tìm hiểu về nguyên tố kẽm

tìm hiểu về nguyên tố kẽm

LỜI MỞ ĐẦU

Suốt quá trình lịch sử phát triển của xã hội loài Người từ hoang dã đến văn minh hiện đại chỉ chiếm một thời gian vô cùng ngắn ngủi so với toàn bộ lịch sử phát triển của tự nhiên Nhưng với đôi tay khéo léo và óc thông minh phát triển vô tận nên

xã hội loài Người tiến triển rất nhanh với tốc độ ngày càng lớn Sự ham muốn khám phá, tìm hiểu và nghiên cứu thế giới xung quanh đã giúp cho loài Người có những thành tựu vượt bậc mà không một loài nào trong tự nhiên có thể làm được

Trong đó Hóa học đóng một vai trò thiết yếu trong hành trình chinh phục vũ trụbao la Như chúng ta đã biết thì Hóa học là một ngành khoa học trẻ bởi đến thế kỉ XVI – XVII hóa học mới trở thành một ngành khoa học thực sự Nhưng Hóa học đã hoàn thành một cách xuất sắc trong việc khám phá ra những nguyên tố mới Hiện nay, chúng ta đã biết được 113 nguyên tố bao gồm tự nhiên, phóng xạ và nhân tạo Trong

đó kim loại chiếm phần lớn tổng số nguyên tố Sự phong phú của số lượng các nguyên

tố đã tạo nên sự đa dạng các hợp chất và ứng dụng của chúng

Kẽm là kim loại mà hằng ngày bạn thường tiếp xúc và có rất nhiều ứng dụng đảm bảo cho sự tồn tại và phát triển của xã hội Việc tìm hiểu kẽm, phát huy vai trò và những ứng dụng của nó là bước đệm quan trọng để nâng cao đời sống con người Chính vì lẽ đó, trong bài tiểu luận này, chúng tôi xin đề cập đến nguyên tố kẽm với những ứng dụng và khám phá mới lạ mà có thể bạn chưa biết

Vậy tại sao một nguyên tố kim loại như kẽm lại có tầm quan trọng to lớn như vậy? Cụ thể những công dụng và những điều ta chưa biết về chúng là gì? Chúng ta cùng tìm hiểu về nguyên tố này

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KẼM

Đồng ← Kẽm → Gali

30

Zn

↑

Zn

↓

Cd

Hình 1.1 Vị trí của kẽm trong bảng hệ thống tuần hoàn

Hình 1.2 Các mảnh kẽm

Kẽm là một nguyên tố kim loại lưỡng tính, kí hiệu là Zn và có số nguyên tử là 30 Nó

là nguyên tố đầu tiên trong nhóm 12 của bảng tuần hoàn nguyên tố Kẽm, trên một số phương diện, có tính chất hóa học giống với magiê, vì ion của chúng có bán kính giống nhau và có trạng thái oxi hóa duy nhất ở điều kiện bình thường là +2

1.1 Trạng thái tự nhiên và đồng vị

1.1.1 Trạng thái tự nhiên và phân bố

Hình 1.3: Sphalerit (ZnS), một loại quặng kẽm phổ biến

Kẽm chiếm khoảng 75 ppm (0,0075%) trong vỏ Trái Đất, là nguyên tố phổ biếnthứ 24 Đất chứa 5–770 ppm kẽm với giá trị trung bình 64 ppm Nước biển chỉ chứa

30 ppb kẽm và trong khí quyển chứa 0,1–4 µg/m3

Trong thiên nhiên không có kẽm ở trạng thái tự do Nguyên tố này thường đi cùng với các nguyên tố kim loại thông thường khác như đồng và chì ở dạng quặng Quặng thường gặp là quặng cacbonat và sunfua (ZnCO3, ZnS) Kẽm là một nguyên tố

