Zinkoxid

Zinkoxid
Anschauliche Abbildung des Artikels Zinkoxid
Zinkoxidpulver
Identifizierung
IUPAC-Name Zinkoxid
Synonyme

Zink weiß Zink -
Monoxid
Permanent weiß
C.I. 77947
C. I. Pigment weiß 4

N o CAS 1314-13-2
N o ECHA 100.013.839
N o EG 215-222-5
LÄCHELN O = [Zn]
PubChem , 3D-Ansicht
InChI InChI: 3D-Ansicht
InChI = 1 / O.Zn / rOZn / c1-2
Aussehen weißes bis gelbes
geruchloses Pulver , sechseckige
Kristalle
Chemische Eigenschaften
Formel O ZnZnO
Molmasse 81,38 ± 0,02  g / mol
O 19,66 %, Zn 80,36 %,
Physikalische Eigenschaften
T ° Fusion Zersetzung des Kristalls bei 1 975  ° C , Zersetzung des amorphen Körpers weniger stabil über 1 800  ° C
Löslichkeit sehr schwach, in reinem Wasser fast null.
Löslich in Essigsäure verdünnt,
die Mineralsäuren starke
starke Alkalien, Ammoniak, Ammoniumcarbonat und Ammoniumchlorid,
aber unlöslich in Ammoniakflüssigkeit und Ethanol
Volumenmasse 5,6  g · cm -3 für den hexagonalen Kristall, 5,47  g · cm -3 für den amorphen Körper
Thermochemie
S 0 fest 43,65  ± 0,40  J · K -1 · mol -1
Δ f H 0 fest -350,46  ± 0,27  kJ · mol -1
Δ fus H ° 4470  cal th · mol -1
Elektronische Eigenschaften
Verbotene Band E gA 3.437  eV (bei 1,6 K),

3,37 (bei 300 K)

Kristallographie
Typische Struktur Wurtzit
Optische Eigenschaften
Brechungsindex Index 2,008 2,029 (biaxial)
Vorsichtsmaßnahmen
SGH
SGH09: Gewässergefährdend
Warnung H410, P273, P501, H410  : Sehr giftig für Wasserorganismen mit langfristiger Wirkung
P273  : Freisetzung in die Umwelt vermeiden.
P501  : Inhalt / Behälter ... zuführen.
WHMIS

Unkontrolliertes ProduktDieses Produkt wird nicht gemäß den WHMIS-Klassifizierungskriterien kontrolliert.

Angabe zu 1,0 % gemäß der Inhaltsstoff-Offenlegungsliste
Anmerkungen: Die chemische Identität und Konzentration dieses Inhaltsstoffs muss im Sicherheitsdatenblatt angegeben werden, wenn er in einer Produktkontrolle in einer Konzentration von 1,0 % oder mehr vorhanden ist.
Therapeutische Überlegungen
Therapeutischer Kurs adstringierend , UV-Filter
Einheiten von SI und STP, sofern nicht anders angegeben.

Das Zinkoxid ist eine chemische Verbindung aus Sauerstoff und Zink , Ionenkörper chemische Formel ZnO.

Präsentation, Vorbereitung

Dieses in Wasser fast unlösliche Oxid liegt im Allgemeinen in Form eines unschmelzbaren weißen Pulvers vor, das allgemein als „weißes Zink“, „Zinkweiß“ oder „Zinkblume“ bekannt ist. dieser pudrig weiße Körper wurde früher wegen seiner flauschigen und leichten Aspekte im Lateinischen pompholix , nihil album (nichts weißes der Alchemisten), lana philosophica (philosophische Wolle) genannt. Er galt damals als "unschmelzbarer und fester" Körper.

Im Labor kann es durch Kalzinieren von Zinkcarbonat oder Zinknitrat gewonnen werden , wobei Kohlendioxid bzw. Stickstoffdioxid freigesetzt werden , wobei letzteres viel explosiver ist.

