Chất hoá học Zn (kẽm)

• Công thức tổng quát Zn
• Tên quốc tế: đang cập nhật...
• Nguyên tử khối: 65.3800
• Màu sắc: Ánh kim bạc xám
• Nhiệt độ sôi: 907
• Nhiệt độ nóng chảy: 419
• Trạng thái: Chất rắn

Kẽm là kim loại được sử dụng phổ biến hàng thứ tư sau sắt, nhôm, đồng tính theo lượng sản xuất hàng năm. Các ứng dụng chính của kẽm (số liệu là ở Hoa Kỳ)[98] Mạ kẽm (55%) Hợp kim (21%) Đồng thau và đồng điếu (16%) Khác (8%) Chống ăn mòn và pin Kim loại kẽm chủ yếu được dùng làm chất chống ăn mòn,[99] ở dạng mạ. Năm 2009 ở Hoa Kỳ, 55% tương đương 893 nghìn tấn kẽm kim loại được dùng để mạ.[98] Kẽm phản ứng mạnh hơn sắt hoặc thép và do đó nó sẽ dễ bị ôxi hóa cho đến khi nó bị ăn mòn hoàn toàn.[100] Một lớp tráng bề mặt ở dạng bằng ôxít và cacbonat (Zn 5(OH) 6(CO 3) 2) là một chất ăn mòn từ kẽm.[101] Lớp bảo vệ này tồn tại kéo dài ngay cả sau khi lớp kẽm bị trầy xước, nhưng nó sẽ giảm theo thời gian khi lớp ăn mòn kẽm bị tróc đi.[101] Kẽm được phủ lên theo phương pháp hóa điện bằng cách phun hoặc mạ nhúng nóng.[16] Mạ kẽm được sử dụng trên rào kẽm gai, rào bảo vệ, cầu treo, mái kim loại, thiết bị trao đổi nhiệt, và các bộ phận của ô tô.[16] Độ hoạt động tương đối của kẽm và khả năng của nó bị ôxi hóa làm nó có hiệu quả trong việc hi sinh anot để bảo vệ ăn mòn catot. Ví dụ, bảo vệ catot của một đường ống được chôn dưới đất có thể đạt hiệu quả bằng cách kết nối các anot được làm bằng kẽm với các ống này.[101] Kẽm có vai trò như một anot (âm) bằng các ăn mòn một cách chậm chạp khi dòng điện chạy qua nó đến ống dẫn bằng thép.[101][note 2] Kẽm cũng được sử dụng trong việc bảo vệ các kim loại được dùng làm catot khi chúng bị ăn mòn khi tiếp xúc với nước biển.[102] Một đĩa kẽm được gắn với một bánh lái bằng sắt của tàu sẽ làm chậm tốc độ ăn mòn so với không gắn tấm kẽm này.[100] Các ứng dụng tương tự như gắn kẽm vào chân vịt hoặc lớp kim loại bảo vệ lườn tàu. Pin kẽm-cacbon thập niên 1970 của hãng VARTA (Đức) Với một thế điện cực chuẩn (SEP) 0,76 vôn, kẽm được sử dụng làm vật liệu anot cho pin. Bột kẽm được sử dụng theo cách này trong các loại pin kiềm và các tấm kẽm kim loại tạo thành vỏ bọc và cũng là anot trong pin kẽm-cacbon.[103][104] Kẽm được sử dụng làm anot hoặc nhiên liệu cho tế bào nhiêu liệu kẽm/pin kẽm-không khí.[105][106][107] Pin dòng ôxy hóa khử kẽm-xêri cũng dựa trên một nửa tế bào âm kẽm.[108] Hợp kim Hợp kim của kẽm được sử dụng rộng rãi nhất là đồng thau, bao gồm đồng và khoảng từ 3% đến 45% kẽm tùy theo loại đồng thau.[101] Đồng thau nhìn chung giòn và cứng hơn đồng và có khả năng chống ăn mòn rất cao.[101] Các tính chất này giúp nó được sử dụng nhiều trong các thiết bị truyền thông, phần cứng máy tính, dụng cụ âm nhạc, và các van nước.[101] A mosaica pattern composed of components having various shapes and shades of brown. Vi cấu trúc đồng thau đúc phóng đại 400 lần Các ứng dụng rộng rãi khác của hợp kim chứa kẽm bao gồm niken bạc, máy đánh chữ bằng kim loại, hàn nhôm và mềm, và đồng điếu thương mại.