زنك

غاليوم → زنك ← نحاس - ↑ Zn ↓ Cd 30Zn
المظهر
رمادي فضي
الخواص العامة
الاسم، العدد، الرمز	زنك، 30، Zn
تصنيف العنصر	فلز انتقالي
المجموعة، الدورة، المستوى الفرعي	12، 4، d
الكتلة الذرية	65.38(2) غ·مول−1
توزيع إلكتروني	Ar]; 3d10 4s2]
توزيع الإلكترونات لكل غلاف تكافؤ	2, 8, 18, 2 (صورة)
الخواص الفيزيائية
الطور	صلب
الكثافة (عند درجة حرارة الغرفة)	7.14 غ·سم−3
كثافة السائل عند نقطة الانصهار	6.57 غ·سم−3
نقطة الانصهار	692.68 ك، 419.53 °س، 787.15 °ف
نقطة الغليان	1180 ك، 907 °س، 1665 °ف
حرارة الانصهار	7.32 كيلوجول·مول−1
حرارة التبخر	123.6 كيلوجول·مول−1
السعة الحرارية (عند 25 °س)	25.470 جول·مول−1·كلفن−1
ضغط البخار
ض (باسكال) 1 10 100 1 كيلو 10 كيلو 100 كيلو عند د.ح. (كلفن) 610 670 750 852 990 1179
الخواص الذرية
أرقام الأكسدة	+2, +1, 0 (أكاسيده مذبذبة)
الكهرسلبية	1.65 (مقياس باولنغ)
طاقات التأين	الأول: 906.4 كيلوجول·مول−1
	الثاني: 1733.3 كيلوجول·مول−1
	الثالث: 3833 كيلوجول·مول−1
نصف قطر ذري	134 بيكومتر
نصف قطر تساهمي	4±122 بيكومتر
نصف قطر فان دير فالس	139 بيكومتر
خواص أخرى
البنية البلورية	نظام بلوري سداسي
المغناطيسية	مغناطيسية معاكسة
مقاومة كهربائية	59.0 نانوأوم·متر (20 °س)
الناقلية الحرارية	116 واط·متر−1·كلفن−1 (300 كلفن)
التمدد الحراري	30.2 ميكرومتر·متر−1·كلفن−1 (25 °س)
سرعة الصوت (سلك رفيع)	(درجة حرارة الغرفة) (ملفوف) 3850 متر·ثانية−1
معامل يونغ	108 غيغاباسكال
معامل القص	43 غيغاباسكال
معامل الحجم	70 غيغاباسكال
نسبة بواسون	0.25
صلادة موس	2.5
صلادة برينل	412 ميغاباسكال
رقم CAS	7440-66-6
النظائر الأكثر ثباتاً
المقالة الرئيسية: نظائر الزنك
النظائر الوفرة الطبيعية عمر النصف نمط الاضمحلال طاقة الاضمحلال MeV ناتج الاضمحلال 64Zn 48.6% 64Zn هو نظير مستقر وله 34 نيوترون 65Zn مصطنع 243.8 يوم ε 1.3519 65Cu γ 1.1155 - 66Zn 27.9% 66Zn هو نظير مستقر وله 36 نيوترون 67Zn 4.1% 67Zn هو نظير مستقر وله 37 نيوترون 68Zn 18.8% 68Zn هو نظير مستقر وله 38 نيوترون 70Zn 0.6% 70Zn هو نظير مستقر وله 40 نيوترون 72Zn مصطنع 46.5 ساعة β− 0.458 72Ga

الزِّنْك عنصرٌ كيميائي رمزه Zn وعدده الذرّي 30، وهو ينتمي إلى عناصر المستوى الفرعي d ويقع على رأس عناصر المجموعة الثانية عشرة في الجدول الدوري. يوجد الزنك في الظروف القياسية من الضغط ودرجة الحرارة على هيئة فلز هش نسبياً سهل التأكسد، وعند إزالة طبقة الأكسيد السطحية فإنه يبدو بلون رمادي ذي لمعان. يصنف الزنك كيميائياً ضمن الفلزات الانتقالية، إلا أنه يتميز بحالة خاصة، إذ أن مدار المستوى الفرعي d ممتلئ، لذلك فإن خواصه الكيميائية تشبه إلى حد ما عناصر الفلزات القلوية الترابية، وخاصة المغنيسيوم، لتشابه امتلاك حالة الأكسدة الوحيدة +2، ولتقارب الحجم الذري. يستخرج الزنك بأسلوب التعويم الزبدي للخامة، ثم بالتحميص، ثم بالاستخلاص النهائي والتنقية بالأسلوب الكهربائي.

