Zinek

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na: Navigace, Hledání
Zinek
  [Ar] 3d10 4s2
64 Zn
30
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
↓ Periodická tabulka ↓
Zinc fragment sublimed and 1cm3 cube.jpg
Obecné
Název, značka, číslo Zinek, Zn, 30
Cizojazyčné názvy lat. Zincum
Skupina, perioda, blok 12. skupina, 4. perioda, blok d
Chemická skupina Přechodné kovy
Koncentrace v zemské kůře 70 až 132 ppm
Koncentrace v mořské vodě 0,01 mg/l
Vzhled Modrobílý kovový prvek se silným leskem
Identifikace
Registrační číslo CAS
Atomové vlastnosti
Relativní atomová hmotnost 65,409
Atomový poloměr 134 pm
Kovalentní poloměr 122 pm
Van der Waalsův poloměr 139 pm
Iontový poloměr 74 pm
Elektronová konfigurace [Ar] 3d10 4s2
Oxidační čísla 0, I, II
Elektronegativita (Paulingova stupnice) 1,65
Ionizační energie
První 906,4 KJ/mol
Druhá 1733,3 KJ/mol
Třetí 3833 KJ/mol
Látkové vlastnosti
Krystalografická soustava Šesterečná
Molární objem 9,16×10−6 m3/mol
Mechanické vlastnosti
Hustota 7,14 g/cm3
Skupenství Pevné
Tvrdost 2,5
Tlak syté páry 100 Pa při 750K
Rychlost zvuku 3850 m/s
Termické vlastnosti
Tepelná vodivost 116 W⋅m−1⋅K−1
Termodynamické vlastnosti
Teplota tání 419,53 (692,68 K)
Teplota varu 906,85 (1 180 K)
Skupenské teplo tání 7,28 KJ/mol
Skupenské teplo varu 114,2 KJ/mol
Měrná tepelná kapacita 388 Jkg-1K-1
Elektromagnetické vlastnosti
Elektrická vodivost 16,6×106 S/m
Měrný elektrický odpor 59,0 nΩ·m
Standardní elektrodový potenciál -0,763 V
Magnetické chování Diamagnetický
Zinc spectrum visible.png
Bezpečnost
R-věty R15, R17, R50/53
S-věty S2, S43, S46, S60, S61
Izotopy
I V (%) S T1/2 Z E (MeV) P
64Zn 48,6% je stabilní s 34 neutrony
65Zn umělý 243,8 dne ε 1,3519 65Cu

γ 1,1155 65Cu
66Zn 27,9% je stabilní s 36 neutrony
67Zn 4,1% je stabilní s 37 neutrony
68Zn 18,8% je stabilní s 38 neutrony
70Zn 0,6% je stabilní s 40 neutrony
72Zn umělý 46,5 β 0.458 72Ga
Není-li uvedeno jinak, jsou použity jednotky
SI a STP (25 °C, 100 kPa).
Měď Zn Gallium

Cd

Zinek (chemický symbol Zn) je měkký lehce tavitelný kov, používaný člověkem již od starověku. Slouží jako součást různých slitin, používá se při výrobě barviv a jeho přítomnost v potravě je nezbytná pro správný vývoj organismu.

Základní fyzikálně-chemické vlastnosti[editovat | editovat zdroj]

Kovový zinek

Zinek je modrobílý kovový prvek se silným leskem, který však na vlhkém vzduchu ztrácí. Mřížka zinku krystaluje v hexagonálním těsném uspořádání. Za normální teploty je křehký, v rozmezí teplot 100–150 °C je tažný a dá se válcovat na plech a vytahovat na dráty, nad 200 °C je opět křehký a dá se rozetřít na prach. Zinek je velmi snadno tavitelný a patří k nejsnáze těkajícím kovům. Tepelná vodivost zinku je 61–64 % a elektrická vodivost 27 % vodivosti stříbra. Při teplotách pod 0,875 K je supravodivý. Patří mezi přechodné prvky, které mají valenční elektrony v d-sféře. Ve sloučeninách se nejčastěji vyskytuje v oxidačním čísle II, ale známe i sloučeniny, kde je zinek v oxidačním čísle I. Ty obsahují ionty Zn 2+
2
  a je nutno je stabilizovat stericky objemnými ligandy.[1]

