Zink (Zn) — definition, egenskaber, isotoper og anvendelser
Zink (Zn): Få overblik over egenskaber, isotoper og anvendelser — fra galvanisering og batterier til legeringer og biologisk betydning.
Zink, undertiden kaldet spelter, er et kemisk grundstof. Det er et overgangsmetal, nogle gange klassificeret som et efter-overgangsmetal, og hører til gruppen af metaller. Dets symbol i det periodiske system er "Zn". Zink er det 30. grundstof i det periodiske system og har et atomnummer på 30. Det har et gennemsnitligt massetal på cirka 65,38 og indeholder 30 protoner og 30 elektroner. I alt er der 29 isotoper af zink kendt, og fem af disse forekommer naturligt som stabile isotoper (64, 66, 67, 68 og 70). Nogle isotoper er radioaktive; deres halveringstider spænder fra få millisekunder (f.eks. 57Zn ≈ 40 ms) til længere perioder for visse radioisotoper (fx har 65Zn en halveringstid på omkring 244 dage).
Egenskaber
Zink er et blankt, blåhvidt metal med følgende væsentlige fysiske og kemiske egenskaber:
- Elektronkonfiguration: [Ar] 3d10 4s2.
- Oxidationstilstande: Den mest almindelige oxidationstilstand er +2 (Zn2+); zink danner få stabile forbindelser i andre oxidationstilstande.
- Smelte- og kogepunkt: Smeltepunkt ≈ 419,5 °C; kogepunkt ≈ 907 °C.
- Tæthed: Ca. 7,14 g/cm3 ved 20 °C.
- Krystalstruktur: Heksagonal tættest pakkede (hcp) ved stuetemperatur.
- Korrosionsadfærd: Zink reagerer med luft og vand og danner en beskyttende oxid- eller karbonatfilm, hvilket gør det nyttigt som beskyttende belægning på jern og stål (galvanisering).
Forekomst og produktion
Zink findes i jordskorpen i relativt store mængder (tyve til hundrede ppm afhængigt af kilden). De vigtigste zinkmalme omfatter sphalerit (zinksulfid, ZnS), samt mindre mængder af smithsonit (ZnCO3), hemimorphit og zincit. Udvindingen omfatter ofte flotationsanlæg til koncentrering af sulfidholdig malm, efterfulgt af roasting (omdannelse til ZnO) og reduktion eller elektrolytisk raffinering for at fremstille metallisk zink.
Anvendelser
Zink har mange anvendelser i industrien, blandt de vigtigste er:
- Galvanisering: Beskyttelse af jern og stål mod korrosion ved at belægge dem med et zinklag (galvanisering).
- Legeringer: Messing (kobber-zink) er en af de mest kendte zinklegeringer; zink bruges også i støbelegeringer til bil- og maskindele.
- Batterier: Zink anvendes i forskellige batterityper, herunder zink-kul, alkaliske og zink-luft batterier (batterier), samt i nogle genopladelige systemer som NiZn.
- Zinkoxid (ZnO) og andre forbindelser: ZnO bruges i gummi (som accelerator og fyldstof), maling, keramik, elektronik, og i solcremer på grund af dets UV-absorberende egenskaber. Zinksulfid bruges som fosfor i skærme og lys.
- Andre anvendelser: Korrosionsbeskyttelse af strukturer, afgrødefertilskud i landbrug, råmateriale til kemiske forbindelser og katalysatorer.
Biologisk betydning og sundhed
Zink er et essentielt sporstof for mennesker, dyr og planter. Det fungerer som cofaktor i mange enzymer (fx carbonanhydrase, alkalisk fosfatase) og i strukturelle zink-finger-motiver i proteiner, som er vigtige for DNA-binding og genregulering. Den voksne menneskekrop indeholder typisk et par gram zink, og et passende indtag er nødvendigt for vækst, immunfunktion, sårheling og reproduktion. Mangelsymptomer kan omfatte dårlig vækst hos børn, nedsat immunforsvar, tab af appetit, hårtab og såringsproblemer.
