Cink

hemijski element sa simbolom Zn i atomskim brojem 30

Cink (latinski: zincum) jeste hemijski element koji ima simbol Zn i atomski broj 30. Cink se ubraja u prelazne metale 12. grupe, ali među njima on zauzima posebno mjesto zbog popunjene d-orbitale u atomu, pa je dosta sličan zemnoalkalnim metalima. Po starijim razvrstavanjima, cinkova grupa elemenata se označavala kao 2. sporedna grupa (analogno tome su zemnoalkalni metali označavali 2. glavnu grupu), dok po današnjoj prihvaćenoj IUPAC nomenklaturi, cink zajedno sa kadmijem i živom sačinjava 12. grupu.

Cink,  30Zn
Cink u periodnom sistemu
Hemijski element, Simbol, Atomski brojCink, Zn, 30
SerijaPrelazni metali
Grupa, Perioda, Blok12, 4, d
Izgledplavkasto-sivi metal
Zastupljenost0,012[1] %
Atomske osobine
Atomska masa65,409 u
Atomski radijus (izračunat)135 (142) pm
Kovalentni radijus122 pm
Van der Waalsov radijus139 pm
Elektronska konfiguracija[Ar] 3d104s2
Broj elektrona u energetskom nivou2, 8, 18, 2
Izlazni rad4,44 eV
1. energija ionizacije906,4 kJ/mol
2. energija ionizacije1733,3 kJ/mol
Fizikalne osobine
Agregatno stanječvrsto
Mohsova skala tvrdoće2,5
Kristalna strukturaheksagonalna
Gustoća7140[2] kg/m3
Magnetizamdijamagnetičan = −1,6 · 10−5[3]
Tačka topljenja692,68 K (419,53 °C)
Tačka ključanja1180[4] K (907 °C)
Molarni volumen9,16 · 10−6 m3/mol
Toplota isparavanja115[4] kJ/mol
Toplota topljenja7,35 kJ/mol
Pritisak pare192,2 Pa pri 692,73 K
Brzina zvuka3700 m/s pri 293,15 K
Specifična toplota388[1] J/(kg · K)
Specifična električna provodljivost16,7 · 106 S/m
Toplotna provodljivost120 W/(m · K)
Hemijske osobine
Oksidacioni broj2
Elektrodni potencijal−0,7926 V (Zn2+ + 2e → Zn)
Elektronegativnost1,65 (Pauling-skala)
Izotopi
Izo RP t1/2 RA ER (MeV) PR
64Zn

48,6 %

Stabilan
65Zn

sin

244,06 d β+ 1,352 65Cu
66Zn

27,9 %

Stabilan
67Zn

4,1 %

Stabilan
68Zn

18,8 %

Stabilan
69Zn

sin

56,4 min β- 0,906 69Ga
70Zn

0,6 %

Stabilan
Sigurnosno obavještenje
Oznake upozorenja

Lahko zapaljivo

F
Lahko zapaljivo

Opasno za okoliš

N
Opasno za okoliš
Obavještenja o riziku i sigurnostiR: 15-17-50/53
S: (2-)43-46-60-61
Ako je moguće i u upotrebi, koriste se osnovne SI jedinice.
Ako nije drugačije označeno, svi podaci dobijeni su mjerenjima u normalnim uvjetima.

Cink je plavo-bijeli lomljiv i krhak metal koji se najčešće koristi za pocinčavanje željeza i čeličnih dijelova kao i za izradu oluka. On je za sva živa bića neophodan u ishrani i dio je vrlo važnih enzima u organizmima. Ime cink je nastalo od riječi zind ili zinke u značenju zub, nazubljen, a potiče od nazubljenih metalnih kristala cinka.

Ima 23 izotopa čije se atomske mase nalaze između 57-78, od kojih su stabilni 64, 66, 67, 68 i 70.

Historija

uredi
 
Sfalerit, najčešća ruda cinka

Još u starom vijeku cink je bio osnovni materijal za proizvodnju legure mesinga. Kao samostalan metal, otkriven je u Indiji ili Kini prije 1500. p. n. e., a Evropu je donesen tek krajem 16. vijeka[5][6]. Već 1679. godine kod njemačkog grada Kassela otvara se prva radionica za proizvodnju mesinga. Smatra se da je flamanski metalurg P.M. de Respour prvi ekstraktirao metalni cink iz cink-oksida 1668. godine.[7] Već početkom 18. vijeka, Étienne François Geoffroy opisuje kako se cink-oksid kondenzira u žute kristale na željeznim šipkama koje su stavljene iznad cinkove rude pri topljenju.[7] U Britaniji, metalurg John Lane je izveo eksperiment da istopi cink, prije nego što je bankrotirao 1726. godine.[8] Godine 1738., britanski metalurg William Champion je patentirao proces ekstrakcije cinka iz kalamina u vertikalnoj topionici.[8] Njegova tehnologija je donekle slična onoj koju su koristili u cinkovim rudnicima Zawar u Rajasthanu, međutim nema dokaza da je on posjetio Indiju.[9] Championov proces se koristio sve do 1851. godine.