[9] Kẽm cũng được sử dụng trong các bộ phận đường ống hiện đại như là một sản phẩm thay thế các đường ống trước đây sử dụng hợp kim chì/thiếc.[109] Các hợp kim chiếm 85-88% kẽm, 4-10% đồng, và 2-8% nhôm được sử dụng hạn chế trong một số trường hợp của các bệ nâng đỡ máy. Kẽm là một kim loại ban đầu được sử dụng trong việc sản xuất các đồng tiền 1 cent của Hoa Kỳ từ năm 1982.[110] Lõi kẽm được áo một lớp đồng mỏng để tạo độ bắt mắt của đồng tiền bằng đồng. Năm 1994, 33.200 tấn (36.600 tấn thiếu) kẽm được sử dụng để sản xuất 13,6 triệu đồng xu ở Hoa Kỳ.[111] Các hợp kim chủ yếu là kẽm với một lượng nhỏ đồng, nhôm, và magiê có ích trong việc đúc áp lực cũng như đúc quay, đặc biệt trong các ngành công nghiệp tự động, điện tử, và phần cứng.[9] Các hợp kim này được chào bán trên thị trường với tên gọi là Zamak.[112] Ví dụ về hợp kim kẽm nhôm, nó có điểm nóng chảy thấp và độ nhớt thấp nên có thể chế tạo ra những vật có hình dạng nhỏ và phức tạp. Nhiệt độ gia công thấp làm cho các sản phẩm đúc nguội nhanh và do đó có thế lắp ráp chúng một cách nhanh chóng.[9][113] Một hợp kim khác được chào bán trên thị trường với tên gọi là Prestal chứa 78% kẽm và 22% nhôm và được cho là có độ cứng gần bằng thép nhưng lại dẻo như nhựa.[9][114] Tính chất siêu nhựa này của hợp kim cho phép đúc chúng dễ dàng trong các khuôn bằng sứ và xi măng.[9] Các hợp kim tương tự khi có thêm vào một lượng nhỏ chì có thể cán nguội thành các tấm. Hợp kim có 96% kẽm và 4% nhôm được sử dụng để làm khuôn dập cho các ứng dụng có tốc độ sản xuất thấp mà khuôn dập bằng kim loại đen có thể quá đắt.[115] Trong việc xây các bề mặt ngoài, mái nhà hoặc các ứng dụng khác, kẽm được sử dụng ở dạng tấm kim loại và có thể dùng để cán, cuộn hoặc uốn người ta sử dụng các hợp kim của kẽm với titan và đồng.[116] Là một vật liệu dễ gia công, không đắt mà nặng, kẽm được sử dụng để thay thế cho chì. Do ngộ độc chì ngày càng nhiều nên kẽm được dùng làm vật nặng trong nhiều ứng dụng khác nhau như câu cá[117] đến cân bằng lốp và bánh đà (bánh trớn).[118] Kẽm cadmi tellurua (CZT) là một hợp kim bán dẫn có thể được chia thành một chuỗi các thiết bị cảm ứng nhỏ.[119] Các thiết bị này tương tự như mạch tích hợp và có thể phát hiện nguồn năng lượng của các photon tia gama.[119] Khi được đặt sau một mặt nạ hấp thụ, thiết bị cảm ứng CZT cũng có thể được sử dụng để xác định hướng của các tia gamma.[119] Các ứng dụng công nghiệp khác White powder on a glass plate Kẽm ôxít được dùng làm chất tạo màu trắng trong sơn. Gần 1/4 tổng sản lượng kẽm của Hoa Kỳ (2009) được dùng ở dạng hợp chất kẽm;[98] có nhiều loại được dùng ở quy mô công nghiệp. Kẽm ôxit được sử dụng rộng rãi để làm chất tạo màu trắng trong sơn, và làm chất xúc tác trong công nghiệp chế biến cao su. Nó cũng được dùng làm chất phân tán nhiệt cho cao su và phản ứng để bảo vệ các polyme của cao su trước các tia tử ngoại (cách bảo vệ chống tia tử ngoại tương tự cũng được cho vào nhựa chứa ôxit kẽm).