يأتي الزنك في المرتبة الرابعة والعشرين من حيث الوفرة الطبيعية في القشرة الأرضية؛ ولديه خمسة نظائر مستقرة. أشهر خامات الزنك هو معدن السفاليريت، وينتشر بشكل واسع في قارات أستراليا وآسيا وأمريكا الشمالية. يعد الزنك من الناحية الحيوية ذي أهمية كبيرة، فهو من العناصر الشحيحة الأساسية للإنسان وللكثير من الكائنات الحية؛ فهو يقوم بدور وظيفي مهم في عمل الإنزيمات؛ لذا ينبغي توفره في الغذاء، من أجل تجنب حالات نقص الزنك المرتبطة باضطرابات جسدية.

عرفت سبيكة النحاس الأصفر (أو الصُّفْرُ) المؤلفة من النحاس والزنك منذ الألفية الثالثة قبل الميلاد، وتوجد شواهد أثرية في عدد من مناطق العالم، وخاصة في المنطقة العربية، على الاستخدام المكثف للنحاس الأصفر في الحياة اليومية منذ القدم. استخدام العلماء العرب والمسلمون الزنك في تجاربهم؛ كما عزل في الهند في القرن الرابع عشر، إلا أن عزل الشكل الفلزي النقي في أوروبا ينسب إلى أندرياس سيغيسموند مارغراف سنة 1746. ساهمت تجارب لويجي غلفاني وألساندرو فولتا في توسيع المعارف المتعلقة بالخواص الكيميائية الكهربائية للزنك. تعد عملية غلفنة الحديد لحمايته من التآكل كبرى تطبيقات الزنك، بالإضافة إلى استخدامه في مجال صناعة البطاريات والسبائك.

التاريخ وأصل التسمية

العصور القديمة

إناء مصنوع من سبيكة النحاس الأصفر يعود إلى العهد الروماني عثر عليه بالقرب من بلدة همور الألمانية.

توجد العديد من الشواهد التاريخية الأثرية الدالة على استخدام الزنك بشكله غير النقي في العصور القديمة؛ إذ استخدمت خامات الزنك في صناعة سبيكة الزنك مع النحاس المعروفة باسم النحاس الأصفر (أو الصُّفْر) لعدة آلاف من السنين قبل التمكن من عزل الزنك. تحوي بعض عينات النحاس الأصفر التاريخية على نسبة من الزنك تصل إلى 23%.

وصلت المعارف عن كيفية إنتاج النحاس الأصفر إلى اليونان القديمة حوالي القرن السابع قبل الميلاد؛ ولكن كان هناك بعض التحويرات اللاحقة في أسلوب الإنتاج؛ إذ عثر هناك على حلي وأدوات زينة تعود إلى حوالي 2500 سنة قبل الميلاد مصنوعة من سبائك تحوي على الزنك بنسبة تصل إلى 80-90% مع عدد من العناصر من ضمنها النحاس والرصاص والحديد والإثمد وعناصر أخرى. كما عثر على تمثال صغير حاو على نسبة 87.5% من الزنك في تركيبه في موقع أثري بالقرب من منطقة داكيا الرومانية. أما في الهند فتشير النصوص المكتوبة في كاراكا سمهيتا وهو كتاب في الطب الهندي التقليدي يعود إلى الألفية الأولى قبل الميلاد إلى استخدام فلز في يؤدي حرقه إلى الحصول على ما دعي باسم بشبنجان ، والذي يعتقد أنه أكسيد الزنك. من جهة أخرى، عثر في حطام سفينة رومانية ، والتي غرقت حوالي سنة 140 قبل الميلاد، على مستحضرات دوائية يدخل الزنك في تركيبها، لتكون واحدة من أقدم المستحضرات الدوائية المكتشفة.