Osobine

uredi

Fizičke

uredi

Metalni cink je blještavobijel, neplemeniti metal, koji je na sobnoj temperaturi i iznad 200 °C dosta krhak. Na temperaturama između 100 i 200 °C je dosta duktilan i lahko se daje deformirati. Njegov prijelom je srebreno bijel. Cink se kristalizira u heksagonskom kuglastom kristalnom sistemu. On se zapravo prostire vertikalno po slojevima kugle, a razmaci između atoma cinka se međusobno neznatno razlikuju, unutar sloja 264,4 pm, a između slojeva 291,2 pm[10].

Hemijske

uredi

Stajanjem na zraku na površini cinka se formira otporni zaštitni sloj sastavljen iz cink-oksida i cink-karbonata (Zn5(OH)6(CO3)2). Zbog toga se cink, i pored svojih neplemenitih osobina, za zaštitu od korozije (pocinčavanje čeličnih predmeta i slično). Cink se rastvara u kiselinama dajući cinkove dvovalentne soli a u bazama daje cinkate [Zn(OH)4]2−. Jedan izuzetak je cink visoke čistoće (99,999 %), koji ne reagira sa kiselinama. Cink u svojim spojevima se javlja gotovo isključivo sa oksidacijskim brojem +2 (dvovalentan).

Hemijski, cink se ubraja u neplemenite metale (redoks potencijal -0,763 volta). Ovo se može iskoristiti naprimjer, da bi se plemeniti i drugi metali izdvojili u elementarnom stanju iz svojih soli putem redukcije, kao što je ova zamjena bakra cinkom iz soli bakra:

 

Izotopi

uredi

Poznato je ukupno 29 izotopa cinka od 54Zn do 83Zn te još daljnjih deset nuklearnih izomera.[11] Od njih, pet izotopa je stabilno 64Zn, 66Zn, 67Zn, 68Zn i 70Zn i mogu se naći u prirodi. Ne postoje prirodni radioaktivni izotopi cinka. Najčešći izotop je 64Zn sa 48,63 % udjela u prirodnom odnosu izotopa. Nakon njega slijede 66Zn sa 27,90 %, 68Zn sa 18,75 %, 67Zn sa 4,10 %, i kao najrjeđi prirodni izotop je 70Zn sa udjelom 0,62 %.[11] Najstabilniji vještački izotop je beta i gama radijacijski izotop 65Zn sa vremenom poluraspada od 244 dana. Ovaj i nuklearni izomer 69m služe kao sredstvo za praćenje (traser) u nuklearnoj medicini. Kao jedini prirodni izotop 67Zn se može dokazati putem NMR spektroskopije.

Rasprostranjenost

uredi

Cink sa zastupljenošću na Zemlji od 0,0076 % (odnosno 76 ppm[2]) u Zemljinoj kori je relativno čest element. Po zastupljenosti je na 24. mjestu[2] najčešćih elemenata na Zemlji. Ima ga više od bakra ili olova. Cink veoma rijetko se može naći u prirodi samorodan kao metal, međutim vrlo čest je u sastavu minerala. Do danas je otkriveno oko 30 lokacija gdje je pronađen samorodni metalni cink.[12]

Pretežno se cink može naći vezan u rudama. Najvažnija i najčešća cinkova ruda je cink sulfid. On se javlja u prirodi kao sfalerit ili vurcit, koji u sebi sadrže oko 65 % cinka. Od ostalih cinkovih ruda važan je još i smitsonit ZnCCO3 (sa 52 % cinka), zatim neki rjeđi cinkovi minerali između ostalih cinkit ZnO (sa oko 73 % cinka), hemimorfit Zn4(OH)2[Si2O7] (54 % cinka), adamin Zn2(AsO4)(OH) (sa oko 45 % cinka), minrekordit CaZn[CO3]2 (oko 29 % cinka) i franklinit (Zn,Fe,Mn)(Fe2Mn2)O4 (16 % cinka). Do danas je poznato oko 300 cinkovih minerala.[13]

