Zinco: história, propriedades, estrutura, riscos, usos - Ciência - 2023

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o zinco É um metal de transição que pertence ao grupo 12 da tabela periódica e é representado pelo símbolo químico Zn. É o 24º elemento em abundância na crosta terrestre, encontrado em minerais de enxofre, como esfalerita, ou minerais carbonáticos, como esmitsonita.

É um metal bastante conhecido na cultura popular; os telhados de zinco são um exemplo, assim como os suplementos para regular os hormônios masculinos. Pode ser encontrada em muitos alimentos e é um elemento essencial para inúmeros processos metabólicos. Existem vários benefícios de sua ingestão moderada em comparação com os efeitos negativos de seu excesso no corpo.

O zinco já era conhecido muito antes de seus aços galvanizados de cor prata e outros metais. O latão, uma liga de composição variada de cobre e zinco, faz parte dos objetos históricos há milhares de anos. Hoje sua cor dourada é freqüentemente vista em alguns instrumentos musicais.

Da mesma forma, é um metal com o qual são feitas as baterias alcalinas, pois seu poder redutor e a facilidade de doar elétrons o tornam uma boa opção como material anódico. Seu uso principal é para galvanizar aços, revestindo-os com uma camada de zinco que oxida ou sacrifica para evitar que o ferro embaixo se corroa posteriormente.

Em seus compostos derivados, quase sempre tem um número de oxidação ou estado de +2. Portanto, o íon Zn é considerado²⁺ envolto em ambientes moleculares ou iônicos. Enquanto Zn²⁺ É um ácido de Lewis que pode causar problemas dentro das células, coordenado com outras moléculas, interage positivamente com enzimas e DNA.

Assim, o zinco é um cofator importante para muitas metaloenzimas. Apesar de sua bioquímica enormemente importante e do brilho de seus flashes esverdeados e chamas quando queimando, no mundo da ciência ele é considerado um metal "chato"; uma vez que suas propriedades carecem da atratividade de outros metais, assim como seu ponto de fusão é consideravelmente menor que o deles.

História

Antiguidade

O zinco foi manipulado por milhares de anos; mas de forma despercebida, desde civilizações antigas, incluindo os persas, romanos, transilvanos e gregos, já faziam objetos, moedas e armas de latão.

Portanto, o latão é uma das ligas mais antigas conhecidas. Eles prepararam a partir do mineral calamina, Zn₄sim₂OU₇(OH)₂H₂Ou então, que eles moem e aquecem na presença de lã e cobre.

Durante o processo, as pequenas quantidades de zinco metálico que poderiam ter se formado escaparam na forma de vapor, fato que atrasou por anos sua identificação como elemento químico. Com o passar dos séculos, o latão e outras ligas aumentaram seu teor de zinco, parecendo mais acinzentados.

Já no século XIV, na Índia, já haviam conseguido produzir zinco metálico, que chamaram Jasada e eles o comercializaram na época com a China.

E assim os alquimistas puderam adquiri-lo para realizar seus experimentos. Foi a famosa figura histórica Paracelso que o chamou de "zinco", possivelmente pela semelhança entre os cristais de zinco e os dentes. Aos poucos, em meio a outros nomes e várias culturas, o nome 'zinco' acabou coagulando para esse metal.

Isolamento

Embora a Índia já produzisse zinco metálico desde 1300, isso veio do método que usava calamina com lã; portanto, não era uma amostra metálica de pureza considerável. William Champion aprimorou esse método em 1738, na Grã-Bretanha, usando um forno de retorta vertical.

Em 1746, o químico alemão Andreas Sigismund Marggraf obteve pela "primeira vez" uma amostra de zinco puro aquecendo calamina na presença de carvão (melhor agente redutor do que lã), dentro de um recipiente com cobre. Essa forma de produzir zinco se desenvolveu comercialmente e em paralelo com a da Champion.

