißer Feststoff (unteres Bild) erworben, der direkt aus der Oxidation von metallischem Zink nach dem französischen Verfahren hergestellt wird. oder Zinkerze einer carbothermischen Reduktion aussetzen, so dass ihre Dämpfe dann oxidieren und sich verfestigen.

Uhrglas mit Zinkoxid. Quelle: Adam Rędzikowski

Andere Verfahren zur Herstellung von ZnO bestehen darin, sein Hydroxid Zn (OH) ₂ aus wässrigen Lösungen von Zinksalzen auszufällen. Ebenso können morphologisch variierte Dünnfilme oder Nanopartikel aus ZnO durch ausgefeiltere Techniken wie die chemische Abscheidung seiner Dämpfe synthetisiert werden.

Dieses Metalloxid kommt in der Natur als Mineral Zinkit vor, dessen Kristalle aufgrund metallischer Verunreinigungen üblicherweise gelb oder orange sind. ZnO-Kristalle zeichnen sich dadurch aus, dass sie piezoelektrisch, thermochrom, lumineszierend, polar sind und auch ein sehr breites Energieband in ihren Halbleitereigenschaften aufweisen.

Strukturell ist es isomorph zu Zinksulfid, ZnS, und nimmt hexagonale und kubische Kristalle an, die denen von Wurzit bzw. Blende ähnlich sind. In diesen gibt es einen gewissen kovalenten Charakter in den Wechselwirkungen zwischen Zn ²⁺ und O ^2- , was zu einer heterogenen Ladungsverteilung im ZnO-Kristall führt.

Studien zu den Eigenschaften und Verwendungen von ZnO erstrecken sich auf die Bereiche Physik, Elektronik und Biomedizin. Die einfachste und alltäglichste Anwendung bleibt bei der Zusammensetzung von Gesichtscremes und Körperpflegeprodukten sowie bei Sonnenschutzmitteln unbemerkt.

Struktur

Polymorphe

ZnO kristallisiert unter normalen Druck- und Temperaturbedingungen in einer hexagonalen Wurzitstruktur. In dieser Struktur sind die Zn ^{2+ -} und O ^2- -Ionen in abwechselnden Schichten so angeordnet, dass jedes von einem Tetraeder mit ZnO ₄ bzw. OZn _{4 umgeben} ist.

Unter Verwendung einer "Schablone" oder eines kubischen Trägers kann ZnO auch dazu gebracht werden, zu einer kubischen Zinkblendestruktur zu kristallisieren; die wie Wurzit isomorphen Strukturen (räumlich identisch, aber mit unterschiedlichen Ionen) von Zinksulfid, ZnS, entsprechen.

Zusätzlich zu diesen beiden Strukturen (Wurzit und Blende) kristallisiert ZnO unter hohen Drücken (etwa 10 GPa) in der Steinsalzstruktur, genau wie NaCl.

Interaktionen

Die Wechselwirkungen zwischen Zn ²⁺ und O ^2- weisen einen bestimmten Charakter der Kovalenz auf, für den teilweise eine kovalente Zn-O-Bindung besteht (beide Atome mit sp ³ -Hybridisierung ), und aufgrund der Verzerrung der Tetraeder manifestieren sie einen Moment Dipol, der die Ionenanziehung von ZnO-Kristallen erhöht.

Blende- (links) und Wurzit- (rechts) Struktur von ZnO. Quelle: Gabriel Bolívar.

Sie haben das obere Bild, um die für die ZnO-Strukturen erwähnten Tetraeder zu visualisieren.

Der Unterschied zwischen der Blenda- und der Wurzitstruktur liegt auch darin, dass die Ionen von oben gesehen nicht verdunkelt werden. Zum Beispiel sind in Wurzit die weißen Kugeln (Zn ²⁺ ) direkt über den roten Kugeln (O ^2- ) zu sehen. Andererseits ist dies in der kubischen Mischstruktur nicht der Fall, da es drei Schichten gibt: A, B und C anstelle von nur zwei.

