Оксид цинка

Окси́д ци́нка (о́кись цинка) — бинарное неорганическое соединение цинка и кислорода с формулой ${\displaystyle {\ce {ZnO}}}$, белый кристаллический порошок или бесцветные кристаллы. Кристаллизуется в гексагональной сингонии типа вюрцита. Нерастворим в воде, желтеет при нагревании. В природе встречается в виде минерала цинкита.

Оксид цинка
Общие
Систематическое наименование	оксид цинка
Традиционные названия	окись цинка
Хим. формула	${\displaystyle {\ce {ZnO}}}$
Физические свойства
Состояние	твёрдое
Молярная масса	81,408 г/моль
Плотность	5,61 г/см³
Термические свойства
Температура
• плавления	1975 °C
• сублимации	1800 °C
Мол. теплоёмк.	40,28 Дж/(моль·К)
Энтальпия
• образования	−350,8 кДж/моль
Давление пара	0 ± 1 мм рт.ст.[1]
Оптические свойства
Показатель преломления	2,015 и 2,068CRC Handbook of Chemistry and Physics. — 92nd. — CRC Press, 2011. — ISBN 978-1439855119.
Структура
Кристаллическая структура	гексагональная сингония, a = 0,32495 нм, c = 0,52069 нм, z = 2
Классификация
Рег. номер CAS	1314-13-2
PubChem	14806
Рег. номер EINECS	215-222-5
SMILES	O=[Zn]
InChI	InChI=1S/O.Zn XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N
RTECS	ZH4810000
ChEBI	ZH4810000
ChemSpider	14122
Безопасность
Предельная концентрация	аэрозоль в воздухе рабочей зоны 0,5 мг/м3 в атмосферном воздухе 0,05 мг/м3
Токсичность	Токсичен, при вдыхании пыли вызывает литейную лихорадку
Фразы риска (R)	R50/53
Фразы безопасности (S)	S60, S61
Краткие характер. опасности (H)	H410
Меры предостор. (P)	P273
Сигнальное слово	осторожно
Пиктограммы СГС
NFPA 704	0 2 0 W
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.
Медиафайлы на Викискладе

Свойства

Физические свойства

• Молекулярная масса: 81,408
• Температура плавления:
  • при давлении 52 атмосферы — около 2000 °C
  • при атмосферном давлении и 1950 °C — возгоняется
• Плотность:
  • в порошке 5,5…5,6 г/см³
  • в виде кристалла 5,61 г/см³.
• Растворимость в воде:
  • при 18 °C — 0,00052 г/100 мл
  • при 29 °C — 1,6⋅10⁻⁴ г/100 мл
• Теплопроводность: 54 Вт/(м·К)^[2].

Образует кристаллы гексагональной сингонии, параметры ячейки a = 0,32495 нм, c = 0,52069 нм, Z = 2

Оксид цинка является прямозонным полупроводником с шириной запрещённой зоны 3,36 эВ. Естественное смещение стехиометрического отношения в сторону обогащения кислородом придаёт ему электронный тип проводимости.

Эффективная масса носителей заряда m_p = 0,59m_e; m_n = 0,24m_e.

При нагревании вещество меняет цвет: белый при комнатной температуре, оксид цинка становится жёлтым. Объясняется это уменьшением ширины запрещённой зоны и сдвигом края в спектре поглощения из УФ-области в синюю область видимого спектра.

При температурах 1350—1800 °C оксид цинка сублимируется, сублимация идет через механизм разложения оксида цинка на цинк и кислород в высокотемпературной зоне и образование оксида в низкотемпературной зоне, скорости сублимации зависят от состава газовой среды, в которой она проводится^[3].

Химические свойства

Химически оксид цинка амфотерен — реагирует с кислотами с образованием соответствующих солей цинка, при взаимодействии с растворами щелочей образует комплексные три-, тетра- и гексагидроксоцинкаты (например, ${\displaystyle {\ce {Na2[Zn(OH)4],}}}$ ${\displaystyle {\ce {Ba2[Zn(OH)6]}}}$ и др.):

${\displaystyle {\ce {[Zn(OH)3]- + OH- -> [Zn(OH)4]^{2-}.}}}$

Оксид цинка растворяется в водном растворе аммиака, образуя комплексный аммиакат:

${\displaystyle {\ce {ZnO + 4NH3 + H2O -> [Zn(NH3)4](OH)2.}}}$

При сплавлении со щелочами и оксидами некоторых металлов оксид цинка образует цинкаты:

