OXYDE DE ZINC (ZNO): STRUCTURE, PROPRIÉTÉS, UTILISATIONS, RISQUES - CHIMIE - 2025

L' oxyde de zinc est un composé inorganique de formule chimique ZnO. Il est composé uniquement d'ions Zn ²⁺ et O ^2- dans un rapport 1: 1; cependant, son réseau cristallin peut présenter une lacune en O ^2-, ce qui donne lieu à des défauts structurels capables d'altérer les couleurs de ses cristaux synthétiques.

Il est acquis dans le commerce sous forme de solide blanc pulvérulent (image du bas), qui est produit directement à partir de l'oxydation du zinc métallique par le procédé français; ou soumettre les minerais de zinc à une réduction carbothermique, de telle sorte que leurs vapeurs s'oxydent alors et finissent par se solidifier.

Verre de montre avec oxyde de zinc. Source: Adam Rędzikowski

D'autres méthodes de préparation du ZnO consistent à précipiter son hydroxyde, Zn (OH) ₂, à partir de solutions aqueuses de sels de zinc. De même, des films minces ou nanoparticules de ZnO morphologiquement variés peuvent être synthétisés par des techniques plus sophistiquées telles que le dépôt chimique de ses vapeurs.

Cet oxyde métallique se trouve dans la nature sous forme de zincite minéral, dont les cristaux sont généralement jaunes ou oranges en raison d'impuretés métalliques. Les cristaux de ZnO sont caractérisés en ce qu'ils sont piézoélectriques, thermochromiques, luminescents, polaires et également en ayant une très large bande d'énergie dans leurs propriétés semi-conductrices.

Structurellement, il est isomorphe au sulfure de zinc, ZnS, adoptant des cristaux hexagonaux et cubiques similaires à ceux de la wurzite et de la blende, respectivement. Dans ceux-ci, il y a un certain caractère covalent dans les interactions entre Zn ²⁺ et O ^2-, ce qui en fait une distribution hétérogène des charges dans le cristal de ZnO.

Les études des propriétés et des utilisations du ZnO s'étendent aux domaines de la physique, de l'électronique et de la biomédecine. Ses utilisations les plus simples et les plus quotidiennes passent inaperçues dans la composition des crèmes pour le visage et des produits d'hygiène personnelle, ainsi que dans les crèmes solaires.

Structure

Polymorphes

Le ZnO cristallise dans des conditions normales de pression et de température dans une structure hexagonale de wurzite. Dans cette structure, les ions Zn ²⁺ et O ^2- sont disposés en couches alternées, de telle sorte que chacun se retrouve entouré d'un tétraèdre, avec respectivement ZnO ₄ ou OZn ₄.

De plus, en utilisant un «gabarit» ou un support cubique, le ZnO peut être amené à cristalliser en une structure de blende de zinc cubique; qui, comme la wurzite, correspondent à des structures isomorphes (identiques dans l'espace mais avec des ions différents) du sulfure de zinc, ZnS.

En plus de ces deux structures (wurzite et blende), le ZnO sous haute pression (environ 10 GPa) cristallise dans la structure du sel gemme, la même que celle du NaCl.

Les interactions

Les interactions entre Zn ²⁺ et O ^2- présentent un certain caractère de covalence, pour lequel il existe partiellement une liaison covalente Zn-O (les deux atomes avec hybridation sp ³), et en raison de la distorsion des tétraèdres, elles manifestent un moment dipôle qui ajoute aux attractions ioniques des cristaux de ZnO.

Blende (à gauche) et structure wurzite (à droite) de ZnO. Source: Gabriel Bolívar.

Vous avez l'image du haut pour visualiser les tétraèdres mentionnés pour les structures ZnO.

La différence entre les structures blenda et wurzite réside également dans le fait que vu de dessus, les ions ne sont pas éclipsés. Par exemple, dans la wurzite, les sphères blanches (Zn ²⁺) sont vues juste au-dessus des sphères rouges (O ^2-). En revanche, dans la structure blende cubique ce n'est pas le cas car il y a trois couches: A, B et C au lieu de seulement deux.