Nanopartikelmorphologie

Obwohl ZnO-Kristalle dazu neigen, hexagonale Wurzitstrukturen zu haben, ist die Morphologie ihrer Nanopartikel eine andere Geschichte. Abhängig von den Parametern und Synthesemethoden können diese so unterschiedliche Formen annehmen, wie z. B. Stäbchen, Platten, Blätter, Kugeln, Blüten, Gürtel, Nadeln.

Eigenschaften

Aussehen

Geruchloser, weißer, pulverförmiger Feststoff mit bitterem Geschmack. In der Natur kann es kristallisiert mit metallischen Verunreinigungen wie Zinkitmineral gefunden werden. Wenn solche Kristalle weiß sind, zeigen sie Thermochromie, was bedeutet, dass sie beim Erhitzen ihre Farbe ändern: von weiß nach gelb.

Ebenso können seine synthetischen Kristalle abhängig von ihrer stöchiometrischen Sauerstoffzusammensetzung rötliche oder grünliche Farben aufweisen; Mit anderen Worten, die Lücken oder Leerstellen, die durch das Fehlen von O ² -Anionen verursacht werden, wirken sich direkt auf die Art und Weise aus, in der Licht mit ionischen Netzwerken interagiert.

Molmasse

81,406 g / mol

Schmelzpunkt

1974 ° C. Bei dieser Temperatur wird es thermisch zersetzt, wobei Zinkdämpfe und molekularer oder gasförmiger Sauerstoff freigesetzt werden.

Dichte

5,1 g / cm ³

Wasserlöslichkeit

ZnO ist in Wasser praktisch unlöslich und führt bei 18ºC kaum zu Lösungen mit einer Konzentration von 0,0004%.

Amphoterismus

ZnO kann sowohl mit Säuren als auch mit Basen reagieren. Wenn es mit einer Säure in wässriger Lösung reagiert, erhöht sich seine Löslichkeit durch Bildung eines löslichen Salzes, in dem Zn ²⁺ mit Wassermolekülen komplexiert: ²⁺ . Zum Beispiel reagiert es mit Schwefelsäure unter Bildung von Zinksulfat:

ZnO + H ₂ SO ₄ → ZnSO ₄ + H ₂ O.

In ähnlicher Weise reagiert es mit Fettsäuren unter Bildung ihrer jeweiligen Salze wie Zinkstearat und Palmitat.

Und wenn es in Gegenwart von Wasser mit einer Base reagiert, entstehen die Zinksalze:

ZnO + 2NaOH + H ₂ O → Na ₂

Wärmekapazität

40,3 J / K mol

Direkte Energielücke

3.3 eV. Dieser Wert macht es zu einem Breitbandhalbleiter, der unter starken elektrischen Feldern arbeiten kann. Es hat auch die Eigenschaften eines Halbleiters vom n-Typ, was nicht erklärt wurde, warum es in seiner Struktur eine zusätzliche Versorgung mit Elektronen gibt.

Dieses Oxid zeichnet sich durch seine optischen, akustischen und elektronischen Eigenschaften aus, dank derer es als Kandidat für mögliche Anwendungen im Zusammenhang mit der Entwicklung optoelektronischer Bauelemente (Sensoren, Laserdioden, Photovoltaikzellen) gilt. Der Grund für solche Eigenschaften liegt außerhalb des Bereichs der Physik.

Anwendungen

Medizinisch

Zinkoxid wurde in vielen weißen Cremes als Zusatz zur Behandlung von Hautreizungen, Aknen, Dermatitis, Schürfwunden und Rissen verwendet. In diesem Bereich ist seine Verwendung beliebt, um Reizungen durch Windeln auf der Haut von Babys zu lindern.