V silných minerálních kyselinách se zinek velmi ochotně rozpouští za vývoje plynného vodíku. Na vzduchu je zinek stálý, protože se rychle pokryje tenkou vrstvičkou oxidu, která jej účinně chrání proti korozi vzdušným kyslíkemvlhkostí (vodou) – tzv. pasivace. Zinek se ale také rozpouští v roztocích hydroxidů, vodném amoniaku a za tepla také v chloridu amonném, což je projevem jeho amfoterity (rozpouštění v kyselinách i hydroxidech). Pokud je zinek ve velmi čistém stavu, tak rozpouštění v kyselinách ani hydroxidech neprobíhá nebo probíhá velmi pomalu.

Zinek na vzduchu při zahřátí hoří jasně svítivým modrozeleným plamenem, přičemž vzniká bílý oxid zinečnatý. Za červeného žáru se zinek oxiduje také vodní parou a oxidem uhličitým, který se redukuje na oxid uhelnatý. S halogeny reaguje zinek velmi neochotně a pouze za přítomnosti vlhkosti. Sulfan působí na zinek za normální teploty a vzniká tak sulfid zinečnatý. Za tepla se zinek slučuje také se sírou a fosforem. S dusíkem, vodíkem a uhlíkem se neslučuje vůbec, ale s amoniakem tvoří za vysokých teplot nitrid zinečnatý. S velkým množstvím kovů je zinek neomezeně mísitelný a tvoří slitiny a s některými tvoří dokonce sloučeniny.

Historický vývoj[editovat | editovat zdroj]

První použití zinku lze datovat ve starověku, kdy se používal ve slitině s mědí jako mosaz a to již ve starověkém Egyptě okolo roku 1400 př. n. l. nebo Homérově době. Mosaz se získávala tavením mědi se zinkovou rudou, kterou Řekové označovali jako cadmia – časem se z tohoto názvu vyvinul název kalamín, což je nejstarší známá zinková ruda.

Čistý zinek se podařilo pravděpodobně poprvé připravit ve 13. století v Indii. Odtud se tato znalost přenesla do Činy, kde se v období dynastie Ming v letech 1368–1644 používaly zinkové mince. V Evropě nebyla výroba zinku známa, a proto se zinek v 17. a 18. století dovážel z Číny loděmi nizozemské Východoindické společnosti.

První výroba zinku v Evropě započala na začátku 18. století v Anglii v oblasti Bristolu. Velmi rychle se započalo s výrobou také ve Slezsku a Belgii. Původ slova zinek není sice úplně jasný, ale nejčastější domněnka je, že byl odvozen od německého slova Zinke (v překladu „bodec“ nebo „zub“) a to podle vzhledu kovu.

Výskyt[editovat | editovat zdroj]

Procentuální produkce zinku v roce 2006 podle zemí[2]

zemské kůře je zinek poměrně bohatě zastoupen. Průměrný obsah činí kolem 100 mg/kg, čemuž odpovídá 76 ppm (parts per milion = počet částic na 1 milion částic). Tímto rozšířením v zemské kůře se řadí k prvkům jako je rubidium (78 ppm) a měď (68 ppm). I v mořské vodě je jeho koncentrace značně vysoká – 0,01 miligramu v jednom litru. Předpokládá se, že ve vesmíru připadá na jeden atom zinku přibližně 100 milionů atomů vodíku.

Hlavním minerálem a rudou pro průmyslovou výrobu zinku je sfalerit neboli blejno zinkové ZnS, v přírodě se v malém množství vyskytuje také další minerál se složením ZnS, avšak v jiné krystalové modifikaci známý jako wurtzit. Dalšími minerály zinku jsou smithsonit neboli kalamín uhličitý ZnCO3, kalamín křemičitý Zn2SiO4.H2O, willemit Zn2SiO4, troosit (Zn, Mn)2SiO4, zinkit neboli červená ruda zinková ZnO, franklinit (Zn, Mn)O.Fe2O3, zinečnatý spinel ZnO.Al2O3 a hemimorfit Zn4Si2O7(OH)2. Vzácně se v přírodě můžeme setkat i s elementárním, kovovým zinkem.