${\displaystyle {\ce {ZnO + 2NaOH -> Na2ZnO2 + H2O;}}}$

${\displaystyle {\ce {ZnO + CoO -> CoZnO2.}}}$

При сплавлении с оксидом бора и диоксидом кремния оксид цинка образует стеклообразные бораты и силикаты:

${\displaystyle {\ce {ZnO + B2O3 -> Zn(BO2)2;}}}$

${\displaystyle {\ce {ZnO + SiO2 ->ZnSiO3.}}}$

При смешивании порошка оксида цинка с концентрированным раствором хлорида цинка образуется быстро (за 2—3 минуты) твердеющая масса — цинковый цемент^[4].

Нахождение в природе

Известен природный минерал цинкит, состоящий в основном из оксида цинка.

Получение

• Сжиганием паров цинка в кислороде («французский процесс»).
• Термическим разложением некоторых солей цинка:
  • ацетата ${\displaystyle {\ce {Zn(CH3COO)2}}}$;
  • гидроксида ${\displaystyle {\ce {Zn(OH)2}}}$;
  • карбоната ${\displaystyle {\ce {ZnCO3}}}$;
  • нитрата ${\displaystyle {\ce {Zn(NO3)2}}}$.
• Окислительным обжигом сульфида ${\displaystyle {\ce {ZnS}}}$.
• С помощью гидротермального синтеза^[5].
• Извлечением из пылей и шламов заводов чёрной металлургии, особенно перерабатывающих металлолом (он содержит значительную долю оцинкованного железа).

Применение

Оксид цинка широко применяют в химической и фармацевтической промышленности. Применяется в составе зубных паст и цементов в терапевтической стоматологии, в солнцезащитных кремах, в косметических процедурах, в производстве в качестве наполнителя резины, искусственной кожи и резинотехнических изделий. Применяется в шинной, лакокрасочной, нефтеперерабатывающей промышленностях. Оксид цинка применяют при производстве стекла и керамики.

В химической промышленности

• Активатор вулканизации некоторых типов каучуков.
• Вулканизирующий агент хлоропреновых каучуков.
• Катализатор получения метанола.
• Белый пигмент при производстве красок и эмалей (с начала XXI века вытесняется нетоксичным диоксидом титана ${\displaystyle {\ce {TiO2}}}$). Был особенно востребован художниками во второй половине XIX века в виде цинковых белил — долго сохнущих красок, необходимых для новой масляной техники alla prima, основанной на письме в один приём^[6].
• Наполнитель и пигмент в производстве:
  • резины;
  • пластмасс;
  • бумаги;
  • парфюмерных и косметических средств.
• Добавка к кормам для животных.
• В производстве стекла и красок на основе жидкого стекла;
• Как один из компонентов преобразователя ржавчины^[7].

Известно также, что оксид цинка обладает фотокаталитической активностью^[8], что на практике используется для создания самоочищающихся поверхностей, бактерицидных покрытий для стен и потолков в больницах и пр. Для фотокаталитической очистки воды в промышленных масштабах оксид цинка в настоящее время пока ещё не используется^[9].

В электронике

Оксид цинка применяется для производства варисторов, которые используются в современных ограничителях перенапряжений (ОПН) взамен морально устаревших газонаполненных разрядников.

Кроме того, порошок оксида цинка — перспективный материал в качестве рабочей среды для порошковых лазеров^[10]. На основе оксида цинка в комбинации с нитридом галлия создан светодиод голубого цвета^[11][12].

Тонкие плёнки и иные наноструктуры на основе оксида цинка могут применяться как чувствительные газовые и биологические сенсоры^[13][14].

Также оксид цинка входит в состав теплопроводных паст, например, пасты КПТ-8.

В медицине

Туба с цинковой мазью

В медицине используется в качестве компонента лекарственных средств наружного применения, используемых в дерматологии. Обладает противовоспалительным, подсушивающим, адсорбирующим, вяжущим и антисептическим действием.

Применяют в виде присыпки, мази, пасты, линимента, из него делают временные пломбы. Является одним из компонентов ряда комплексных дерматологических и косметических препаратов, таких как «Цинковая мазь», «Паста Лассара» и пр.

Фармакологическое действие обусловлено тем, что оксид цинка образует альбуминаты и денатурирует белки. При нанесении на поражённую поверхность уменьшает явления экссудации, воспаления и раздражения тканей, образует защитный барьер от действия раздражающих факторов.

