Цинк-оксид
Цинк оксид је неорганско једињење са хемијском формулом ZnO.[4][5] Обично је у облику белог праха, готово нерастворног у води. Прах цинк оксида има широку употребу као адитив у бројним материјалима и производима, нпр. пластика, керамика, стакло, цемент, гума, лубриканти, боје, масти, лепак, заптивне смеше, пигменти, храна, батерије, успоривачи горења, траке за прву помоћ, итд. Цинк оксид је присутан у Земљиној кори као минерал цинкит, али се већина комерцијално кориштеног цинк оксида производи вештачким поступком.
| |
| Називи | |
|---|---|
| Други називи
Каламин
Цинково белило | |
| Идентификација | |
| ChEBI | |
| ChemSpider | |
| ECHA InfoCard | 100.013.839 |
| EC број | 215-222-5 |
| RTECS | ЗХ4810000 |
| Својства | |
| ZnO | |
| Моларна маса | 81,408 g/mol |
| Агрегатно стање | бела чврста материја |
| Мирис | без мирсиа |
| Густина | 5,606 g/cm3 |
| Тачка топљења | 1975 °C (razlaže se)[3] |
| Тачка кључања | 2360 °C |
| 0.16 mg/100 mL (30 °C) | |
| Енергијска баријера | 3.3 eV |
| Индекс рефракције (nD) | 2.0041 |
| Термохемија | |
| Стандардна моларна ентропија S |
43.9 J·K−1mol−1 |
Стд енталпија
формирања (ΔfH⦵298) |
-348.0 kJ/mol |
| Опасности | |
| Безбедност приликом руковања | ICSC 0208 |
ЕУ класификација (ДСД)
|
Опасан за животну средину (N) |
| R-oznake | R50/53 |
| S-oznake | S60, S61 |
| NFPA 704 | |
| Tačka paljenja | 1436 °C |
| Сродна једињења | |
Други ањони
|
Цинк сулфид Цинк селенид Цинк телурид |
Други катјони
|
Кадмијум оксид Жива(II) оксид |
Уколико није другачије напоменуто, подаци се односе на стандардно стање материјала (на 25 °C [77 °F], 100 kPa). | |
 верификуј (шта је   ?)
| |
| Референце инфокутије | |
У науци о материјалима, цинк оксид се често назива полупроводником II-VI групе, због тога што цинк и кисеоник припадају другој и шестој групи респективно. Овај полупроводник има неколико погодних особина: добра транспаренција, висока покретљивост електрона, широка разлика између енергетских нивоа, јака луминисценција на собној температури, итд. Ове особине се користе у производњи транспарентних електрода у дисплејима са течним кристалима, прозорима за уштеду енергије, транзисторима са танким филмом, ЛЕД диодама, итд.
Хемијске особине
уредиZnO се појављује као бели прах познат као цинково белило или као минерал цинкит. Минерал обично садржи одређену количину мангана и других елемената и то даје му жуту или црвену боју.[6] Кристални цинк оксид је термохромна супстанца, чија се боја мења од беле до жуте када се загрева на ваздуху и враћа се у белу при хлађењу.[7] Промена боје је узрокована врло малим губитком кисеоника на високој температури, при чему настаје спој нестехиометријског састава: Zn1+xO, где на 800 °C, x = 0.00007.[7]
Цинк оксид је амфотеран оксид. Готово је нерастворљив у води и алкохолу, али је растворљив у већини киселина (нпр. хлороводонична киселина), и разграђује се при растварању:[8][9]
Базе такође разграђују цинк оксид, при чему настају растворљиви цинкати:
ZnO споро реагује са масним киселинама у уљима при чему настају карбоксилати, као нпр. олеати и стеарати. ZnO ствара производе сличне цементу када се помеша са концентрованим воденим раствором цинк хлорида, који су по саставу цинк хидрокси хлориди.[10] Овај цемент се раније користио у стоматологији.[11]
ZnO такође ствара једињења слична цементу када реагује са фосфорном киселином и неки од ових материјала се користе у стоматологији.[11] Главна компонента овако насталог цинк фосфатног цемента је хопеит, Zn3(PO4)2•4H2O.[12]
ZnO се разлаже у цинкове паре и кисеоник на температури око 1975 °C, што указује на његову значајну стабилност. Загревање са угљеником преводи оксид у метал, који је више испарљив од оксида.[13]
Цинк оксид може да бурно реагује са алуминијумом и магнезијумом у праху. Са хлорисаном гумом и ланеним уљем при загревању може да изазове пожар и експлозију.[14][15]
ZnO реагује са водоник сулфидом при чему настаје сулфид. Ова реакције се користи комерцијално при уклањању H2S користећи ZnO прах (нпр. као дезодоранс).