Najveća nalazišta se nalaze u Sjevernoj Americi (SAD, Kanada), Australiji, Kini i Kazahstanu. Na području Balkana, postoji niz manjih rudnika cinka, gdje se najčešće kopa zajedno sa rudama olova i bakra. Rudnici cinka postoje na Kosovu (Trepča), u Sloveniji (Mežica) i Bosni i Hercegovini (Sase kod Srebrenice). Na površini zemlje, na mjestima gdje se cinkova ruda nalazi u plitkim slojevima zemlje, rastu rijetke biljke poput nekih vrsta iz porodice Viola, a kojima su neophodne veće količine cinka da bi rasle.

Namirnice koje su bogate cinkom su: ostrige, posno meso i ribe. Također ga ima i u zrnastom hljebu.

Najveći proizvođači

uredi

Ruda cinka se najviše kopa u Kini, zatim Peruu, Australiji, Kanadi, SAD-u, Meksiku i Južnoafričkoj Republici. U Evropi, aktivni su rudnici cinka u Irskoj, Poljskoj, Finskoj, Bugarskoj i Švedskoj. Ukupna svjetska proizvodnja cinka 2010. godine iznosila je oko 12 miliona tona.[14] U 2009. godini, prema podacima Američkog geološkog instituta proizvedeno je 11,2 miliona tona cinka.[15] Prema tim podacima, u Bosni i Hercegovini je 2009. godine proizvedeno 2.000 tona, što je 38. mjesto u svijetu po proizvodnji ruda cinka.

Zemlje najveći proizvođači cinka u 2010.[14]
Rang Država Tona
1   Kina 3.500.000
2   Peru 1.520.000
3   Australija 1.450.000
4   Indija 750.000
5   Sjedinjene Američke Države 720.000
6   Kanada 670.000

Dobijanje

uredi

Cink se dobija većinom iz rude cink sulfida. Da bi se on upotrijebio, prvo se sulfid mora prevesti u cink-oksid. Ovo se dešava putem hrđanja na zraku. Pri tom pored cink-oksida nastaju velike količine sumpor-dioksida, koji se dalje može koristiti za proizvodnju sumporne kiseline.

 

Ako se kao polazna sirovina koristi mineral smitsonit, to se može odvijati putem gorenja uz izdvajanje ugljik-dioksida.

 

Daljnja obrada se može odvijati na dva moguća načina. To su takozvani mokri i suhi postupak. Suhim postupkom se dobija oko 60% od ukupne količine proizvedenog cinka.[10] Pri tome se cink-oksid miješa sa fino samljevenim ugljem i zagrijava u posebnim pećima za topljenje na oko 1100–1300 °C.[10] Pri tom procesu se naprije formira ugljik-monoksid, a kasnije on reducira cink-oksid do metalnog cinka. Iz nastalog ugljik-dioksida ponovo se formira ugljik-monoksid po Boudouardovoj ravnoteži:

 
Redukcija cinka
 
Boudouardova ravnoteža

Pošto je u pećima temperatura iznad tačke ključanja cinka, cink se pretvara u paru u gornjem dijelu peći. Zatim se nanosi olovo da bi se cink kondenzirao.

Tako nastali sirovi cink sadrži velike količine nečistoće, naročito olova, željeza i kadmija. Frakcionom destilacijom se dalje obogaćuje sirovi cink. U jednoj od narednih faza procesa, sirovina se zagrijava tako da cink i kadmij iparavaju, a željezo i olovo ostaju. Zatim se cink i kadmij putem kondenzacije odvajaju jedan od drugog. Na veoma visokoj temperaturi, cink se kondenzira i ostaje 99,99% čisti cink. Kadmij se dosta isparljiviji i sakuplja se na drugom mjestu u vidu prašine. Kao sporedni proizvod destilacije, dobija se fini prašnasti cink, takozvana cinkova prašina.[16]

 
Sagorijevanje cinka

Mokri postupak se koristi, kada je moguće obezbijediti jeftin izvor električne struje. Za potrebe tog postupka rastvara se cink-oksid u razblaženu sumpornu kiselinu. Nečistoće plemenitih i drugih metala poput kadmija se izdvajaju putem cinkove prašine. Na kraju se rastvor elektrolizira uz upotrebu olovne anode i aluminijske katode. Na katodi se talože 99,99% čisti cink slično kao i kod suhog postupka.

