Оксид цинка

Оксид цинка (ZnO) — это бинарное неорганическое соединение цинка и кислорода. В природе встречается в виде минерала цинкита. Представляет собой белый кристаллический порошок, нерастворимый в воде, обладающий амфотерными свойствами. Является одним из наиболее широко используемых соединений цинка, находя применение в резинотехнической, лакокрасочной, косметической, фармацевтической и электронной промышленности.

Физические и химические свойства

Физические свойства

Оксид цинка представляет собой белое или желтовато-белое кристаллическое вещество. При нагревании до температур выше 300 °C цвет может меняться на жёлтый, что связано с потерей части кислорода из кристаллической решётки и образованием нестехиометрических соединений. При охлаждении исходный цвет восстанавливается. Плотность оксида цинка составляет около 5,6 г/см³. Температура плавления превышает 1975 °C, однако при атмосферном давлении вещество возгоняется (сублимирует) при температуре около 1800 °C. Кристаллическая решётка относится к типу вюрцита (гексагональная сингония), что обуславливает его пьезоэлектрические свойства. Оксид цинка является прямозонным полупроводником с шириной запрещённой зоны около 3,37 эВ при комнатной температуре.

Химические свойства

Оксид цинка проявляет амфотерные свойства, то есть способен реагировать как с кислотами, так и со щелочами:

• При взаимодействии с кислотами образует соответствующие соли цинка: \( \text{ZnO} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{ZnCl}_2 + \text{H}_2\text{O} \).
• При взаимодействии с растворами щелочей образует цинкаты: \( \text{ZnO} + 2\text{NaOH} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Na}_2[\text{Zn(OH)}_4] \). При сплавлении с твёрдыми щелочами образуются цинкаты безводные: \( \text{ZnO} + 2\text{NaOH} \rightarrow \text{Na}_2\text{ZnO}_2 + \text{H}_2\text{O} \).

Оксид цинка нерастворим в воде, но растворим в растворах аммиака и карбоната аммония. При прокаливании с углеродом восстанавливается до металлического цинка: \( \text{ZnO} + \text{C} \rightarrow \text{Zn} + \text{CO} \). Обладает фотокаталитической активностью под действием ультрафиолетового излучения.

Получение

Промышленные методы

Основным промышленным методом получения оксида цинка является французский процесс (прямое окисление). Металлический цинк (обычно вторичный или первичный) нагревают до температуры кипения (около 907 °C) в тиглях. Пары цинка окисляются кислородом воздуха в специальной камере сгорания, образуя мелкодисперсный порошок оксида цинка, который затем собирается в фильтрах. Данный метод обеспечивает высокую чистоту продукта (99,5–99,9% ZnO).

Американский процесс (косвенный метод) заключается в обжиге сульфидных цинковых руд (например, сфалерита) или окислении цинксодержащих отходов при температуре 900–1200 °C. Получаемый продукт имеет более низкую чистоту (до 98%) и часто содержит примеси свинца, кадмия и других металлов.

Лабораторные методы

В лабораторных условиях оксид цинка может быть получен термическим разложением гидроксида цинка, нитрата цинка или карбоната цинка при нагревании:

• \( \text{Zn(OH)}_2 \xrightarrow{t} \text{ZnO} + \text{H}_2\text{O} \)
• \( \text{Zn(NO}_3)_2 \xrightarrow{t} \text{ZnO} + 2\text{NO}_2 + \frac{1}{2}\text{O}_2 \)

Также возможно получение методом осаждения из растворов солей цинка с последующим прокаливанием осадка.

Применение

Резинотехническая промышленность

Оксид цинка является одним из важнейших компонентов резиновых смесей. Он используется в качестве активатора вулканизации (ускоряет процесс сшивания молекул каучука серой), а также как наполнитель, повышающий прочность, износостойкость и термостойкость резин. В шинной промышленности оксид цинка добавляют в протекторные и боковые части покрышек. На эту отрасль приходится около 50–60% мирового потребления оксида цинка.