Када се масти које садрже ZnO и вода растопе и изложе ултраљубичастој свјетлости, настаје водоник пероксид.[9]
Физичке особине
уреди
Кристална структура
уредиЦинк оксид се кристалише у две форме: хексагонални (вурзит), кубни (цинкбленд). На собној температури је најстабилнија структура вурзита и због тога је најчешћа. Структура цинкбленда се може стабилисати кристализацијом ZnO на супстрату са кубном кристалном решетком. У оба случаја цинк и кисеоник су у центру тетраедра. Структура камене соли (тип структуре натријум хлорида) се појављује само при високом притиску, око 10 Gpa.[16]
Хексагонални облик и цинкбленд су полиморфи који немају инверзиону симетрију. Ова и друге особине симетрије кристалне решетке резултују као пиезоелектрицитет) хексагоналног ZnO и цинкбленда, те пироелектрицитета хексагоналног ZnO.
Као што је случај код већине једињења елемената друге и шесте групе хемијских елемената, веза у ZnO је већином јонска, чиме се објашњава пиезоелектрицитет. Због поларизације Zn – O везе, цинк носи позитиван, а кисеоник негативан електрични набој.
Механичке особине
уредиZnO је релативно мек материјал са приближном тврдоћом 4,5 на Мосовој скали.[17] Висок топлотни капацитет и топлотна проводљивост, ниска термална експанзија и висока тачка топљења су погодне особине за керамике.[18]
ZnO има највећи пиезоелектрични ефекат међу тетраедарски везаним полупроводницима. Он је сличан галијум нитриду GaN.[19] Ова особина чини ZnO технолошки важним материјалом.
Производња
уредиЗа индустријску употребу ZnO се производи у нивоима од 105 тона годишње[6] путем три поступка:[18]
Индиректни (француски) процес
уредиМетални цинк се топи у графитној посуди и испарава на температури изнад 907 °C (типично око 1000 °C). Цинкове паре одмах реагују са кисеоником из ваздуха при чему настаје ZnO, при чему долази до пада температуре и јаке луминисценције. Честице цинк оксида се проводе у цев за хлађење и скупљају у кућишту. Овај индиректни метод је популарисао LeClaire (Француска) у 1844. и због тога се назива француски процес. Производ се састоји од агломерата честица цинк оксида, чија је просечна величина 0.1 до неколико микрометара.
Директни (амерички) процес
уредиКод директног поступка, улазни материјали су разни контаминирани цинкови композити, као нпр. цинкове руде или нуспродукти топљења. Редуцира се загревањем са угљениковим адитивом (нпр. антрацитом) при чему настају цинкове паре, које се затим оксидирају у индиректном процесу. Због ниже чистоће изворног материјала, коначни производ је такође нижег квалитета у поређењу са индиректним поступком.
Хемијски поступак у раствору
уредиХемијски поступак у раствору почиње са пречишћеним раствором цинка, из којег се таложи цинк карбонат или цинк хидроксид. Затим се филтрира, испира, суши и калцинира на температури ~800 °C.
Примена
уредиПримена цинк оксидног праха је бројна и у наставку су приказане најважније примене. Многи поступци примене користе реактивност ZnO као прекурсора за настанак других једињења цинка. За примену у науци о материјалима, цинк оксид има висок индекс преламања, високу термалну проводљивост, антибактеријске и УВ-заштитне особине. Због тога се додаје разним материјалима и производима, укључујући пластику, керамику, стакло, цемент, гуму, лубриканте[17] боје, масти, лепкове, смеше за заптивање, пигменте, храну, батерије, итд.
Производња гуме
уредиОко 50% ZnO се употребљава у производњи гуме. Цинк оксид са стеаринском киселином активира процес вулканизације, који се у супротном не би могао одвијати.[18] ZnO је такође важан адитив за аутомобилске гуме. Катализатори за вулканизацију се изводе из цинк оксида и то значајно побољшава термалну проводљивост, која је кључна за ослобађање топлоте настале при трењу гума.[20][21] ZnO адитив такође штити гуму од гљивица (видети медицинску употребу) и UV зрачења.
