OSSIDO DI ZINCO (ZNO): STRUTTURA, PROPRIETÀ, USI, RISCHI - CHIMICA - 2025

L' ossido di zinco è un composto inorganico con la formula chimica ZnO. È composto esclusivamente da ioni Zn ²⁺ e O ^2- in rapporto 1: 1; tuttavia, il suo reticolo cristallino può presentare una vacanza di O ² , che dà origine a difetti strutturali in grado di alterare i colori dei suoi cristalli sintetici.

Viene acquistato commercialmente come solido bianco polverulento (immagine inferiore), che viene prodotto direttamente dall'ossidazione dello zinco metallico dal processo francese; oppure sottoporre i minerali di zinco a riduzione carbotermica, in modo tale che i loro vapori si ossidino e finiscano per solidificarsi.

Vetro dell'orologio con ossido di zinco. Fonte: Adam Rędzikowski

Altri metodi di preparazione di ZnO consistono nel precipitare il suo idrossido, Zn (OH) ₂ , da soluzioni acquose di sali di zinco. Allo stesso modo, film sottili o nanoparticelle di ZnO variati morfologicamente possono essere sintetizzati mediante tecniche più sofisticate come la deposizione chimica dei suoi vapori.

Questo ossido di metallo si trova in natura come il minerale zincite, i cui cristalli sono generalmente gialli o arancioni a causa delle impurità metalliche. I cristalli di ZnO sono caratterizzati dal fatto di essere piezoelettrici, termocromici, luminescenti, polari e anche per avere una banda di energia molto ampia nelle loro proprietà di semiconduttore.

Strutturalmente, è isomorfo al solfuro di zinco, ZnS, adottando cristalli esagonali e cubici simili a quelli di wurzite e blenda, rispettivamente. In questi c'è un certo carattere covalente nelle interazioni tra Zn ²⁺ e O ^2- , che provoca una distribuzione eterogenea delle cariche nel cristallo ZnO.

Gli studi sulle proprietà e gli usi di ZnO si estendono ai campi della fisica, dell'elettronica e della biomedicina. I suoi usi più semplici e quotidiani passano inosservati nella composizione di creme per il viso e prodotti per l'igiene personale, nonché nella protezione solare.

Struttura

Polimorfi

ZnO cristallizza in condizioni normali di pressione e temperatura in una struttura esagonale wurzite. In questa struttura, gli ioni Zn ²⁺ e O ^2- sono disposti in strati alternati, in modo tale che ciascuno finisca circondato da un tetraedro, rispettivamente con ZnO ₄ o OZn ₄ .

Inoltre, utilizzando una "sagoma" o supporto cubico, ZnO può essere fatto cristallizzare in una struttura di blenda di zinco cubica; che, come la wurzite, corrispondono a strutture isomorfe (identiche nello spazio ma con ioni differenti) del solfuro di zinco, ZnS.

Oltre a queste due strutture (wurzite e blenda), ZnO ad alta pressione (circa 10 GPa) cristallizza nella struttura del salgemma, la stessa di NaCl.

interazioni

Le interazioni tra Zn ²⁺ e O ^2- presentano un certo carattere di covalenza, per il quale esiste un legame Zn-O parzialmente covalente (entrambi atomi con ibridazione sp ³ ), ea causa della distorsione dei tetraedri, manifestano un momento dipolo che si aggiunge alle attrazioni ioniche dei cristalli di ZnO.

Blende (sinistra) e struttura wurzite (destra) di ZnO. Fonte: Gabriel Bolívar.

Hai l'immagine in alto per visualizzare i tetraedri menzionati per le strutture ZnO.

La differenza tra le strutture blenda e wurzite sta anche nel fatto che visti dall'alto, gli ioni non vengono eclissati. Ad esempio, nella wurzite, le sfere bianche (Zn ²⁺ ) si vedono appena sopra le sfere rosse (O ^2- ). D'altra parte, nella struttura della blenda cubica questo non è il caso perché ci sono tre strati: A, B e C invece di solo due.

Morfologia delle nanoparticelle

Sebbene i cristalli di ZnO tendano ad avere strutture esagonali di wurzite, la morfologia delle loro nanoparticelle è un'altra storia. A seconda dei parametri e dei metodi di sintesi, questi possono assumere forme così varie come aste, piatti, foglie, sfere, fiori, cinture, aghi, tra gli altri.

Proprietà

Aspetto fisico

Solido polverulento bianco, inodore, dal sapore amaro. In natura si può trovare cristallizzato, con impurità metalliche, come il minerale di zincite. Se tali cristalli sono bianchi, mostrano termocromismo, il che significa che quando vengono riscaldati cambiano colore: da bianco a giallo.

Allo stesso modo, i suoi cristalli sintetici possono presentare colori rossastri o verdastri a seconda della loro composizione stechiometrica dell'ossigeno; in altre parole, le lacune o le vacanze causate dalla mancanza di anioni O ² influenzano direttamente il modo in cui la luce interagisce con le reti ioniche.

Massa molare

81,406 g / mol

Punto di fusione

1974 ° C. A questa temperatura subisce decomposizione termica liberando vapori di zinco e ossigeno molecolare o gassoso.