[16] Các tính chất bán dẫn của kẽm ôxit hữu ích trong các varistor và sản phẩm máy photocopy.[120] Vòng tuần hoàn kẽm-kẽm ôxít là một quy trình gồm 3 bước hóa nhiệt trong đó dùng kẽm và kẽm ôxit để sản xuất hydro.[121] Kẽm cloura thường được cho vào gỗ để làm chất bắt cháy[122] và có thể được sử dụng để bảo quản gỗ.[123] Nó cũng được dùng để tạo các hóa chất khác.[122] Kẽm methyl (Zn(CH3) 2) được dùng trong nhiều phản ứng tổng hợp hữu cơ.[124] Kẽm sulfua (ZnS) được dùng làm chất tạo màu phát quang như trên các đồng hồ đeo tay, màn hình ti vi và tia X, và sơn phát quang.[125] Các tinh thể kẽm được dùng trong các tia laser hoạt động trong dãi quang phổ hồng ngoại giữa.[126] Kẽm sulfat là một chất hóa học trong nhuộm và tạo màu.[122] Kẽm pyrithion được dùng trong sơn chống gỉ.[127] Bột kẽm đôi khi được dùng làm chất tạo lực đẩy trong các mô hình tên lửa.[128] Khi một hỗn hợp nén gồm 70% bột kẽm và 30% bột lưu huỳnh bị đốt cháy sẽ tạo ra một phản ứng hóa học mãnh liệt.[128] Phản ứng này tạo ra kẽm sunfua cùng một lượng lớn khí nóng, nhiệt và ánh sáng.[128] Kim loại kẽm dạng tấm được dùng để chế ra các thanh kẽm.[129] 64 Zn, là đồng vị phổ biến nhất của kẽm, rất dễ bị kích hoạt neutron, được chuyển hóa thành 65 Zn phóng xạ rất cao, hạt nhân mới này có chu kỳ bán rã 244 ngày và sinh ra các tia phóng xạ gamma cường độ cao. Do vậy, kẽm ôxít được dùng trong các lò phản ứng hạt nhân để làm chất chống ăn mòn cạn kiệt của 64 Zn trước khi sử dụng. Vì lý do tương tự, kẽm đã được đề xuất ở dạng vật liệu muối dùng trong các vũ khí hạt nhân (coban là một ví dụ khác, là một loại vật liệu muối phổ biến hơn).[130] Một lớp áo kẽm 64 Zn được làm giàu đồng vị có thể được chiếu xạ mởi một dòng neutron cường độ năng lượng cao từ việc kích nổ vũ khí nhiệt hạt nhân, tạo thành một lượng lớn đồng vị 65 Zn làm tăng đáng kể bụi phóng xạ của vũ khí hạt nhân.[130] Vũ khí như thế này không biết là đã có chế tạo, thử nghiệm hay sử dụng chưa.[130] 65 Zn cũng được dùng làm đồng vị vết trong nghiên cứu làm thế nào mà các hợp kim chứa kẽm ăn mòn, hoặc con đường và vai trò của kẽm trong sinh vật.[131] Các phức kẽm dithiocarbamat được dùng làm thuốc diệt nấm trong nông nghiệp; chúng gồm Zineb, Metiram, Propineb và Ziram.[132] Kẽm naphthenat được dùng là chất bảo quản gỗ.[133] Kẽm ở dạng ZDDP cũng được dùng làm chất phụ gia chống ăn mòn trong các bộ phận kim loại của các động cơ chạy dầu.[134] Bổ sung trong khẩu phần ăn Viên kẽm GNC 50 mg (AU) Kẽm có trong hầu hết các khẩu phần ăn cung cấp dưỡng chất và vitamin hàng ngày.[135] Các sản phẩm chế biến gồm kẽm ôxít, kẽm acetat, và kẽm gluconat.[135] Nó được tin là có tính chất chống ôxy hóa, chúng có thể chống lại sự gia tăng tốc độ lão hóa của da và cơ trong cơ thể; các nghiên cứu chỉ ra sự khác biệt về các hiệu quả của nó.[136] Kẽm cũng giúp làm tăng tốc sự hồi phục vết thương.[136] Nó cũng có những tác dụng có lợi cho hệ miễn dịch của cơ thể. Do vậy, sự thiếu hụt kẽm có thể tác động đến hầu hết các phần của hệ miễn dịch ở con người.