Производња бетона
уредиЦинк оксид се доста користи у производњи бетона. Додатак ZnO побољшава време сазревања и отпорност бетона на утицај воде.[20]
Референце
уреди- ^ Li Q, Cheng T, Wang Y, Bryant SH (2010). „PubChem as a public resource for drug discovery.”. Drug Discov Today. 15 (23-24): 1052—7. PMID 20970519. doi:10.1016/j.drudis.2010.10.003.
- ^ Evan E. Bolton; Yanli Wang; Paul A. Thiessen; Stephen H. Bryant (2008). „Chapter 12 PubChem: Integrated Platform of Small Molecules and Biological Activities”. Annual Reports in Computational Chemistry. 4: 217—241. doi:10.1016/S1574-1400(08)00012-1.
- ^ Takahashi, Kiyoshi; Yoshikawa, Akihiko; Sandhu, Adarsh (2007). Wide bandgap semiconductors: fundamental properties and modern photonic and electronic devices. Springer. стр. 357. ISBN 978-3-540-47234-6.
- ^ Housecroft, C. E.; Sharpe, A. G. (2008). Inorganic Chemistry (3. изд.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-175553-6.
- ^ Holleman A. F.; Wiberg E. (2001). Inorganic Chemistry (1st изд.). San Diego: Academic Press. ISBN 0-12-352651-5.
- ^ а б Klingshirn, C. (2007). „ZnO: Material, Physics and Applications”. ChemPhysChem. 8 (6): 782—803. PMID 17429819. doi:10.1002/cphc.200700002.
- ^ а б Wiberg, E.; Holleman, A. F. (2001). Inorganic Chemistry. Elsevier. ISBN 978-0-12-352651-9. Непознати параметар
|name-list-style=игнорисан (помоћ) - ^ Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (II изд.). Oxford: Butterworth-Heinemann. ISBN 0080379419.
- ^ а б Spero, J. M.; Devito, B.; Theodore, L. (2000). Regulatory chemical handbook. CRC Press. ISBN 978-0-8247-0390-5.
- ^ Nicholson, J. W; Nicholson, J. W (1998). „The chemistry of cements formed between zinc oxide and aqueous zinc chloride”. Journal of Materials Science. 33 (9): 2251—2254. Bibcode:1998JMatS..33.2251N. S2CID 94700819. doi:10.1023/A:1004327018497.
- ^ а б Ferracane 2001, стр. 70, 143
- ^ Park C.-K.; Silsbee M. R.; Roy D. M. (1998). „Setting reaction and resultant structure of zinc phosphate cement in various orthophosphoric acid cement-forming liquids”. Cement and Concrete Research. 28 (1): 141—150. doi:10.1016/S0008-8846(97)00223-8.
- ^ Greenwood, N. N.; Earnshaw, A. (1997). Chemistry of the Elements. Oxford: Butterworth-Heineman n. ISBN 978-0-7506-3365-9. Непознати параметар
|name-list-style=игнорисан (помоћ) - ^ International Occupational Safety and Health Information Centre (CIS) Access date January 25, 2009.
- ^ Zinc oxide Архивирано на сајту Wayback Machine (11. јун 2011) МСДС. Аццесс дате Јануарy 25, 2009.
- ^ Öзгüр, Ü.; Аливов, Yа. I.; Лиу, C.; Теке, А.; Ресхцхиков, M. А.; Доğан, С.; Аврутин, V.; Цхо, С.-Ј.; Моркоç, Х. (2005). „А цомпрехенсиве ревиеw оф ЗнО материалс анд девицес”. Јоурнал оф Апплиед Пхyсицс. 98 (4): 041301—041301—103. Бибцоде:2005ЈАП....98д1301О. дои:10.1063/1.1992666.
- ^ а б Хернандезбаттез, А; Гонзалез, Р; Виесца, Ј; Фернандез, Ј; Диазфернандез, Ј; МацХадо, А; Цхоу, Р; Риба, Ј (2008). „ЦуО, ЗрО2 анд ЗнО нанопартицлес ас антиwеар аддитиве ин оил лубрицантс”. Wеар. 265 (3–4): 422—428. дои:10.1016/ј.wеар.2007.11.013.