ưa tạo quặng (chalcophile), nghĩa là nguyên tố có ái lực thấp với ôxy và thường liên kết với lưu huỳnh để tạo ra các sulfua Các nguyên tố ưa to quặng hình thành ở dạng lớp vỏ hóa cứng trong các điều kiện khử của khí quyển Trái Đất Sphalerit là một dạngkẽm sulfua, và là loại quặng chứa nhiều kẽm nhất với hàm lượng kẽm lên đến 60–62%

Các loại quặng khác có thể thu hồi được kẽm như smithsonit (kẽm cacbonat), hemimorphit (kẽm silicat),wurtzit (loại kẽm sulfua khác), và đôi khi hydrozincit hydrozincit (kẽm cacbonat) Ngoại trừ wurtzit, tất cả các khoáng trên được hình thành

từ các quá trình phong hóa kẽm sulfua nguyên sinh

Tổng tài nguyên kẽm trên thế giới đã được xác nhận vào khoảng 1,9 tỉ tấn Các

mỏ kẽm lớn phân bố ở Úc và Mỹ, và trữ lượng kẽm lớn nhất ở Iran Với tốc độ tiêu thụnhư hiện nay thì nguồn tài nguyên này ước tính sẽ cạn kiệt vào khoảng năm từ 2027 đến 2055 Khoảng 346 triệu tấn kẽm đã được sản xuất trong suốt chiều dài lịch sử cho đến năm 2002, và theo một ước lượng cho thấy khoảng 109 triệu tấn tồn tại ở các dạngđang sử dụng

10 đồng phân hạt nhân 69mZn có chu kỳ bán rã 13,76 giờ, (tham số mũ m chỉ đồng vị

giả ổn định Các hạt nhân của đồng vị giả ổn định ở trong trạng thái kích thích và sẽ trở về trạng thái bình thường khi phát ra photon ở dạng tia gamma 61Zn có 3 trạng tháikích thích và 73Zn có 2 trạng thái Mỗi đồng vị 65Zn, 71Zn, 77Zn và 78Zn chỉ có một trạngthái kích thích

Tính chất vật lý

Trạng thái vật chất Chất rắnMật độ gầnnhiệt độ phòng 7,14 g·cm−3

Mật độ ở thể lỏng khi đạtnhiệt

Nhiệt độ nóng chảy 692,68 K787,15  419,53 °C, ,°FNhiệt độ sôi 1665 °F 907 °C, 1180 K,Nhiệt lượng nóng chảy 7,32 kJ·mol−1

Nhiệt lượng bay hơi 123,6 kJ·mol−1

Kẽm có thế điện cực chuẩn: Zn đứng sau Mn và trước Cr trong dãy hoạt động hóa học của kim loại.

Ngoài số oxi hóa bền là +2, Zn còn có số oxi hóa kém bền khác như +1, +3

1.3 Tính chất hóa học

1.3.1 Khả năng phản ứng

Kẽm có cấu hình electron là [Ar]3d10 4s2, có phân lớp 3d bền vững với 10e.Vì vậy, ta thấy Zn có cấu hình tương tự như các nguyên tố nhóm IIA nên Zn cũng dễ dàng cho 2e để tạo ion Zn2+ Kẽm là nguyên tố thuộc nhóm 12 trong bảng tuần hoàn Nó là kim loại có độ hoạt động trung bình và là chất ôxi hóa mạnh

Tính chất hóa học của kẽm đặc trưng bởi trạng thái ôxi hóa +2 Khi các hợp chất ở trạng thái này được hình thành thì các electron lớp s bị mất đi, và ion kẽm có cấu hình electron [Ar]3d10 Quá trình này cho phép tạo 4 liên kết bằng cách tiếp nhận thêm 4 cặp electron theo quy tắc bộ tám nhưng các tính toán chỉ ra rằng hợp chất kẽm

có trạng thái ôxi hóa +4 không thể tồn tại

Dạng cấu tạo hóa học lập thể là tứ diệnvà các liên kết có thể được miêu tả như

sự tạo thành của các orbitan lai ghép sp3 của ion kẽm Kẽm có khuynh hướng tạo thànhcác liên kết cộng hóa trị với cấp độ cao hơn và nó tạo thành các phức bền hơn với các chất cho N- và S

