Cink

Cink (latinski: zincum) jest hemijski element koji ima simbol Zn i atomski broj 30. Cink se ubraja u prelazne metale 12. grupe, ali među njima zauzima posebno mjesto zbog popunjene d-orbitale u atomu, pa je dosta sličan zemnoalkalnim metalima. Po starijim razvrstavanjima, cinkova grupa elemenata označavana je kao 2. sporedna grupa (analogno tome, zemnoalkalni metali označavali su 2. glavnu grupu), dok po današnjoj prihvaćenoj IUPAC-ovoj nomenklaturi, cink s kadmijem i živom sačinjava 12. grupu.

Cink,  ₃₀Zn

Cink u periodnom sistemu
↓                                                                     ↓                                                             →                                                             →
Hemijski element, Simbol, Atomski broj	Cink, Zn, 30
Serija	Prelazni metali
Grupa, Perioda, Blok	12, 4, d
Izgled	plavkasto-sivi metal
Zastupljenost	0,012[1] %
Atomske osobine
Atomska masa	65,409 u
Atomski radijus (izračunat)	135 (142) pm
Kovalentni radijus	122 pm
Van der Waalsov radijus	139 pm
Elektronska konfiguracija	[Ar] 3d104s2
Broj elektrona u energetskom nivou	2, 8, 18, 2
Izlazni rad	4,44 eV
1. energija ionizacije	906,4 kJ/mol
2. energija ionizacije	1733,3 kJ/mol
Fizikalne osobine
Agregatno stanje	čvrsto
Mohsova skala tvrdoće	2,5
Kristalna struktura	heksagonalna
Gustoća	7140[2] kg/m3
Magnetizam	dijamagnetičan ${\displaystyle \chi _{m}}$ = −1,6 · 10−5[3]
Tačka topljenja	692,68 K (419,53 °C)
Tačka ključanja	1180[4] K (907 °C)
Molarni volumen	9,16 · 10−6 m3/mol
Toplota isparavanja	115[4] kJ/mol
Toplota topljenja	7,35 kJ/mol
Pritisak pare	192,2 Pa pri 692,73 K
Brzina zvuka	3700 m/s pri 293,15 K
Specifična toplota	388[1] J/(kg · K)
Specifična električna provodljivost	16,7 · 106 S/m
Toplotna provodljivost	120 W/(m · K)
Hemijske osobine
Oksidacioni broj	2
Elektrodni potencijal	−0,7926 V (Zn2+ + 2e− → Zn)
Elektronegativnost	1,65 (Pauling-skala)
Izotopi
Izo RP t1/2 RA ER (MeV) PR 64Zn 48,6 % Stabilan 65Zn sin 244,06 d β+ 1,352 65Cu 66Zn 27,9 % Stabilan 67Zn 4,1 % Stabilan 68Zn 18,8 % Stabilan 69Zn sin 56,4 min β- 0,906 69Ga 70Zn 0,6 % Stabilan
Sigurnosno obavještenje
Oznake upozorenja F Lahko zapaljivo N Opasno za okoliš
Obavještenja o riziku i sigurnosti	R: 15-17-50/53 S: (2-)43-46-60-61
Ako je moguće i u upotrebi, koriste se osnovne SI jedinice. Ako nije drugačije označeno, svi podaci dobijeni su mjerenjima u normalnim uvjetima.

Cink je plavo-bijeli lomljiv i krhak metal koji se najčešće koristi za pocinčavanje željeza i čeličnih dijelova, kao i za izradu oluka. On je za sva živa bića neophodan u ishrani i dio je vrlo važnih enzima u organizmima. Ime cink nastalo je od riječi zind ili zinke u značenju "zub, nazubljen", a potječe od nazubljenih metalnih kristala cinka.

Ima 23 izotopa, čije su atomske mase između 57-78, od kojih su stabilni 64, 66, 67, 68 i 70.

Historija

Sfalerit, najčešća ruda cinka

Još u starom vijeku cink je bio osnovni materijal za proizvodnju legure mesinga. Kao samostalan metal otkriven je u Indiji ili Kini prije 1500. p. n. e, a u Evropu je donesen tek krajem 16. stoljeća^[5][6]. Već 1679. kod njemačkog grada Kassela otvara se prva radionica za proizvodnju mesinga. Smatra se da je flamanski metalurg P. M. de Respour prvi ekstrahirao metalni cink iz cink-oksida 1668.^[7] Već početkom 18. stoljeća Étienne François Geoffroy opisuje kako se cink-oksid kondenzira u žute kristale na željeznim šipkama koje su stavljene iznad cinkove rude pri topljenju.^[7] U Britaniji, metalurg John Lane izveo je eksperiment da istopi cink, prije nego što je bankrotirao 1726.^[8] Godine 1738. britanski metalurg William Champion patentirao je proces ekstrakcije cinka iz kalamina u vertikalnoj topionici.^[8] Njegova tehnologija donekle je slična onoj koju su koristili u cinkovim rudnicima Zawar u Rajasthanu, međutim, nema dokaza da je on posjetio Indiju.^[9] Championov proces bio je u upotrebi sve do 1851.