- ^ а б в Портер, Ф. (1991). Зинц Хандбоок: Пропертиес, Процессинг, анд Усе ин Десигн. ЦРЦ Пресс. ИСБН 978-0-8247-8340-2.
- ^ Дал Цорсо, Андреа; Постернак, Мицхел; Реста, Раффаеле; Балдересцхи, Алфонсо (1994). „Аб инитио студy оф пиезоелецтрицитy анд спонтанеоус поларизатион ин ЗнО”. Пхyсицал Ревиеw Б. 50 (15): 10715—10721. Бибцоде:1994ПхРвБ..5010715Д. ПМИД 9975171. дои:10.1103/ПхyсРевБ.50.10715.
- ^ а б Броwн 1957
- ^ Броwн, Х. Е. (1976). Зинц Оxиде Пропертиес анд Апплицатионс. Неw Yорк: Интернатионал Леад Зинц Ресеарцх Организатион.
Литература
уреди- U. Ozgur et al. "A comprehensive review of ZnO materials and devices" (103 pages) J. Appl. Phys. 98 (2005) 041301[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. ISBN 978-0-444-53143-8.
- S. Baruah and J. Dutta "Hydrothermal growth of ZnO nanostructures" (18 pages) Sci. Technol. Adv. Mater. 10 (2009) 013001 free download[мртва веза]
- R. Janisch et al. "Transition metal-doped TiO2 and ZnO—present status of the field" (32 pages) Janisch, Rebecca; Gopal, Priya; Spaldin, Nicola A. (2005). „Transition metal-doped TiO2and ZnO—present status of the field”. Journal of Physics: Condensed Matter. 17 (27): R657—R689. S2CID 118610509. doi:10.1088/0953-8984/17/27/R01.
- Heo, Y.W.; Norton, D.P.; Tien, L.C.; Kwon, Y.; Kang, B.S.; Ren, F.; Pearton, S.J.; Laroche, J.R. (2004). „ZnO nanowire growth and devices”. Materials Science and Engineering: R: Reports. 47 (1–2): 1—47. doi:10.1016/j.mser.2004.09.001.
- Klingshirn, C. (2007). „ZnO: From basics towards applications”. Physica Status Solidi (B). 244 (9): 3027—3073. Bibcode:2007PSSBR.244.3027K. S2CID 97461963. doi:10.1002/pssb.200743072.
- Klingshirn, C. (2007). „ZnO: Material, Physics and Applications”. ChemPhysChem. 8 (6): 782—803. PMID 17429819. doi:10.1002/cphc.200700002.
- Lu, Jia Grace; Chang, Paichun; Fan, Zhiyong (2006). „Quasi-one-dimensional metal oxide materials—Synthesis, properties and applications”. Materials Science and Engineering: R: Reports. 52 (1–3): 49—91. doi:10.1016/j.mser.2006.04.002.
- Takahashi, Kiyoshi; Yoshikawa, Akihiko; Sandhu, Adarsh (2007). Wide bandgap semiconductors: fundamental properties and modern photonic and electronic devices. Springer. стр. 357. ISBN 978-3-540-47234-6.
- Wiberg, E.; Holleman, A. F. (2001). Inorganic Chemistry. Elsevier. ISBN 978-0-12-352651-9. Непознати параметар
|name-list-style=игнорисан (помоћ) - Spero, J. M.; Devito, B.; Theodore, L. (2000). Regulatory chemical handbook. CRC Press. ISBN 978-0-8247-0390-5.
- Ferracane, Jack L. (2001). Materials in Dentistry: Principles and Applications. Lippincott Williams & Wilkins. стр. 70,143. ISBN 978-0-7817-2733-4.[мртва веза]
- Greenwood, N. N.; Earnshaw, A. (1997). Chemistry of the Elements. Oxford: Butterworth-Heineman n. ISBN 978-0-7506-3365-9. Непознати параметар
|name-list-style=игнорисан (помоћ) - Porter, F. (1991). Zinc Handbook: Properties, Processing, and Use in Design. CRC Press. ISBN 978-0-8247-8340-2.
- Brown, H. E. (1957). Zinc Oxide Rediscovered. New York: The New Jersey Zinc Company.
- Brown, H. E. (1976). Zinc Oxide Properties and Applications. New York: International Lead Zinc Research Organization.
