cynk -Zinc

Cynk,  30 Zn
Fragment cynku sublimowany i kostka 1cm3.jpg
Cynk
Wygląd srebrnoszary
Standardowa masa atomowa A r °(Zn)
Cynk w układzie okresowym


Zn

Cd
miedźcynkgal
liczba atomowa ( Z ) 30
Grupa grupa 12
Okres okres 4
Blok   blok d
Konfiguracja elektronów [ Ar ] 3d 10 4s 2
Elektrony na powłokę 2, 8, 18, 2
Właściwości fizyczne
Faza STP solidny
Temperatura topnienia 692,68  K (419,53 ° C, 787,15 ° F)
Temperatura wrzenia 1180 K (907 °C, 1665 °F)
Gęstość (blisko  rt ) 7,14 g/cm 3
gdy ciecz (przy  mp ) 6,57 g/cm 3
Ciepło topnienia 7,32  kJ/mol
Ciepło parowania 115 kJ/mol
Molowa pojemność cieplna 25,470 J/(mol·K)
Ciśnienie pary
P  (Pa) 1 10 100 1 tys 10 tys 100 tys
T  (K) 610 670 750 852 990 1179
Właściwości atomowe
Stany utleniania −2, 0, +1, +2 (  tlenek amfoteryczny )
Elektroujemność Skala Paulinga: 1,65
Energie jonizacji
Promień atomowy empirycznie: 134  godz
Promień kowalencyjny 122±4 po południu
Promień Van der Waalsa 139 godz
Kolorowe linie w zakresie widmowym
Widmowe linie cynku
Inne właściwości
Występowanie naturalne pierwotny
Struktura krystaliczna ​sześciokątne ściśle upakowane (hcp)
Sześciokątna, ściśle upakowana struktura krystaliczna cynku
Prędkość dźwięku cienki pręt 3850 m/s (w temperaturze  pokojowej ) (walcowany)
Rozszerzalność cieplna 30,2 µm/(m⋅K) (przy 25 °C)
Przewodność cieplna 116 W/(m⋅K)
Rezystancja 59,0 nΩ⋅m (przy 20 ° C)
Zamawianie magnetyczne diamagnetyczny
Molowa podatność magnetyczna −11,4 × 10 −6  cm 3 /mol (298 K)
Moduł Younga 108 GPa
Moduł ścinania 43 GPa
Moduł objętościowy 70 GPa
Współczynnik Poissona 0,25
Twardość Mohsa 2.5
Twardość Brinella 327–412 MPa
Numer CAS 7440-66-6
Historia
Odkrycie Indyjscy metalurdzy (przed 1000 pne )
Pierwsza izolacja Andreas Zygmunt Marggraf (1746)
Uznany za wyjątkowy metal przez Rasaratna Samuccaya (1300)
Główne izotopy cynku
Izotop Rozkład
obfitość okres półtrwania ( t 1/2 ) tryb produkt
64 Zn 49,2% stabilny
65 Zn syn 244 dł ε 65 Cu
γ
66 Zn 27,7% stabilny
67 Zn 4,0% stabilny
68 Zn 18,5% stabilny
69 Zn syn 56 min β- _ 69 Ga
69 m Zn syn 13,8 godz β- _ 69 Ga
70 Zn 0,6% stabilny
71 Zn syn 2,4 min β- _ 71 Ga
71m Zn syn 4 godz β- _ 71 Ga
72 Zn syn 46,5 godz β- _ 72 Ga
 Kategoria: Cynk
| Bibliografia

Cynk jest pierwiastkiem chemicznym o symbolu Zn i liczbie atomowej 30. Cynk jest lekko kruchym metalem w temperaturze pokojowej i po usunięciu utleniania ma błyszcząco-szary wygląd. Jest pierwszym pierwiastkiem w grupie 12 (IIB) układu okresowego pierwiastków . Pod pewnymi względami cynk jest chemicznie podobny do magnezu : oba pierwiastki wykazują tylko jeden normalny stopień utlenienia (+2), a jony Zn 2+ i Mg 2+ mają podobną wielkość. Cynk jest 24. najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej i ma pięć stabilnych izotopów . Najczęstszą rudą cynku jest sfaleryt (blenda cynku), minerał siarczku cynku . Największe nadające się do eksploatacji złoża znajdują się w Australii, Azji i Stanach Zjednoczonych. Cynk jest rafinowany przez flotację pianą rudy, prażenie i ostateczną ekstrakcję za pomocą energii elektrycznej ( elektrowitamina ).

Cynk jest niezbędnym pierwiastkiem śladowym dla ludzi, zwierząt, roślin i mikroorganizmów i jest niezbędny do rozwoju prenatalnego i postnatalnego. Jest to drugi pod względem ilości pierwiastków śladowych u ludzi po żelazie i jedyny metal występujący we wszystkich klasach enzymów . Cynk jest również niezbędnym składnikiem odżywczym dla wzrostu koralowców, ponieważ jest ważnym kofaktorem dla wielu enzymów.

Niedobór cynku dotyka około dwóch miliardów ludzi w krajach rozwijających się i jest powiązany z wieloma chorobami. U dzieci niedobór powoduje opóźnienie wzrostu, opóźnione dojrzewanie płciowe, podatność na infekcje i biegunki . Enzymy z atomem cynku w centrum reaktywnym są szeroko rozpowszechnione w biochemii, na przykład dehydrogenaza alkoholowa u ludzi. Spożycie nadmiaru cynku może powodować ataksję , letarg i niedobór miedzi .

Mosiądz , stop miedzi i cynku w różnych proporcjach, był używany już w III tysiącleciu pne na obszarze Morza Egejskiego oraz w regionie obejmującym obecnie Irak , Zjednoczone Emiraty Arabskie , Kałmucję , Turkmenistan i Gruzję . W drugim tysiącleciu pne był używany w regionach, w których obecnie znajdują się Indie Zachodnie , Uzbekistan , Iran , Syria , Irak i Izrael . Cynk metaliczny nie był produkowany na dużą skalę aż do XII wieku w Indiach, chociaż był znany starożytnym Rzymianom i Grekom. Kopalnie w Radżastanie dostarczyły niezbitych dowodów na produkcję cynku od VI wieku pne. Do tej pory najstarsze dowody na istnienie czystego cynku pochodzą z Zawaru w Radżastanie już w IX wieku naszej ery, kiedy do wytworzenia czystego cynku zastosowano proces destylacji. Alchemicy spalali cynk w powietrzu, tworząc coś, co nazywali „ wełną filozoficzną ” lub „białym śniegiem”.

Pierwiastek został prawdopodobnie nazwany przez alchemika Paracelsusa od niemieckiego słowa Zinke (ząb, ząb). Niemiecki chemik Andreas Sigismund Marggraf jest uznawany za odkrywcę czystego metalicznego cynku w 1746 r. Prace Luigiego Galvaniego i Alessandro Volty ujawniły elektrochemiczne właściwości cynku do 1800 r. Odporne na korozję cynkowanie żelaza ( cynkowanie ogniowe ) jest głównym zastosowaniem cynku . Inne zastosowania to akumulatory elektryczne , małe odlewy niestrukturalne i stopy, takie jak mosiądz. Powszechnie stosuje się różne związki cynku, takie jak węglan cynku i glukonian cynku (jako suplementy diety), chlorek cynku (w dezodorantach), pirytion cynku ( szampony przeciwłupieżowe ), siarczek cynku (w farbach luminescencyjnych) oraz dimetylocynk lub dietylocynk w laboratorium organicznym.

Charakterystyka

Właściwości fizyczne

Cynk jest niebieskawo-białym, błyszczącym, diamagnetycznym metalem, chociaż większość komercyjnych gatunków metalu ma matowe wykończenie. Jest nieco mniej gęsty niż żelazo i ma heksagonalną strukturę krystaliczną , ze zniekształconą formą heksagonalnego ścisłego upakowania , w którym każdy atom ma sześciu najbliższych sąsiadów (o 265,9 pm) we własnej płaszczyźnie i sześciu innych w większej odległości 290,6 pm . Metal jest twardy i kruchy w większości temperatur, ale staje się plastyczny w temperaturze od 100 do 150 ° C. Powyżej 210 ° C metal staje się ponownie kruchy i można go sproszkować przez uderzenie. Cynk jest dobrym przewodnikiem elektryczności . Jak na metal, cynk ma stosunkowo niską temperaturę topnienia (419,5°C) i wrzenia (907°C). Temperatura topnienia jest najniższa spośród wszystkich metali blokowych d, z wyjątkiem rtęci i kadmu ; między innymi z tego powodu cynk, kadm i rtęć często nie są uważane za metale przejściowe, jak reszta metali z bloku d.

Wiele stopów zawiera cynk, w tym mosiądz. Inne metale od dawna znane z tworzenia podwójnych stopów z cynkiem to aluminium , antymon , bizmut , złoto , żelazo, ołów , rtęć, srebro , cyna , magnez , kobalt , nikiel , tellur i sód . Chociaż ani cynk, ani cyrkon nie są ferromagnetykami , ich stop ZrZn
2
, wykazuje ferromagnetyzm poniżej  35 K.