Mais tarde, foram desenvolvidos processos que finalmente se tornaram independentes da calamina, usando óxido de zinco em seu lugar; em outras palavras, muito semelhante ao processo pirometalúrgico atual. Os fornos também melhoraram, podendo produzir quantidades crescentes de zinco.

Até então, ainda não existia nenhuma aplicação que demandasse grandes quantidades de zinco; mas isso mudou com as contribuições de Luigi Galvani e Alessandro Volta, que deu lugar ao conceito de galvanização. Volta também criou o que é conhecido como célula galvânica, e o zinco logo fez parte do projeto de células secas.

Propriedades físicas e químicas

Aparência física

É um metal acinzentado, geralmente disponível na forma granular ou em pó. Fisicamente, ele é fraco, por isso não é uma boa escolha para aplicações em que deve suportar objetos pesados.

Da mesma forma, é frágil, embora quando aquecido acima de 100 ºC se torne maleável e dúctil; até 250 ºC, temperatura na qual se torna quebradiço e pulverizável novamente.

Massa molar

65,38 g / mol

Número atômico (Z)

Ponto de fusão

419,53 ° C Este baixo ponto de fusão é indicativo de sua ligação metálica fraca. Quando derretido, tem uma aparência semelhante ao alumínio líquido.

Ponto de ebulição

907 ºC

Temperatura de autoignição

460 ºC

Densidade

-7,14 g / mL à temperatura ambiente

-6,57 g / mL no ponto de fusão, ou seja, apenas ao derreter ou derreter

Calor de fusão

7,32 kJ / mol

Calor da vaporização

115 kJ / mol

Capacidade de calor molar

25.470 J / (mol K)

Eletro-negatividade

1,65 na escala de Pauling

Energias de ionização

-Primeiro: 906,4 kJ / mol (Zn⁺ gasoso)

-Segundo: 1733,3 kJ / mol (Zn²⁺ gasoso)

-Terceiro: 3833 kJ / mol (Zn³⁺ gasoso)

Rádio atômico

Empírico 134 pm

Raio covalente

122 ± 16h

Dureza de Mohs

2,5. Este valor é consideravelmente mais baixo em comparação com a dureza de outros metais de transição, a saber, tungstênio.

Ordem magnética

Diamagnético

Condutividade térmica

116 W / (m K)

Resistividade elétrica

59 nΩm a 20 ° C

Solubilidade

É insolúvel em água desde que a sua camada de óxido o proteja. Uma vez que este é removido pelo ataque de um ácido ou uma base, o zinco acaba reagindo com a água para formar o complexo aquoso, Zn (OH₂)₆²⁺, o Zn sendo localizado²⁺ no centro de um octaedro delimitado por moléculas de água.

Decomposição

Quando queima, pode liberar partículas tóxicas de ZnO no ar. No processo, uma chama esverdeada e uma luz brilhante são observadas.

Reações químicas

O zinco é um metal reativo. À temperatura ambiente, pode não apenas ser coberto por uma camada de óxido, mas também por carbonato básico, Zn₅(OH)₆(CO₃)₂, ou mesmo enxofre, ZnS. Quando esta camada de composição variada é destruída pelo ataque de um ácido, o metal reage:

Zn (s) + H₂SW₄(ac) → Zn²⁺(ac) + SO₄²⁻(ac) + H₂(g)

Equação química correspondente à sua reação com ácido sulfúrico e:

Zn (s) + 4 HNO₃(ac) → Zn (NO₃)₂(ac) + 2 NÃO₂(g) + 2 H₂O (l)

Com ácido clorídrico. Em ambos os casos, embora não esteja escrito, o complexo aquoso de Zn (OH₂)₆²⁺; exceto se o meio for básico, uma vez que precipita como hidróxido de zinco, Zn (OH)₂:

Zn²⁺(aq) + 2OH^–(ac) → Zn (OH)₂(s)

Que é um hidróxido branco, amorfo e anfotérico, capaz de continuar a reagir com mais íons OH^–:

Zn (OH)₂(s) + 2OH^–(ac) → Zn (OH)₄^2-(ac)