ZnCO 3 Zinkcarbonat (Smithsonit) erhitzt auf 300  °C → ZnO Pulver + CO 2 Kohlendioxid

Aber das einfache Erhitzen des einfachen Metallkörpers Zink auf Rot in einem offenen Tiegel ergibt durch exotherme Reaktion Zinkoxidflocken, da der Zinkdampf an Luft bei einer Temperatur nahe seinem Siedepunkt verbrennt. Der industrielle Prozess der 1880er Jahre basierte auf diesem Prinzip, um verschiedene weiße Zinkoxide zu erhalten: Tatsächlich wurde das in Erdretorten eingebrachte Metallzink stark erhitzt und der Zinkdampf dann in einen Luftstrom geleitet. Aufeinanderfolgende Kästen sammelten die Flocken, die erste Ablagerung bildete "pulveriges oder pulverförmiges Zinkweiß", die obere Schicht aus den leichtesten wurde "Schneewittchen" genannt.

Zn -Metalldampf + 1/2 O 2 Sauerstoffgas aus der Luft → ZnO- Pulveraggregat mit - 698 kJ / mol 

Dieser weiße Feststoff kann amorph oder kristallin sein. Zinkoxid mit hexagonaler Kristallstruktur kommt in der Natur in Form von Zinkit vor , einem Mineral, das oft Mangan enthält und dadurch gelb bis rot gefärbt ist, aber der Großteil des verwendeten Zinkoxids wird industriell in großen Fabriken hergestellt.

Kristallographische Struktur

Zinkoxid ist eine Verbindung, die in Form von Wurtzit , Zinkblende oder Steinsalz kristallisieren kann .

Diese Spezifität hängt mit der gemischten Natur der Bindungen innerhalb des Kristalls zusammen.

Der Unterschied in der Elektronegativität zwischen dem Sauerstoffatom und dem Zinkatom platziert das Zinkoxid an der Grenze zwischen einem Halbleiter mit kovalent polarem Charakter und einem Halbleiter mit ionischem Charakter .

Die Wurtzitform wird unter normalen Temperatur- und Druckbedingungen weithin bevorzugt.

Es entsteht durch die Stapelung von Ebenen negativ geladener Sauerstoffatome und Ebenen positiv geladener Zinkatome.

Genauer gesagt besteht es aus zwei sich gegenseitig durchdringenden Unternetzwerken vom kompakten hexagonalen Typ, die entlang der Achse c gegeneinander verschoben sind. Der Translationskoeffizient wird mit u bezeichnet und beträgt im Idealfall 0,375.

Zinkoxid kristallisiert in der 3 mc P6- Raumgruppe mit den Gitterparametern a = 3.250 Å und c = 5.207 Å .   

Physikalische Eigenschaften

Zinkoxid ist im kalten Zustand weiß, im heißen Zustand wird es gelb. Die Färbung ist mit der Temperatur reversibel.

Zinkoxid ist ein Halbleiter mit Breitband 3,3  eV . Es absorbiert daher kein sichtbares Licht, was seine Transparenz erklärt. In Form von Pulver wird das Licht von der Oberfläche jedes Kristalls reflektiert und das Material daher als weiß wahrgenommen. In diesem Material können sich jedoch insbesondere bei hohen Temperaturen Sauerstoff- Leerstellen bilden, weshalb Zinkoxid beim Erhitzen gelb wird. Dieser Effekt wird Thermochromie genannt .

Darüber hinaus weist Zinkoxid einen piezoelektrischen Effekt auf .

Piezoelektrische Eigenschaften

ZnO ist aufgrund seiner starken elektromechanischen und piezoelektrischen Kopplung eines der beliebtesten piezoelektrischen Materialien .

Der Ursprung der Piezoelektrizität liegt in ihrer hexagonalen Kristallstruktur, die kein Symmetriezentrum hat.

Tatsächlich besteht die Elementarzelle aus einem Stapel positiver und negativer Ladungen, man sieht dort einen elementaren elektrischen Dipol .

Dieser Dipol hat eine spontane Polarisation . Wenn wir eine externe Beschränkung anwenden, verschieben sich die positiven und negativen Ladungen. Es entsteht eine piezoelektrische Polarisation .

Optische Eigenschaften

Defekte in Zinkoxid können Verunreinigungen, Kristallinitätsdefekte, ausgedehnte Defekte oder sogar adsorbierte Moleküle sein. Diese Defekte werden die elektronischen Eigenschaften dieser Verbindung stark beeinflussen.