Den anbefalede daglige tilførsel varierer med alder og køn; overdreven tilførsel kan føre til akut forgiftning (kvalme, opkastning) og kronisk overforbrug kan forstyrre optagelsen af kobber og føre til kobbermangel.
Sikkerhed og miljø
Zink betragtes generelt som mindre toksisk for mennesker end tungmetaller som bly eller kviksølv, men høje koncentrationer kan være skadelige for både mennesker og dyr. Indtagelse af store mængder zink (fx via industrielle udslip eller ætsende zinkforbindelser) kan forårsage sundhedsproblemer. I miljøet kan opløst zink være giftigt for akvatiske organismer ved tilstrækkeligt høje koncentrationer, hvorfor regulering af udledning er vigtig.
Samlet set er zink et alsidigt og udbredt metal med vigtige industrielle, teknologiske og biologiske roller. Den hyppigste industrielle anvendelse er korrosionsbeskyttelse gennem galvanisering, og zink er desuden et nøglemateriale i flere batterier og kemiske produkter.
Egenskaber
Fysiske egenskaber
Zink er et skinnende blågråt metal. Når zink lige er blevet skåret, har det en hvidlig grå farve. Hvis det udsættes for luft, forbliver det ikke skinnende i lang tid. Smeltepunktet er ved (419,58 °C (787,24 °F)), kogepunktet er (907,0 °C (1.664,6 °F)), kølepunktet er ved -419,58 °C (-723,24 °F), og frysepunktet er ved -907,0 °C (-1.600,6 °F). Denne temperatur er lavere end de fleste overgangsmetaller, men højere end tin eller bly. Det kan smeltes på en kogeplade. Det koger ved en for et metal lav temperatur. Det er ikke magnetisk. Når det opvarmes en smule, bliver det meget fleksibelt. Hvis det opvarmes mere, bliver det meget skørt. Det danner let legeringer med andre metaller.
Kemiske egenskaber
Zink er et reaktivt metal. Det er omtrent lige så reaktivt som aluminium og mere reaktivt end de fleste af de mere almindelige metaller, såsom jern, kobber, nikkel og krom. Det er mindre reaktivt end magnesium. Zink kan reagere med syrer, baser og ikke-metaller. Det ruster dog ikke i luft. Der dannes et lag af zinkoxid og zinkcarbonat på overfladen af zink, når det er i luft. Denne belægning forhindrer korrosion. Syrer kan opløse denne belægning og reagere med zinkmetallet. Ved denne reaktion mellem zink og en syre dannes et zink(II)salt, f.eks. zinkchlorid, og brintgas. Dette er en meget almindelig kemisk reaktion. Nedenstående reaktion er en reaktion med saltsyre.
Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2
Zink kan brænde i pulverform eller i små stykker til zinkoxid, som er et hvidt pulver. Flammen er lys blågrøn.
2 Zn + O2 → 2 ZnO
Zinkoxid kan opløses i stærke baser. Denne reaktion sker i nogle batterier, der indeholder zink.
ZnO + 2HO + 2 OH- → Zn(OH)42-.
Zink er kcalcophilt. Det betyder, at det hellere vil reagere med svovl og grundstoffer under det i det periodiske system end med ilt. Derfor er zinksulfid den mest almindelige zinkmalm og ikke zinkoxid.
Kemiske forbindelser
Zink kan danne kemiske forbindelser med andre grundstoffer. Disse kemiske forbindelser er kun i én oxidationstrin: +2. Der er fundet en +1-forbindelse, men den er svær at fremstille. Der findes ingen andre oxidationstrin end +1 eller +2. De fleste af disse forbindelser har ingen farve. Hvis de har en farve, er det ikke zink, der giver farven.
Zinkchlorid er en af de mest almindelige zinkforbindelser. De er ret ureaktive. De er en smule sure, når de opløses i vand. De giver en grøn flamme, når de opvarmes i en ild.