عرف الرومان صناعة الصفر حوالي 30 سنة قبل الميلاد؛ وقد صنعوا تلك السبيكة من معالجة معدن الكالامين ، الحاوي على الزنك، مع الفحم والنحاس ضمن بوتقة؛ ثم بصب الصفر أو تطريقه على هيئة أشكال مستخدمة في صناعة الأسلحة أو لاستخدامه في سك النقود المعدنية. عثر في كتابات المؤرخ الرماني سترابو في القرن الأول قبل الميلاد إلى اقتباسات من المؤرخ ثيوبمبوس المفقودة والعائدة إلى القرن الرابع قبل الميلاد، والتي تشير إلى استخدام قطرات من الفضة الكاذبة والتي عندما تمزج مع النحاس فإنها تنتج الصُّفر؛ وقد تكون بذلك إشارة إلى استخدام كميات ضئيلة من الزنك، والناتجة ثانوياً عن صهر خامات الكبريتيدات. كان الزنك يطرح في البقايا الموجودة بالقرب من أفران الصهر، لأنه كان يكن ذا قيمة حينها؛ ولكن مع مرور الوقت استخدم الزنك بشكل مكثف في صنع السبائك، ومن الأمثلة على ذلك لوح برن المصنوع من الزنك ، وهو نص نذري يعود إلى عهد الغاليون الرومان، ومنقوش على سبيكة مكون أغلبها من الزنك.

العصور الوسطى

رمز خيميائي للزنك.

كانت مناجم الزنك منتشرة في الهند، وخاصةً في راجستان ، وكانت نشطة في استخراج الزنك منذ عهد الإمبراطورية الماورية؛ إلا أن الحصول على الزنك بشكله النقي هناك بدأ منذ حوالي القرن الثاني عشر للميلاد. تشير بعض التقديرات إلى إنتاج حوالي مليون طن من الزنك الفلزي ومن أكسيد الزنك في الهند بين القرنين الثاني عشر والسادس عشر للميلاد. كانت خامات الزنك غير النقية تستخرج في الهند وتصهر وتعالج مع مواد عضوية منذ القرن الثالث عشر للميلاد؛ ويشير نص سنسكريتي في الخيمياء يعود إلى القرن الثالث عشر إلى وجود نوعين من الخامات الحاوية على الزنك، الأول يستخدم من أجل استخراج الفلز النقي، والآخر يستخدم من أجل أغراض استطبابية.

عزل الزنك النقي لأول مرة في الهند حوالي سنة 1300 ميلادية؛ وكان يشار إلى الزنك النقي في نصوص الطب الهندي التقليدي تحت اسم ياسادا . من جهة أخرى، انتقلت المعارف المتعلقة بالزنك والصفر إلى العلماء العرب والمسلمون؛ وكلمة الخارصين أو الخارصيني هي التسمية العربية للزنك. أجريت تجارب عدة على الزنك في العصور الوسطى، إذ كان يحرق في الهواء وتجمع أبخرته في مكثفات؛ وأطلق على الناتج (أكسيد الزنك) في بعض الأحيان اسم صوف الفلاسفة ، لأنه كان يجمع في خصل من الصوف؛ في حين أطلق آخرون عليه اسم الثلج الأبيض .

العصور الحديثة

من المحتمل أن يكون أول توثيق لتسمية الزنك قد جرى على يد باراسيلسوس ، والذي أشار إلى اسم هذا الفلز على شاكلة زنكوم أو زنكن في كتاب له يعود إلى القرن السادس عشر. يظن أن يكون أصل تسمية الزنك من الكلمة الألمانية zinke، والتي تعني مدبب أو مسنن، وذلك إشارة إلى بلورات الزنك الفلزي الإبرية التي تتشكل عند تصلبه من مصهوره. قد تكون هناك أيضاً صلة وصل مع تسمية عنصر القصدير في اللغة الألمانية والتي هي على الشكل Zinn. في رأي آخر، يعتقد أن يكون اشتقاق الكلمة قادماً من الكلمة الفارسية سنگ، والتي تعني الحجر. من الأسماء الأخرى التي أطلق عليها هذا العنصر كل من القصدير الهندي وتوتانيغو .