Velká naleziště zinkových rud, zejména sfaleritu a smithsonitu, se nachází v Kanadě, Spojených státech amerických a v Austrálii. Malá množství zinku bývají také přimíšena v železných rudách a při zpracování rud železa ve vysoké peci se hromadí v podobě zinkového prachu z kychtových plynů. Může to být 30 % i více, a proto se pro výrobu zinku vychází i z tohoto materiálu.

Výroba[editovat | editovat zdroj]

Zinek se z 90 % vyrábí ze svých sulfidických rud. Proces výroby začíná koncentrací rudy sedimentačními nebo flotačními technikami a následným pražením rudy za přístupu kyslíku.

\mathrm{2\,ZnS + 3\,O_2\ \to\ 2\,ZnO + 2\,SO_2}
Sulfid zinečnatý reaguje s kyslíkem za vzniku oxidu zinečnatého a oxidu siřičitého

Vznikající oxid siřičitý se přitom obvykle zachycuje a používá následně pro výrobu kyseliny sírové. Oxid zinečnatý se dále zpracovává elektrolyticky nebo tavením s koksem.

Při elektrolytickém způsobu se oxid zinečnatý rozpouští v kyselině sírové a z výluhu se cementací zinkovým prachem získává kadmium. Roztok síranu zinečnatého se elektrolyzuje a kov s čistotou 99,95 % se vylučuje na hliníkové katodě.

Redukce oxidu zinečnatého koksem se dříve prováděla v soustavě horizontálních retort s vnějším ohřevem a pracovaly vsádkovým způsobem. Časem byly nahrazeny kontinuálně pracujícími vertikálními retortami, které měly někdy elektrické vyhřívání. Ani jeden z těchto dvou procesů nemá takovou termickou účinnost jako má vysoká pec, ve které spalování paliva pro zahřívání probíhá ve stejném prostoru jako redukce oxidu. Problém při výrobě zinku tímto způsobem je v tom, že redukce oxidu zinečnatého uhlíkem neprobíhá pod teplotou varu zinku. Navíc při následném ochlazení par zinku dochází k reakci těchto par s oxidem uhličitým za vzniku oxidu zinečnatého a oxidu uhelnatého. Teprve v padesátých letech dvacátého století se podařilo vyrobit takovou vysokou pec, která dokázala zvládnout problém výroby. Zinkové páry, které opouští vrchol pece jsou tak rychle schlazovány a rozpouštěny zkrápěným olovem, že zpětná oxidace na oxid zinečnatý je minimální. Zinek se následně odděluje jako kapalina s 99 % čistotou. Poté je rafinován vakuovou destilací, čímž se získá 99,99 % čistý zinek.

\mathrm{2\,ZnO + C\ \leftrightarrow\ 2\,Zn + CO_2}
Oxid zinečnatý reaguje s uhlíkem za vzniku zinku a oxidu uhličitého

Světová produkce zinku je stálá a pohybuje se kolem 6 milionů tun za rok. Zinek je po železe, mědi a hliníku čtvrtým nejvíce průmyslově vyráběným kovem. Nejvíce rudy se vytěží v Kanadě, ale většina se zpracovává jinde.

Využití[editovat | editovat zdroj]

Struktura mosazi zvětšená 400x
Střecha pokrytá pozinkovaným plechem
Parapet pokrytý pozinkovaným plechem

Elementární zinek nachází významné uplatnění jako antikorozní ochranný materiál především pro železo a jeho slitiny. Pozinkovaný železný plech se vyrábí řadou postupů, nejčastější je galvanické pokovování, postřikování, napařování nebo žárové nanášení tenkého povlaku zinku.

Zinek má velmi dobré vlastnosti pro výrobu odlitků – díky výborné zatékavosti vyplňuje roztavený zinek dokonale odlévací formu. Vyrábí se tak kovové součástky, které jsou dobře odolné vůči atmosférickým vlivům (v suchu nekorodují, ale ve vlhku výrazně), ale nemusejí snášet výrazné mechanické namáhání, protože zinek je mechanicky velmi málo odolný. Příkladem mohou být některé části motorových karburátorů, kovové ozdoby, okenní kliky, konve, vědra, vany, střešní okapy, střechy, obkládání nádrží, skříní, ledniček apod. Titanzinkový plech na střechy je slitina zinku s cca 0,3 % titanu.