[137] Hiệu quả của các hợp chất kẽm khi sử dụng để làm giảm thời gian hoặc mức độ nghiên trọng của triệu chứng cảm vẫn còn là vấn đề gây tranh cãi.[138] Một cuộc đánh giá một cách có hệ thống năm 2011 kết luận rằng việc bổ sung kẽm sẽ làm giảm nhẹ thời gian và độ nghiêm trọng của bệnh cảm.[139] Kẽm đóng vai trò là một công cụ đơn giản, rẻ tiền và quan trọng trong điều trị các cơn tiêu chảy ở trẻ em ở những nước đang phát triển. Khi tiêu chảy kẽm trong cơ thể giảm, nhưng các nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng kẽm bổ sung trong vòng 10 đến 14 điều trị có thể giảm thời gian và độ nghiêm trọng của những côn tiêu chảy và cũng có thể chống lại các cơn tiêu chảy trong vòng 3 tháng sau đó.[140] Skeletal chemical formula of a planar compound featuring a Zn atom in the center, symmetrically bonded to four oxygens. Those oxygens are further connected to linear COH chains. Kẽm gluconat là một hợp chất được sử dụng để cung cấp kẽm trong các bữa ăn. Nghiên cứu bệnh về mắt liên quan đến tuổi tác xác định rằng kẽm góp một phần trong việc điều trị hiệu quả bệnh thoái hóa điểm vàng liên quan đến tuổi.[141] Bổ sung kẽm là một cách điều trị hiệu quả bệnh rối loại di truyền liên quan đến hấp thu kẽm mà trước đây gây tử vong ở những trẻ mới mắc bệnh này bẩm sinh.[53] Viêm dạ dày giảm mạnh khi uống kẽm, và hiệu ứng này có thể là do tính chất kháng khuẩn mạnh của các ion kẽm trong đường tiêu hóa, hoặc đối với sự hấp thụ kẽm và tái giải phóng từ các tế bào miễn dịch (tất cả hạch bạch cầu đều tiết ra kẽm), hoặc cả hai.[142][143][note 3] Năm 2011, các nghiên cứu viên ở trường cao đẳng tư pháp hình sự John Jay thông báo rằng việc cung cấp kẽm trong khẩu phần ăn có thể làm ẩn đi sự hiện diện của ma túy trong nước tiểu. Các tuyên bố tương tự cũng được đăng trên các diễn đàn về chủ đề đó.[144] Mặc dù chưa thử nghiệm trong điều trị ở người, dấu hiệu của một cơ thể đang phát triển ám chỉ rằng kẽm có thể ưu tiên tiêu diệt tế bào ung thư tuyến tiền liệt. Do kẽm có mặt tự nhiên trong tuyến tiền liệt và vì tuyến này dễ xâm nhập với các phương thức không xâm lấn một cách tương đối, tiềm năng của nó như là một tác nhân hóa trị loại bệnh ung thư này thể hiện nhiều hứa hẹn.[145] Tuy nhiên, các nghiên cứu khác đã minh họa rằng sử dụng kẽm bổ sung lâu dài với liều lượng vượt mức cho phép có thể thực tế làm gia tăng cơ hội phát triển ung thư tuyến tiền liệt, cũng có thể là do sự tích tụ tự nhiên của kim loại nặng này trong tuyến tiền liệt.[146] Viên ngậm kẽm và trị cảm thông thường Bài chi tiết: Kẽm và bệnh cảm Những kết quả tích cực nhất trong việc sử dụng viên ngậm kẽm được phát hiện trong nghiên cứu trên kẽm acetat, thể hiện qua việc acetat không liên kết với các ion kẽm.Các nghiên cứu cho đến nay cũng chưa đưa ra kết luận nhưng đã chỉ ra rằng các viên kẽm làm giảm các triệu chứng kẽm trong khi có thể gây ra tác dụng phụ như buồn nôn.[149] Những lợi ích của kẽm dùng trong điều trị cảm đã được mô tả là "rất ít".