Andre zinkforbindelser er:
- Zinkantimonid, grå halvleder
- Zinkarsenid, orange halvleder
- Zinkbromid, et skjold mod stråling
- Zinkcarbonat, zinkmalm
- Zinkfluorid
- Zinkhydroxid, der anvendes i kirurgisk bandage
- Zinkjodid, der anvendes til røntgenfotografering
- Zinknitrat, der anvendes som bejdsemiddel
- Zinkoxid, der anvendes i solcreme
- Zinkphosphat, der anvendes i tandplejen
- Zinksulfat, der anvendes i pigmenter
- Zinksulfid, almindelig zinksulfid, almindelig zinkmalm
· 
Zinkchlorid
· 
Zinkoxid
· 
Zinksulfat
Brænding af zink
Hvor findes zink
Der findes fem isotoper af zink i naturen. 64Zn er den mest almindelige isotop med 48,63 % af den naturligt forekommende zink. Denne isotop har en halveringstid på 4,3x1018 år. Det er så lang tid, at dens radioaktivitet kan ignoreres. På samme måde anses 70
Zn (0,6 %) med en halveringstid på 1,3x1016 år normalt for ikke at være radioaktiv. De andre isotoper, der findes i naturen, er 66
Zn (28%),67
Zn (4%) og 68
Zn (19%).
Zink findes ikke som et metal i jordskorpen. Zink findes kun i form af zinkforbindelser. Sphalerit, et mineral, der består af zinksulfid, er en af hovedmalmerne af zink. Der findes meget lidt zink i havet. Zinkmalm findes normalt sammen med kobber- og blymalm.
Der findes også andre zinkmalme, såsom smithsonit (zinkcarbonat) og et zinksilikatmineral. De er mindre almindelige.
Sphalerit, en almindelig zinkmalm
Forberedelse
Zinksulfidet koncentreres ved flotation. Der er et rengøringsmiddel, der opsamler zinksulfidet. Urenhederne synker til bunds og fjernes. Derefter opvarmes zinksulfidet i luft for at danne zinkoxid og svovldioxid.
2 ZnS + 3 O2 → 2 ZnO + 2 SO2
Svovldioxiden oxideres til svovltrioxid.
2 SO2 + O2 → 2 SO3
Svovltrioxid reagerer med zinkoxid og danner zinksulfat. Dette giver en opløselig form af zink, som kan forarbejdes mere.
SO3 + ZnO → ZnSO4
Zinksulfatet renses og elektrolyseres. Ved denne elektrolyse dannes ilt, zink og svovlsyre. Dette giver en ren zink, der er kendt som "SHG" eller "special high grade".
2 ZnSO4 + 2 2HO → 2 Zn + 2 2HSO4 + O2
Svovlsyre genbruges i stedet for svovltrioxid til udvaskning af mere zinkoxid.
Zinkoxid kan også reduceres med kul til zinkmetal og kuldioxid ved høje temperaturer. Dette er en højovnsproces, der svarer til den måde, hvorpå jern fremstilles.
2 ZnO + C → 2 Zn + CO2
Denne form for zink er billigere, men er ikke ren.
Zink er det fjerde mest almindelige metal i verden. Der fremstilles ca. 10 millioner tons hvert år.
Bruger
Som et metal
Zink anvendes i elektriske batterier. Alkali- og Leclanche-cellen er de batterier, der bruger mest zink. Det bliver oxideret og giver elektroner til batteriet, så det kan fungere.
Ca. 59 % af zink anvendes til korrosionsbeskyttelse, herunder galvanisering. 47 % af verdens zink anvendes til galvanisering. Dette bruges til at beskytte et andet metal, normalt jern, mod rust. Zinkbelægningen korroderer i stedet for jernet. Zinkbelægningen kan anbringes på metallet på to måder. Metallet kan dyppes i en gryde med smeltet zink. Zinkbelægningen kan også galvaniseres på metallet. Dypning holder længere, men giver en plettet overflade, som nogle ikke synes, ser pæn ud. Det bruges også i motorbåde og rørledninger for at bremse rustdannelsen. Motoren på en motorbåd har ofte en "kugle" af zink, som let korroderer, men som hjælper andre metaldele på motoren med at holde sig rustfri.