Tính chất hóa học của kẽm tương tự tính chất của các kim loại chuyển tiếp nằm

ở vị trí cuối cùng của hàng đầu tiên như niken và đồng, mặc dù nó có lớp d được lấp đầy electron, do đó các hợp chất của nó là nghịch từ và hầu như không màu Bán kính ion của kẽm và magiê gần như bằng nhau Do đó một số muối của chúng có cùng cấu trúc tinh thể và trong một số trường hợp khi bán kính ion là yếu tố quyết định thì tính chất hóa học của kẽm và magiê là rất giống nhau còn nếu không thì chúng có rất ít néttương đồng

1.3.2 Những phản ứng đặc trưng

Bề mặt của kim loại kẽm tinh khiết xỉn nhanh, thậm chí hình thành một lớp thụ động

bảo vệ là kẽm cacbonat, Zn5(OH)6(CO3)2, khi phản ứng với cacbon điôxít trong khí quyển Lớp này giúp chống lại quá trình phản ứng tiếp theo với nước và hidro

Kẽm cháy trong không khí cho ngọn lửa màu xanh lục tạo ra khói kẽm ôxít.

2Zn + O2  2ZnO Kẽm dễ dàng phản ứng với kiềm và các phi kim khác

Zn + 2NaOH  Na2(ZnO2) + H2

Zn + S  ZnS Các axít mạnh như axít clohydric hay axít sulfuric có thể hòa tan lớp vảo vệ bên ngoài

và sau đó kẽm phản ứng với nước giải phóng khí hydro

Zn + 2HCl  ZnCl2 + H2

1.4 Điều chế

1.4.1 Những điều chưa biết trong điều chế kẽm thời cổ đại

Điều đặc biệt đối với kẽm là quặng kẽm đã được loài người biết từ thời Thượng cổ (thời Hô-me) Thế nhưng mãi đến thời Trung cổ, kẽm mới thực sự được điều chế ra từ quặng Tại sao vậy?

Đốt nóng trong không khí, quặng cacbonat cũng quặng sunfua đều biến thành oxyt

Phản ứng khử ZnO xảy ra ở nhiệt độ cao 1000-11000 0C:

ZnO + C  Zn + CO

Nhiệt độ nóng chảy của kẽm thấp (4190 0C) và đến nhiệt độ 9060 0C thì kẽm sôi biến thành hơi Vì vậy, khi kẽm vừa điều chế ra được ở điều kiện nhiệt độ cao, hơi kẽm bốccháy và lại thành kẽm oxyt Một vòng lẩn quẩn xảy ra!

Lịch sử ghi nhận người Ấn Độ và Trung Quốc đã biết ngưng tụ kẽm trong bình đất sét kín Cho đến thế 17, châu Âu vẫn nhập kim loại kẽm từ Ấn Độ

So với việc luyện đồng, luyện sắt thì luyện kẽm dễ hơn vì nhiệt độ nóng chảy của kẽm thấp, quặng kẽm lại dễ bị khử Loại quặng kẽm thường gặp nhất là loại quặngkẽm sunfua màu xám sáng lóng lánh thường gọi là quặng sphalerit (hay con gọi là blende; có nghĩa là chì sunfua) Người Trung Quốc cổ đại đã đốt quặng sphalerit trong

không khí để điều chế kẽm oxyt, sau đó đem trộn kẽm oxyt với bột than nung để luyệnkẽm.

