ÒXID DE ZINC (ZNO): ESTRUCTURA, PROPIETATS, USOS, RISCOS - QUIMICA - 2026

El òxid de zinc és un compost inorgànic la fórmula química és ZnO. Es compon únicament d'ions Zn ²⁺ i O ^2- en una relació 1: 1; però, la seva xarxa cristal·lina pot presentar vacant d'O ^2-, la qual cosa dóna a lloc defectes estructurals capaços d'alterar els colors dels seus cristalls sintètics.

Comercialment s'adquireix com un sòlid blanc polsegós (imatge inferior), el qual es produeix directament de l'oxidació de l'zinc metàl·lic pel Procés Francès; o sotmetent a reducció carbotérmica a les menes de zinc, de tal manera que els seus vapors s'oxiden després i acaben solidificant.

Vidre de rellotge amb òxid de zinc. Font: Adam Rędzikowski

Altres mètodes de preparació de l'ZnO consisteixen a fer precipitar el seu hidròxid, Zn (OH) ₂, a partir de les dissolucions aquoses de sals de zinc. Així mateix, fines pel·lícules o nanopartícules morfològicament variades de ZnO poden sintetitzar mitjançant tècniques més sofisticades com la deposició química de les seves vapors.

Aquest òxid metàl·lic es troba en la naturalesa com a mineral cincita, els vidres solen ser grocs o ataronjats causa de les impureses metàl·liques. Els cristalls de ZnO es caracteritzen per ser piezoelèctrics, termocromáticos, luminiscents, polars, i per tenir a més una banda energètica molt ampla en les seves propietats semiconductores.

Estructuralment és isomòrfic a l'sulfur de zinc, ZnS, adoptant vidres hexagonals i cúbics semblants als de la wurzita i blenda, respectivament. En aquests hi ha un cert caràcter covalent en les interaccions entre el Zn ²⁺ i O ^2-, la qual cosa fa que hi hagi una distribució heterogènia de les càrregues en el vidre de ZnO.

Els estudis de les propietats i usos de l'ZnO s'estenen als camps de la física, electrònica i biomedicina. Els seus usos més simples i quotidians passen inadvertits en la composició de cremes facials i productes d'higiene personal, així com en els protectors solars.

estructura

polimorfs

El ZnO cristal·litza en condicions normals de pressió i temperatura en una estructura hexagonal wurzita. En aquesta estructura els ions Zn ²⁺ i O ^2- es disposen en capes alternades, de tal manera que cada un acaba envoltat d'un tetraedre, havent ZnO ₄ o OZn ₄, respectivament.

Així mateix, utilitzant una "plantilla" o suport cúbic, pot fer-se cristal·litzar el ZnO en una estructura cúbica de zinc blenda; la qual, a l'igual que l'wurzita, corresponen a estructures isomórficas (idèntiques a l'espai però amb ions diferents) de l'sulfur de zinc, ZnS.

A més d'aquestes dues estructures (wurzita i blenda), el ZnO sota altes pressions (al voltant dels 10 GPa) cristal·litza en l'estructura sal gemma, la mateixa que la de l'NaCl.

interaccions

Les interaccions entre el Zn ²⁺ i O ^2- presenten cert caràcter de covalència, pel que existeix parcialment un enllaç covalent Zn-O (tots dos àtoms amb hibridació sp ³), ia causa de la distorsió dels tetraedres, aquests manifesten un moment dipolar que se suma a les atraccions iòniques dels cristalls de ZnO.

Estructura blenda (esquerra) i wurzita (dreta) de l'ZnO. Font: Gabriel Bolívar.

Es té la imatge superior per visualitzar els tetraedres esmentats per a les estructures de l'ZnO.

La diferència entre les estructures blenda i wurzita rau també en el fet que vistes des de dalt, els ions no es troben eclipsats. Per exemple, a la wurzita, s'aprecia que les esferes blanques (Zn ²⁺) estan just a sobre de les esferes vermelles (O ^2-). En canvi, en l'estructura cúbica de blenda no passa així perquè hi ha tres capes: A, B i C en lloc de sol dos.

