תחמוצת אבץ (ZNO): מבנה, תכונות, שימושים, סיכונים - כִּימִיָה - 2025

תחמוצת האבץ היא תרכובת אורגנית עם הנוסחה הכימית ZnO. זה מורכב אך ורק מיוני Zn ²⁺ ו- O ^2- ביחס 1: 1; עם זאת, הסריג הגבישי שלה יכול להציג פנוי O ² , מה שמביא ליקויים מבניים המסוגלים לשנות את צבעי הגבישים הסינתטיים שלה.

זה נרכש באופן מסחרי כמוצק לבן אבקתי (תמונה נמוכה), המיוצר ישירות מחמצון של אבץ מתכתי על ידי התהליך הצרפתי; או להטיל עפרות אבץ להפחתה פחמימנית, באופן שאדיהם אז מתחמצנים ובסופו מתמצקים.

צפה בזכוכית עם תחמוצת אבץ. מקור: אדם רדז'יקובסקי

שיטות אחרות להכנת ZnO מורכבות מהזרמת ההידרוקסיד שלו, Zn (OH) ₂ , מתמיסות מימיות של מלחי אבץ. כמו כן, ניתן לסנתז סרטים דקים מגוונים מבחינה מורפולוגית או חלקיקים של ZnO על ידי טכניקות מתוחכמות יותר כמו למשל התמקדות כימית של אדיו.

תחמוצת מתכת זו נמצאת בטבע כינציט מינרל, אשר גבישים בדרך כלל צהובים או כתומים בגלל זיהומים מתכתיים. גבישי ZnO מאופיינים בכך שהם פיזואלקטריים, תרמוכרומיים, זוהרים, קוטביים, וגם על ידי בעלי פס אנרגיה רחב מאוד בתכונות המוליכים למחצה שלהם.

מבחינה מבנית, זה איזומורפי לאבץ סולפיד, ZnS, מאמצ גבישים משושים וקוביים הדומים לאלה של בורזיט ומנדה, בהתאמה. באלה יש אופי קוולנטי מסוים באינטראקציות בין Zn ²⁺ ל- O ^2- מה שגורם להתפלגות הטרוגנית של מטענים בגביש ה- ZnO.

מחקרים על תכונות ושימושים של ZnO נרחבים בתחומי הפיזיקה, האלקטרוניקה והביו-רפואה. השימושים הפשוטים והיומיומיים ביותר שלו לא מתבוננים בהרכב קרמי פנים ומוצרי היגיינה אישית, כמו גם בקרם הגנה.

מִבְנֶה

פולימורפים

ZnO מתגבש בתנאי לחץ וטמפרטורה רגילים במבנה בורזיט משושה. במבנה זה, יוני ה- Zn ²⁺ ו- O ^2- מסודרים בשכבות מתחלפות, באופן שכל אחד מהם מוקף בטטרהדרון, עם ZnO ₄ או OZn ₄ , בהתאמה.

כמו כן, באמצעות "תבנית" או תומך מעוקב, ניתן ליצור ZnO להתגבש למבנה תערובת אבץ מעוקב; אשר בדומה לוורזיט, תואמים מבנים איזומורפיים (זהים בחלל אך עם יוני שונים) של אבץ גופרתי, ZnS.

בנוסף לשני מבנים אלה (ורזיט ובלנדה), ZnO בלחצים גבוהים (סביב 10 GPa) מתגבש במבנה מלח הסלעים, זהה לזה של NaCl.

אינטראקציות

האינטראקציות בין Zn ²⁺ ל- O ^2- מציגות דמות מסוימת של קוולנס, שלגביה קיים קשר חלקי Zn-O (שניהם אטומים עם הכלאה sp ³ ), ובגלל עיוות הטטרהדרה הם מבטאים רגע דיפול שמוסיף לאטרקציות היוניות של גבישי ZnO.

מבנה Blende (משמאל) ו- wurzite (מימין) של ZnO. מקור: גבריאל בוליבר.

יש לך את התמונה העליונה כדי לדמיין את הטטרה -דרה המוזכרת למבני ZnO.

ההבדל בין מבני הבלנדה וורזיט טמון גם בזה שנראה מלמעלה, היונים אינם מוגדרים. לדוגמה, בוורזיט, הכדוריות הלבנות (Zn ²⁺ ) נראות ממש מעל הכדוריות האדומות (O ^2- ). מצד שני, במבנה הבלנד המעוקב זה לא המקרה מכיוון שיש שלוש שכבות: A, B ו- C במקום רק שתיים.