Лакокрасочная промышленность

Оксид цинка применяется в качестве белого пигмента (цинковые белила). Обладает хорошей укрывистостью, светостойкостью и атмосферостойкостью, однако уступает по белизне диоксиду титана. В настоящее время используется преимущественно в производстве художественных красок, эмалей и грунтовок, а также в составе антикоррозионных покрытий. Кроме того, оксид цинка добавляют в краски для придания им фунгицидных свойств (предотвращает рост плесени).

Косметическая и фармацевтическая промышленность

В косметологии оксид цинка используется как компонент солнцезащитных кремов (блокирует УФ-излучение в диапазонах UVA и UVB), декоративной косметики (тональные основы, пудры), а также в составе детских присыпок и кремов под подгузники (оказывает подсушивающее и противовоспалительное действие). В фармацевтике применяется в составе мазей, паст и линиментов (например, цинковая мазь, паста Лассара) для лечения дерматитов, опрелостей, экзем и ран. Обладает вяжущим, адсорбирующим и слабым антисептическим действием.

Электронная промышленность

Благодаря полупроводниковым и пьезоэлектрическим свойствам оксид цинка используется в производстве варисторов (элементов защиты от перенапряжений), газовых сенсоров, пьезоэлектрических преобразователей, светоизлучающих диодов (LED) и лазеров. В виде тонких плёнок и наноструктур (нанотрубки, нанопроволоки) исследуется для применения в прозрачной электронике, фотовольтаике (солнечные батареи) и сенсорах.

Прочие области применения

• Стекольная промышленность: добавка в стекло для повышения его химической стойкости и снижения коэффициента теплового расширения.
• Керамическая промышленность: компонент глазурей и эмалей, придающий им белизну и блеск.
• Сельское хозяйство: используется в качестве микроудобрения (цинковое удобрение) для повышения урожайности зерновых и плодовых культур.
• Производство пластмасс: стабилизатор и пигмент для полимеров (например, полиэтилена, полипропилена).
• Пищевая промышленность: зарегистрирован как пищевая добавка E-530 (регулятор кислотности, стабилизатор цвета), используется в производстве консервов и некоторых напитков.

Биологическая роль и токсикология

Цинк является эссенциальным микроэлементом, необходимым для функционирования многих ферментов и иммунной системы человека. Оксид цинка в малых дозах считается малотоксичным. При попадании в организм в больших количествах может вызывать раздражение желудочно-кишечного тракта. Вдыхание паров оксида цинка (например, при сварке оцинкованных деталей) может приводить к так называемой «цинковой лихорадке» — острому респираторному заболеванию с симптомами, напоминающими грипп. Для кожи и слизистых оболочек оксид цинка не является раздражителем и используется в дерматологии. Предельно допустимая концентрация (ПДК) оксида цинка в воздухе рабочей зоны составляет 0,5 мг/м³.

История

Оксид цинка известен с древности. В античные времена его получали при плавке медных руд, содержащих цинк, и использовали для изготовления латуни. В Индии и Китае оксид цинка применяли в лечебных целях (в виде мазей) ещё до нашей эры. В Европе в средние века оксид цинка был известен как «философская шерсть» (lana philosophica) из-за его способности образовывать пушистые хлопья при горении цинка. В XVIII веке немецкий химик Иоганн Фридрих Ган описал способ получения оксида цинка из руды. Промышленное производство началось в XIX веке, когда оксид цинка стал широко применяться в качестве белого пигмента (цинковые белила) и в резинотехнической промышленности.

Источники

• Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1995. — Т. 5.
• Кнунянц И. Л. (ред.) Краткая химическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1967. — Т. 5.
• Вредные вещества в промышленности. Справочник / Под ред. Н. В. Лазарева, Э. Н. Левиной. — Л.: Химия, 1976. — Т. 3.
• ГОСТ 202-84 «Цинка оксид. Технические условия».
• Патентная и техническая литература по производству и применению оксида цинка.