أندرياس سيغيسموند مارغراف

كان الزنك يصل إلى أوروبا بشكل أساسي من الهند، وشهدت تجارته بالسفن ازدهاراً خاصةً في القرنين الخامس عشر والسادس عشر. في سنة 1596 قام عالم المعادن أندرياس ليبافيوس باستلام عينات من سفينة محملة بالبضائع، ومن ضمنها عينات من الزنك، والتي قام بوصفها بشكل مفصل. تمكن عدد من العلماء الأوروبيون من عزل الزنك من أكسيد الزنك، من ضمنهم البلجيكي دي رسبور في سنة 1668؛ والفرنسي إتيان فرانسوا جوفروا في أوائل القرن الثامن عشر، وفي سنة 1738 قام البريطاني وليام تشامبيون بإصدار براءة اختراع لعملية كيميائية صناعية تستخرج الزنك من الكالامين في وعاء صهر عمودي شبيه بالمعوجة ؛ كما قام السويدي أنتون فون سواب أيضاً بتقطير الزنك من الكالامين.

على الرغم من ذلك، فينسب الفضل في أوروبا بعزل الزنك النقي لأول مرة إلى العالم الألماني أندرياس سيغيسموند مارغراف ، ففي تجربته سنة 1746 قام مارغراف بتسخين خليط من الكالامين والفحم في آنية مغلقة من غير وجود للنحاس في الوسط، مما مكنه من الحصول على الزنك النقي. ثم أصبح ذلك الأسلوب في الاستخراج تجارياً لأول مرة سنة 1752. وفي سنة 1758 أصدرت براءة اختراع في بريطانيا لعملية تكليس لكبريتيد الزنك (السفاليريت) من أجل الحصول على أكسيد الزنك في عملية المعوجة ؛ وقبل ذلك كان الكالامين المصدر الوحيد لإنتاج الزنك. بشكل منفصل تمكن كل من الصناعي الألماني يوهان كريستيان روبرغ والبلجيكي جان جاك دانييل دوني من تطوير عملية الصهر لاستخراج فلز الزنك، وذلك عبر بناء أواني صهر على شكل معوجات أفقية.

مهدت التجارب الفيزيائية الحيوية التي أجراها العالم الإيطالي لويجي غلفاني ؛ في تطوير الخلية الغلفانية وعملية الغلفنة والحماية المهبطية . كما تابع العالم ألساندرو فولتا تلك الأبحاث، والتي أدت إلى اختراع العمود الفولتائي سنة 1800. يتألف هذا العمود من طبقات مكدسة من الخلايا الغلفانية المؤلفة من صفيحتين، واحدة من النحاس وأخرى من الزنك متصلتين ببعضهما ومغموستين في كهرل ؛ ومثلت تلك الاختراعات الأشكال الأولى في صناعة البطاريات ودراسة علم الكهرباء. يعود السبب في تأخر دراسة الأهمية الحيوية للزنك إلى خواصه غير المغناطيسية وإلى عدم تلون محاليل مركباته الكيميائية؛ تغير هذا الأمر سنة 1940 عندما اكتشف أن إنزيم الأنهيدراز الكربوني يحوي على الزنك في الموقع النشط ؛ ثم تلا ذلك اكتشاف وجود الزنك أيضاً في الموقع النشط لإنزيم كربوكسي ببتيداز في سنة 1955.

الوفرة الطبيعية

يشكل الزنك ما يقارب 75 جزء في المليون من القشرة الأرضية، وهو بذلك يأتي في المرتبة الرابعة والعشرين بين العناصر الكيميائية من حيث الوفرة. لا تتجاوز التراكيز النمطية من الزنك في المحيط الحيوي مقدار 1 ميكروغرام لكل متر مكعب في الغلاف الجوي؛ و300 ميليغرام لكل كيلوغرام في التربة؛ و100 ميليغرام لكل كيلوغرام في الغطاء النباتي؛ و20 ميكروغرام لكل ليتر في المياه العذبة؛ و5 ميكروغرام لكل ليتر في مياه البحر.