Ebenso ist es Bestandteil von Sonnenschutzmitteln, da es zusammen mit Titandioxid-Nanopartikeln, TiO ₂ , die ultraviolette Strahlung der Sonne blockiert. Ebenso wirkt es als Verdickungsmittel, weshalb es in bestimmten Lichtzusammensetzungen enthalten ist. Lotionen, Emails, Pulver und Seifen.

Andererseits ist ZnO eine Zinkquelle, die in Nahrungsergänzungsmitteln und Vitaminprodukten sowie in Getreide verwendet wird.

Antibakteriell

Entsprechend der Morphologie seiner Nanopartikel kann ZnO unter ultravioletter Strahlung aktiviert werden, um Wasserstoffperoxide oder reaktive Spezies zu erzeugen, die die Zellmembranen von Mikroorganismen schwächen.

In diesem Fall furchen die verbleibenden ZnO-Nanopartikel das Zytoplasma und beginnen mit dem Kompendium der Biomoleküle, aus denen die Zelle besteht, zu interagieren, was zu ihrer Apoptose führt.

Deshalb können nicht alle Nanopartikel in Sonnenschutzzusammensetzungen verwendet werden, sondern nur solche, denen die antibakterielle Aktivität fehlt.

Produkte mit dieser Art von ZnO wurden entwickelt und mit löslichen Polymermaterialien beschichtet, um Infektionen, Wunden, Geschwüre, Bakterien und sogar Diabetes zu behandeln.

Pigmente und Beschichtungen

Das als Weißzink bekannte Pigment ist ZnO, das verschiedenen Farben und Beschichtungen zugesetzt wird, um Metalloberflächen vor Korrosion zu schützen. Beispielsweise werden Beschichtungen mit zugesetztem ZnO zum Schutz von verzinktem Eisen verwendet.

Andererseits wurden diese Beschichtungen auch auf Fensterglas verwendet, um zu verhindern, dass Wärme eindringt (wenn sie außen ist) oder eindringt (wenn sie innen ist). Ebenso schützt es einige polymere und textile Materialien vor einer Verschlechterung durch Sonneneinstrahlung und Wärme.

Bioimages

Die Lumineszenz der ZnO-Nanopartikel wurde für die Verwendung in der Bioabbildung untersucht, wodurch die inneren Strukturen von Zellen mithilfe der blauen, grünen oder orangefarbenen Lichter untersucht wurden, die strahlen.

Zusatzstoff

ZnO findet aufgrund seines niedrigeren Schmelzpunktes und seines Verhaltens als Flussmittel auch Verwendung als Additiv in Kautschuken, Zementen, Zahnputzmitteln, Gläsern und Keramiken.

Schwefelwasserstoffentferner

ZnO entfernt die unangenehmen Gase von H ₂ S und hilft, einige Gasdämpfe zu entschwefeln:

ZnO + H ₂ S → ZnS + H ₂ O.

Risiken

Zinkoxid als solches ist eine ungiftige und harmlose Verbindung, so dass der umsichtige Umgang mit seinem Feststoff kein Risiko darstellt.

Das Problem liegt jedoch in seinem Rauch, denn obwohl er sich bei hohen Temperaturen zersetzt, kontaminieren die Zinkdämpfe die Lunge und verursachen eine Art „Metallfieber“. Diese Krankheit ist gekennzeichnet durch Symptome von Husten, Fieber, ein Gefühl der Engegefühl in der Brust und einen konstanten metallischen Geschmack im Mund.

Es ist auch nicht krebserregend, und es wurde nicht gezeigt, dass Cremes, die es enthalten, die Absorption von Zink in die Haut erhöhen. Daher gelten Sonnenschutzmittel auf ZnO-Basis als sicher. es sei denn, es gibt allergische Reaktionen. In diesem Fall sollte die Verwendung eingestellt werden.

Bei bestimmten Nanopartikeln zur Bekämpfung von Bakterien können diese negative Auswirkungen haben, wenn sie nicht korrekt zu ihrem Wirkort transportiert werden.

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