1.4.2 Phương pháp điều chế hiện nay

1.4.2.1 Phương pháp nhiệt luyện

 Nguyên tắc: khử những ion kim loại trong các hợp chất ở nhiệt độ cao bằng các chất khử mạnh như C, CO, H2 hoặc Al, kim loại kiềm hoặc kiềm thổ Các phản ứng dùng khí trơ hoặc chân không

Trường hợp quặng là kẽm sunfua thì phải đốt trong lò nhiều tầng ở 7000 0C chuyển thành oxyt kẽm

2ZnS +3O2  2ZnO + 2SO2

Sau đó nộp phối liệu gồm ZnO thô và than bột vào những lò chưng làm bằng gạch samot Những lò này được đặt trong lò hầm lớn và được đốt nóng đến 1200-13500 0C

ZnO + C  Zn + CO

1.4.2.2 Phương pháp thủy luyện

Nguyên tắc: khử ion kim loại kẽm trong dung dịch bằng dòng điện

Hòa tan ZnO thô sau khi đốt khi đốt quặng ZnS vào dung dịch H2SO4 loãng và loại bỏ tạp chất có trong dung dịch ZnSO4 Điện phân dung dịch ZnSO4 đã được tinh chế và

đã thêm H2SO4, ở trong thùng điện phân làm bằng gỗ hoặc xi măng, với cực dương bằng chì và cực âm bằng nhôm tinh khiết Do quá thế rất lớn của H2 trên kẽm, khí H2 không sinh ra ở cực âm mà kim loại kẽm kết tủa:

2ZnSO4 + 2H2O  2Zn + O2 + 2H2SO4

CHƯƠNG 2 ỨNG DỤNG CỦA KẼM TRONG CÁC NGÀNH KINH TẾ

2.1 Trong nông nghiệp

2.1.1 Kẽm trong đất trồng

Là một trong số các chất vi dinh dưỡng thiết yếu, kẽm (Zn) là nguyên tố thiết yếu cho

sự phát triển và sinh trưởng khỏe mạnh của cây trồng, động vật và con người Nó thường có mặt trong đất với tỷ lệ 25 - 200 mg Zn/kg trọng lượng khô, trong không khí với hàm lượng 40 - 100 ng Zn/m3, trong nước với hàm lượng 3 - 40 mg Zn/l

Dự trữ kẽm trong lớp đất mặt khoảng 120-170 kg/ha Lượng kẽm dễ tiêu, thay đổi theo pH, hàm lượng lân, chất hữu cơ và sét Kẽm hòa tan nhiều khi pH quá chua hoặc quá kiềm Trong khoảng pH 6-8, kẽm thường khó hòa tan

2.1.2 Hàm lượng của kẽm trong một số cây trồng

Bảng 2 Hàm lượng của kẽm trong một số cây trồng

Cây

trồng

Giai đoạnsinh trưởng

Hàm lượng kẽm (ppm)Thiếu Thấp Bình thường Cao ĐộcLúa Sinh trưởng

2.1.3.1 Tác động của kẽm đến quá trình sinh lý sinh hóa của cây trồng:

Kẽm có tác động đến các quá trình sinh lý sinh hóa sau đây: dinh dưỡng khoáng (sựhút dinh dưỡng và sự cố định N) sự hố hấp, sự quang hợp, sự tổng hợp hữu cơ (gluxid,protit, axit nucleic và chất điều hòa sinh trưởng), sự vận chuyển (sự thoát hơ nước và

sự chuyển hóa gluxit) sự sinh trưởng (tạo các mô mới) và khả năng chống lạnh chốngnóng của cây Zn ảnh hưởng đến sự tạo thành nhiều loại hợp chất quan trọng trong câynhư đường bột, protit, các phootpholipit, vitamin C, auxin, các phenol, tamin, cácprotein và enzym

Hàm lượng Zn trong cây thay đổi từ 15-22 mg/kg chất khô Nhiều cây trồng thể hiện

sự cần thiết phải bón kẽm Các loại cây thể hiện nhu cầu bón nhất là: lúa, ngô, cây ăn

quả như cam quít bưởi, chanh, đào, lê, táo Trong các cây họ đậu thì các cây đậu ănquả non đậu cô ve, cô bơ, đậu đũa thường thể hiện sự cần thiết phải bón kẽm.