Zink anvendes i legeringer. Messing er en legering af kobber og zink. Messing er den mest almindelige zinklegering. Zink kan danne legeringer med mange andre metaller. Zinkaluminium er en legering af zink og aluminium, som giver gode lejer. Kommerciel bronze indeholder zink. Nogle gange reagerer cadmiumtellurid med zink for at fremstille cadmiumzink tellurid, en halvleder. Nelsølv er en anden zinklegering.
Zink kan anvendes i piberne i et pibeorgel. Tidligere blev der anvendt en legering af tin og bly. Zink anvendes i den amerikanske penny, hvor den kun har et tyndt lag kobber. Kernen er af zink. Ældre pennies blev fremstillet helt af bronze.
En blanding af zink- og svovlpulver kan bruges til at drive en modelraket. Denne reaktion giver zinksulfid, varme, lys og gasser. Zinkplader bruges til at fremstille zinkstænger.
Som zinkforbindelser
Ca. 1/4 af zink anvendes til fremstilling af zinkforbindelser. Zinkoxid kan bruges til solcreme eller malingspigment. Zinkoxid er også en halvleder. Zinkchlorid bruges til at konservere træ, så det ikke rådner. Nogle svampemidler indeholder zink. Zinksulfat anvendes i farvestoffer og pigmenter. Zinksulfid anvendes i lysstofrør til at omdanne ultraviolet lys til synligt lys.
I biologi
Mennesker har brug for en lille smule zink for at hjælpe kroppen med at fungere godt. Hvis de ikke får nok zink i deres mad, kan de få mangel på mineraler. Næsten to milliarder mennesker har zinkmangel. Zinkmangel gør, at man lettere får infektioner. Nogle mennesker siger, at når vi bliver forkølede, skal vi tage mere zink, når vi bliver forkølede. Andre siger, at zink ikke gør nogen forskel. Der findes medicin, som man kan bruge, når man er forkølet. Folk tilsætter små mængder zinkforbindelser til vitaminpiller og kornprodukter for at sikre, at de får nok zink. De fleste vitaminer i enkelttabletter indeholder zink. Zink findes i mindst 100 enzymer. Det er det næstmest almindelige overgangsmetal ud over jern. Zink bruges også af hjernen. Menneskekroppen indeholder 2 til 4 gram zink. Et zinkenzym hjælper med at fjerne kuldioxid fra blodet. Hvede indeholder meget zink.
Almindelige alkaline-batterier. Disse batterier har et blåligt gråt zinkpulver i midten af batteriet.
En varmforzinket genstand
Sikkerhed
Store mængder zinkmetal er giftige. Det kan opløses i mavesyre. Når man spiser for meget zink, falder kobber- og jernniveauet i kroppen. Zinkforbindelser kan være ætsende i maven. Zinkforbindelser, der puttes i næsen, kan ødelægge lugtesansen.
Zinkioner er meget giftige for fisk og mange ting, der lever i vand.
Spørgsmål og svar
Q: Hvad er zink?
A: Zink er et kemisk grundstof, der tilhører gruppen af overgangsmetaller.
Q: Hvad er symbolet for zink i det periodiske system?
A: Symbolet for zink i det periodiske system er "Zn".
Q: Hvad er massetallet for zink?
A: Massetallet for zink er 65,38.
Q: Hvor mange protoner og elektroner har zink?
A: Zink har 30 protoner og 30 elektroner.
Q: Hvor mange isotoper af zink kender man, og hvor mange forekommer i naturen?
A: Der findes i alt 29 isotoper af zink, hvoraf fem forekommer i naturen.
Q: Hvad er nogle almindelige anvendelser af zink?
A: Zink bruges mest til galvanisering og batterier, og det er det fjerde mest anvendte metal blandt mennesker.
Q: Er alle isotoper af zink radioaktive?
A: Nej, ikke alle isotoper af zink er radioaktive, men nogle af dem er. Deres halveringstider varierer fra 40 millisekunder til 5x1018 år.
Søge