Morphologie des nanoparticules

Bien que les cristaux de ZnO aient tendance à avoir des structures wurzites hexagonales, la morphologie de leurs nanoparticules est une autre histoire. En fonction des paramètres et des méthodes de synthèse, ceux-ci peuvent prendre des formes aussi variées que des bâtonnets, des plaques, des feuilles, des sphères, des fleurs, des ceintures, des aiguilles, entre autres.

Propriétés

Apparence physique

Solide poudreux blanc inodore avec un goût amer. Dans la nature, il peut être trouvé cristallisé, avec des impuretés métalliques, telles que le minéral de zincite. Si ces cristaux sont blancs, ils présentent un thermochromisme, ce qui signifie que lorsqu'ils sont chauffés, ils changent de couleur: du blanc au jaune.

De même, ses cristaux synthétiques peuvent présenter des couleurs rougeâtres ou verdâtres selon leur composition stoechiométrique en oxygène; en d'autres termes, les lacunes ou lacunes causées par le manque d'anions O ^2- affectent directement la manière dont la lumière interagit avec les réseaux ioniques.

Masse molaire

81,406 g / mol

Point de fusion

1974 ° C A cette température, il subit une décomposition thermique libérant des vapeurs de zinc et de l'oxygène moléculaire ou gazeux.

Densité

5,1 g / cm ³

Solubilité dans l'eau

Le ZnO est pratiquement insoluble dans l'eau, ne donnant guère lieu à des solutions avec une concentration de 0,0004% à 18 ° C.

Amphotéricisme

Le ZnO peut réagir avec les acides et les bases. Lorsqu'il réagit avec un acide en solution aqueuse, sa solubilité augmente en formant un sel soluble où le Zn ²⁺ finit par se complexer avec les molécules d'eau: ²⁺. Par exemple, il réagit avec l'acide sulfurique pour produire du sulfate de zinc:

ZnO + H ₂ SO ₄ → ZnSO ₄ + H ₂ O

De même, il réagit avec les acides gras pour former leurs sels respectifs, tels que le stéarate de zinc et le palmitate.

Et quand il réagit avec une base, en présence d'eau, les sels de zinc se forment:

ZnO + 2NaOH + H ₂ O → Na ₂

Capacité thermique

40,3 J / K mol

Écart énergétique direct

3,3 eV. Cette valeur en fait un semi-conducteur à large bande, capable de fonctionner sous des champs électriques intenses. Il a également les caractéristiques d'être un semi-conducteur de type n, ce qui n'a pas été expliqué pourquoi il y a un apport supplémentaire d'électrons dans sa structure.

Cet oxyde se distingue par ses propriétés optiques, acoustiques et électroniques, grâce auxquelles il est considéré comme un candidat pour des applications potentielles liées au développement de dispositifs optoélectroniques (capteurs, diodes laser, cellules photovoltaïques). La raison de ces propriétés dépasse le domaine de la physique.

Applications

Médicinal

L'oxyde de zinc a été utilisé comme additif dans de nombreuses crèmes blanches pour traiter les irritations cutanées, les acnés, les dermatites, les abrasions et les fissures. Dans ce domaine, son utilisation est populaire pour soulager les irritations causées par les couches sur la peau des bébés.

De même, il est un composant des écrans solaires, car avec les nanoparticules de dioxyde de titane, TiO ₂, il aide à bloquer les rayons ultraviolets du soleil. De même, il agit comme un agent épaississant, c'est pourquoi il se trouve dans certains maquillage lumineux, lotions, émaux, poudres et savons.

D'autre part, le ZnO est une source de zinc utilisé dans les compléments alimentaires et les produits vitaminés, ainsi que dans les céréales.

Antibactérien

Selon la morphologie de ses nanoparticules, le ZnO peut être activé sous rayonnement ultraviolet pour générer des peroxydes d'hydrogène ou des espèces réactives qui fragilisent les membranes cellulaires des microorganismes.

Lorsque cela se produit, les nanoparticules de ZnO restantes sillonnent le cytoplasme et commencent à interagir avec le recueil de biomolécules qui composent la cellule, entraînant leur apoptose.