Может применяться при дерматите, в том числе пелёночном, опрелостях, потнице, поверхностных ранах и ожогах (солнечные ожоги, порезы, царапины), язвенных поражениях кожи (трофических язвах), пролежнях, экземе в стадии обострения, простом герпесе, стрептодермии.

Безопасность и токсичность

Соединение малотоксично, но его пыль вредна для органов дыхания и может вызвать литейную лихорадку, ПДК в воздухе рабочих помещений — 0,5 мг/м³ (по ГОСТ 10262-73). Пыль соединения может образовываться при термической обработке изделий из латуни и литья медных сплавов, содержащих цинк.

Примечания

1. http://www.cdc.gov/niosh/npg/npgd0675.html
2. Термопрокладки  (неопр.). Дата обращения: 8 июля 2012. Архивировано 15 марта 2011 года.
3. Anthrop D. F., Searcy A. W. Sublimation and Thermodynamic Properties of Zinc Oxide (англ.) // The Journal of Physical Chemistry. — 1964. — Vol. 68, iss. 8. — P. 2335–2342. — doi:10.1021/j100790a052.
4. Справочник химика. Цинковый цемент.
5. Baruah S., Dutta J. Review: Hydrothermal growth of ZnO nanostructures (англ.) // Science and Technology of Advanced Materials. — 2009. — Vol. 10, iss. 1. — P. 013001. — doi:10.1088/1468-6996/10/1/013001.
6. Киплик Д. И. Техника живописи (рус.). — М.: Сварог и К., 2002. — С. 175. — ISBN 5-93070-014-1.
7. Natallia Преобразователь ржавчины с цинком: свойства, применение  (рус.). Цинковый портал (10 апреля 2023). Дата обращения: 19 августа 2024.
8. Schimpf A. M. et al. Controlling Carrier Densities in Photochemically Reduced Colloidal ZnO Nanocrystals: Size Dependence and Role of the Hole Quencher (англ.) // Journal of the American Chemical Society. — 2013. — Vol. 135, iss. 44. — P. 16569–16577. — ISSN 0002-7863. — doi:10.1021/ja408030u. Архивировано 30 июля 2023 года.
9. Вода и свет улучшили способность оксида цинка разрушать органические загрязнители  (неопр.). InScience (5 декабря 2023). Дата обращения: 19 августа 2024.
10. Оксид цинка  (неопр.). scilead.ru. Дата обращения: 19 августа 2024.
11. Liu X. Y. et al. Ultraviolet Lasers Realized via Electrostatic Doping Method (англ.) // Scientific Reports. — 2015. — Vol. 5. — P. 13641. — doi:10.1038/srep13641. — Bibcode: 2015NatSR...513641L. — PMID 26324054. — PMC 4555170.
12. Bakin A. et al. ZnMgO-ZnO quantum wells embedded in ZnO nanopillars: Towards realisation of nano-LEDs (англ.) // Physica Status Solidi C. — 2007. — Vol. 4, iss. 1. — P. 158–161. — doi:10.1002/pssc.200673557. — Bibcode: 2007PSSCR...4..158B.
13. Wang H. T. et al. Hydrogen-selective sensing at room temperature with ZnO nanorods (англ.) // Applied Physics Letters. — 2005. — Vol. 86, iss. 24. — P. 243503. — doi:10.1063/1.1949707. — Bibcode: 2005ApPhL..86x3503W.
14. Tien L. C. et al. Hydrogen sensing at room temperature with Pt-coated ZnO thin films and nanorods // Applied Physics Letters. — 2005. — Т. 87, вып. 22. — С. 222106. — doi:10.1063/1.2136070. — Bibcode: 2005ApPhL..87v2106T.

Литература

• Перельман В. И. Краткий справочник химика. — М.—Л.: Химия, 1964.
• Бовина Л. А. и др. Физика соединений AIIBVI (рус.) / Под ред. А. Н. Георгобиани, М. К. Шейнкмана. — М.: Наука, 1986. — 319, [1] с. — 2600 экз.
• Статья «Цинка окись» в Большой советской энциклопедии.

Дополнительная литература

• Özgür Ü., Alivov Ya. I., Liu C., Teke A., Reshchikov M. A., Doğan S., Avrutin V., Cho S.-J., Morkoç H. A comprehensive review of ZnO materials and devices // Journal of Applied Physics. — 2005. — Vol. 98. — P. 041301. — ISSN 00218979. — doi:10.1063/1.1992666.