Upotreba

uredi

Osnovne primjene cinka uključuju (procenti su dati za SAD u 2006. godini)[17]

  1. galvanizaciju (55%)
  2. legure (21%)
  3. mesing i bronzu (16%)
  4. ostala primjena (8%)

U 2006. godiini u svijetu je potrošeno preko 11 miliona tona cinka.[18]

Antikorozivna zaštita i baterije

uredi
 
Galvanizirana pocinčana kristalna površina željeznog predmeta

Metal cink je najčešće korišteno antikorozivno sredstvo.[2] Galvanizacija, proces kojim se željezo ili čelik prekrivaju sredstvima da se zaštitili od korozije, je najčešći oblik primjene cinka u ovu svrhu. U SAD-u tokom 2009. godine, 55% cjelokupne proizvodnje odnosno oko 893 hiljade tona cinka je upotrijebljeno za galvanizaciju.[17]

Cink je mnogo reaktivniji od željeza ili čelika te će on privlačiti gotovo svu lokalnu oksidaciju sve dok potpuno ne korodira.[19] Dok cink polahko korodira, formira se zaštitni sloj oksida i karbonata (Zn5(OH)6(CO3)2))[20] Ova zaštita traje čak i nakon što se sloj cink oguli ili odstrani, ali tokom vremena degradira jer cink nakon što korodira otpada sa predmeta.[20] Cink se primjenjuje elektrohemijski ili kao istopljeni cink u koji se vrućom galvanizacijom uranja željezni ili čelični predmet koji se želi zaštititi. Također, postoji i sprej koji sadrži cink za antikorozivnu zaštitu. Galvanizacijom se zaštičavaju ograde, čelični mostovi, stubovi javne rasvjete, dijelovi automobila, stubovi dalekovoda i slično.[7]

Legure

uredi

Široko korištena legura koja sadrži cink je mesing, koja sadrži bakar legiran sa cinkom u količini od 3% do 45% cinka, u zavisnosti od način i svrhe upotrebe mesinga.[20] Mesing je općenito snažniji i duktilniji od bakra i ima mnogo veću otpornost prema koroziji.[20] Ove osobine čine mesing korisnim za upotrebu za dijelove komunikacijske opreme, hardver, muzičke instrumente i ventile za vodu.[20]

Spojevi

uredi

Biološki značaj

uredi

Cink je nezamjenjivi mikroelement, neophodan za rast biljaka[21], životinja[22] i mikroorganizama.[23] Cink je pronađen u gotovo 100 određenih enzima[24], dok se u drugim izvorima spominje i 300 enzima. U njima, cink služi kao strukturalni ion u transkripcijskim faktorima, a skladišti se i prebacuje u metalnim ionima. On je tipični drugi po rasprostranjenosti tranzicijski metal u organizmima odmah poslije željeza a jedini je metal koji se pojavljuje u svim klasama enzima.[21]

Između ostalog ima udjela i u: mineralizaciji kostiju, sintezi bjelančevina, zarastanju rana, utiče na rad imunološkog sistema, pravilnu raspodjelu inzulina i štednju holesterola i vitamina A. Ima udjela i u regulaciji krvnog pritiska i srčanog ritma. Prema podacima Svjetske zdravstvene organizacije, preporučena dnevna količina cinka za odrasle muškarce iznosi 15 mg, za žene 12 mg, za predpubertetsku djecu 10 mg a za dojenčad 5 mg.[25] U Sjedinjenim Američkim Državama unos cinka putem hrane iznosi 9 mg/dnevno za žene i 14 mg/dnevno za muškarce. Dugotrajno veće unošenje cinka u organizam može dovesti do nedostatka bakra[26][27] i smetnji u proizvodnji krvi.[27] Nedostatak cinka uzrokuje: malokrvnost, usporavanje tempa rasta, sporo zarastanje rana, zapaljenja kože, itd. Nedostatak cinka kod djece izaziva niži rast i lošije umno razviće.