2.1.3.2 Biểu hiện của cây trồng thiếu kẽm

Thiếu kẽm (zn) lá hẹp và nhỏ, phiến lá mất màu xanh, gân lá vẫn xanh, các đốm chếtphát triển khắp trên lá, kể cả gân lá, chóp lá và mép

đỏ và bị khô đi trong vòng 1 tháng

+ Ở chanh, cam xuất hiện úa vàng không đều giữa các gân lá, các lá non trở nên ngắn

và hẹp, sự hình thành nụ quả giảm mạnh, các loại cây có cành thì bị khô đầu cành vàchết

2.1.4 Bổ sung kẽm trong phân vi lượng đến năng suất cây trồng

Kẽm được coi như là một trong các nguyên tố vi lượng đầu tiên cần thiết cho cây trồng Vì vậy việc bổ sung Zn trong phân bón góp phần nâng cao năng suất cây trồng Một trong những loại phân vi lượng chứa kẽm được sử dụng phổ biến nhất là ZnSO4

ZnSO4 có bán ở cả dạng tinh thể monohydrat và heptahydrat Kẽm oxysunphat được sản xuất bằng cách sử dụng axit sunphuric để axit hóa một phần ZnO, còn dung dịch kẽm sunphat amoni hóa Zn(NO3)4SO4 là nguồn cung cấp đạm, kẽm và lưu huỳnh, thường được kết hợp với amoni polyphốtphat để sử dụng như phân bón đầu mùa Urê chứa kẽm (phân urê dạng hạt bọc kẽm sunphat với 42% N, 1-2% Zn) được sử dụng đối với cây lúa trồng trên đất có tính kiềm Các dung dịch huyền phù đặc của ZnO được sử dụng làm phân bón lá, trong khi đó loại phân bón có chứa urê, amoni nitrat vàkẽm nitrat (15% N và 5% Zn) đã được đăng ký bản quyền và cũng được sử dụng làm phân bón lá

Một số loại phân chứa kẽm

+ Kẽm clorua (ZnCl2): Hàm lượng Zn: 52% kẽm,

+ Kẽm nung chảy với silicat: Hàm lượng Zn: 28-40%

+ Kẽm oxit (ZnO): Hàm lượng Zn: 78%

+ Kẽm cacbonat (ZnCO3): Công thức phân tử đầy đủ: ZnCO3.2Zn(OH)2H2O; hàmlượng Zn là 52%; dạng bột màu trắng,hòa tan tốt trong axit, kiềm và dung dịch muốiamoni, không tan trong nước

2.2 Trong công nghiệp

2.2.1 Pin kẽm

2.2.1.1 Những điểm ưu việt của pin kẽm

Đứng trước nhu cầu ngày càng tăng đối với các loại pin mới, các loại pin kẽm vớinhiều kiểu thiết kế khác nhau hiện có hai ưu điểm hơn trội so với các loại pin khác

+ Ưu điểm đầu tiên là tính mềm dẻo Các kiểu thiết kế và phương pháp chế tạomới, ví dụ phương pháp được áp dụng để sản xuất pin kẽm của Công ty Imprint

Energy, đang cung cấp các tùy chọn thực tế cho các loại pin mà người sử dụng có thểmang theo mình Bằng cách sử dụng công nghệ đã được áp dụng để in các hình vẽ vàchữ viết lên áo phông, pin kẽm của Công ty Imprint Energy được thiết kế ở dạng mềm,nhỏ, có khả năng đúc thành hầu hết tất cả các hình dạng và kiểu dáng.

Hơn nữa, do kẽm ít độc và có thể chịu được tác động của không khí hoặc nước mộtcách an toàn, nó thích hợp hơn và ít nguy hiểm hơn khi sử dụng các chất điện ly khácnhau Kẽm ít nguy hiểm hơn nhiều so với chì hoặc liti, vì vậy ít gây ra những lo ngạikhi sử dụng cho các loại pin được đặt lên hoặc thậm chí đặt bên trong cơ thể

Các dụng cụ trợ thính, trợ tim, các thiết bị theo dõi huyết áp hoặc các cơ quan nội tạng

và các bộ phận có thể mang theo người như vòng đeo tay hoặc quần áo thay đổi màusắc theo nhiệt độ, đó là những sản phẩm mà ở đó tính mềm dẻo của pin kẽm có thểđược phát huy