Zn (OH)₄^2-é o ânion zincato. Na verdade, quando o zinco reage com essa base forte, como NaOH concentrado, o complexo de zincato de sódio, Na₂[Zn (OH₄]:

Zn (s) + 2NaOH (aq) + 2H₂O (l) → Na₂[Zn (OH₄)] (aq) + H₂(g)

Da mesma forma, o zinco pode reagir com elementos não metálicos, como halogênios no estado gasoso ou enxofre:

Zn (s) + I₂(g) → ZnI₂(s)

Zn (s) + S (s) → ZnS (s) (imagem superior)

Isótopos

O zinco existe na natureza como cinco isótopos: ⁶⁴Zn (49,2%), ⁶⁶Zn (27,7%), ⁶⁸Zn (18,5%), ⁶⁷Zn (4%) e ⁷⁰Zn (0,62%). Os outros são sintéticos e radioativos.

Estrutura e configuração eletrônica

Os átomos de zinco se cristalizam em uma estrutura hexagonal compacta, mas distorcida (hcp), um produto de sua ligação metálica. Os elétrons de valência que governam tais interações são, de acordo com a configuração eletrônica, aqueles pertencentes aos orbitais 3d e 4s:

[Ar] 3d¹⁰ 4s²

Ambos os orbitais são completamente preenchidos com elétrons, então sua sobreposição não é muito eficaz, mesmo quando os núcleos de zinco exercem uma força atrativa sobre eles.

Consequentemente, os átomos de Zn não são muito coesos, fato refletido em seu baixo ponto de fusão (419,53 ºC) em comparação com outros metais de transição. Na verdade, essa é uma característica dos metais do grupo 12 (junto com o mercúrio e o cádmio), então eles às vezes questionam se realmente deveriam ser considerados elementos do bloco d.

Apesar dos orbitais 3d e 4s estarem cheios, o zinco é um bom condutor de eletricidade; portanto, seus elétrons de valência podem "pular" para a banda de condução.

Números de oxidação

É impossível para o zinco perder seus doze elétrons de valência ou ter um número de oxidação ou estado de +12, assumindo a existência do cátion Zn¹²⁺. Em vez disso, ele perde apenas dois de seus elétrons; especificamente aqueles do orbital 4s, comportando-se de maneira semelhante aos metais alcalino-terrosos (Sr. Becambara).

Quando isso acontece, diz-se que o zinco participa do composto com um número de oxidação ou estado de +2; isto é, assumindo a existência do cátion Zn²⁺. Por exemplo, em seu óxido, ZnO, o zinco tem este número de oxidação (Zn²⁺OU^2-) O mesmo se aplica a muitos outros compostos, chegando a pensar que existe apenas Zn (II).

No entanto, também há Zn (I) ou Zn⁺, que perdeu apenas um dos elétrons do orbital 4s. Outro número de oxidação possível para o zinco é 0 (Zn⁰), onde seus átomos neutros interagem com moléculas gasosas ou orgânicas. Portanto, pode ser apresentado como Zn²⁺, Zn⁺ ou Zn⁰.

Como é obtido

Matéria prima

O zinco está na vigésima quarta posição dos elementos mais abundantes na crosta terrestre. Geralmente é encontrado em minerais de enxofre, distribuídos por todo o planeta.

Para obter o metal puro, é necessário primeiro coletar as rochas localizadas em túneis subterrâneos e concentrar os minerais ricos em zinco, que representam a verdadeira matéria-prima.

Esses minerais incluem: esfalerita ou wurzita (ZnS), zincita (ZnO), willemita (Zn₂sim₄), smitsonita (ZnCO₃) e gahnita (ZnAl₂OU₄) A esfalerita é de longe a principal fonte de zinco.

Calcinação

Uma vez que o mineral tenha sido concentrado após um processo de flotação e purificação das rochas, deve ser calcinado para transformar os sulfetos nos seus respectivos. Nesta etapa, o mineral é simplesmente aquecido na presença de oxigênio, desenvolvendo a seguinte reação química:

2 ZnS (s) + 3 O₂(g) → 2 ZnO (s) + 2 SO₂(g)

O então₂ também reage com o oxigênio para gerar SO₃, composto destinado à síntese de ácido sulfúrico.