Występowanie

Cynk stanowi około 75  ppm  (0,0075%) skorupy ziemskiej , co czyni go 24. najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem. Typowe stężenia cynku w tle nie przekraczają 1 μg/m 3 w atmosferze; 300 mg/kg w glebie; 100 mg/kg w roślinności; 20 μg/L w wodzie słodkiej i 5 μg/L w wodzie morskiej. Pierwiastek zwykle występuje w rudach w połączeniu z innymi metalami nieszlachetnymi, takimi jak miedź i ołów . Cynk jest chalkofilem , co oznacza, że ​​częściej występuje w minerałach razem z siarką i innymi ciężkimi chalkogenami niż z lekkim tlenem chalkogenu lub z pierwiastkami elektroujemnymi nie będącymi chalkogenami, takimi jak halogeny . Siarczki powstały, gdy skorupa zestaliła się w redukujących warunkach wczesnej atmosfery ziemskiej. Sfaleryt , który jest formą siarczku cynku, jest najczęściej wydobywaną rudą zawierającą cynk, ponieważ jego koncentrat zawiera 60–62% cynku.

Inne minerały będące źródłem cynku to smithsonit ( węglan cynku ), hemimorfit ( krzemian cynku ), wurcyt (inny siarczek cynku), a czasem hydrocyncyt (podstawowy węglan cynku ). Z wyjątkiem wurcytu, wszystkie te inne minerały powstały w wyniku wietrzenia pierwotnych siarczków cynku.

Zidentyfikowane światowe zasoby cynku wynoszą około 1,9–2,8 mld ton . Duże złoża znajdują się w Australii, Kanadzie i Stanach Zjednoczonych, z największymi rezerwami w Iranie . Najnowsze oszacowanie bazy zasobów cynku (spełniające określone minimalne kryteria fizyczne związane z obecnymi praktykami wydobywczymi i wydobywczymi) zostało dokonane w 2009 r. i obliczone na około 480 Mt. Z drugiej strony zasoby cynku to geologicznie zidentyfikowane złoża rudy, których przydatność do odzysku jest uzasadnione ekonomicznie (lokalizacja, gatunek, jakość i ilość) w momencie ustalania. Ponieważ eksploracja i rozwój kopalni to proces ciągły, ilość rezerw cynku nie jest stałą liczbą, a trwałości dostaw rudy cynku nie można ocenić na podstawie prostej ekstrapolacji łącznego okresu eksploatacji dzisiejszych kopalń cynku. Ta koncepcja jest dobrze poparta danymi z United States Geological Survey (USGS), które pokazują, że chociaż produkcja rafinowanego cynku wzrosła o 80% w latach 1990-2010, żywotność rezerw cynku pozostała niezmieniona. W całej historii do 2002 roku wydobyto około 346 milionów ton, a uczeni oszacowali, że w użyciu jest około 109–305 milionów ton.

Czarna błyszcząca bryła ciała stałego o nierównej powierzchni
Sfaleryt (ZnS)

izotopy

W przyrodzie występuje pięć stabilnych izotopów cynku, przy czym 64 Zn jest najbardziej rozpowszechnionym izotopem (49,17% naturalnej obfitości ). Inne izotopy występujące w przyrodzie to66
Zn
(27,73%),67
Zn
(4,04%),68
Zn
(18,45%) i70
Zn
(0,61%).

Scharakteryzowano kilkadziesiąt radioizotopów .65
Zn
, którego okres półtrwania wynosi 243,66 dni, jest najmniej aktywnym radioizotopem, a następnie72
Zn
o okresie półtrwania 46,5 godziny. Cynk ma 10 izomerów jądrowych , z których 69m Zn ma najdłuższy okres półtrwania, 13,76 godz. Indeks górny m wskazuje izotop metastabilny . Jądro metastabilnego izotopu jest w stanie wzbudzonym i powróci do stanu podstawowego emitując foton w postaci promieniowania gamma .61
Zn
ma trzy wzbudzone stany metastabilne i73
Zn
ma dwa. izotopy65
Zn
,71
Zn
,77
Zn
i78
Zn
każdy ma tylko jeden wzbudzony stan metastabilny.

Najczęstszym trybem rozpadu radioizotopu cynku o liczbie masowej mniejszej niż 66 jest wychwytywanie elektronów . Produkt rozpadu powstający w wyniku wychwytu elektronów jest izotopem miedzi.

n
30
zn
+
mi
nr
29
Cu

Najczęstszym trybem rozpadu radioizotopu cynku o liczbie masowej większej niż 66 jest rozpad beta- ), w wyniku którego powstaje izotop galu .

n
30
zn
nr
31
Ga
+
mi
+
v
mi

Związki i chemia

Reaktywność

Cynk ma konfigurację elektronową [Ar]3d 10 4s 2 i należy do 12. grupy układu okresowego pierwiastków . Jest metalem umiarkowanie reaktywnym i silnym reduktorem . Powierzchnia czystego metalu szybko matowieje , ostatecznie tworząc ochronną warstwę pasywacyjną podstawowego węglanu cynku Zn
5
(OH)
6
(CO 3 )
2
, w reakcji z atmosferycznym dwutlenkiem węgla .

Cynk pali się w powietrzu jasnym niebieskawo-zielonym płomieniem, wydzielając opary tlenku cynku . Cynk łatwo reaguje z kwasami , zasadami i innymi niemetalami. Wyjątkowo czysty cynk reaguje powoli z kwasami w temperaturze pokojowej . Silne kwasy, takie jak kwas solny lub siarkowy , mogą usunąć warstwę pasywacyjną, a następująca po tym reakcja z kwasem uwalnia gazowy wodór.

Chemia cynku jest zdominowana przez stopień utlenienia +2. Kiedy tworzą się związki na tym stopniu utlenienia, elektrony zewnętrznej powłoki tracone, dając nagi jon cynku o konfiguracji elektronowej [Ar]3d 10 . W roztworze wodnym kompleks oktaedryczny [Zn(H
2
O) 6 ]2+
jest gatunkiem dominującym. Ulatnianie się cynku w połączeniu z chlorkiem cynku w temperaturze powyżej 285 °C wskazuje na tworzenie się Zn
2
Kl
2
, związek cynku o stopniu utlenienia +1. Nie są znane żadne związki cynku na dodatnich stopniach utlenienia innych niż +1 lub +2. Obliczenia wskazują, że związek cynku o stopniu utlenienia +4 jest mało prawdopodobny. Przewiduje się, że Zn (III) istnieje w obecności silnie elektroujemnych trianionów; istnieją jednak pewne wątpliwości co do tej możliwości. Ale w 2021 roku zgłoszono inny związek z większą liczbą dowodów, który miał stopień utlenienia +3 o wzorze ZnBeB 11 (CN) 12 .

Chemia cynku jest podobna do chemii późnych metali przejściowych pierwszego rzędu, niklu i miedzi, chociaż ma wypełnioną powłokę typu D, a związki są diamagnetyczne i przeważnie bezbarwne. Promienie jonowe cynku i magnezu są prawie identyczne. Z tego powodu niektóre równoważne sole mają taką samą strukturę krystaliczną , aw innych okolicznościach, w których promień jonowy jest czynnikiem decydującym, chemia cynku ma wiele wspólnego z chemią magnezu. Pod innymi względami istnieje niewielkie podobieństwo do późnych metali przejściowych pierwszego rzędu. Cynk ma tendencję do tworzenia wiązań o większym stopniu kowalencyjności i znacznie trwalszych kompleksów z N - i S - donorami. Kompleksy cynku są przeważnie 4- lub 6- koordynacyjne , chociaż znane są kompleksy 5-koordynacyjne.

Związki cynku(I).

Związki cynku(I) są bardzo rzadkie. Jon [Zn 2 ] 2+ jest związany z tworzeniem się żółtego szkła diamagnetycznego w wyniku rozpuszczenia metalicznego cynku w stopionym ZnCl 2 . Rdzeń [Zn 2 ] 2+ byłby analogiczny do kationu [Hg 2 ] 2+ obecnego w związkach rtęci (I). Diamagnetyczny charakter jonu potwierdza jego dimeryczną budowę . Pierwszy związek cynku(I) zawierający wiązanie Zn–Zn, 5 -C 5 Me 5 ) 2 Zn 2 .

Związki cynku(II).

Arkusze octanu cynku utworzone przez powolne odparowywanie
Octan cynku
Biały zbrylony proszek na szklanej płytce
Chlorek cynku

Dwuskładnikowe związki cynku są znane z większości metaloidów i wszystkich niemetali z wyjątkiem gazów szlachetnych . Tlenek ZnO jest białym proszkiem, który jest prawie nierozpuszczalny w obojętnych roztworach wodnych, ale jest amfoteryczny , rozpuszcza się zarówno w mocnych roztworach zasadowych, jak i kwaśnych. Inne chalkogenki ( ZnS , ZnSe i ZnTe ) mają różne zastosowania w elektronice i optyce. Pniktogenidy ( Zn
3
N
2
, Zn
3
P
2
, Zn
3
Jak
2
i Zn
3
Śr
2
), nadtlenek ( ZnO
2
), wodorek ( ZnH
2
) i węglika ( ZnC
2
) są również znane. Spośród czterech halogenków ZnF
2
ma najbardziej jonowy charakter, podczas gdy pozostałe ( ZnCl
2
, ZnBr
2
i ZnI
2
) mają stosunkowo niskie temperatury topnienia i uważa się, że mają charakter bardziej kowalencyjny.