[150] Cơ chế sinh học của tác dụng này chưa rõ, nhưng lợi ích của các loại kẽm thoi có vẻ bị gây nên bởi các hiệu ứng tại chỗ trong vùng hầu họng, vì điều trị kẽm qua đường mũi cũng rút ngắn thời gian cảm. Dùng làm thuốc ngoài da Xem thêm thông tin: Kẽm ôxít § Y học Kẽm dùng trong điều trị ngoài da thường được làm từ kẽm ôxít. Các hợp chất này có thể chống cháy nắng trong mùa hè và khô vì lạnh trong mùa đông.[53] Thoa một lớp mỏng trên vùng mặc tã của bé (perineum) mỗi lần thay tã lót có thể bảo vệ khỏi hăm do tã.[53] Kẽm lactat được dùng trong kem đánh răng để chống chứng hôi miệng.[153] Kẽm pyrithion được sử dụng rộng rãi trong dầu gội đầu do nó có chức năng chống gàu.[154] Các ion kẽm là chất chống vi sinh rất hiệu quả thậm chí ở nồng độ thấp.[155] Hóa hữu cơ Thêm kẽm diphenyl vào một andehit Có nhiều hợp chất kẽm hữu cơ quan trọng. Hóa học kẽm hữu cơ là một khoa học nghiên cứu về các hợp chất vô cơ của kẽm miêu tả đặc điểm vật lý, sự tổng hợp và các phản ứng của chúng.[156][157][158][159] Trong số các ứng dụng quan trọng phải kế đến là phản ứng Frankland-Duppa theo đó một oxalat este(ROCOCOOR) phản ứng với alkyl halua R'X, kẽm và axit clohydrit để tạo ra este α-hydroxycarboxylic RR'COHCOOR,[160] phản ứng Reformatskii biến đổi α-halo-este và andehit thành β-hydroxy-este, phản ứng Simmons-Smith theo đó kẽm carbenoid (iodomethyl) iodua phản ứng với anken (hoặc ankin) và biến đổi chúng thành cyclopropan, phản ứng thêm vào của các hợp chất kẽm hữu cơ tạo thành các hợp chất carbonyl. Phản ứng Barbier (1899) là sự cân bằng kẽm của phản ứng Grignard magiê và tốt hơn là cả hai phản ứng. Sự có mặt của một lượng nước bất kỳ trong sự thành tạo magiê hữu cơ halua sẽ không thành công, ngược lại phản ứng Barbier có thể thậm chí diễn ra trong môi trường nước. Mặt khác các kẽm hữu cơ ít ái nhân hơn Grignards, rất đắt và khó vận chuyển. Các hợp chất kẽm có hai gốc hữu cơ có trên thị trường là kẽm dimetyl, kẽm dietyl và kẽm diphenyl. Trong một nghiên cứu[161][note 4] hợp chất kẽm hữu cơ hoạt động được xem là rẽ hơn nhiều so với tiền chất brôm hữu cơ: Phản ứng song hợp Negishi cũng là một phản ứng quan trọng để tạo thành các liên kết carbon-carbon mới giữa các nguyên tử carbon không no trong anken, aren và ankyn. Các chất xúc tác là niken và palladi. Một bước quan trọng trong chu vòng tuần hoàn xúc tác đó là kẽm halua trao đổi bằng cách thay thế gốc hữu cơ của nó với một halogen khác bằng kim loại palladi (niken). Phản ứng song hợp Fukuyama là một kiểu phản ứng khác như phản ứng này có 3 gốc este tham gia phản ứng để tạo thành một xeton. Kẽm có nhiều ứng dụng làm chất xúc tác trong tổng hợp hữu cơ như tổng hợp bất đối xứng, là một phương pháp rẻ và dễ thực hiện thay cho các chất phức kim loại quý. Các kết quả thu được bằng cách sử dụng chất điện phân kẽm chiral có thể so sánh với phương pháp thu được palladi, rutheni, iridi và các kim loại khác và do đó kẽm trở thành kim loại được lựa chọn ngày càng nhiều cho mục đích này.