Morfologia de nanopartícules

Els vidres de ZnO si bé tendeixen a tenir estructures hexagonals de wurzita, pel que fa a la morfologia de les seves nanopartícules és una altra història. Depenent dels paràmetres i mètodes de síntesi, aquestes poden adoptar formes tan variades com varetes, plats, fulles, esferes, flors, cinturons, agulles, entre d'altres.

propietats

aparença física

Sòlid polsegós de color blanc, inodor i de sabor amarg. En la naturalesa pot trobar-se cristal·litzat, amb impureses metàl·liques, com a mineral cincita. Si tals cristalls són blancs presenten termocromismo, la qual cosa vol dir que a l'calentárseles canvien de coloració: de blanc a groc.

Així mateix, els seus vidres sintètics poden presentar coloracions vermelloses o verdoses en funció de la seva composició estequiomètrica d'oxigen; és a dir, els buits o vacancias ocasionades per la falta d'anions O ^2- afecta directament la manera en com la llum interacciona amb les xarxes iòniques.

massa molar

81,406 g / mol

Punt de fusió

1974 ºC. A aquesta temperatura pateix descomposició tèrmica alliberant vapors de zinc i oxigen molecular o gasós.

densitat

5,1 g / cm ³

Solubilitat en aigua

El ZnO és pràcticament insoluble en l'aigua, tot just donant lloc a dissolucions amb una concentració de 0,0004% a 18 ºC.

Anfoterismo

El ZnO pot reaccionar tant amb àcids com amb bases. Quan reacciona amb un àcid en dissolució aquosa, augmenta la seva solubilitat a l'formar-se una sal soluble on el Zn ²⁺ acaba acomplejándose amb les molècules d'aigua: ²⁺. Per exemple, reacciona amb l'àcid sulfúric per produir sulfat de zinc:

ZnO + H ₂ SO ₄ → ZnSO ₄ + H ₂ O

Similarment reacciona amb els àcids grassos per formes les seves respectives sals, com estearat i palmitat de zinc.

I quan reacciona amb una base, en presència d'aigua, es formen les sals de cincato:

ZnO + 2NaOH + H ₂ O → Na ₂

capacitat calorífica

40,3 J / K · mol

Bretxa energètica directa

3,3 eV. Aquest valor el torna un semiconductor de banda ampla, capaç d'operar sota intensos camps elèctrics. Presenta a més característiques de ser un semiconductor de tipus n, cosa que no ha pogut explicar les raons que hi hagi en la seva estructura una aportació extra d'electrons.

Aquest òxid es distingeix per les seves propietats òptiques, acústiques i electròniques, gràcies a les quals se li considera un candidat per a potencials aplicacions relacionades a el desenvolupament de dispositius optoelectrònics (sensors, díodes làsers, cel·les fotovoltaiques). El perquè de tals propietats escapa a el terreny de la física.

usos

medicinals

L'òxid de zinc s'ha utilitzat com a additiu en nombroses cremes blanques per al tractament d'irritacions, acnes, dermatitis, abrasions i esquerdes a la pell. En aquest àmbit, és popular el seu ús per alleujar les irritacions que ocasionen els bolquers a les pells dels nadons.

Així mateix, és un component dels protectors solars, ja que juntament amb les nanopartícules de diòxid de titani, TiO ₂, ajuda a bloquejar les radiacions ultraviolades de el Sol. Igualment, actua com un agent espessidor, per la qual cosa es troba en certs maquillatges clars, locions, esmalts, talcs i sabons.

D'altra banda, el ZnO és una font de zinc utilitzada en els suplements dietètics i productes vitamínics, així com en cereals.

antibacterià

D'acord a la morfologia dels seus nanopartícules, el ZnO pot activar sota radiació ultraviolada per generar peròxids d'hidrogen o espècies reactives que debilitin les membranes cel·lulars dels microorganismes.

A l'succeir això, les restants nanopartícules de ZnO solquen el citoplasma i comencen a interaccionar amb el compendi de biomolècules que conformen la cèl·lula, portant com a conseqüència la seva apoptosi.