מורפולוגיה של ננו-חלקיקים

למרות שגבישי ה- ZnO נוטים למבני וורזיט משושים, המורפולוגיה של חלקיקי הננו שלהם היא סיפור אחר. בהתאם לפרמטרים ושיטות הסינתזה, אלה יכולים ללבוש צורות מגוונות כמו מוטות, צלחות, עלים, כדורים, פרחים, חגורות, מחטים, בין היתר.

נכסים

מראה חיצוני

מוצק אבקתי לבן ללא ריח עם טעם מר. בטבע אפשר למצוא אותו מגובש, עם זיהומים מתכתיים, כמו מינרל אבץ. אם גבישים כאלה הם לבנים, הם מראים תרמוכרומיזם, מה שאומר שכאשר הם מחוממים הם משנים את צבעם: מלבן לצהוב.

כמו כן, הגבישים הסינתטיים שלה יכולים להציג צבעים אדמדמים או ירקרקים בהתאם להרכב החמצן הסטויו-מטרי שלהם; במילים אחרות, הפערים או המשרות הפנויות שנגרמות כתוצאה ממחסור ^{באנונים} O ^2- משפיעים ישירות על הדרך בה אור מתקשר עם רשתות יוניות.

מסה מולארית

81.406 גרם / מול

נקודת המסה

1974 מעלות צלזיוס. בטמפרטורה זו הוא עובר פירוק תרמי ומשחרר אדי אבץ וחמצן מולקולרי או גזי.

צְפִיפוּת

5.1 גרם / ס"מ ³

מסיסות במים

ZnO כמעט ולא מסיס במים, כמעט ולא מוליד פתרונות בריכוז של 0.0004% בחום של 18 מעלות צלזיוס.

אמפוטריזם

ZnO יכול להגיב עם חומצות ובסיסים כאחד. כאשר הוא מגיב עם חומצה בתמיסה מימית, המסיסות שלה עולה על ידי יצירת מלח מסיס בו Zn ²⁺ בסופו של דבר מורכב עם מולקולות מים: ²⁺ . לדוגמה, הוא מגיב עם חומצה גופרתית לייצור אבץ גופרתי:

ZnO + H ₂ SO ₄ → ZnSO ₄ + H ₂ O

באופן דומה, היא מגיבה עם חומצות שומן ליצירת מלחים בהתאמה שלהן, כמו אבץ סטייראט ופלמיטיט.

וכאשר הוא מגיב עם בסיס, בנוכחות מים, נוצרים מלחי האבץ:

ZnO + 2NaOH + H ₂ O → Na ₂

קיבולת חום

40.3 J / K מול

פער אנרגיה ישיר

3.3 eV. ערך זה הופך אותו למוליך למחצה פס רחב, המסוגל לפעול תחת שדות חשמליים עזים. יש לו גם מאפיינים של להיות מוליך למחצה מסוג n, שלא הוסבר מדוע יש אספקה ​​נוספת של אלקטרונים במבנה שלו.

תחמוצת זו נבדלת בתכונותיה האופטיות, האקוסטיות והאלקטרוניות, שבזכותה היא נחשבת כמועמדת ליישומים פוטנציאליים הקשורים לפיתוח מכשירים אופטואלקטוניים (חיישנים, דיודות לייזר, תאים פוטו-וולטאים). הסיבה לתכונות כאלה היא מעבר לתחום הפיזיקה.

יישומים

תְרוּפָתִי

תחמוצת אבץ שימשה כתוסף בקרמים לבנים רבים לטיפול בגירויים בעור, אקנה, דרמטיטיס, שפשופים וסדקים. בתחום זה השימוש בו פופולרי להפגת גירויים הנגרמים מחיתולים על עורם של תינוקות.

באופן דומה, זהו מרכיב של מסנני קרינה, מכיוון שביחד עם חלקיקי ננו-דו תחמוצת טיטניום, TiO ₂ , הוא מסייע בחסימת הקרינה האולטרה-סגולה של השמש. כמו כן, הוא משמש כחומר לעיבוי, וזו הסיבה שהוא נמצא באיפור אור מסוים, קרמים, אמיילים, אבקות וסבונים.

מצד שני, ZnO הוא מקור לאבץ המשמש בתוספי תזונה ובמוצרי ויטמין, כמו גם בדגנים.

אנטי בקטריאלי

על פי המורפולוגיה של חלקיקי הננו, ניתן להפעיל את ה- ZnO תחת קרינה אולטרה סגולה כדי ליצור מי חמצן או מינים תגוביים המחלישים את קרומי התא של מיקרואורגניזמים.

כאשר זה קורה, חלקיקי החלקיקים הנותרים של ZnO חורשים את הציטופלזמה ומתחילים ליצור אינטראקציה עם קומפנדיום של ביומולקולות המרכיבות את התא, וכתוצאה מכך אפופטוזיס שלהם.