Osobine

Fizičke

Metalni cink je blještavobijel, neplemeniti metal, koji je na sobnoj temperaturi i iznad 200 °C dosta krhak. Na temperaturama između 100 i 200 °C je dosta duktilan i lahko se daje deformirati. Njegov prijelom je srebreno bijel. Cink se kristalizira u heksagonskom kuglastom kristalnom sistemu. On se zapravo prostire vertikalno po slojevima kugle, a razmaci između atoma cinka međusobno se neznatno razlikuju, unutar sloja 264,4 pm, a između slojeva 291,2 pm^[10].

Hemijske

Stajanjem na zraku na površini cinka se formira otporni zaštitni sloj sastavljen iz cink-oksida i cink-karbonata (Zn₅(OH)₆(CO₃)₂). Zbog toga se cink, i pored svojih neplemenitih osobina, za zaštitu od korozije (pocinčavanje čeličnih predmeta i slično). Cink se rastvara u kiselinama dajući cinkove dvovalentne soli a u bazama daje cinkate [Zn(OH)₄]²⁻. Jedan izuzetak je cink visoke čistoće (99,999 %), koji ne reagira sa kiselinama. Cink u svojim spojevima se javlja gotovo isključivo sa oksidacijskim brojem +2 (dvovalentan).

Hemijski, cink se ubraja u neplemenite metale (redoks potencijal -0,763 volta). Ovo se može iskoristiti naprimjer, da bi se plemeniti i drugi metali izdvojili u elementarnom stanju iz svojih soli putem redukcije, kao što je ova zamjena bakra cinkom iz soli bakra:

${\displaystyle \mathrm {Cu^{2+}+\ Zn\rightarrow Cu\downarrow +\ Zn^{2+}} }$

Izotopi

Poznato je ukupno 29 izotopa cinka od ⁵⁴Zn do ⁸³Zn te još daljnjih deset nuklearnih izomera.^[11] Od njih, pet izotopa je stabilno ⁶⁴Zn, ⁶⁶Zn, ⁶⁷Zn, ⁶⁸Zn i ⁷⁰Zn i mogu se naći u prirodi. Ne postoje prirodni radioaktivni izotopi cinka. Najčešći izotop je ⁶⁴Zn sa 48,63 % udjela u prirodnom odnosu izotopa. Nakon njega slijede ⁶⁶Zn sa 27,90 %, ⁶⁸Zn sa 18,75 %, ⁶⁷Zn sa 4,10 %, i kao najrjeđi prirodni izotop je ⁷⁰Zn sa udjelom 0,62 %.^[11] Najstabilniji vještački izotop je beta i gama radijacijski izotop ⁶⁵Zn sa vremenom poluraspada od 244 dana. Ovaj i nuklearni izomer ^69m služe kao sredstvo za praćenje (traser) u nuklearnoj medicini. Kao jedini prirodni izotop ⁶⁷Zn se može dokazati putem NMR spektroskopije.

Rasprostranjenost

Cink sa zastupljenošću na Zemlji od 0,0076 % (odnosno 76 ppm^[2]) u Zemljinoj kori je relativno čest element. Po zastupljenosti je na 24. mjestu^[2] najčešćih elemenata na Zemlji. Ima ga više od bakra ili olova. Cink veoma rijetko se može naći u prirodi samorodan kao metal, međutim vrlo čest je u sastavu minerala. Do danas je otkriveno oko 30 lokacija gdje je pronađen samorodni metalni cink.^[12]

Pretežno se cink može naći vezan u rudama. Najvažnija i najčešća cinkova ruda je cink sulfid. On se javlja u prirodi kao sfalerit ili vurcit, koji u sebi sadrže oko 65 % cinka. Od ostalih cinkovih ruda važan je još i smitsonit ZnCCO₃ (sa 52 % cinka), zatim neki rjeđi cinkovi minerali između ostalih cinkit ZnO (sa oko 73 % cinka), hemimorfit Zn₄(OH)₂[Si₂O₇] (54 % cinka), adamin Zn₂(AsO₄)(OH) (sa oko 45 % cinka), minrekordit CaZn[CO₃]₂ (oko 29 % cinka) i franklinit (Zn,Fe,Mn)(Fe₂Mn₂)O₄ (16 % cinka). Do danas je poznato oko 300 cinkovih minerala.^[13]