W słabo zasadowych roztworach zawierających Zn2+
jony, wodorotlenek Zn (OH)
2
tworzy się biały osad . W mocniejszych roztworach zasadowych wodorotlenek ten rozpuszcza się, tworząc cynkany ( [Zn(OH) 4 ]2−
). Azotan Zn(NO 3 )
2
, chloran Zn(ClO 3 )
2
, siarczan ZnSO4
4
, fosforan Zn
3
(PO 4 )
2
, molibdenian ZnMoO
4
, cyjanek Zn(CN)
2
, arsenin Zn(AsO 2 )
2
, arsenian Zn(AsO 4 )
2
·8H
2
O
i chromian ZnCrO
4
(jeden z nielicznych kolorowych związków cynku) to kilka przykładów innych powszechnych nieorganicznych związków cynku.

Związki cynkoorganiczne to te, które zawierają wiązania kowalencyjne cynk-węgiel. Dietylocynk ( (C
2
H5 ) _
2
Zn
) jest odczynnikiem w chemii syntetycznej. Po raz pierwszy odnotowano go w 1848 r. W wyniku reakcji cynku i jodku etylu i był to pierwszy związek, o którym wiadomo, że zawiera wiązanie sigma metal-węgiel .

Test na cynk

Papier z cyjankiem kobaltu (test Rinnmanna dla Zn) może być użyty jako chemiczny wskaźnik cynku. 4 g K 3 Co(CN) 6 i 1 g KClO 3 rozpuszcza się w 100 ml wody. Papier zanurza się w roztworze i suszy w temperaturze 100°C. Jedną kroplę próbki upuszcza się na suchy papier i ogrzewa. Zielony krążek wskazuje na obecność cynku.

Historia

Starożytne zastosowanie

Charaka Samhita , napisana prawdopodobnie między 300 a 500 rne, wspomina o metalu, który po utlenieniu wytwarza pushpanjan , uważany za tlenek cynku. Kopalnie cynku w Zawar, niedaleko Udaipur w Indiach, działają od czasów mauretańskich ( ok.   322 i 187 pne). Wydaje się jednak, że wytapianie metalicznego cynku rozpoczęło się tutaj około XII wieku naszej ery. Szacuje się, że miejsce to wyprodukowało szacunkowo milion ton metalicznego cynku i tlenku cynku od XII do XVI wieku. Inne oszacowanie podaje całkowitą produkcję 60 000 ton metalicznego cynku w tym okresie. Rasaratna Samuccaya , napisana około XIII wieku, wspomina o dwóch rodzajach rud zawierających cynk: jeden używany do wydobywania metali, a drugi do celów leczniczych.

Duże czarne wiadro w kształcie misy na stojaku.  Wiadro ma inkrustację wokół wierzchu.
Późnorzymskie mosiężne wiadro - Hemmoorer Eimer z Warstade, Niemcy, od II do III wieku naszej ery

Odkryto różne pojedyncze przykłady zastosowania zanieczyszczonego cynku w starożytności. Rudy cynku były używane do produkcji mosiądzu ze stopu cynku i miedzi tysiące lat przed odkryciem cynku jako oddzielnego pierwiastka. Mosiądz judzki od XIV do X wieku pne zawiera 23% cynku.

Wiedza o tym, jak wytwarzać mosiądz, rozprzestrzeniła się w starożytnej Grecji w VII wieku pne, ale wykonano kilka odmian. Znaleziono ozdoby wykonane ze stopów zawierających 80–90% cynku, z resztą ołowiu, żelaza, antymonu i innych metali, które mają 2500 lat. Na stanowisku archeologicznym Daków znaleziono prawdopodobnie prehistoryczną statuetkę zawierającą 87,5% cynku .

Najstarsze znane pigułki zostały wykonane z węglanów cynku, hydrocyncytu i smithsonitu. Pigułki były używane na ból oczu i zostały znalezione na pokładzie rzymskiego statku Relitto del Pozzino , który rozbił się w 140 rpne.

Produkcja mosiądzu była znana Rzymianom około 30 roku pne. Wykonali mosiądz, ogrzewając sproszkowany galman ( krzemian cynku lub węglan), węgiel drzewny i miedź razem w tyglu. Powstały mosiądz galmanowy był następnie odlewany lub wbijany w kształt do użytku w broni. Niektóre monety wybite przez Rzymian w czasach chrześcijańskich są wykonane z prawdopodobnie mosiądzu kalaminowego.

Pismo Strabona z I wieku pne (ale cytując zaginione dzieło historyka Theopompusa z IV wieku pne ) wspomina o „kroplach fałszywego srebra”, które po zmieszaniu z miedzią tworzą mosiądz. Może to odnosić się do niewielkich ilości cynku, który jest produktem ubocznym wytopu rud siarczkowych . Cynk w takich pozostałościach w piecach hutniczych był zwykle odrzucany, ponieważ uważano go za bezwartościowy.

Cynkowa tabliczka berneńska to tablica wotywna datowana na rzymską Galię , wykonana ze stopu składającego się głównie z cynku.

Wczesne badania i nazewnictwo

Cynk był wyraźnie rozpoznawany jako metal pod nazwą Yasada lub Jasada w leksykonie medycznym przypisywanym hinduskiemu królowi Madanapala (z dynastii Taka) i spisanym około 1374 roku. substancji dokonano w XIII wieku w Indiach. Chińczycy poznali tę technikę dopiero w XVII wieku.

Różne alchemiczne symbole pierwiastka cynku

Alchemicy spalili metaliczny cynk w powietrzu i zebrali powstały tlenek cynku na skraplaczu . Niektórzy alchemicy nazwali ten tlenek cynku lana philosophica , po łacinie „wełna filozoficzna”, ponieważ zbierał się w wełnianych kępkach, podczas gdy inni uważali, że wygląda jak biały śnieg i nazwali go nix album .

Nazwa metalu została prawdopodobnie po raz pierwszy udokumentowana przez Paracelsusa , urodzonego w Szwajcarii niemieckiego alchemika, który nazwał ten metal „cynkiem” lub „cynkiem” w swojej książce Liber Mineralium II w XVI wieku. Słowo to pochodzi prawdopodobnie od niemieckiego zinke i prawdopodobnie oznaczało „zębopodobny, spiczasty lub postrzępiony” (metaliczne kryształy cynku mają wygląd przypominający igłę). Cynk może również sugerować „podobny do cyny” ze względu na jego związek z niemieckim cynkiem oznaczającym cynę. Jeszcze inną możliwością jest to, że słowo to pochodzi od perskiego słowa سنگ seng oznaczającego kamień. Metal ten nazywano także cyną indyjską, tutanego, kalaminą i spinterem.

Niemiecki metalurg Andreas Libavius ​​otrzymał pewną ilość tego, co nazwał „calay” z Malabaru ze statku towarowego przechwyconego Portugalczykom w roku 1596. Libavius ​​opisał właściwości próbki, która mogła być cynkiem. Cynk był regularnie importowany do Europy ze Wschodu w XVII i na początku XVIII wieku, ale czasami był bardzo drogi.

Izolacja

Obraz głowy starca (profil).  Mężczyzna ma pociągłą twarz, krótkie włosy i wysokie czoło.
Andreasowi Sigismundowi Marggrafowi przypisuje się pierwsze wyizolowanie czystego cynku

Cynk metaliczny został wyizolowany w Indiach około 1300 rne, znacznie wcześniej niż na Zachodzie. Zanim został wyizolowany w Europie, został sprowadzony z Indii około 1600 roku n.e. Uniwersalny słownik Postlewayta , współczesne źródło informacji technologicznych w Europie, nie wspomina o cynku przed 1751 rokiem, ale pierwiastek ten był badany wcześniej.

Flamandzki metalurg i alchemik PM de Respour poinformował, że w 1668 r. Wydobył metaliczny cynk z tlenku cynku. Na początku XVIII wieku Étienne François Geoffroy opisał, jak tlenek cynku skrapla się w postaci żółtych kryształów na prętach żelaza umieszczonych nad rudą cynku, która jest wytopiony. Mówi się, że w Wielkiej Brytanii John Lane przeprowadzał eksperymenty w celu wytapiania cynku, prawdopodobnie w Landore , przed bankructwem w 1726 roku.

W 1738 roku w Wielkiej Brytanii William Champion opatentował proces ekstrakcji cynku z kalaminy w pionowej piecu retortowym . Jego technika przypominała tę używaną w kopalniach cynku Zawar w Radżastanie , ale nic nie wskazuje na to, by odwiedził Orient. Proces Championa był używany do 1851 roku.

Niemiecki chemik Andreas Marggraf zwykle przypisuje sobie odkrycie czystego metalicznego cynku, mimo że szwedzki chemik Anton von Swab wydestylował cynk z galmanu cztery lata wcześniej. W swoim eksperymencie z 1746 roku Marggraf podgrzał mieszaninę galmanu i węgla drzewnego w zamkniętym naczyniu bez miedzi, aby uzyskać metal. Procedura ta stała się komercyjnie praktyczna w 1752 roku.

Późniejsza praca

Obraz mężczyzny w średnim wieku siedzącego przy stole, w peruce, czarnej kurtce, białej koszuli i białym szaliku.
Galwanizacja została nazwana na cześć Luigiego Galvaniego .