+ Ưu điểm thứ hai là khả năng nạp điện nhanh của pin kẽm Khi công suất củacác loại pin và ắc quy ngày càng lớn thì thời gian nạp điện của chúng cũng ngày cànglâu

Pin kẽm sử dụng anôt kết hợp với chất điện ly và catôt làm từ oxit kim loại Các ionkẽm di chuyển qua chất điện ly từ anôt đến catôt, tạo ra phản ứng hóa học, cho phépcác điện tử tập hợp lại Pin kẽm của Công ty Imprint Energy sử dụng nguồn chất điện

ly rắn, trái với chất điện ly là không khí hoặc dung dịch ở nhiều loại pin khác, nhờ đógiúp ngăn ngừa sự phát triển của các sợi dendrite – nguyên nhân làm giảm khả năngnạp lại của pin ion liti và gây ra một số trường hợp cháy nổ như trong thời gian gầnđây

2.2.1.2 Tại sao pin khô lại ướt?

Trong cuộc sống hằng ngày, đài bán dẫn, đèn pin, và các đồ chơi chạy bằng điệnchúng ta mang theo đều cần phải có pin khô mới có thể hoạt động được Khi dùng hếtpin khô, bạn sẽ phát hiện ra lớp vỏ ngoài cùng của chúng đều bị ướt, có lúc còn chảy

ra chất lỏng dính, cho dù sau khi đã dùng giấy lau khô nhưng vẫn còn dính, tại saovậy?

Thì ra vỏ ngoài của pin là một ống tròn được ép thành từ bản kẽm, bên trong nó cóchứa chất lỏng dạng hồ chứa một lượng lớn nguyên tử clo, nguyên tử clo và kẽm trongbản kẽm sẽ hóa hợp trong dịch thể và sinh ra điện Bởi vì trên mặt pin khô được bịt kínbằng sáp nên dịch thể bên trong thông thường không chảy được ra ngoài.

Do chúng ta sử dụng pin nên các phản ứng hóa học bên trong quả pin xảy ra liên tục,

cứ 2 nguyên tử được sinh ra thì sẽ tiêu hao mất một nguyên tử kẽm bên trong vỏ kẽm,kẽm ngày càng thiếu đi, vì vậy khi gần dùng hết pin, vỏ kẽm sẽ không thể ngăn đượcchất dịch bên trong tiết ra, pin khô vì thế mà bị ướt

Bạn chớ xem thường “chất ướt dính” trên pin khô, nó có tác dụng ăn mòn và làm hỏngcác dụng cụ điện, tất cả những nơi mà nó có thể tiếp xúc, dụng cụ điện nhẹ thì sẽ bị gỉ,nặng thì sẽ không làm việc được nữa, cho nên khi tạm thời không dùng pin khô nữa,đừng quên phải bỏ nó ra khỏi thiết bị điện

2.2.2 Các ngành công nghiệp khác

Trong kỹ thuật hiện đại không chỉ sử dụng kẽm nguyên khối mà cả bụi kẽm nữa Chẳng hạn, bụi kẽm giúp những người làm thuốc pháo nhuộm ngọn lửa thành màu xanh lam Các nhà luyện kim dùng bụi kẽm để lấy vàng và bạc ra khỏi các dung dịch xianua Ngay cả khi điều chế kẽm, nếu không có bị kẽm thì cũng không xong: bụi kẽmđược dùng để loại đồng và cađimi ra khỏi dung dịch kẽm sunfat trong phương pháp thủy luyện (phương pháp điện phân) Cầu cống và các kết cấu nhà công nghiệp bằng kim loại, các máy móc cơ lớn thường được phủ một lớp sơn màu xám để giữ cho kim loại khỏi bị ăn mòn: trong thành phần của loại sơn đó cũng có bụi kẽm

Cực âm: Zn – 2e  Zn2+