سفاليريت

من النادر العثور على الزنك في القشرة الأرضية على شكله الطبيعي الحر ؛ لكنه عادةً يوجد في على هيئة معدن، مترافقاً مع عدد من الفلزات الوضيعة مثل النحاس والرصاص في الخامات الأرضية. وفقاً لتصنيف غولدشميت الجيوكيميائي فإن الزنك يصنف ضمن العناصر المحبّة للكالكوجين ، أي أن لديه ألفة كيميائية تجاه عناصر المجموعة السادسة عشرة الأثقل في الجدول الدوري، من ضمنها الكبريت، أكثر من الارتباط مع الأكسجين وتشكيل أكاسيد. عموماً فإن معادن الكبريتيدات تشكلت في مرحلة تصلب القشرة الأرضية تحت ظروف اختزالية. يعد معدن السفاليريت أكثر معادن الزنك انتشاراً، وهو يتألف كيميائياً من كبريتيد الزنك، ويتراوح تركيز الزنك فيه بين 60-62%.

يقدر عدد المعادن الحاوية على الزنك بأكثر من 300 معدن؛ ومن الأمثلة عليها كل من السميثسونيت (كربونات الزنك)، والهيميمورفيت (سيليكات الزنك)، والفورتزيت (كبريتيد آخر للزنك)، والهيدروزنكيت ،(كربونات الزنك القاعدية)، والمعروف أيضاً باسم زهر الزنك . من معادن الزنك أيضاً كل من الزنكيت (أكسيد الزنك)، والمعروف أيضاً باسم خام الزنك الأحمر، والأداميت (زرنيخات الزنك القاعدية)، وكذلك المنريكورديت والفرانكلينيت . باستثناء الفورتزيت، فإن باقي المعادن الأخرى للزنك كانت قد تشكلت نتيجةً لتجوية كبريتيدات الزنك البدائية الأولية في المراحل الأولى من عمر الأرض.

الاستخراج والإنتاج

طالع أيضًا: قائمة الدول حسب إنتاج الزنك

الدول الإكثر إنتاجاً للزنك في سنة 2019

#	البلد	الكمية بالأطنان
1	الصين	4,210,000
2	البيرو	1,400,000
3	أستراليا	1,330,000
5	الولايات المتحدة	753,000
4	الهند	720,000
6	المكسيك	677,000

يعد الزنك رابع أكثر الفلزات استخراجاً، بعد الحديد والألومنيوم والنحاس، ويبلغ الإنتاج العالمي منه قرابة 13 مليون طن. يستخرج حوالي 70% من الزنك العالمي بواسطة التعدين من المناجم؛ في حين أن نسبة 30% المتبقية تأتي من إعادة التدوير.

منجم روش بيناه في ناميبيا غني بخامات الزنك والرصاص.

توجد توضعات رسوبية كبيرة من خامات الزنك في أستراليا وكندا والولايات المتحدة والصين وكازاخستان، والهند والبيرو، بالإضافة إلى إيران؛ وتصدر الصين تلك الدول بحوالي 38% من الإنتاج العالمي. وفق تقديرات منشورة، فإن كمية الزنك المستخرج عبر التاريخ إلى سنة 2002 قاربت 346 مليون طن، إذ كان يستخرج تحت اسم الكالامين؛ أما الكمية المستخدمة منها بين 109–305 مليون طن.

نسبة استخراج الزنك بين دول العالم سنة 2006.

يقدر الاحتياطي العالمي من موارد الزنك الطبيعية الإجمالية بكمية تتراوح بين 1.9-2.8 بليون طن؛ في حين أن تقديرات أخرى تشير إلى أن احتياطي الزنك القابل للاستخراج تبلغ كميته مقدار 480 مليون طن. أما على صعيد الشركات، فتصنف شركة نيستار ضمن أكبر شركات إنتاج الزنك في العالم، وهي ناتج اندماج شركة أوزد للمعادن مع شركة أونيكور .