Die optischen Eigenschaften von Zinkoxid können durch verschiedene Methoden wie optische Absorption , Transmission, Reflexion oder sogar Photolumineszenz gemessen werden .

Dank dieser Eigenschaften sind zahlreiche Anwendungen denkbar.

Chemische Eigenschaften

Zinkoxid ist in Wasser fast unlöslich . Dieser Körper ist ein stabiles weißes Pigment, es nimmt kein Kohlendioxid aus der Luft auf und ist in reinem Wasser sehr schlecht löslich, in der Größenordnung von einem Millionstel im Massenanteil oder 0,42 × 10 - 3 g pro 100  g reinem Wasser . Spuren von Zinkhydroxid- Niederschlag Zn (OH) 2 werden gebildet , hygroskopischer Körper, der Wasser aufnimmt.

Es ist jedoch ein amphoteres Oxid, das in sauren (in Zn 2+ -Form ) und basischen (in Form von Zinkat-Zn (OH) 4 2- -Anionen ) Lösungen löslich ist .

ZnOist amphoter, d.h. weist sowohl saure als auch basische Eigenschaften auf. Es wird jedoch in einer stark sauren Umgebung leichter angegriffen als in einer stark basischen Umgebung.

Zinkoxid wird von starken Basen wie Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid wenig angegriffen. Andererseits löst es sich in Abwesenheit von Wasser leicht in geschmolzenen trockenen Alkalien.

Zinkoxid setzt wie trockenes Zinkhydroxid das Zinkion Zn 2+ frei, nachdem es in starken konzentrierten Säuren wie Salzsäure , Schwefelsäure oder Salpetersäure gelöst wurde .

Zinkoxid ist leicht reduzierbar.

ZnO weißes Pulver + C Aktivkohle Erhitzen auf Weißrot bei ca. 950  °C → Zn Dampf stabil in reduzierender oder inerter Atmosphäre, dann geschmolzenes Metall nach Kondensation + CO Gas Kohlenmonoxid

Zinkoxid wird bei Umgebungsdruck und bei einer Temperatur von 1975  ° C zersetzt, in gewissem Sinne "reduziert allein" gasförmiges Zink- und Sauerstoffgas .

Toxizität

Zinkoxid ist eine bekannte giftige Substanz. Seine Dämpfe sind sehr gefährlich. Beim Metallschweißen freigesetzte Spuren von Zinkoxid verursachen Metallfieber.

Verwendung in Form von Nanopartikeln

Die von der Generaldirektion für Gesundheit (DGS) beschlagnahmte Nationale Agentur für die Sicherheit von Arzneimitteln und Gesundheitsprodukten schätzte, dass das Eindringen von Zinkoxid- Nanopartikeln auf die oberflächlichen Schichten gesunder Haut beschränkt war, es jedoch keine Daten über verletzte Haut (z Sonnenbrand). Sie empfiehlt auch, diese Partikel nicht im Gesicht oder in geschlossenen Räumen zu verwenden.

Zinkoxid wird aus Zinkdampf hergestellt, mit dem kleine Partikel gewonnen werden. Diese Partikel verleihen Sonnenschutzmitteln ihre weiße Farbe.

Zinkoxid, das in Sonnenschutzmitteln verwendet wird, zerstört Zooxanthella , eine Mikroalge, die für das Leben von Korallenriffen unerlässlich ist.

Verwendet

Es wird in vielen Anwendungen verwendet, wie zum Beispiel bei der Herstellung von Gläsern , Keramik , bei der Bildung von Eugenat , in der Zusammensetzung von Lebensmitteln und Sonnenschutzmitteln.

Es ist zunächst ein stabiles Pigment in Farbe, seit der späten verwendet XVIII - ten  Jahrhundert , die zu ersetzen , Bleiweiß oder Bleioxid PbOauf Vorschlag des Chemikers und Salpetermachers Jean-Baptiste Courtois , übernommen von Guyton de Morveau . Bleioxid ist eine chemische Verbindung, die sicherlich viel giftiger ist, eine schmerzhafte Bleivergiftung (Koliken), schwere, schnell unheilbare (Bleivergiftung) verursacht und außerdem ein Pigment, das in Gegenwart von H 2 S . leicht schwärztoder empfindlich in einem organischen Zersetzungsmedium, das dieses Gas freisetzt, aber es war widerstandsfähiger gegen schlechtes Wetter. Für die Ölmalerei wird noch Zinkoxid oder Zinkweiß verwendet. In Gegenwart von Sulfiden dunkelt es nicht oder nur sehr wenig nach, da es sich bei dem möglicherweise gebildeten Zinksulfid um ein weißes oder grauweißes Pigment handelt.

