Основной карбонат цинка

Основной карбонат цинка — неорганическое соединение, смешанная соль цинка и угольной кислоты, общей формулой Zn₅(CO₃)₂(OH)₆ или 2ZnCO₃·3Zn(OH)₂. В природе встречается в виде минерала гидроцинкита. Представляет собой белое аморфное или кристаллическое вещество, практически нерастворимое в воде, но растворимое в кислотах и щелочах. Широко используется в промышленности как пигмент, наполнитель, компонент косметических средств и в медицине как вяжущее и подсушивающее средство.

История и происхождение

Основной карбонат цинка известен с древних времён. В природе он встречается в виде минерала гидроцинкита (Zn₅(CO₃)₂(OH)₆), который был впервые описан в 1802 году французским минералогом Рене-Жюстом Гаюи. Название происходит от греческих слов «гидро» (вода) и «цинк», что указывает на наличие гидроксильных групп в составе. Гидроцинкит образуется в зонах окисления цинковых руд, часто в ассоциации со смитсонитом (ZnCO₃) и гемиморфитом (Zn₄Si₂O₇(OH)₂·H₂O). Крупные месторождения известны в Австралии, Мексике, США, а также на Урале (Россия).

В промышленности основной карбонат цинка начали получать синтетически в XIX веке. Первоначально его использовали как белый пигмент («цинковые белила»), однако со временем он был вытеснен более стойким диоксидом титана. Тем не менее, соединение сохранило своё значение в других отраслях.

Физические и химические свойства

Физические свойства

• Агрегатное состояние: твёрдое кристаллическое или аморфное вещество.
• Цвет: белый, иногда с желтоватым или сероватым оттенком из-за примесей.
• Запах: отсутствует.
• Плотность: 3,8–4,0 г/см³.
• Растворимость: практически нерастворим в воде (растворимость около 0,0001 г/100 мл при 20 °C), хорошо растворим в разбавленных кислотах (соляной, серной, уксусной) и щелочах (например, в растворе аммиака).
• Термическая устойчивость: при нагревании выше 300 °C разлагается с выделением углекислого газа (CO₂) и воды, образуя оксид цинка (ZnO).

Химические свойства

Основной карбонат цинка проявляет амфотерные свойства, характерные для соединений цинка. Он реагирует:

• с кислотами: Zn₅(CO₃)₂(OH)₆ + 10HCl → 5ZnCl₂ + 2CO₂↑ + 6H₂O;
• с щелочами: Zn₅(CO₃)₂(OH)₆ + 12NaOH → 5Na₂[Zn(OH)₄] + 2Na₂CO₃ + 6H₂O (образуются цинкаты);
• с аммиаком: Zn₅(CO₃)₂(OH)₆ + 12NH₃·H₂O → 5[Zn(NH₃)₄](OH)₂ + 2(NH₄)₂CO₃ + 6H₂O.

При длительном хранении на воздухе может медленно поглощать углекислый газ, переходя в обычный карбонат цинка (ZnCO₃).

Получение

В промышленности основной карбонат цинка получают несколькими способами:

1. Осаждение из растворов солей цинка. К раствору сульфата цинка (ZnSO₄) или хлорида цинка (ZnCl₂) добавляют раствор карбоната натрия (Na₂CO₃) или аммония ((NH₄)₂CO₃). Реакция идёт с образованием белого осадка:

5ZnSO₄ + 5Na₂CO₃ + 3H₂O → Zn₅(CO₃)₂(OH)₆ + 5Na₂SO₄ + 3CO₂↑. Условия (температура, pH, концентрация) влияют на состав и кристалличность продукта.

1. Гидролиз карбоната цинка. При нагревании водной суспензии обычного карбоната цинка (ZnCO₃) происходит частичный гидролиз с образованием основного карбоната.

1. Природный минерал. Гидроцинкит добывают как попутный продукт при разработке месторождений цинка, но в промышленных масштабах синтетический продукт преобладает.

Применение

Основной карбонат цинка используется в различных отраслях промышленности и медицины:

В медицине и косметологии

• Дерматология: входит в состав мазей и присыпок (например, цинковая мазь, паста Лассара) как вяжущее, подсушивающее и противовоспалительное средство. Применяется при лечении опрелостей, экземы, дерматитов, акне.
• Косметика: используется в пудрах, тональных кремах, дезодорантах и солнцезащитных средствах как адсорбент и мягкий антисептик. Обладает способностью поглощать избыток кожного сала и уменьшать блеск кожи.
• Ветеринария: применяется в составе мазей для лечения кожных заболеваний у животных.

В промышленности

• Пигменты и наполнители: исторически использовался как белый пигмент («цинковые белила»), но в настоящее время вытеснен диоксидом титана. Тем не менее, основной карбонат цинка применяют как наполнитель в производстве резины, пластмасс, бумаги и красок для улучшения механических свойств и снижения стоимости.
• Керамика и стекло: добавляется в глазури и эмали для придания белого цвета и матовости.
• Катализаторы: используется как предшественник для получения оксида цинка, который применяется в катализе (например, в синтезе метанола).
• Пищевая промышленность: в некоторых странах зарегистрирован как пищевая добавка E170 (карбонат цинка), но в России и ЕС его применение в качестве добавки ограничено из-за недостаточной изученности.

В сельском хозяйстве

• Микроудобрения: используется для обогащения почв цинком, который необходим для нормального роста растений. Применяется в виде водных суспензий или в составе комплексных удобрений.

Биологическая роль и безопасность

Цинк является эссенциальным микроэлементом, необходимым для функционирования многих ферментов, иммунной системы и синтеза белков. Основной карбонат цинка при наружном применении считается безопасным, но при приёме внутрь в больших дозах может вызывать тошноту, рвоту и раздражение желудочно-кишечного тракта. Предельно допустимая концентрация (ПДК) цинка в воздухе рабочей зоны составляет 0,5 мг/м³ (в пересчёте на Zn). В России соединение относится к 3-му классу опасности (умеренно опасные вещества).

Интересные факты

• В природе гидроцинкит часто образует натёчные формы, напоминающие сталактиты, и может быть ошибочно принят за арагонит или кальцит.
• В XIX веке основной карбонат цинка использовался как средство от солнечных ожогов и для отбеливания кожи, что было связано с его адсорбирующими свойствами.
• При нагревании до 300–400 °C соединение полностью превращается в оксид цинка, который обладает фотокаталитической активностью и используется в самоочищающихся покрытиях.
• В некоторых странах Юго-Восточной Азии основной карбонат цинка добавляют в зубные пасты как абразивный компонент.

Источники

1. Химическая энциклопедия / Под ред. И. Л. Кнунянца. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 2. — С. 523–524.
2. Лидин Р. А., Молочко В. А., Андреева Л. Л. Химические свойства неорганических веществ. — М.: Химия, 2000. — С. 124–125.
3. Greenwood N. N., Earnshaw A. Chemistry of the Elements. — 2nd ed. — Butterworth-Heinemann, 1997. — P. 1208–1210.
4. Государственная фармакопея Российской Федерации. — XIV изд. — М.: Минздрав РФ, 2018. — Т. 2. — С. 345–347.
5. Минералогическая энциклопедия / Под ред. К. Фрея. — Л.: Недра, 1985. — С. 124.