Brat Williama Championa, John, opatentował w 1758 roku proces kalcynacji siarczku cynku w tlenek użyteczny w procesie retortowym. Wcześniej do produkcji cynku można było używać tylko kalaminy. W 1798 r. Johann Christian Ruberg udoskonalił proces wytapiania, budując pierwszą poziomą hutę retortową. Jean-Jacques Daniel Dony zbudował w Belgii inny rodzaj poziomej huty cynku, która przetwarzała jeszcze więcej cynku. Włoski lekarz Luigi Galvani odkrył w 1780 r., że połączenie rdzenia kręgowego świeżo wyciętej żaby z żelazną szyną przymocowaną mosiężnym hakiem powoduje drganie nogi żaby. Błędnie sądził, że odkrył zdolność nerwów i mięśni do wytwarzania elektryczności i nazwał ten efekt „ elektrycznością zwierzęcą ”. Zarówno ogniwo galwaniczne, jak i proces galwanizacji zostały nazwane na cześć Luigiego Galvaniego, a jego odkrycia utorowały drogę dla akumulatorów elektrycznych , galwanizacji i ochrony katodowej .

Przyjaciel Galvaniego, Alessandro Volta , kontynuował badania tego efektu iw 1800 r. wynalazł stos Volty. Stos Volty składał się ze stosu uproszczonych ogniw galwanicznych , z których każdy składał się z jednej płytki miedzianej, a drugiej cynkowej, połączonych elektrolitem . Układając te jednostki szeregowo, stos Voltaic (lub „bateria”) jako całość miał wyższe napięcie, które można było wykorzystać łatwiej niż pojedyncze ogniwa. Energia elektryczna jest wytwarzana, ponieważ potencjał wolta między dwiema metalowymi płytkami powoduje przepływ elektronów z cynku do miedzi i korodowanie cynku.

Niemagnetyczny charakter cynku i jego brak koloru w roztworze opóźniły odkrycie jego znaczenia dla biochemii i odżywiania. Zmieniło się to w 1940 roku, kiedy wykazano, że anhydraza węglanowa , enzym usuwający dwutlenek węgla z krwi, ma cynk w swoim miejscu aktywnym . Enzym trawienny karboksypeptydaza stał się drugim znanym enzymem zawierającym cynk w 1955 roku.

Produkcja

Wydobycie i przetwarzanie

Największa produkcja kopalni cynku (według krajów) 2019 r
Ranga Kraj ton
1 Chiny 4 210 000
2 Peru 1 400 000
3 Australia 1 330 000
5 Stany Zjednoczone 753 000
4 Indie 720 000
6 Meksyk 677 000
Cena cynku
Mapa świata pokazuje, że około 40% cynku jest produkowane w Chinach, 20% w Australii, 20% w Peru i po 5% w USA, Kanadzie i Kazachstanie.
Procent produkcji cynku w 2006 roku według krajów
Światowy trend produkcji
Kopalnia cynku Rosh Pinah, Namibia
27°57′17″S 016°46′00″E / 27,95472°S 16,76667°E / -27,95472; 16.76667 ( Rosz Pina )

Cynk jest czwartym najczęściej używanym metalem, zaraz za żelazem , aluminium i miedzią , a jego roczna produkcja wynosi około 13 milionów ton. Największym na świecie producentem cynku jest Nyrstar , połączenie australijskiego OZ Minerals i belgijskiego Umicore . Około 70% światowego cynku pochodzi z górnictwa, a pozostałe 30% pochodzi z wtórnego recyklingu cynku.

Komercyjnie czysty cynk jest znany jako Special High Grade, często w skrócie SHG i ma czystość 99,995%.

Na całym świecie 95% nowego cynku wydobywa się ze złóż rud siarczkowych , w których sfaleryt (ZnS) prawie zawsze miesza się z siarczkami miedzi, ołowiu i żelaza. Kopalnie cynku są rozsiane po całym świecie, a główne obszary to Chiny, Australia i Peru. Chiny wyprodukowały 38% światowej produkcji cynku w 2014 roku.

Cynk metaliczny jest wytwarzany przy użyciu metalurgii ekstrakcyjnej . Ruda jest drobno mielona, ​​a następnie poddawana flotacji piany w celu oddzielenia minerałów od skały płonnej (na podstawie właściwości hydrofobowości ), aby uzyskać koncentrat rudy siarczku cynku składający się z około 50% cynku, 32% siarki, 13% żelaza i 5% SiO
2
.

Prażenie przekształca koncentrat siarczku cynku w tlenek cynku:

Dwutlenek siarki jest wykorzystywany do produkcji kwasu siarkowego, który jest niezbędny w procesie ługowania. Jeśli do produkcji cynku wykorzystuje się złoża węglanu cynku , krzemianu cynku lub spinelu cynku (jak złoże Skorpiona w Namibii ), prażenie można pominąć.

Do dalszego przetwarzania stosuje się dwie podstawowe metody: pirometalurgię lub elektrolityczne otrzymywanie . Pirometalurgia redukuje tlenek cynku za pomocą węgla lub tlenku węgla w temperaturze 950 ° C (1740 ° F) do metalu, który jest destylowany jako para cynku w celu oddzielenia go od innych metali, które nie są lotne w tych temperaturach. Pary cynku są gromadzone w skraplaczu. Poniższe równania opisują ten proces:

Podczas elektrolitycznego otrzymywania cynk jest wypłukiwany z koncentratu rudy kwasem siarkowym i wytrącane są zanieczyszczenia:

Wreszcie cynk jest redukowany przez elektrolizę .

Kwas siarkowy jest regenerowany i zawracany do etapu ługowania.

Gdy ocynkowany wsad jest podawany do elektrycznego pieca łukowego , cynk jest odzyskiwany z pyłu w szeregu procesów, głównie w procesie Waelza (90% od 2014 r.).

Wpływ środowiska

Rafinacja siarczkowych rud cynku wytwarza duże ilości dwutlenku siarki i par kadmu . Żużel hutniczy i inne pozostałości zawierają znaczne ilości metali. W belgijskich miastach La Calamine i Plombières w latach 1806-1882 wydobyto i wytopiono około 1,1 miliona ton metalicznego cynku i 130 tysięcy ton ołowiu . Wysypiska z dawnych operacji wydobywczych wypłukują cynk i kadm oraz osady rzeki Geul zawierają nietrywialne ilości metali. Około dwóch tysięcy lat temu emisja cynku z górnictwa i hutnictwa wynosiła łącznie 10 tysięcy ton rocznie. Po 10-krotnym wzroście od 1850 r., emisje cynku osiągnęły najwyższy poziom 3,4 miliona ton rocznie w latach 80. i spadły do ​​2,7 miliona ton w latach 90., chociaż badanie arktycznej troposfery z 2005 r. Wykazało, że stężenia tam nie odzwierciedlają spadku. Emisje spowodowane przez człowieka i naturalne występują w stosunku 20 do 1.

Cynk w rzekach przepływających przez tereny przemysłowe i górnicze może sięgać nawet 20 ppm. Skuteczne oczyszczanie ścieków znacznie to zmniejsza; Na przykład obróbka wzdłuż Renu obniżyła poziom cynku do 50 ppb. Stężenie cynku tak niskie jak 2 ppm niekorzystnie wpływa na ilość tlenu, którą ryby mogą przenosić we krwi.

Panorama przedstawiająca duży zakład przemysłowy od strony morza, na tle gór.
Historycznie odpowiedzialny za wysoki poziom metali w rzece Derwent , cynkownia w Lutana jest największym eksporterem na Tasmanii, generując 2,5% PKB stanu i produkując ponad 250 000 ton cynku rocznie.

Gleby zanieczyszczone cynkiem z wydobycia, rafinacji lub nawożenia osadami cynkonośnymi mogą zawierać kilka gramów cynku na kilogram suchej gleby. Poziomy cynku przekraczające 500 ppm w glebie zakłócają zdolność roślin do wchłaniania innych niezbędnych metali , takich jak żelazo i mangan . W niektórych próbkach gleby zarejestrowano poziomy cynku od 2000 ppm do 180 000 ppm (18%).

Aplikacje

Główne zastosowania cynku obejmują (liczby podano dla USA)

  1. Cynkowanie (55%)
  2. Mosiądz i brąz (16%)
  3. Inne stopy (21%)
  4. Różne (8%)

Antykorozyjne i baterie

Połączone wydłużone kryształy o różnych odcieniach szarości.
Krystaliczna powierzchnia poręczy ocynkowana ogniowo

Cynk jest najczęściej stosowanym środkiem antykorozyjnym , a najbardziej znaną formą jest cynkowanie (powlekanie żelaza lub stali ). W 2009 roku w Stanach Zjednoczonych do galwanizacji zużyto 55% lub 893 000 ton metalicznego cynku.

Cynk jest bardziej reaktywny niż żelazo lub stal i dlatego będzie przyciągał prawie wszystkie lokalne utleniania, aż do całkowitej korozji. Ochronna warstwa powierzchniowa tlenku i węglanu ( Zn
5
(OH)
6
(WSPÓŁ
3
)
2
)
tworzy się, gdy cynk koroduje. Ta ochrona utrzymuje się nawet po zarysowaniu warstwy cynku, ale z czasem ulega degradacji, gdy cynk koroduje. Cynk jest nakładany elektrochemicznie lub w postaci stopionego cynku przez cynkowanie ogniowe lub natryskiwanie. Galwanizację stosuje się na ogrodzeniach z ogniw łańcucha, poręczach, mostach wiszących, słupach oświetleniowych, dachach metalowych, wymiennikach ciepła i karoseriach.