التعدين

تعد الخامات الكبريتيدية، وخاصة معدن السفاليريت (كبريتيد الزنك ZnS)، المصدر الرئيسي لإنتاج الزنك، لكنها غالباً ما تكون مختلطة مع كبريتيدات فلزات أخرى، مثل النحاس أو الرصاص أو الكادميوم أو الحديد. يستخرج الزنك من خاماته وفق مبادئ علم استخلاص الفلزات ؛ إذ تسحق الخامة أولاً ثم تعوّم من أجل فصل المعادن عن الشوائب، ومن أجل الحصول بالنهاية على مركز خامة كبريتيد الزنك، والمتكون من حوالي 50% زنك، و32% كبريت، و13% حديد، و5% ثنائي أكسيد السيليكون. يؤدي التحميص اللاحق إلى تحويل الكبريتيد إلى الأكسيد:

${\ce {2ZnS + 3O2 ->[T] 2ZnO + 2SO2}}$

يمكن أن يستخدم ثنائي أكسيد الكبريت الناتج في إنتاج حمض الكبريتيك، واللازم من أجل عملية التصويل فيما بعد. يوجد هناك أسلوبان من أجل المعالجة اللاحقة لخامة الزنك، الأول هو الأسلوب الحراري ، والآخر هو الاستخلاص الكهربائي .

في الأسلوب الحراري لاستخلاص الزنك تجرى عملية اختزال لأكسيد الزنك باستخدام مسحوق الكربون (الفحم) في فرن حراري؛ أو باستخدام أحادي أكسيد الكربون عند درجات حرارة تقارب 950 °س، حيث يستحصل على الفلز حيننها على هيئة بخار ثم ينقى بالتقطير التجزيئي من الشوائب، وخاصة من الكادميوم.:

${\ce {ZnO + C ->[950^oC] Zn + CO}}$

${\ce {ZnO + CO ->[950^oC] Zn + CO2}}$

أما في الأسلوب الكهربائي فتستخلص أملاح الزنك الناتجة عن عملية التصويل من المحلول وترسّب.

${\ce {ZnO + H2SO4 -> ZnSO4 + H2O}}$

ثم تجرى عملية تحليل كهربائي باستخدام مصعد من الرصاص ومهبط من الألومنيوم من أجل الحصول على فلز الزنك.

${\ce {2ZnSO4 + 2H2O -> 2Zn + O2 + 2H2SO4}}$

يعاد استخدام حمض الكبريتيك من هذه الخطوة في عملية التصويل مرة أخرى. يكون الزنك الناتج عادة بنقاوة تصل إلى 99.9%. من جهة أخرى، عند تلقيم مادة خام مغلفنة إلى فرن القوس الكهربائي فإن الزنك يستحصل من الغبار عبر عدة طرائق، أشهرها عملية فيلز القادرة على استرجاع حوالي 90% من الفلز.

النظائر

للزنك ثلاثون نظيراً معروفاً تتراوح أعداد الكتلة لها بين 54 و 83، من بينها خمسة نظائر مستقرة وهي: زنك-64 ⁶⁴Zn و زنك-66 ⁶⁶Zn و زنك-67 ⁶⁷Zn و زنك-68 ⁶⁸Zn و زنك-70 ⁷⁰Zn. يعد النظير زنك-64 ⁶⁴Zn أكثر نظائر الزنك المستقرة من حيث الوفرة الطبيعية حيث يشكل 49.17% من عنصر الزنك في الطبيعة، يليه النظير زنك-66 ⁶⁶Zn بنسبة 27.73% ومن ثم زنك-68 ⁶⁸Zn بنسبة 18.45%.