Reference

uredi
  1. ^ a b Harry H. Binder (1999). Lexikon der chemischen Elemente. Stuttgart: S. Hirzel Verlag. ISBN 3-7776-0736-3.
  2. ^ a b c d N. N. Greenwood; A. Earnshaw (1988). Chemie der Elemente (1 izd.). Weinheim: VCH. str. 1545. ISBN 3-527-26169-9.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
  3. ^ David R. Lide (izd.) (2009). "Magnetic Susceptibility of the Elements and Inorganic Compounds". CRC Handbook of Chemistry and Physics (90 izd.). Boca Raton, FL: CRC Press/Taylor and Francis. str. 4–147. ISBN 9781420090840.
  4. ^ a b Yiming Zhang, Julian R. G. Evans, Shoufeng Yang: Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks. u: Journal of Chemical & Engineering Data. 56, 2011, str. 328–337, doi:10.1021/je1011086
  5. ^ Cink, na stranici Industrialmetalcastings, pristupljeno 5. septembra 2017. (en)
  6. ^ Geneviève Lüscher: NZZ online – Rana proizvodnja mesinga u Indiji, Univerzitet Lehigh, Bethlehem (SAD), pristupljeno 5. septembra 2017. (de)
  7. ^ a b c Emsley, John (2001). "Zinc". Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements. Oxford, Engleska, UK: Oxford University Press. str. 499–505. ISBN 0-19-850340-7.
  8. ^ a b Comyns, Alan E. (2007). Encyclopedic Dictionary of Named Processes in Chemical Technology (3. izd.). CRC Press. str. 71. ISBN 0-8493-9163-6.
  9. ^ Rhys Jenkins (1945). "The Zinc Industry in England: the early years up to 1850". Transactions of the Newcomen Society. 25: 41–52.
  10. ^ a b c Holleman-Wiberg (2007). Lehrbuch der Anorganischen Chemie (102 izd.). Berlin: de Gruyter. ISBN 978-3-11-017770-1.
  11. ^ a b G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot, A. H. Wapstra: The Nubase evaluation of nuclear and decay properties. Arhivirano 24. 7. 2013. na Wayback Machine
  12. ^ MinDat - Localities for Zinc, na stranici mindat.org (en)
  13. ^ Webmineral - Mineral Species containing Zinc (Zn), na stranici webmineral.com
  14. ^ a b USGS mineral resources., str. 188, pristupljeno 5. septembra 2017. (en)
  15. ^ Proizvodnja cinka u 2009. godini, pristupljeno 5. septembra 2017. (en)
  16. ^ Römpp CD 2006, Georg Thieme Verlag 2006.
  17. ^ a b "Zinc: World Mine Production (zinc content of concentrate) by Country" (PDF). 2009 Minerals Yearbook: Zinc. Washington, D.C.: United States Geological Survey. 1. 2. 2010. Pristupljeno 6. 6. 2010.
  18. ^ International Lead and Zinc Study Group., pristupljeno 5. septembra 2017.
  19. ^ Stwertka, Albert (1998). "Zinc". Guide to the Elements (rev. izd.). Oxford University Press. str. 99. ISBN 0-19-508083-1.
  20. ^ a b c d e Lehto, R. S., Clifford A. Hampel (1968). "Zinc". The Encyclopedia of the Chemical Elements. New York: Reinhold Book Corporation. str. 822–830. ISBN 0-442-15598-0.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
  21. ^ a b Broadley M. R.; White, P. J.; Hammond, J. P.; Zelko I.; Lux A. (2007). "Zinc in plants". New Phytologist. 173 (4): 677–702. doi:10.1111/j.1469-8137.2007.01996.x. PMID 17286818.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
  22. ^ Prasad A. S. (2008). "Zinc in Human Health: Effect of Zinc on Immune Cells". Mol. Med. 14 (5–6): 353–7. doi:10.2119/2008-00033.Prasad. PMC 2277319. PMID 18385818.
  23. ^ Uloga cinka u mikroorganizmima se djelimično može vidjeti u: Sugarman B (1983). "Zinc and infection". Review of Infectious Diseases. 5 (1): 137–47. doi:10.1093/clinids/5.1.137. PMID 6338570.
  24. ^ United States National Research Council, Institute of Medicine. (2000). Dietary Reference Intakes for Vitamin A, Vitamin K, Arsenic, Boron, Chromium, Copper, Iodine, Iron, Manganese, Molybdenum, Nickel, Silicon, Vanadium, and Zinc. National Academies Press. str. 442–455.
  25. ^ WHO: Zinc in Drinking-water – Background document for development of WHO Guidelines for Drinking-water Quality (PDF)
  26. ^ Colin Tidy: Zinc Supplements Arhivirano 7. 4. 2014. na Wayback Machine. Patient.co.uk. 22. mart 2010, pristupljeno 2. novembra 2013.
  27. ^ a b Präparate mit Zink plus Vitamin C Arhivirano 4. 11. 2013. na Wayback Machine. Ökotest. u časopisu: Ratgeber Essen, Trinken und Genießen. izdanje 8/2008, pristupljeno 2. novembra 2013.

Vanjski linkovi

uredi
  • Cink, britannica.com