Względna reaktywność cynku i jego zdolność do przyciągania do siebie utleniania czyni go skuteczną anodą protektorową w ochronie katodowej (CP). Na przykład ochronę katodową zakopanego rurociągu można uzyskać, łącząc anody wykonane z cynku z rurą. Cynk działa jak anoda (ujemny koniec), powoli korodując, gdy przekazuje prąd elektryczny do stalowego rurociągu. Cynk jest również używany do ochrony katodowej metali narażonych na działanie wody morskiej. Dysk cynkowy przymocowany do żelaznego steru statku będzie powoli korodował, podczas gdy ster pozostanie nienaruszony. Podobnie, tymczasową ochronę zapewnia cynkowa zatyczka przymocowana do śruby napędowej lub metalowa osłona zabezpieczająca stępkę statku.

Przy standardowym potencjale elektrody (SEP) wynoszącym −0,76 wolta cynk jest używany jako materiał anodowy do akumulatorów. (Bardziej reaktywny lit (SEP -3,04 V) jest używany do anod w bateriach litowych ). W ten sposób sproszkowany cynk jest stosowany w bateriach alkalicznych, a obudowa (służąca również jako anoda) baterii cynkowo-węglowych jest uformowana z blachy cynkowej. Cynk jest używany jako anoda lub paliwo baterii cynkowo-powietrznej / ogniwa paliwowego. Cynkowo -cerowy akumulator przepływowy redoks również opiera się na ujemnym półogniwie na bazie cynku.

Stopy

Powszechnie stosowanym stopem cynku jest mosiądz, w którym miedź zawiera od 3% do 45% cynku, w zależności od rodzaju mosiądzu. Mosiądz jest generalnie bardziej plastyczny i mocniejszy niż miedź oraz ma lepszą odporność na korozję . Te właściwości sprawiają, że jest przydatny w sprzęcie komunikacyjnym, sprzęcie, instrumentach muzycznych i zaworach wodnych.

Wzór mozaiki złożony z elementów o różnych kształtach i odcieniach brązu.
Odlewana mikrostruktura mosiądzu przy powiększeniu 400x

Inne szeroko stosowane stopy cynku to srebro niklowe , metal maszyn do pisania, luty miękkie i aluminiowe oraz komercyjny brąz . Cynk jest również stosowany we współczesnych organach piszczałkowych jako substytut tradycyjnego stopu ołowiu i cyny w rurach. Stopy zawierające 85–88% cynku, 4–10% miedzi i 2–8% aluminium mają ograniczone zastosowanie w niektórych typach łożysk maszyn. Cynk jest podstawowym metalem w amerykańskich monetach jednocentowych (pensach) od 1982 r. Cynkowy rdzeń jest pokryty cienką warstwą miedzi, aby nadać wygląd miedzianej monety. W 1994 r. 33 200 ton (36 600 ton amerykańskich) cynku wykorzystano do wyprodukowania 13,6 miliarda groszy w Stanach Zjednoczonych.

Stopy cynku z niewielkimi ilościami miedzi, aluminium i magnezu są przydatne w odlewaniu ciśnieniowym , a także odlewaniu wirowym , zwłaszcza w przemyśle motoryzacyjnym, elektrycznym i metalowym. Stopy te są sprzedawane pod nazwą Zamak . Przykładem tego jest cynk aluminium . Niska temperatura topnienia wraz z niską lepkością stopu umożliwia wytwarzanie małych i skomplikowanych kształtów. Niska temperatura pracy prowadzi do szybkiego schładzania wyrobów odlewanych i szybkiej produkcji do montażu. Inny stop, sprzedawany pod marką Prestal, zawiera 78% cynku i 22% aluminium i jest prawie tak wytrzymały jak stal, ale plastyczny jak plastik. Ta nadplastyczność stopu pozwala na jego formowanie za pomocą odlewów ciśnieniowych z ceramiki i cementu.

Podobne stopy z dodatkiem niewielkiej ilości ołowiu można walcować na zimno na arkusze. Stop składający się w 96% z cynku i w 4% z aluminium jest używany do produkcji tłoczników do zastosowań o niskim nakładzie produkcyjnym, dla których matryce z metali żelaznych byłyby zbyt drogie. Do elewacji budynków, pokryć dachowych i innych zastosowań blach formowanych przez głębokie tłoczenie , walcowanie lub gięcie stosuje się stopy cynku z tytanem i miedzią. Cynk niestopowy jest zbyt kruchy dla tych procesów produkcyjnych.

Jako gęsty, niedrogi i łatwy w obróbce materiał cynk jest stosowany jako zamiennik ołowiu . W związku z obawami o ołów , cynk pojawia się w ciężarkach do różnych zastosowań, od wędkarstwa po wyważanie opon i koła zamachowe.

Tellurek cynkowo-kadmowy (CZT) to półprzewodnikowy stop, który można podzielić na szereg małych czujników. Urządzenia te są podobne do układów scalonych i mogą wykrywać energię nadchodzących fotonów promieniowania gamma . Znajdując się za maską pochłaniającą, matryca czujników CZT może określić kierunek promieni.

Inne zastosowania przemysłowe

Biały proszek na szklanej płytce
Tlenek cynku jest stosowany jako biały pigment w farbach .

Mniej więcej jedna czwarta całej produkcji cynku w Stanach Zjednoczonych w 2009 roku została zużyta w związkach cynku; z których wiele jest używanych w przemyśle. Tlenek cynku jest szeroko stosowany jako biały pigment w farbach i jako katalizator w produkcji gumy do rozpraszania ciepła. Tlenek cynku służy do ochrony polimerów kauczuku i tworzyw sztucznych przed promieniowaniem ultrafioletowym (UV). Półprzewodnikowe właściwości tlenku cynku sprawiają, że jest on przydatny w warystorach i produktach do kopiowania. Cykl cynku i tlenku cynku to dwuetapowy proces termochemiczny oparty na cynku i tlenku cynku do produkcji wodoru .

Chlorek cynku jest często dodawany do tarcicy jako środek zmniejszający palność , a czasami jako środek do konserwacji drewna . Jest używany do produkcji innych chemikaliów. Cynk metylowy ( Zn(CH 3 )
2
) jest używany w wielu syntezach organicznych . Siarczek cynku (ZnS) jest stosowany w pigmentach luminescencyjnych , takich jak wskazówki zegarów, ekrany rentgenowskie i telewizyjne oraz farby świecące . Kryształy ZnS są stosowane w laserach działających w średniej podczerwieni części widma. Siarczan cynku jest substancją chemiczną w barwnikach i pigmentach. Pirytion cynku jest stosowany w farbach przeciwporostowych .

Proszek cynkowy jest czasami używany jako paliwo w modelach rakiet . Gdy sprasowana mieszanina 70% cynku i 30% proszku siarki zostaje zapalona, ​​następuje gwałtowna reakcja chemiczna. Powoduje to wytwarzanie siarczku cynku wraz z dużymi ilościami gorącego gazu, ciepła i światła.

Blacha cynkowa jest stosowana jako trwałe pokrycie dachów, ścian i blatów, ostatnio często spotykanych w bistrach i barach z ostrygami , i jest znana z rustykalnego wyglądu nadawanego przez utlenianie powierzchni podczas użytkowania do niebiesko-szarej patyny i podatność na drapanie.

64
Zn
, najobficiej występujący izotop cynku, jest bardzo podatny na aktywację neutronową , przekształcając się w wysoce radioaktywny65
Zn
, którego okres półtrwania wynosi 244 dni i wytwarza intensywne promieniowanie gamma . Z tego powodu tlenek cynku stosowany w reaktorach jądrowych jako środek antykorozyjny jest wyczerpany64
Zn
przed użyciem nazywa się to zubożonym tlenkiem cynku . Z tego samego powodu cynk został zaproponowany jako materiał do solenia broni jądrowej ( kobalt jest innym, lepiej znanym materiałem do solenia). Płaszcz wzbogacony izotopowo 64
Zn
zostałby napromieniowany przez intensywny strumień neutronów o wysokiej energii z eksplodującej broni termojądrowej, tworząc dużą ilość65
Zn znacznie zwiększając
radioaktywność opadu broni . Nie wiadomo, czy kiedykolwiek zbudowano, przetestowano lub użyto takiej broni.

65
Zn
jest używany jako znacznik do badania zużycia stopów zawierających cynk lub ścieżki i roli cynku w organizmach.

Kompleksy ditiokarbaminianu cynku są stosowane jako środki grzybobójcze w rolnictwie ; obejmują one Zineb , Metiram, Propineb i Ziram. Naftenian cynku jest stosowany jako środek do konserwacji drewna. Cynk w postaci ZDDP stosowany jest jako dodatek przeciwzużyciowy do części metalowych w oleju silnikowym.

Chemia organiczna

Dodatek difenylocynku do aldehydu

Chemia cynkoorganiczna to nauka o związkach zawierających wiązania węgiel-cynk, opisująca właściwości fizyczne, syntezę i reakcje chemiczne. Wiele związków cynkoorganicznych jest ważnych. Wśród ważnych aplikacji są

  • Reakcja Franklanda-Duppy, w której ester szczawianowy (ROCOCOOR) reaguje z halogenkiem alkilu R'X, cynkiem i kwasem chlorowodorowym, tworząc estry α-hydroksykarboksylowe RR'COHCOOR
  • Z drugiej strony cynkoorganiczne są znacznie mniej nukleofilowe niż Grignardy, są drogie i trudne w obsłudze. Komercyjnie dostępnymi związkami diorganocynku są dimetylocynk , dietylocynk i difenylocynk. W jednym badaniu aktywny związek cynkoorganiczny otrzymuje się ze znacznie tańszych prekursorów bromoorganicznych .