C'est pourquoi toutes les nanoparticules ne peuvent pas être utilisées dans les compositions de protection solaire, mais uniquement celles qui n'ont pas d'activité antibactérienne.

Les produits contenant ce type de ZnO sont destinés, enrobés de matériaux polymères solubles, à traiter les infections, les plaies, les ulcères, les bactéries et même le diabète.

Pigments et revêtements

El pigmento conocido como cinc blanco se trata del ZnO, el cual se adiciona a varias pinturas y recubrimientos para proteger de la corrosión a las superficies metálicas donde se les apliquen. Par exemple, los recubrimientos con ZnO adicionado se utilizan para proteger al hierro galvanizado.

Por otro lado, estos recubrimientos aussi se han utilisé sobre el vidrio de las ventanas para impedir que el calor penetre (si se halla en el extérieur) ou ingrese (si está en el intérieur). Asimismo, protégé algunos materiales poliméricos y textiles de su détérioration por acción de la radiación solar y del calor.

Bioimágenes

La luminiscencia de las nanopartículas de ZnO se ha estudiado para ser empleada en la realización de bioimágenes, estudiando así mediante las luces azules, verdes o anaranjadas que irradian, las estructuras internas de las células.

Aditivo

Le ZnO est également utilisé comme additif dans les caoutchoucs, les ciments, les matériaux de dentifrice, les verres et les céramiques, en raison de son point de fusion inférieur et, par conséquent, se comporte comme un fondant.

Dissolvant de sulfure d'hydrogène

Le ZnO élimine les gaz désagréables de H ₂ S, aidant à désulfurer certaines fumées de gaz:

ZnO + H ₂ S → ZnS + H ₂ O

Des risques

L'oxyde de zinc en tant que tel est un composé non toxique et inoffensif, de sorte que la manipulation prudente de son solide ne présente aucun risque.

Le problème réside cependant dans sa fumée, car bien qu'elle se décompose à haute température, les vapeurs de zinc finissent par contaminer les poumons et provoquer une sorte de «fièvre des métaux». Cette maladie se caractérise par des symptômes de toux, de fièvre, une sensation d'oppression dans la poitrine et un goût métallique constant dans la bouche.

Il n'est pas non plus cancérigène et il n'a pas été démontré que les crèmes qui en contiennent augmentent l'absorption du zinc dans la peau, de sorte que les écrans solaires à base de ZnO sont considérés comme sûrs; sauf en cas de réactions allergiques, auquel cas son utilisation doit être interrompue.

Concernant certaines nanoparticules destinées à lutter contre les bactéries, celles-ci pourraient avoir des effets négatifs si elles ne sont pas transportées correctement vers leur site d'action.

Références

1. Shiver et Atkins. (2008). Chimie inorganique. (Quatrième édition). Mc Graw Hill.
2. Wikipédia. (2019). Oxyde de zinc. Récupéré de: en.wikipedia.org
3. Hadis Morkoç et Ümit Özgur. (2009). Oxyde de zinc: principes de base, matériaux et technologie des appareils.. Récupéré de: application.wiley-vch.de
4. Parihar, M. Raja et R. Paulose. (2018). Une brève revue des propriétés structurelles, électriques et électrochimiques des nanoparticules d'oxyde de zinc.. Récupéré de: ipme.ru
5. A. Rodnyi et IV Khodyuk. (2011). Propriétés optiques et de luminescence de l'oxyde de zinc. Récupéré de: arxiv.org
6. Siddiqi, KS, Ur Rahman, A., Tajuddin et Husen, A. (2018). Propriétés des nanoparticules d'oxyde de zinc et leur activité contre les microbes. Lettres de recherche à l'échelle nanométrique, 13 (1), 141. doi: 10.1186 / s11671-018-2532-3
7. ChemicalSafetyFacts. (2019). Oxyde de zinc. Récupéré de: Chemicalsafetyfacts.org
8. Jinhuan Jiang, Jiang Pi et Jiye Cai. (2018). L'avancement des nanoparticules d'oxyde de zinc pour les applications biomédicales. Chimie bio-organique et applications, vol. 2018, numéro d'article 1062562, 18 pages. doi.org/10.1155/2018/1062562