Uma vez obtido o ZnO, ele pode passar por um processo pirometalúrgico ou eletrólise, onde o resultado final é a formação de zinco metálico.

Processo pirometalúrgico

O ZnO é reduzido usando carvão (mineral ou coque) ou monóxido de carbono:

2 ZnO (s) + C (s) → 2 Zn (g) + CO₂(g)

ZnO (s) + CO (g) → Zn (g) + CO₂(g)

A dificuldade enfrentada por esse processo é a geração de zinco gasoso, devido ao seu baixo ponto de ebulição, que é superado pelas altas temperaturas do forno. É por isso que os vapores de zinco devem ser destilados e separados de outros gases, enquanto seus cristais se condensam em chumbo derretido.

Processo eletrolítico

Dos dois métodos de obtenção, este é o mais utilizado em todo o mundo. O ZnO reage com ácido sulfúrico diluído para lixiviar íons de zinco como seu sal sulfato:

ZnO (s) + H₂SW₄(ac) → ZnSO₄(ac) + H₂O (l)

Finalmente, esta solução é eletrolisada para gerar zinco metálico:

2 ZnSO₄(ac) + 2 H₂O (l) → 2 Zn (s) + 2 H₂SW₄(ac) + O₂(g)

Riscos

Na subseção de reações químicas foi mencionado que o gás hidrogênio é um dos principais produtos quando o zinco reage com a água. Por isso, no estado metálico, deve ser devidamente armazenado e fora do alcance de ácidos, bases, água, enxofre ou qualquer fonte de calor; Caso contrário, existe o risco de incêndio.

Quanto mais fino for o zinco, maior o risco de incêndio ou mesmo explosão.

Caso contrário, desde que a temperatura não se situe nos 500 ºC, a sua forma sólida ou granular não representa qualquer perigo. Se for coberto por uma camada de óxido, pode ser manuseado com as mãos desprotegidas, pois não reage com sua umidade; no entanto, como qualquer sólido, é irritante para os olhos e o trato respiratório.

Embora o zinco seja essencial para a saúde, uma dose em excesso pode causar os seguintes sintomas ou efeitos colaterais:

- Náuseas, vômitos, indigestão, dores de cabeça e estômago ou diarréia.

- Desloca o cobre e o ferro durante sua absorção no intestino, o que se reflete no aumento da fraqueza das extremidades.

- Cálculos renais.

- Perda do olfato.

Formulários

- Metal

Ligas

Talvez o zinco seja um dos metais, junto com o cobre, que forma as ligas mais conhecidas: latão e ferro galvanizado. O latão foi observado em inúmeras ocasiões durante uma orquestra musical, pois o brilho dourado dos instrumentos se deve em parte à referida liga de cobre e zinco.

O zinco metálico em si não tem muitos usos, embora o enrolado sirva como ânodo para células secas e, na forma de pó, seja um agente redutor. Quando uma camada desse metal é eletrodepositada sobre outra, a primeira protege a segunda da corrosão por ser mais suscetível à oxidação; ou seja, o zinco se oxida antes do ferro.

É por isso que os aços são galvanizados (revestidos com zinco) para aumentar sua durabilidade. Exemplos desses aços galvanizados também estão presentes em telhados de “zinco” sem fim, alguns deles com uma camada de tinta verde, e em carrocerias, utensílios domésticos e pontes suspensas.

Há também o aluzinco, liga de alumínio-zinco usada na construção civil.

Agente redutor

O zinco é um bom agente redutor, por isso perde seus elétrons para que outra espécie os ganhe; especialmente um cátion metálico. Quando em pó, sua ação redutora é ainda mais rápida que a dos grânulos sólidos.

É utilizado nos processos de obtenção de metais de seus minerais; como ródio, prata, cádmio, ouro e cobre.