Poměrně významné místo patřilo zinku ve výrobě galvanických článků (a jejich baterií). Dodnes je běžně užíván zinko-uhlíkový článek. V této oblasti se ale stále více využívají jiné principy, které pracují s jinými prvky, zejména niklem a lithiem.

Ze slitin zinku je nejvýznamnější slitina s mědí – bílá a červená mosaz. Prakticky se využívá řady různých mosazí s odlišným poměrem obou kovů, které se liší jak barvou tak mechanickými vlastnostmi – tvrdostí, kujností, tažností i odolností proti vlivům okolního prostředí. Obecně se mosaz oproti čistému zinku vyznačuje výrazně lepší mechanickou odolností i vzhledem. Bílá mosaz se skládá z 85 % zinku, 5 % hliníku a 10 % mědi. Dalšími významnými slitinami jsou různé druhy bronzu – například se složením 88 % cínu, 6 % hliníku a 6 % mědi a slitina zelco, která má složení 83 % zinku, 15 % hliníku a 2 % mědi.

Zinek se v menší míře používá i při výrobě klenotnických slitin se zlatem, stříbrem, mědí a niklem. Využívá se ho také k srážení zlata vyluhovaného kyanidem a v hutnictví k odstříbřování olova – tzv. parkesování.

Další využití zinku je při výrobě závaží pro vyvažování automobilových kol jako náhrada za toxické olovo.

Mnoho ze sloučenin zinku se využívá jako nátěrové barvy. K nejznámějším patří lithopon, což je směs sulfidu zinečnatého a síranu barnatéhozinková běloba, což je jemně práškovaný oxid zinečnatý. Další známá barva je jemně práškované zinkové blejno, chemicky sulfid zinečnatý ZnS, který se používá jako antikorózní nátěr na železo, například se s ním natírají mosty a části strojů.

Ze zinku se také razily mince (zejména za válečných období) – Protektorátní 10–, 20–, 50haléře a 1koruny a některé říšské pfennigy.

Sloučeniny[editovat | editovat zdroj]

Ve svých sloučeninách se zinek vyskytuje vždy jako kladně dvojmocný zinečnatý kation. Sloučeniny zinku jsou bezbarvé (bílé), pokud není anion vázaný k zinečnatému kationu barevný.

Anorganické sloučeniny[editovat | editovat zdroj]

Oxid zinečnatý

Většina zinečnatých sloučenin je ve vodě rozpustných. Nerozpustné jsou především zásadité soli, které se z velké části rozpouští ve vodném roztoku amoniaku na komplexní aminosloučeniny nebo v nadbytečném množství hydroxidu na hydroxozinečnatany.

Komplexní sloučeniny[editovat | editovat zdroj]

Tvorba komplexních anionů u zinku není tak výrazná jako u předchozích kovů 4. periody. Na rozdíl od předchozích kovů však velmi ochotně váže hydroxidové aniony a vytváří tak hydroxozinečnatanový anion a hydroxozinečnatany. Zinek tvoří naproti tomu velmi ochotně komplexní kationty, zejména s vodou a amoniakem. Zatímco aquakomplexy jsou výhradně oktaedrické, nepodařilo se doposud v roztoku připravit aminokomplex zinku s 6 komplexně vázanými molekulami amoniaku.

  • Hydroxozinečnatany vznikají rozpouštěním zinku, oxidu zinečnatého nebo hydroxidu zinečnatého v nadbytečném množství alkalického hydroxidu. Jsou to bezbarvé sloučeniny nejčastěji složení M2I[Zn(OH)4] s tetraedrickým uspořádáním, ale existují i MI[Zn(OH)3] a M4I[Zn(OH)6].
  • Amoniakáty zinku jsou bezbarvé komplexní sloučeniny, které vznikají rozpouštěním sloučenin zinku ve vodném roztoku amoniaku. Všechny tyto sloučeniny jsou velmi dobře rozpustné ve vodě a mají nejčastěji složení [Zn(NH3)2]2+ s rovinným uspořádáním a [Zn(NH3)4]2+tetraedrickým uspořádáním. Na suché cestě se podařilo připravit sloučeniny se složením [Zn(NH3)]2+, [Zn(NH3)5]2+ a [Zn(NH3)6]2+, tyto sloučeniny však za běžných podmínek odštěpují molekuly amoniaku.
  • Kyanozinečnatanový anion je bezbarvý, dobře rozpustný ve vodě a má nejčastěji složení M2I[Zn(CN)4], ale existují i sloučeniny o složení MI[Zn(CN)3]. Roztoky kyanidu zinečnatého a měďného v nadbytečném alkalickém kyanidu slouží v galvanostegii k přípravě mosazných povlaků.