Cynk znalazł wiele zastosowań jako katalizator w syntezie organicznej, w tym w syntezie asymetrycznej, będąc tanią i łatwo dostępną alternatywą dla kompleksów metali szlachetnych. Wyniki (wydajność i nadmiar enancjomeryczny ) uzyskane z chiralnymi katalizatorami cynkowymi są porównywalne z wynikami uzyskanymi z palladem, rutenem, irydem i innymi, a cynk staje się katalizatorem metalicznym z wyboru.

Suplement diety

Tabletki cynku GNC 50 mg. Ilość przekracza bezpieczną górną granicę w Stanach Zjednoczonych (40 mg) i Unii Europejskiej (25 mg)
Szkieletowy wzór chemiczny płaskiego związku zawierającego atom Zn w środku, symetrycznie związany z czterema atomami tlenu.  Te atomy tlenu są dalej połączone z liniowymi łańcuchami COH.
Glukonian cynku jest jednym ze związków stosowanych do dostarczania cynku jako suplement diety .

W większości jednotabletkowych, dostępnych bez recepty, codziennych suplementów witaminowo- mineralnych cynk jest zawarty w takich postaciach jak tlenek cynku , octan cynku , glukonian cynku lub chelat aminokwasowy cynku.

Zasadniczo suplementacja cynku jest zalecana w przypadku wysokiego ryzyka niedoboru cynku (np. w krajach o niskich i średnich dochodach) jako środek zapobiegawczy. Chociaż siarczan cynku jest powszechnie stosowaną formą cynku, cytrynian cynku, glukonian i pikolinian również mogą być ważnymi opcjami. Formy te są lepiej wchłaniane niż tlenek cynku.

Nieżyt żołądka i jelit

Cynk jest niedrogim i skutecznym elementem leczenia biegunki wśród dzieci w krajach rozwijających się. Cynk wyczerpuje się w organizmie podczas biegunki, a uzupełnianie cynku w ciągu 10- do 14-dniowego cyklu leczenia może skrócić czas trwania i nasilenie epizodów biegunki, a także może zapobiec przyszłym epizodom nawet przez trzy miesiące. Zapalenie żołądka i jelit jest silnie osłabione przez spożycie cynku, prawdopodobnie przez bezpośrednie przeciwdrobnoustrojowe działanie jonów w przewodzie pokarmowym lub przez wchłanianie cynku i ponowne uwalnianie z komórek odpornościowych (wszystkie granulocyty wydzielają cynk) lub jedno i drugie.

Przeziębienie

Suplementy cynku (często octan cynku lub glukonian cynku pastylki do ssania ) to grupa suplementów diety , które są powszechnie stosowane w leczeniu przeziębienia . Wykazano, że stosowanie suplementów cynku w dawkach przekraczających 75 mg/dobę w ciągu 24 godzin od wystąpienia objawów skraca czas trwania objawów przeziębienia u dorosłych o około 1 dzień. Działania niepożądane suplementów cynku doustnie obejmują zły smak i nudności . Donosowe stosowanie aerozoli do nosa zawierających cynk wiązało się z utratą węchu ; w związku z tym w czerwcu 2009 r. Amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków (USFDA) ostrzegła konsumentów, aby zaprzestali stosowania cynku donosowego.

Ludzki rinowirus  – najczęstszy patogen wirusowy u ludzi – jest główną przyczyną przeziębienia. Hipotetyczny mechanizm działania , dzięki któremu cynk zmniejsza nasilenie i/lub czas trwania objawów przeziębienia, polega na tłumieniu zapalenia nosa i bezpośrednim hamowaniu wiązania receptorów rinowirusowych i replikacji rinowirusów w błonie śluzowej nosa .

Przybranie na wadze

Niedobór cynku może prowadzić do utraty apetytu. Stosowanie cynku w leczeniu anoreksji jest zalecane od 1979 roku. Co najmniej 15 badań klinicznych wykazało, że cynk poprawia przyrost masy ciała w anoreksji. Badanie z 1994 roku wykazało, że cynk podwoił tempo wzrostu masy ciała w leczeniu jadłowstrętu psychicznego. Niedobór innych składników odżywczych, takich jak tyrozyna, tryptofan i tiamina, może przyczynić się do tego zjawiska „niedożywienia wywołanego niedożywieniem”. Metaanaliza 33 prospektywnych badań interwencyjnych dotyczących suplementacji cynku i jej wpływu na wzrost dzieci w wielu krajach wykazała, że ​​sama suplementacja cynkiem miała statystycznie istotny wpływ na liniowy wzrost i przyrost masy ciała, co wskazuje, że inne niedobory, które mogły być obecne nie były odpowiedzialne za opóźnienie wzrostu.

Inny

W przeglądzie Cochrane stwierdzono, że osoby przyjmujące suplement cynku mogą być mniej narażone na rozwój zwyrodnienia plamki żółtej związanego z wiekiem . Suplement cynku jest skutecznym sposobem leczenia acrodermatitis enteropathica , zaburzenia genetycznego wpływającego na wchłanianie cynku, które wcześniej było śmiertelne dla dotkniętych nim niemowląt. Niedobór cynku jest związany z poważnymi zaburzeniami depresyjnymi (MDD), a suplementy cynku mogą być skutecznym leczeniem. Cynk może pomóc osobom spać dłużej.

Stosowanie miejscowe

Miejscowe preparaty cynku obejmują te stosowane na skórę, często w postaci tlenku cynku . Tlenek cynku jest ogólnie uznawany przez FDA za bezpieczny i skuteczny oraz uważany za bardzo fotostabilny. Tlenek cynku jest jednym z najczęstszych składników aktywnych stosowanych w filtrach przeciwsłonecznych w celu łagodzenia oparzeń słonecznych . Nakładany cienko na obszar pieluszkowy dziecka ( krocze ) przy każdej zmianie pieluchy, może chronić przed odparzeniami .

Chelatowany cynk jest stosowany w pastach do zębów i płynach do płukania ust, aby zapobiegać nieświeżemu oddechowi ; cytrynian cynku pomaga zmniejszyć odkładanie się kamienia nazębnego (kamienia nazębnego).

Pirytion cynku jest szeroko stosowany w szamponach, aby zapobiegać łupieżowi.

Wykazano również, że cynk stosowany miejscowo skutecznie leczy i przedłuża remisję opryszczki narządów płciowych .

Rola biologiczna

Cynk jest niezbędnym pierwiastkiem śladowym dla ludzi i innych zwierząt, roślin i mikroorganizmów . Cynk jest niezbędny do funkcjonowania ponad 300 enzymów i 1000 czynników transkrypcyjnych oraz jest magazynowany i przenoszony w metalotioneinach . Jest to drugi pod względem ilości pierwiastków śladowych u ludzi po żelazie i jedyny metal występujący we wszystkich klasach enzymów .

W białkach jony cynku są często skoordynowane z łańcuchami bocznymi aminokwasów kwasu asparaginowego , kwasu glutaminowego , cysteiny i histydyny . Teoretyczny i obliczeniowy opis tego wiązania cynku w białkach (a także innych metalach przejściowych) jest trudny.

Około 2-4  gramów cynku jest rozprowadzanych po całym organizmie człowieka. Najwięcej cynku znajduje się w mózgu, mięśniach, kościach, nerkach i wątrobie, z najwyższymi stężeniami w prostacie i częściach oka. Nasienie jest szczególnie bogate w cynk, kluczowy czynnik w funkcjonowaniu gruczołu krokowego i wzroście narządów rozrodczych .

Homeostaza cynku w organizmie jest kontrolowana głównie przez jelita. Tutaj ZIP4 , a zwłaszcza TRPM7 były powiązane z jelitowym wychwytem cynku, niezbędnym do przeżycia poporodowego.

U ludzi biologiczne role cynku są wszechobecne. Oddziałuje z „szeroką gamą ligandów organicznych ” i odgrywa rolę w metabolizmie RNA i DNA, transdukcji sygnału i ekspresji genów . Reguluje również apoptozę . Przegląd z 2015 roku wykazał, że około 10% ludzkich białek (~ 3000) wiąże cynk, oprócz setek innych, które transportują i transportują cynk; podobne badanie in silico na roślinie Arabidopsis thaliana wykazało 2367 białek związanych z cynkiem.

W mózgu cynk jest magazynowany w określonych pęcherzykach synaptycznych przez neurony glutaminergiczne i może modulować pobudliwość neuronów. Odgrywa kluczową rolę w plastyczności synaptycznej , a więc w uczeniu się. Homeostaza cynku odgrywa również kluczową rolę w funkcjonalnej regulacji ośrodkowego układu nerwowego . Uważa się, że zaburzenie homeostazy cynku w ośrodkowym układzie nerwowym, które powoduje nadmierne stężenie cynku w synapsach, wywołuje neurotoksyczność poprzez mitochondrialny stres oksydacyjny ( np . dehydrogenazy ), rozregulowanie homeostazy wapnia, glutaminergiczna ekscytotoksyczność neuronów i zakłócenia wewnątrzneuronalnej transdukcji sygnału . L- i D-histydyna ułatwiają wychwyt cynku przez mózg. SLC30A3 jest głównym transporterem cynku zaangażowanym w mózgową homeostazę cynku.