זו הסיבה שלא ניתן להשתמש בכל החלקיקים הננו בקומפוזיציות קרם הגנה מפני השמש, אלא רק כאלה חסרי פעילות אנטיבקטריאלית.

מוצרים עם ZnO מסוג זה מיועדים, מצופים בחומרים פולימריים מסיסים, לטיפול בזיהומים, פצעים, כיבים, חיידקים ואפילו סוכרת.

פיגמנטים וציפויים

הפיגמנט הידוע בשם אבץ לבן הוא ZnO, אשר מתווסף לצבעים וציפויים שונים כדי להגן על משטחי מתכת במקום בהם הם מוחלים מפני קורוזיה. לדוגמא, ציפויים עם תוספת ZnO משמשים להגנה על ברזל מגולוון.

מצד שני, ציפויים אלה שימשו גם על זכוכית חלון כדי למנוע חדירת חום (אם הוא בחוץ) או להיכנס (אם הוא בפנים). באופן דומה, הוא מגן על חומרים פולימריים וטקסטיל מפני הידרדרות כתוצאה מפעולה של קרינת שמש וחום.

תמונות ביו

הזוהר של חלקיקי ה- ZnO נחקר לשימוש בתמונות ביולוגיות, ובכך חקר את המבנים הפנימיים של התאים באמצעות האורות הכחולים, הירוקים או הכתומים שמקרינים.

תוסף

ZnO מוצא שימוש גם כתוסף לתופעות גומי, מלט, טיפולי שיניים, כוסות וקרמיקה, בגלל נקודת ההיתוך התחתונה שלו, ולכן הוא מתנהג כחומר נוזל.

מסיר מימן גופרתי

ZnO מסלק את הגזים הלא נעימים של H ₂ S, ועוזר להרגיע את אדי הגזים של כמה גזים:

ZnO + H ₂ S → ZnS + H ₂ O

סיכונים

תחמוצת אבץ ככזו היא תרכובת לא רעילה ולא מזיקה, ולכן הטיפול השמור במוצק שלה אינו מהווה שום סיכון.

ואולם הבעיה נעוצה בעשן שלה, מכיוון שהוא אמנם מתפרק בטמפרטורות גבוהות, אבל אדי האבץ מזהמים את הריאות וגורמים לסוג של "קדחת מתכת". מחלה זו מאופיינת בסימפטומים של שיעול, חום, תחושת לחץ בחזה וטעם מתכתי קבוע בפה.

הוא גם אינו מסרטן, ולא הוכח כי קרמים המכילים אותו מגבירים את ספיגת האבץ בעור, ולכן מסנני קרינה מבוססי ZnO נחשבים לבטוחים; אלא אם כן יש תגובות אלרגיות, ובמקרה זה יש להפסיק את השימוש בה.

לגבי חלקיקים מסוימים המיועדים להילחם בחיידקים, אלה עלולים להשפיע לרעה אם הם לא מועברים נכון לאתר הפעולה שלהם.

הפניות

1. שיבר ואטקינס. (2008). כימיה אורגנית. (גרסה רביעית). מק גריי היל.
2. ויקיפדיה. (2019). תחמוצת אבץ. התאושש מ: en.wikipedia.org
3. האדיס מורקוס ואמיט אוגור. (2009). תחמוצת אבץ: יסודות, חומרים וטכנולוגיית מכשירים. . התאושש מ: application.wiley-vch.de
4. Parihar, M. Raja and R. Paulose. (2018). סקירה קצרה של תכונות מבניות, חשמל ואלקטרוכימיה של חלקיקי ננו תחמוצת אבץ. . התאושש מ: ipme.ru
5. א. רודני ורביעי חודיוק. (2011). תכונות אופטיות וזוהרות של תחמוצת אבץ. התאושש מ: arxiv.org
6. Siddiqi, KS, Ur Rahman, A., Tajuddin, & Husen, A. (2018). מאפיינים של חלקיקים מחמצני אבץ ופעילותם נגד חיידקים. מכתבי מחקר ננומטריים, 13 (1), 141. doi: 10.1186 / s11671-018-2532-3
7. ChemicalSafetyFacts. (2019). תחמוצת אבץ. התאושש מ: Chemicalafetyfacts.org
8. ג'ינחואן ג'יאנג, ג'יאנג פי וג'יי קאי. (2018). הקידום של חלקיקי ננו תחמוצת אבץ ליישומים ביו-רפואיים. כימיה ויישומים ביו-אורגניים, כרך א '. 2018, ת.ז. 1062562, 18 עמודים. doi.org/10.1155/2018/1062562