És per això que no totes les nanopartícules poden utilitzar-se en les composicions dels protectors solars, sinó únicament aquelles que no tenen activitat antibacterià.

Els productes amb aquest tipus de ZnO es destinen, recoberts de materials polimèrics solubles, per tractar infeccions, ferides, úlceres, bacteris i inclusivament diabetis.

Pigments i recobriments

El pigment conegut com zinc blanc es tracta del ZnO, el qual s'addiciona a diverses pintures i recobriments per a protegir de la corrosió a les superfícies metàl·liques on se'ls apliquin. Per exemple, els recobriments amb ZnO afegit s'utilitzen per protegir el ferro galvanitzat.

D'altra banda, aquests recobriments també s'han utilitzat sobre el vidre de les finestres per impedir que la calor penetri (si es troba a l'exterior) o ingressi (si és a l'interior). Així mateix, protegeix alguns materials polimèrics i tèxtils del seu deteriorament per acció de la radiació solar i de la calor.

Bioimágenes

La luminescència de les nanopartícules de ZnO s'ha estudiat per a ser emprada en la realització de bioimágenes, estudiant així mitjançant els llums blaus, verds o ataronjades que irradien, les estructures internes de les cèl·lules.

additiu

El ZnO també troba ús com a additiu en els cautxús, ciments, materials dentifricis, vidres i ceràmiques, per la seva menor punt de fusió i, per tant, comportant-se com un agent fundent.

Eliminador de l'sulfur d'hidrogen

El ZnO elimina els gasos desagradables d'H ₂ S, ajudant a dessulfurar algunes emanacions de gasos:

ZnO + H ₂ S → ZnS + H ₂ O

Riscos

L'òxid de zinc com a tal és un compost no tòxic i inofensiu, de manera que la manipulació prudent de la seva sòlid no representa cap risc.

El problema però rau en la seva fum, ja que si bé a altes temperatures es descompon, els vapors de zinc acaben contaminant els pulmons i ocasionant una mena de "febre metàl·lica". Aquesta malaltia es caracteritza pels símptomes de tos, febre, sensació d'opressió al pit, i un gust metàl·lic constant a la boca.

Tampoc és cancerigen, i les cremes que el contenen no han demostrat que augmenten l'absorció de zinc a la pell, de manera que els protectors solars a força de ZnO es consideren segurs; llevat que hi hagi reaccions al·lèrgiques, que en aquest cas s'ha d'aturar el seu ús.

Pel que fa a certes nanopartícules destinades per combatre bacteris, aquestes poguessin exercir efectes negatius si no són transportades correctament cap al seu lloc d'acció.

referències

1. Shiver & Atkins. (2008). Química Inorgànica. (Quarta edició). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Zinc s'oxidi. Recuperat de: en.wikipedia.org
3. Hadis Morkoç and Ümit Ozgur. (2009). Zinc Oxide: Fundamentals, Materials and Device Technology.. Recuperat de: application.wiley-vch.de
4. Parihar, M. Raja and R. Paulose. (2018). A brief review of structural, electrical and Electrochemical properties of zinc oxide nanoparticles.. Recuperat de: ipme.ru
5. A. Rodnyi and IV Khodyuk. (2011). Optical and Luminescence Properties of Zinc Oxide. Recuperat de: arxiv.org
6. Siddiqi, KS, Ur Rahman, A., Tajuddin, & Husen, A. (2018). Properties of Zinc Oxide nanoparticles and Their Activity Against Microbes. Nanoscale research letters, 13 (1), 141. doi: 10.1186 / s11671-018-2532-3
7. ChemicalSafetyFacts. (2019). Zinc Oxide. Recuperat de: chemicalsafetyfacts.org
8. Jinhuan Jiang, Jiang Pi, and Jiye Cai. (2018). The Advancing of Zinc Oxide nanoparticles for Biomedical Applications. Bioinorganic Chemistry and Applications, vol. 2018, Article ID 1.062.562, 18 pages. doi.org/10.1155/2018/1062562