Najveća nalazišta se nalaze u Sjevernoj Americi (SAD, Kanada), Australiji, Kini i Kazahstanu. Na području Balkana, postoji niz manjih rudnika cinka, gdje se najčešće kopa zajedno sa rudama olova i bakra. Rudnici cinka postoje na Kosovu (Trepča), u Sloveniji (Mežica) i Bosni i Hercegovini (Sase kod Srebrenice). Na površini zemlje, na mjestima gdje se cinkova ruda nalazi u plitkim slojevima zemlje, rastu rijetke biljke poput nekih vrsta iz porodice Viola, a kojima su neophodne veće količine cinka da bi rasle.

Namirnice koje su bogate cinkom su: ostrige, posno meso i ribe. Također ga ima i u zrnastom hljebu.

Najveći proizvođači

Glavni članak: Spisak država po proizvodnji cinka

Ruda cinka se najviše kopa u Kini, zatim Peruu, Australiji, Kanadi, SAD-u, Meksiku i Južnoafričkoj Republici. U Evropi, aktivni su rudnici cinka u Irskoj, Poljskoj, Finskoj, Bugarskoj i Švedskoj. Ukupna svjetska proizvodnja cinka 2010. godine iznosila je oko 12 miliona tona.^[14] U 2009. godini, prema podacima Američkog geološkog instituta proizvedeno je 11,2 miliona tona cinka.^[15] Prema tim podacima, u Bosni i Hercegovini je 2009. godine proizvedeno 2.000 tona, što je 38. mjesto u svijetu po proizvodnji ruda cinka.

Zemlje najveći proizvođači cinka u 2010.^[14]

Rang	Država	Tona
1	Kina	3.500.000
2	Peru	1.520.000
3	Australija	1.450.000
4	Indija	750.000
5	Sjedinjene Američke Države	720.000
6	Kanada	670.000

Dobijanje

Cink se dobija većinom iz rude cink sulfida. Da bi se on upotrijebio, prvo se sulfid mora prevesti u cink-oksid. Ovo se dešava putem hrđanja na zraku. Pri tom pored cink-oksida nastaju velike količine sumpor-dioksida, koji se dalje može koristiti za proizvodnju sumporne kiseline.

${\displaystyle \mathrm {2\ ZnS\ +\ 3\ O_{2}\ \longrightarrow 2\ ZnO\ +\ 2\ SO_{2}\uparrow } }$

Ako se kao polazna sirovina koristi mineral smitsonit, to se može odvijati putem gorenja uz izdvajanje ugljik-dioksida.

${\displaystyle \mathrm {ZnCO_{3}\ \longrightarrow \ ZnO\ +\ CO_{2}\uparrow } }$

Daljnja obrada se može odvijati na dva moguća načina. To su takozvani mokri i suhi postupak. Suhim postupkom se dobija oko 60% od ukupne količine proizvedenog cinka.^[10] Pri tome se cink-oksid miješa sa fino samljevenim ugljem i zagrijava u posebnim pećima za topljenje na oko 1100–1300 °C.^[10] Pri tom procesu se naprije formira ugljik-monoksid, a kasnije on reducira cink-oksid do metalnog cinka. Iz nastalog ugljik-dioksida ponovo se formira ugljik-monoksid po Boudouardovoj ravnoteži:

${\displaystyle \mathrm {ZnO\ +\ CO\ \longrightarrow \ Zn\uparrow +\ CO_{2}} }$

Redukcija cinka

${\displaystyle \mathrm {CO_{2}\ +\ C\ \longrightarrow \ 2\ CO} }$

Boudouardova ravnoteža

Pošto je u pećima temperatura iznad tačke ključanja cinka, cink se pretvara u paru u gornjem dijelu peći. Zatim se nanosi olovo da bi se cink kondenzirao.

Tako nastali sirovi cink sadrži velike količine nečistoće, naročito olova, željeza i kadmija. Frakcionom destilacijom se dalje obogaćuje sirovi cink. U jednoj od narednih faza procesa, sirovina se zagrijava tako da cink i kadmij iparavaju, a željezo i olovo ostaju. Zatim se cink i kadmij putem kondenzacije odvajaju jedan od drugog. Na veoma visokoj temperaturi, cink se kondenzira i ostaje 99,99% čisti cink. Kadmij se dosta isparljiviji i sakuplja se na drugom mjestu u vidu prašine. Kao sporedni proizvod destilacije, dobija se fini prašnasti cink, takozvana cinkova prašina.^[16]

Sagorijevanje cinka

Mokri postupak se koristi, kada je moguće obezbijediti jeftin izvor električne struje. Za potrebe tog postupka rastvara se cink-oksid u razblaženu sumpornu kiselinu. Nečistoće plemenitih i drugih metala poput kadmija se izdvajaju putem cinkove prašine. Na kraju se rastvor elektrolizira uz upotrebu olovne anode i aluminijske katode. Na katodi se talože 99,99% čisti cink slično kao i kod suhog postupka.