Dieses ZnO-PigmentWird in der Glas- und Keramikindustrie zur Herstellung von opak weißen Gläsern und Emails verwendet. Es ist auch direkt an der Zusammensetzung von Ferriten beteiligt .

Es handelt sich um ein Produkt der pharmazeutischen und kosmetischen Industrie, antiseptisch gut bekannt vor dem XIX E  Jahrhundert , wo die Chemiker Apotheker seiner Vorbereitung kümmerten. Es wurde als Pulver verwendet oder in Salben oder Salben für Hauterkrankungen eingearbeitet. In den 1880er Jahren wurde Zinkoxid auf der Haut als Antitranspirant verwendet, da es die Säureproduktion neutralisiert und gleichzeitig die meisten auf der Haut vorhandenen Bakterien zerstört.

Es bietet weiterhin Schutz vor Verbrennungen, es kann in Zahnzementpräparaten verwendet werden. Es wird zur Herstellung von Zinkseifen verwendet, die als Sikkative oder Fungizide verwendet werden. Zusammen mit Titandioxid bleibt Zinkoxid eine trübende und schützende Ladung in Sonnenschutzmitteln.

Es ist eine aktive Belastung in der Gummi- und Reifenindustrie. Zinkoxid fördert die Vulkanisationskinetik .

Zinkoxid ist ein wesentlicher Bestandteil bei der Herstellung einer Formulierung mit Pulver als Darreichungsform. Es ist zu beachten, dass ZnO die Brustwarzen und die Hautpartien mit dem wenigsten Keratin stark reizen kann, indem es die Apoptose von Zellen in diesen Regionen induziert.

Geschichte

Die Verwendung von Zinkoxid in der traditionellen indischen Medizin reicht bis 500 v. Chr. zurück.

Es wurde in Form von medizinischen Balsamen zur Behandlung von offenen Wunden oder Augenreizungen verwendet.

Es wird angenommen, dass Zinkoxid im Charaka Samhita enthalten ist, einem Gründungsmanuskript der traditionellen indischen Medizin.

Während des XII - ten  Jahrhunderts , das erste Fertigungsanlagen Zinkoxid erzeugt. Beginnend mit Indien, wird die Technologie dann nach China bewegen und dann nach Europa während der Ausbreitung XVII ten  Jahrhundert .

Es gibt auch Anwendungen in Bereichen wie Dach , Kleber , Farbe oder sogar Pigmente . Zinkoxid tauchte jedoch erst mit dem Aufkommen von Mikro- und Nanotechnologien wieder auf.

Im XIX - ten  Jahrhundert wurde verwendet , um zwei Arten von Bildern herzustellen, ein in der Innen verwendet „Zinkweiß malen“ und ein „males Zinkoxid“ resistent gegen feuchte Luft.

Seit 1912 wird Zinkoxid als Halbleiter untersucht .

1960 führten seine guten piezoelektrischen Eigenschaften zur ersten elektronischen Anwendung in Form von dünnen Filmen in Schallwellengeräten.

In den 85er Jahren verlangsamte die Schwierigkeit, ZnO im p-Typ zu dotieren, dh im Elektronenmangel , die Forschung an diesem Material.

Das Interesse an Zinkoxid erwachte in den 1990er Jahren mit der Synthese von ZnO in nanometrischer Form wieder .

Das zuvor beschriebene feine Pulver von "Zinkweiß" wurde in einem trocknenden Öl, wie Leinöl , gelöst . Etwa 5 bis 10 Prozent des gebrauchten Leinöls wurden auf 200  °C vorgewärmt . Von Mangandioxid oder einem Salz aus dem Manganoxid erhalten wurde , auf die weiße Dispersion von Zink / Öl zugegeben. Diese weiße Farbe namens "Zinkweiß" ermöglichte die Dekoration von Steinen, Holz und Metallen im Inneren von Häusern.