Organické sloučeniny[editovat | editovat zdroj]

  • Octan zinečnatý Zn(C2H3O2)2 je bílá krystalická látka, rozpustná ve vodě, ve vodě se však částečně hydrolyticky štěpí. Používá se jako ochranný prostředek proti ohni, v lékařství jako kloktadlo a k omývání při kožních onemocněních. Octan zinečnatý se připravuje rozpouštěním oxidu zinečnatéhokyselině octové.
  • Šťavelan zinečnatý ZnC2O4 je bílá krystalická látka, nerozpustná ve vodě, dobře rozpustná v nadbytku alkalického šťavelanu na rozpustné komplexní sloučeniny. Připravuje se srážením roztoku rozpustné zinečnaté soli kyselinou šťavelovou nebo alkalickým šťavelanem.

Biologický význam zinku[editovat | editovat zdroj]

Jídlo a koření obsahující zinek

Zinek patří mezi prvky, které mají velmi významný vliv na správný vývoj všech živých organizmů rostlinných i živočišných. Přitom zinek není obsažen v živých tkáních ve vysokém množství – uvádí se, že tělo dospělého člověka obsahuje pouze přibližně 2 g zinku. Doporučená denní dávka zinku v lidské potravě se pohybuje mezi 15–25 mg prvku.

Přítomnost zinku v organizmu je nezbytnou podmínkou pro správné fungování řady enzymatických systémů – nejvýznamnější je patrně inzulínový. Přítomnost zinku v potravě je důležitá nejen v době růstu organizmu, kde jeho nedostatek vede k opožďování tělesného i duševního dospívání, ale i v dospělosti. Nedostatečné množství zinku v potravě totiž způsobuje nechtěný úbytek na váze, pomalé hojení ran, zhoršování paměti a smyslové poruchy – především zrakové, čichové. Zinek je přítomen v poměrně značném množství ve spermatu a jeho dostatek v potravě je podmínkou pro správný pohlavní vývoj i dokonalou funkci pohlavních orgánů mužů.

V potravě jsou hlavními zdroji zinku játra, tmavé maso, mléko, vaječné žloutky a mořští živočichové – především ústřice. Z rostlinných produktů jde především o celozrnné cereálie, fazole, ořechy a dýňová semena. Protože množství přijímaného zinku, obsaženého v živočišné potravě značně převyšuje objem zinku, který může být získán z rostlinné potravy, je důležité, aby přísní vegetariáni dbali o dostatečný příjem zinku především v případě těhotných žen, kde je doporučovaná dávka zinku na vysoké úrovni kolem 25 mg Zn/den.

Rostlinami je zinek přijímán z půdního roztoku pomocí fytometaloforů (podobně jako u železa, fytometalofory pro železo se nazývají fytosiderofory). Jeho nedostatek způsobuje odumírání vzrostných vrcholů, nadbytek chlorózu.

Literatura[editovat | editovat zdroj]

  • Cotton F. A., Wilkinson J.:Anorganická chemie, souborné zpracování pro pokročilé, ACADEMIA, Praha 1973
  • Holzbecher Z.:Analytická chemie, SNTL, Praha 1974
  • Dr. Heinrich Remy, Anorganická chemie 1. díl, 1. vydání 1961
  • N. N. Greenwood – A. Earnshaw, Chemie prvků 1. díl, 1. vydání 1993 ISBN 80-85427-38-9

Reference[editovat | editovat zdroj]

  1. HOUSECROFT C. E., SHARPE A. G.. Anorganická chemie. Praha : VŠCHT, 2015. 1152 s. ISBN 978-80-7080-872-6.  
  2. JASINSKI, Stephen M. Mineral Commodity Summaries 2007: Zinc [online]. United States Geological Survey, [cit. 2008-11-25]. [1]. (anglicky) 

Externí odkazy[editovat | editovat zdroj]