Densità

5,1 g / cm ³

Solubilità dell'acqua

ZnO è praticamente insolubile in acqua, difficilmente dando luogo a soluzioni con una concentrazione dello 0,0004% a 18ºC.

Anfoterismo

ZnO può reagire sia con gli acidi che con le basi. Quando reagisce con un acido in soluzione acquosa, la sua solubilità aumenta formando un sale solubile dove Zn ²⁺ finisce per complessare con le molecole d'acqua: ²⁺ . Ad esempio, reagisce con l'acido solforico per produrre solfato di zinco:

ZnO + H ₂ SO ₄ → ZnSO ₄ + H ₂ O

Allo stesso modo, reagisce con gli acidi grassi per formare i loro rispettivi sali, come lo stearato di zinco e il palmitato.

E quando reagisce con una base, in presenza di acqua, si formano i sali di zinco:

ZnO + 2NaOH + H ₂ O → Na ₂

Capacità termica

40,3 J / K mol

Divario energetico diretto

3.3 eV. Questo valore lo rende un semiconduttore a banda larga, in grado di funzionare sotto intensi campi elettrici. Ha anche le caratteristiche di essere un semiconduttore di tipo n, il che non è stato spiegato perché c'è una fornitura extra di elettroni nella sua struttura.

Questo ossido si distingue per le sue proprietà ottiche, acustiche ed elettroniche, grazie alle quali è considerato un candidato per potenziali applicazioni legate allo sviluppo di dispositivi optoelettronici (sensori, diodi laser, celle fotovoltaiche). La ragione di tali proprietà è al di là del regno della fisica.

applicazioni

Medicinale

L'ossido di zinco è stato utilizzato come additivo in molte creme bianche per trattare irritazioni della pelle, acnes, dermatiti, abrasioni e screpolature. In quest'area, il suo uso è popolare per alleviare l'irritazione causata dai pannolini sulla pelle dei bambini.

Allo stesso modo, è un componente dei filtri solari, perché insieme alle nanoparticelle di biossido di titanio, TiO ₂ , aiuta a bloccare la radiazione ultravioletta del sole. Allo stesso modo, agisce come un agente addensante, motivo per cui si trova in alcuni make-up leggeri, lozioni, smalti, polveri e saponi.

D'altra parte, ZnO è una fonte di zinco utilizzata negli integratori alimentari e nei prodotti vitaminici, oltre che nei cereali.

Antibatterico

Secondo la morfologia delle sue nanoparticelle, ZnO può essere attivato sotto la radiazione ultravioletta per generare perossidi di idrogeno o specie reattive che indeboliscono le membrane cellulari dei microrganismi.

Quando ciò accade, le rimanenti nanoparticelle di ZnO solcano il citoplasma e iniziano a interagire con il compendio delle biomolecole che compongono la cellula, determinando la loro apoptosi.

Ecco perché non tutte le nanoparticelle possono essere utilizzate nelle composizioni per la protezione solare, ma solo quelle prive di attività antibatterica.

I prodotti con questo tipo di ZnO, rivestiti con materiali polimerici solubili, sono destinati al trattamento di infezioni, ferite, ulcere, batteri e persino diabete.

Pigmenti e rivestimenti

Il pigmento noto come zinco bianco è ZnO, che viene aggiunto a varie vernici e rivestimenti per proteggere le superfici metalliche dove vengono applicati dalla corrosione. Ad esempio, i rivestimenti con ZnO aggiunto vengono utilizzati per proteggere il ferro zincato.

D'altra parte, questi rivestimenti sono stati utilizzati anche sul vetro delle finestre per impedire al calore di penetrare (se è esterno) o entrare (se è interno). Allo stesso modo, protegge alcuni materiali polimerici e tessili dal deterioramento dovuto all'azione della radiazione solare e del calore.

Bioimmagini

La luminescenza delle nanoparticelle di ZnO è stata studiata per l'utilizzo in bioimmagini, studiando così le strutture interne delle cellule attraverso le luci blu, verdi o arancioni che irradiano.

Additivo

ZnO trova impiego anche come additivo in gomme, cementi, dentifrici, vetri e ceramiche, per il suo punto di fusione più basso e, quindi, comportandosi come fondente.

Solvente di idrogeno solforato

ZnO rimuove i gas sgradevoli di H ₂ S, aiutando a desolforare alcuni fumi di gas:

ZnO + H ₂ S → ZnS + H ₂ O

rischi

L'ossido di zinco in quanto tale è un composto non tossico e innocuo, quindi la manipolazione prudente del suo solido non rappresenta alcun rischio.

Il problema però sta nel suo fumo, perché sebbene ad alte temperature si decomponga, i vapori di zinco finiscono per contaminare i polmoni provocando una sorta di “febbre da metallo”. Questa malattia è caratterizzata da sintomi di tosse, febbre, sensazione di oppressione al petto e un costante sapore metallico in bocca.

Inoltre non è cancerogeno e le creme che lo contengono non hanno dimostrato di aumentare l'assorbimento di zinco nella pelle, quindi i filtri solari a base di ZnO sono considerati sicuri; a meno che non vi siano reazioni allergiche, nel qual caso il suo uso deve essere interrotto.

Per quanto riguarda alcune nanoparticelle progettate per combattere i batteri, queste potrebbero avere effetti negativi se non vengono trasportate correttamente nel loro sito di azione.

Riferimenti

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