Enzymy

Połączone ze sobą paski, przeważnie koloru żółtego i niebieskiego z kilkoma czerwonymi segmentami.
Diagram wstęgowy ludzkiej anhydrazy węglanowej II z atomem cynku widocznym pośrodku
Skręcona opaska, z jednej strony pomalowana na niebiesko, a druga na szaro.  Jego dwa końce są połączone przez niektóre związki chemiczne z zielonym atomem (cynkiem).
Palce cynkowe pomagają odczytywać sekwencje DNA.

Cynk jest skutecznym kwasem Lewisa , co czyni go użytecznym środkiem katalitycznym w hydroksylacji i innych reakcjach enzymatycznych. Metal ma również elastyczną geometrię koordynacyjną , która pozwala białkom używającym go na szybką zmianę konformacji w celu przeprowadzenia reakcji biologicznych. Dwa przykłady enzymów zawierających cynk to anhydraza węglanowa i karboksypeptydaza , które są niezbędne w procesach dwutlenku węgla ( CO
2
) odpowiednio regulacja i trawienie białek.

We krwi kręgowców anhydraza węglanowa przekształca CO
2
w wodorowęglan, a ten sam enzym przekształca wodorowęglan z powrotem w CO
2
do wydechu przez płuca. Bez tego enzymu ta konwersja zachodziłaby około milion razy wolniej przy normalnym pH krwi wynoszącym 7 lub wymagałaby pH 10 lub więcej. Niespokrewniona anhydraza β-węglowa jest wymagana w roślinach do tworzenia liści, syntezy kwasu indolooctowego (auksyny) i fermentacji alkoholowej .

Karboksypeptydaza rozszczepia wiązania peptydowe podczas trawienia białek. Koordynacyjne wiązanie kowalencyjne tworzy się między końcowym peptydem a grupą C=O przyłączoną do cynku, co nadaje węglu ładunek dodatni. Pomaga to stworzyć hydrofobową kieszeń na enzymie w pobliżu cynku, która przyciąga niepolarną część trawionego białka.

Sygnalizacja

Cynk został uznany za posłańca, zdolnego do aktywacji szlaków sygnałowych. Wiele z tych szlaków stanowi siłę napędową nieprawidłowego wzrostu raka. Można je namierzyć za pomocą transporterów ZIP .

Inne białka

Cynk pełni czysto strukturalną rolę w palcach cynkowych , skrętach i skupiskach. Palce cynkowe wchodzą w skład niektórych czynników transkrypcyjnych , czyli białek rozpoznających sekwencje zasad DNA podczas replikacji i transkrypcji DNA . Każdy z dziewięciu lub dziesięciu Zn2+
jony w palcu cynkowym pomagają utrzymać strukturę palca poprzez skoordynowane wiązanie z czterema aminokwasami w czynniku transkrypcyjnym.

W osoczu krwi cynk jest wiązany i transportowany przez albuminy (60%, niskie powinowactwo) i transferynę (10%). Ponieważ transferyna transportuje również żelazo, nadmiar żelaza zmniejsza wchłanianie cynku i odwrotnie. Podobny antagonizm występuje w przypadku miedzi. Stężenie cynku w osoczu krwi pozostaje względnie stałe niezależnie od spożycia cynku. Komórki gruczołu ślinowego, prostaty, układu odpornościowego i jelita używają sygnalizacji cynkowej do komunikowania się z innymi komórkami.

Cynk może być przechowywany w rezerwach metalotioneiny w mikroorganizmach lub w jelitach lub wątrobie zwierząt. Metalotioneina w komórkach jelitowych jest w stanie regulować wchłanianie cynku o 15–40%. Jednak niewystarczające lub nadmierne spożycie cynku może być szkodliwe; nadmiar cynku szczególnie upośledza wchłanianie miedzi, ponieważ metalotioneina absorbuje oba metale.

Ludzki transporter dopaminy zawiera zewnątrzkomórkowe miejsce wiązania cynku o wysokim powinowactwie , które po związaniu cynku hamuje wychwyt zwrotny dopaminy i wzmacnia wypływ dopaminy wywołany amfetaminą in vitro . Ludzki transporter serotoniny i transporter norepinefryny nie zawierają miejsc wiązania cynku. Niektóre białka wiążące wapń z ręki EF , takie jak S100 lub NCS-1, są również zdolne do wiązania jonów cynku.

Odżywianie

Zalecenia dietetyczne

Amerykański Instytut Medycyny (IOM) zaktualizował szacunkowe średnie zapotrzebowanie (EAR) i zalecane spożycie cynku (RDA) w 2001 r. Obecne EAR dla cynku dla kobiet i mężczyzn w wieku 14 lat i starszych wynoszą odpowiednio 6,8 i 9,4 mg dziennie. RDA to 8 i 11 mg dziennie. RDA są wyższe niż EAR, aby określić kwoty, które pokryją osoby o wyższych niż przeciętne wymaganiach. RDA dla ciąży wynosi 11 mg/dzień. RDA dla laktacji wynosi 12 mg/dobę. Dla niemowląt do 12 miesięcy RDA wynosi 3 mg/dzień. Dla dzieci w wieku 1-13 lat RDA wzrasta wraz z wiekiem od 3 do 8 mg/dobę. Jeśli chodzi o bezpieczeństwo, IOM ustala tolerowane górne poziomy spożycia (UL) dla witamin i minerałów, gdy dowody są wystarczające. W przypadku cynku UL dla dorosłych wynosi 40 mg/dobę (niższe dla dzieci). Łącznie EAR, RDA, AI i UL są nazywane dietetycznymi referencyjnymi wartościami spożycia (DRI).

Europejski Urząd ds. Bezpieczeństwa Żywności (EFSA) odnosi się do zbiorczego zestawu informacji jako do referencyjnych wartości spożycia, z referencyjnym populacyjnym spożyciem (PRI) zamiast RDA i średnim zapotrzebowaniem zamiast EAR. AI i UL są zdefiniowane tak samo jak w Stanach Zjednoczonych. Dla osób w wieku 18 lat i starszych obliczenia PRI są skomplikowane, ponieważ EFSA ustala coraz wyższe wartości wraz ze wzrostem zawartości fitynianów w diecie. W przypadku kobiet PRI wzrasta z 7,5 do 12,7 mg/dzień, gdy spożycie fitynianów wzrasta z 300 do 1200 mg/dzień; dla mężczyzn zakres wynosi od 9,4 do 16,3 mg/dzień. Te PRI są wyższe niż RDA w USA. EFSA dokonał przeglądu tego samego pytania dotyczącego bezpieczeństwa i ustalił UL na 25 mg/dzień, czyli znacznie mniej niż wartość w USA.

Do celów etykietowania żywności i suplementów diety w USA ilość w porcji jest wyrażona jako procent dziennej wartości (%DV). Do celów etykietowania cynku 100% dziennej wartości wynosiło 15 mg, ale 27 maja 2016 r. Zmieniono ją na 11 mg. Tabela starych i nowych wartości dziennych dla dorosłych znajduje się na stronie Referencyjne dzienne spożycie .

Spożycie dietetyczne

Kilka talerzy pełnych różnych zbóż, owoców i warzyw na stole.
Żywność i przyprawy zawierające cynk

Produkty zwierzęce, takie jak mięso, ryby, skorupiaki, drób, jaja i nabiał zawierają cynk. Stężenie cynku w roślinach zmienia się w zależności od poziomu w glebie. Przy odpowiedniej ilości cynku w glebie, roślinami spożywczymi zawierającymi najwięcej cynku są pszenica (zarodki i otręby) oraz różne nasiona, w tym sezam , mak , lucerna , seler i gorczyca . Cynk znajduje się również w fasoli , orzechach , migdałach , pełnych ziarnach , pestkach dyni , nasionach słonecznika i czarnej porzeczce .

Inne źródła obejmują wzbogaconą żywność i suplementy diety w różnych formach. Przegląd z 1998 roku wykazał, że tlenek cynku, jeden z najpopularniejszych suplementów w Stanach Zjednoczonych, oraz węglan cynku są prawie nierozpuszczalne i słabo wchłaniane przez organizm. W tym przeglądzie cytowano badania, które wykazały niższe stężenie cynku w osoczu u osób, które spożywały tlenek cynku i węglan cynku niż u osób, które przyjmowały octan cynku i sole siarczanowe. Jednak przegląd z 2003 r. zalecał zboża (zawierające tlenek cynku) do wzbogacania jako tanie, stabilne źródło, które jest równie łatwo wchłaniane, jak droższe formy. Badanie z 2005 roku wykazało, że różne związki cynku, w tym tlenek i siarczan, nie wykazały statystycznie istotnych różnic we wchłanianiu, gdy zostały dodane jako środki wzmacniające do tortilli kukurydzianych.

Niedobór

Prawie dwa miliardy ludzi w krajach rozwijających się ma niedobór cynku. Grupy ryzyka obejmują dzieci w krajach rozwijających się i osoby starsze z chorobami przewlekłymi. U dzieci powoduje wzrost infekcji i biegunek oraz przyczynia się do śmierci około 800 000 dzieci na całym świecie rocznie. Światowa Organizacja Zdrowia zaleca suplementację cynku w przypadku ciężkiego niedożywienia i biegunki. Suplementy cynku pomagają zapobiegać chorobom i zmniejszać śmiertelność, zwłaszcza wśród dzieci z niską masą urodzeniową lub zahamowanym wzrostem. Jednak suplementów cynku nie należy podawać samodzielnie, ponieważ wiele osób w krajach rozwijających się ma kilka niedoborów, a cynk wchodzi w interakcje z innymi mikroelementami. Podczas gdy niedobór cynku jest zwykle spowodowany niewystarczającym spożyciem w diecie, może być związany ze złym wchłanianiem , acrodermatitis enteropathica , przewlekłą chorobą wątroby, przewlekłą chorobą nerek, niedokrwistością sierpowatokrwinkową , cukrzycą , nowotworami złośliwymi i innymi chorobami przewlekłymi.