Ein weiteres Rezept, das Soret zugeschrieben wird, schlägt eine Mischung aus Zinkoxid und Zinkchlorid in einer konzentrierten wässrigen Lösung von etwa 58 ° Baumé vor, mit einer sehr begrenzten Menge an Natriumcarbonat . Die weiße und deckende Farbe, schnelltrocknend (weniger als zwei Stunden nach dem Auftragen), genannt "Zinkoxid", ist beständig gegen feuchte Luft, da sie ein weißes Zinkoxychlorid enthält, das sowohl unlöslich als auch deckend ist. Diese Zinkoxidfarbe wurde häufig im Militärhafen von Brest verwendet und während der Belle poque zum Schutz der Außenseite von Lagerhäusern, Holzgebäuden oder Dächern . Es ist auch ein "metallischer Zement".

Zinkoxid und Kobaltnitrat wurden bei der Herstellung von Rinmans grünem Pigment oder Kobaltgrün verwendet .

ZnO weißes Pulver + Co (NO 3 ) 2 Erhitzen mit roten → (ZnO, CoO) assoziierten Oxiden + 2 NO Gas + 3/2 O 2 Gas

Zinkoxid für Thermoelektrizität

Die Thermoelektrizität ist eine Technologie, die Wärmeströme direkt in elektrische Energie umwandelt.

Umgekehrt kann es durch den Verbrauch von elektrischer Energie Wärme zwischen einer kalten Quelle und einer heißen Quelle übertragen. Dies ist das Prinzip der Kälte- oder Wärmepumpe.

Es gibt drei thermoelektrische Effekte, die sich aus der elektrisch-thermischen Leitfähigkeitskopplung ergeben:

Eine thermoelektrische Zelle besteht aus einem n-Typ-Halbleiter (Beispiel: ZnO) und einem p-Typ-Halbleiter. Diese Halbleiter sind elektrisch in Reihe und thermisch parallel geschaltet.

Der Wirkungsgrad thermoelektrischer Geräte steigt in Abhängigkeit von der Gütezahl ZT.

Mit:

σ: Elektrische Leitfähigkeit

S: Seebeck-Koeffizient

K: Wärmeleitfähigkeit

Zinkoxid hat einen hohen Seebeck-Koeffizienten, eine hohe thermische Stabilität und ist nicht toxisch. Es ist daher sehr nützlich in der Thermoelektrizität

Zinkoxid für Photovoltaik

Seit Anfang der 1990er Jahre ist eine neue Technologie namens photosensitive Farbstoffsolarzellen als Ergebnis der Arbeit des Chemikers Michael Gratzel entstanden.

Farbstoffsolarzellen sind Systeme aus Halbleitermaterialien, die die Fähigkeit besitzen, Sonnenenergie in elektrische Energie umzuwandeln.

Diese Umwandlung ist auf den photovoltaischen Effekt zurückzuführen, der darin besteht, die Energie der empfangenen Photonen einzufangen, um die Ladungsträger vom Valenzband in das Leitungsband zu befreien.

Eine dieser Schlüsselkomponenten ist die Photoanode . Dieser besteht aus einem dünnen Film eines Halbleiters mit großer Bandlücke, wie beispielsweise ZnO.

Für die Optimierung von Solarzellen ist die Wahl des Halbleiters essenziell. Es muss verschiedene Kriterien haben:

Der heute am häufigsten verwendete Halbleiter in Photovoltaikzellen ist Titanoxid , TiO 2 .

Eine vielversprechende Methode zur Entwicklung dieser Zellen besteht darin, dieses Oxid durch ZnO-Nanopartikel zu ersetzen .

Die Synthesewege von Zinkoxid-Nanopartikeln werden in zwei Hauptteile eingeteilt:

ZnO ist ein echter Konkurrent von TiO 2 , da seine große morphologische Vielfalt und seine intrinsischen Eigenschaften die Photokonversionseffizienz von Photovoltaikzellen weiter erhöhen.

Außerdem besitzt ZnO eine hohe Elektronenbeweglichkeit, die für den Elektronentransport günstig ist.

Siehe auch

Zum Thema passende Artikel

Externe Links

Literaturverzeichnis

Verweise

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