Da mesma forma, sua ação redutora é utilizada para reduzir as espécies orgânicas, que podem estar envolvidas na indústria do petróleo, como benzeno e gasolina, ou na indústria farmacêutica. Por outro lado, o pó de zinco também encontra aplicação em baterias alcalinas de zinco-dióxido de manganês.

Diversos

O pó de zinco, por sua reatividade e combustão mais energética, encontra uso como aditivo em cabeças de fósforo, em explosivos e fogos de artifício (eles dão flashes brancos e chamas esverdeadas).

- Compostos

Sulfureto

O sulfeto de zinco tem a propriedade de ser fosforescente e luminescente, por isso é utilizado na produção de tintas luminosas.

Óxido

A cor branca de seu óxido, assim como sua semicondutividade e fotocondutividade, é utilizada como pigmento para cerâmicas e papéis. Além disso, está presente em talco, cosméticos, borrachas, plásticos, tecidos, medicamentos, tintas e esmaltes.

Suplemento nutricional

Nosso corpo precisa de zinco para cumprir muitas de suas funções vitais. Para adquiri-lo, é incorporado a alguns suplementos nutricionais na forma de óxido, gluconato ou acetato. Também está presente em cremes para aliviar queimaduras e irritações cutâneas e em xampus.

Alguns benefícios conhecidos ou associados ao uso de zinco são:

- Melhora o sistema imunológico.

- É um bom antiinflamatório.

- Reduz os sintomas incômodos do resfriado comum.

- Evita danos às células da retina, por isso é recomendado para a visão.

- Ajuda a regular os níveis de testosterona e também está associada à fertilidade masculina, à qualidade dos seus espermatozóides e ao desenvolvimento do tecido muscular.

- Regula as interações entre os neurônios do cérebro, por isso está relacionado a melhorias na memória e no aprendizado.

-E também é eficaz no tratamento da diarreia.

Esses suplementos de zinco estão disponíveis comercialmente na forma de cápsulas, comprimidos ou xaropes.

Papel biológico

Na anidrase carbônica e na carboxipeptidase

O zinco é considerado parte de 10% do total de enzimas do corpo humano, aproximadamente 300 enzimas. Entre eles podem ser citadas a anidrase carbônica e a carboxipeptidase.

A anidrase carbônica, uma enzima dependente do zinco, atua no nível do tecido catalisando a reação do dióxido de carbono com a água para formar o bicarbonato. Quando o bicarbonato chega aos pulmões, a enzima reverte a reação e se forma dióxido de carbono, que é expelido para fora durante a expiração.

A carboxipeptidase é uma exopeptidase que digere proteínas, liberando aminoácidos. O zinco atua fornecendo uma carga positiva que facilita a interação da enzima com a proteína que está digerindo.

No funcionamento da próstata

O zinco está presente em diferentes órgãos do corpo humano, mas tem maior concentração na próstata e no sêmen. O zinco é responsável pelo bom funcionamento da próstata e pelo desenvolvimento dos órgãos reprodutores masculinos.

Dedos de zinco

O zinco está envolvido no metabolismo do RNA e do DNA. Os dedos de zinco (dedos de Zn) consistem em átomos de zinco que servem como pontes de ligação entre proteínas, que juntas estão envolvidas em várias funções.

Os dedos de zinco são úteis na leitura, escrita e transcrição do DNA. Além disso, existem hormônios que os utilizam em funções associadas à homeostase do crescimento em todo o corpo.

Na regulação do glutamato

O glutamato é o principal neurotransmissor excitatório do córtex cerebral e do tronco cerebral. O zinco se acumula nas vesículas pré-sinápticas glutaminérgicas, intervindo na regulação da liberação do neurotransmissor glutamato e na excitabilidade neuronal.

Há evidências de que uma liberação exagerada do neurotransmissor glutamato pode ter uma ação neurotóxica. Portanto, existem mecanismos que regulam sua liberação. A homeostase do zinco, portanto, desempenha um papel importante na regulação funcional do sistema nervoso.

Referências

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