W Stanach Zjednoczonych federalne badanie spożycia żywności wykazało, że dla kobiet i mężczyzn w wieku powyżej 19 lat średnie spożycie wynosiło odpowiednio 9,7 i 14,2 mg dziennie. W przypadku kobiet 17% spożywało mniej niż EAR, w przypadku mężczyzn 11%. Odsetki poniżej EAR wzrastały wraz z wiekiem. Najnowsza opublikowana aktualizacja badania (NHANES 2013–2014) podaje niższe średnie – 9,3 i 13,2 mg/dzień – ponownie przy spadku spożycia wraz z wiekiem.

Objawy łagodnego niedoboru cynku są różnorodne. Wyniki kliniczne obejmują zahamowanie wzrostu, biegunkę, impotencję i opóźnione dojrzewanie płciowe, łysienie , zmiany oczu i skóry, zaburzenia apetytu, zaburzenia funkcji poznawczych, zaburzenia funkcji immunologicznych, defekty wykorzystania węglowodanów i teratogenezę reprodukcyjną . Niedobór cynku obniża odporność, ale nadmiar cynku również.

Pomimo pewnych obaw, zachodni wegetarianie i weganie nie cierpią na jawny niedobór cynku bardziej niż osoby jedzące mięso. Główne roślinne źródła cynku obejmują gotowaną suszoną fasolę, warzywa morskie, wzbogacone zboża, produkty sojowe, orzechy, groch i nasiona. Jednak fityniany w wielu pełnych ziarnach i włóknach mogą zakłócać wchłanianie cynku, a marginalne spożycie cynku ma słabo poznane skutki. Fitynian chelatora cynku , znajdujący się w nasionach i otrębach zbożowych , może przyczyniać się do złego wchłaniania cynku. Niektóre dowody sugerują, że osoby, których dieta jest bogata w fityniany, takie jak niektórzy wegetarianie, mogą potrzebować więcej niż zalecana dawka w USA (8 mg dziennie dla dorosłych kobiet; 11 mg dziennie dla dorosłych mężczyzn). Wytyczne Europejskiego Urzędu ds. Bezpieczeństwa Żywności (EFSA) próbują to zrekompensować, zalecając wyższe spożycie cynku, gdy spożycie fitynianów w diecie jest większe. Rozważania te należy zrównoważyć z niedoborem odpowiednich biomarkerów cynku , a najczęściej stosowany wskaźnik, cynk w osoczu, ma słabą czułość i specyficzność .

Naprawa gleby

Gatunki Calluna , Erica i Vaccinium mogą rosnąć w glebach cynkowo-metalicznych, ponieważ przemieszczaniu się toksycznych jonów zapobiega działanie grzybów mikoryzowych wrzosowatych .

Rolnictwo

Niedobór cynku wydaje się być najczęstszym niedoborem mikroelementów u roślin uprawnych; jest to szczególnie powszechne w glebach o wysokim pH. Gleby z niedoborem cynku są uprawiane na polach uprawnych około połowy Turcji i Indii, jednej trzeciej Chin i większości zachodniej Australii. Na tych obszarach odnotowano znaczące reakcje na nawozy cynkowe. Rośliny rosnące na glebach ubogich w cynk są bardziej podatne na choroby. Cynk jest dodawany do gleby głównie w wyniku wietrzenia skał, ale ludzie dodali cynk poprzez spalanie paliw kopalnych, odpady kopalniane, nawozy fosforowe, pestycydy ( fosforek cynku ), wapień, obornik, osady ściekowe i cząsteczki z ocynkowanych powierzchni. Nadmiar cynku jest toksyczny dla roślin, chociaż toksyczność cynku jest znacznie mniej rozpowszechniona.

Środki ostrożności

Toksyczność

Chociaż cynk jest niezbędnym warunkiem dobrego zdrowia, nadmiar cynku może być szkodliwy. Nadmierne wchłanianie cynku hamuje wchłanianie miedzi i żelaza. Wolny jon cynku w roztworze jest wysoce toksyczny dla roślin, bezkręgowców, a nawet kręgowców. Model aktywności wolnych jonów jest dobrze ugruntowany w literaturze i pokazuje, że już mikromolowe ilości wolnych jonów zabijają niektóre organizmy. Niedawny przykład wykazał, że 6 mikromoli zabija 93% wszystkich rozwielitek w wodzie.

Wolny jon cynku jest silnym kwasem Lewisa, aż do korozji . Kwas żołądkowy zawiera kwas solny , w którym metaliczny cynk łatwo rozpuszcza się, dając żrący chlorek cynku. Połknięcie jednego centa amerykańskiego po 1982 r. (97,5% cynku) może spowodować uszkodzenie wyściółki żołądka z powodu wysokiej rozpuszczalności jonów cynku w kwaśnym żołądku.

Dowody wskazują, że osoby przyjmujące 100–300 mg cynku dziennie mogą cierpieć na indukowany niedobór miedzi . W badaniu z 2007 roku zaobserwowano, że starsi mężczyźni przyjmujący 80 mg dziennie byli hospitalizowani z powodu powikłań moczowych częściej niż ci, którzy przyjmowali placebo. Poziomy 100-300 mg mogą zakłócać wykorzystanie miedzi i żelaza lub niekorzystnie wpływać na cholesterol. Cynk w ilości przekraczającej 500 ppm w glebie zakłóca wchłanianie przez rośliny innych niezbędnych metali, takich jak żelazo i mangan. Stan zwany wstrząsami cynkowymi lub „dreszczami cynkowymi” może być wywołany przez wdychanie oparów cynku podczas lutowania twardego lub spawania materiałów ocynkowanych. Cynk jest powszechnym składnikiem kremu do protez , który może zawierać od 17 do 38 mg cynku na gram. Zgłoszono niepełnosprawność, a nawet zgony w wyniku nadmiernego używania tych produktów.

Amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków (FDA) stwierdza, że ​​cynk uszkadza receptory nerwowe w nosie, powodując brak węchu . Doniesienia o braku węchu obserwowano również w latach trzydziestych XX wieku, kiedy preparaty cynku były stosowane w nieudanej próbie zapobiegania zakażeniom polio . 16 czerwca 2009 r. FDA nakazała usunięcie z półek sklepowych zimnych produktów donosowych na bazie cynku. FDA stwierdziła, że ​​utrata węchu może zagrażać życiu, ponieważ osoby z zaburzeniami węchu nie są w stanie wykryć wycieku gazu lub dymu i nie mogą stwierdzić, czy jedzenie się zepsuło, zanim je zjedzą.

Ostatnie badania sugerują, że stosowany miejscowo przeciwdrobnoustrojowy pirytionian cynku jest silnym induktorem odpowiedzi na szok cieplny, który może upośledzać integralność genomu poprzez indukcję zależnego od PARP kryzysu energetycznego w hodowanych ludzkich keratynocytach i melanocytach .

Zatrucie

W 1982 roku mennica amerykańska rozpoczęła bicie monet pokrytych miedzią, ale zawierających głównie cynk. Grosze cynkowe stwarzają ryzyko zatrucia cynkiem, które może być śmiertelne. Jeden zgłoszony przypadek chronicznego spożycia 425 groszy (ponad 1 kg cynku) zakończył się śmiercią z powodu bakteryjnej i grzybiczej posocznicy przewodu pokarmowego . Inny pacjent, który spożył 12 gramów cynku, wykazywał jedynie letarg i ataksję (rażący brak koordynacji ruchów mięśni). Zgłoszono kilka innych przypadków zatrucia cynkiem przez ludzi po spożyciu monet cynkowych.

Grosze i inne małe monety są czasami połykane przez psy, co wymaga usunięcia ciał obcych przez lekarza weterynarii. Zawartość cynku w niektórych monetach może powodować toksyczność cynku, często śmiertelną u psów z powodu ciężkiej niedokrwistości hemolitycznej oraz uszkodzenia wątroby lub nerek; wymioty i biegunka to możliwe objawy. Cynk jest wysoce toksyczny dla papug , a zatrucie często może być śmiertelne. Spożywanie soków owocowych przechowywanych w ocynkowanych puszkach doprowadziło do masowych zatruć cynkiem papug.

Zobacz też

Notatki

  1. ^ Pierwiastki pochodzą z różnych grup metali. Zobacz układ okresowy.
  2. ^ Statek Kompanii Wschodnioindyjskiej przewożący ładunek prawie czystego metalicznego cynku z Orientu zatonął u wybrzeży Szwecji w 1745 r. ( Emsley 2001 , s. 502)
  3. ^ Prąd elektryczny będzie naturalnie przepływał między cynkiem a stalą, ale w niektórych okolicznościach stosuje się obojętne anody z zewnętrznym źródłem prądu stałego.

Cytaty

Bibliografia

Linki zewnętrzne

Posłuchaj tego artykułu ( 1 godzina i 3 minuty )
Mówiona ikona Wikipedii
Ten plik audio został utworzony na podstawie wersji tego artykułu z dnia 25 stycznia 2012 r. i nie odzwierciedla późniejszych zmian. ( 2012-01-25 )