Upotreba

Osnovne primjene cinka uključuju (procenti su dati za SAD u 2006. godini)^[17]

1. galvanizaciju (55%)
2. legure (21%)
3. mesing i bronzu (16%)
4. ostala primjena (8%)

U 2006. godiini u svijetu je potrošeno preko 11 miliona tona cinka.^[18]

Antikorozivna zaštita i baterije

Galvanizirana pocinčana kristalna površina željeznog predmeta

Metal cink je najčešće korišteno antikorozivno sredstvo.^[2] Galvanizacija, proces kojim se željezo ili čelik prekrivaju sredstvima da se zaštitili od korozije, je najčešći oblik primjene cinka u ovu svrhu. U SAD-u tokom 2009. godine, 55% cjelokupne proizvodnje odnosno oko 893 hiljade tona cinka je upotrijebljeno za galvanizaciju.^[17]

Cink je mnogo reaktivniji od željeza ili čelika te će on privlačiti gotovo svu lokalnu oksidaciju sve dok potpuno ne korodira.^[19] Dok cink polahko korodira, formira se zaštitni sloj oksida i karbonata (Zn₅(OH)₆(CO₃)₂))^[20] Ova zaštita traje čak i nakon što se sloj cink oguli ili odstrani, ali tokom vremena degradira jer cink nakon što korodira otpada sa predmeta.^[20] Cink se primjenjuje elektrohemijski ili kao istopljeni cink u koji se vrućom galvanizacijom uranja željezni ili čelični predmet koji se želi zaštititi. Također, postoji i sprej koji sadrži cink za antikorozivnu zaštitu. Galvanizacijom se zaštičavaju ograde, čelični mostovi, stubovi javne rasvjete, dijelovi automobila, stubovi dalekovoda i slično.^[7]

Legure

Široko korištena legura koja sadrži cink je mesing, koja sadrži bakar legiran sa cinkom u količini od 3% do 45% cinka, u zavisnosti od način i svrhe upotrebe mesinga.^[20] Mesing je općenito snažniji i duktilniji od bakra i ima mnogo veću otpornost prema koroziji.^[20] Ove osobine čine mesing korisnim za upotrebu za dijelove komunikacijske opreme, hardver, muzičke instrumente i ventile za vodu.^[20]

Spojevi

• Dietil-cink
• Zamak
• Cink-acetat (Zn(CH₃COO)₂)
• Cink-hlorid (ZnCl₂)
• Cink-oksid (ZnO)
• Cink-sulfid (ZnS)
• Cink-stearat (Zn(C₁₈H₃₅O₂)₂)
• Cink-karbonat

Biološka važnost

Cink je nezamjenjivi mikroelement, neophodan za rast biljaka^[21], životinja^[22] i mikroorganizama.^[23] Cink je pronađen u gotovo 100 određenih enzima^[24], dok se u drugim izvorima spominje i 300 enzima. U njima, cink služi kao strukturalni ion u transkripcijskim faktorima, a skladišti se i prebacuje u metalnim ionima. On je tipični drugi po rasprostranjenosti tranzicijski metal u organizmima odmah poslije željeza a jedini je metal koji se pojavljuje u svim klasama enzima.^[21]

Između ostalog ima udjela i u: mineralizaciji kostiju, sintezi bjelančevina, zarastanju rana, utiče na rad imunološkog sistema, pravilnu raspodjelu inzulina i štednju holesterola i vitamina A. Ima udjela i u regulaciji krvnog pritiska i srčanog ritma. Prema podacima Svjetske zdravstvene organizacije, preporučena dnevna količina cinka za odrasle muškarce iznosi 15 mg, za žene 12 mg, za predpubertetsku djecu 10 mg a za dojenčad 5 mg.^[25] U Sjedinjenim Američkim Državama unos cinka putem hrane iznosi 9 mg/dnevno za žene i 14 mg/dnevno za muškarce. Dugotrajno veće unošenje cinka u organizam može dovesti do nedostatka bakra^[26][27] i smetnji u proizvodnji krvi.^[27] Nedostatak cinka uzrokuje: malokrvnost, usporavanje tempa rasta, sporo zarastanje rana, zapaljenja kože, itd. Nedostatak cinka kod djece izaziva niži rast i lošije umno razviće.