هنالك خمسة وعشرون نظيراً مشعاً للزنك؛ أكثرها ثباتاً هو النظير زنك-65 ⁶⁵Zn، والذي عمر النصف له يبلغ 243.66 يوم، يليه زنك-72 ⁷²Zn بعمر نصف 46.5 ساعة. لباقي نظائر الزنك المشعة عمر نصف أقل من 14 ساعة، وأغلبها دون الثانية الواحدة. تجدر الإشارة إلى أن عنصر الزنك لديه عشرة مصاوغات نووية.

الخواص الفيزيائية

يوجد الزنك في الظروف القياسية من الضغط ودرجة الحرارة على هيئة فلز رمادي مزرق لامع، وهو ينتمي إلى الفلزات الوضيعة ، بالتالي فإن سطحه قابل للأكسدة، لذلك فإن أغلب العينات التجارية منه ذات سطوح كامدة اللون. للزنك مكسر ذو لون أبيض فضي؛ وله كثافة أقل من الحديد، وهو يتبلور وفق نظام بلوري سداسي متراص ؛ ويتفاوت البعد بين ذرات الزنك في تلك البنية حسب البعد الأفقي أو الشاقولي؛ فيبلغ مقدار 265.9 بيكومتر بين الذرات في نفس مستوي الطبقة؛ ومقدار 290.6 بيكومتر بين الطبقات.

الزنك فلز صلد وهو قابل للسحب والطرق عند درجات حرارة بين 100-200 °س، كما يكون عندها قابلاً للتشكيل ؛ أما عند درجة حرارة الغرفة وعند درجات حرارة تتجاوز 200 °س فإنه يكون نسبياً قابلاً للتقصف؛ بحيث يمكن أن يستحصل على شكل مسحوق عند التعرض لجهد ميكانيكي. بالمقارنة مع بقية الفلزات، فإن للزنك نقطة انصهار (419.5 °س) ونقطة غليان (907 °س) منخفضتين نسبياً. إن نقطة انصهار الزنك هي الأخفض بين عناصر المستوى الفرعي d، ما عدا الزئبق والكادميوم؛ ولهذا السبب فإن تلك العناصر الثلاثة المذكورة لا تصنف أحياناً ضمن الفلزات الانتقالية، كما هو الحال مع بقية الفلزات في ذلك المستوي الفرعي من الجدول الدوري.

يشكل الزنك العديد من السبائك مع عدد كبير نسبياً من العناصر. للزنك موصلية كهربائية متوسطة؛ ولديه خواص مغناطيسية معاكسة . على الرغم من أن كلاً من الزنك والزركونيوم لا يمتلكان خواصاً مغناطيسية حديدية ، إلا أن للسبيكة ZrZn₂ مغناطيسية حديدية عند درجات حرارة منخفضة دون 35 كلفن.

الخواص الكيميائية

يصنف الزنك كيميائياً ضمن الفلزات الوضيعة (الفلزات غير النفيسة)، إذ يتفاعل سطحه عند التماس مع الهواء الرطب وثنائي أكسيد الكربون، ويفقد لمعانه، إذ تتشكل طبقة حامية مُخَمّلّةٌ تتكون من مزيج من أكسيد وكربونات الزنك (Zn₅(OH)₆(CO₃)₂)؛ ولذلك يستخدم الزنك بكثرة في مجال غلفنة السطوح المعدنية. يبلغ جهد اختزال الزنك مقدار −0.763 فولت، وهو من المختزلات القوية. للزنك نشاط كيميائي جيد نسبياً، فهو يتفاعل مع الأحماض والقواعد واللافلزات. يشتعل الزنك في الهواء مع إصدار لهب ذي لون أخضر مزرق، ويعطي دخاناً من أكسيد الزنك. ينحل الزنك التجاري بشكل جيد في الأحماض القوية مثل حمض الهيدروكلوريك أو حمض الكبريتيك، إذ تكون تلك الأحماض قادرة على إزالة الطبقة المخملة لتتيح تفاعل باقي بنية الفلز مع الحمض، مع تشكّل الأملاح الموافقة وانطلاق غاز الهيدروجين. بالمقابل، فإن الزنك النقي جداً (99.999 %) يتفاعل ببطء عند درجة حرارة الغرفة. كما ينحل الزنك أيضاً في المحاليل القلوية؛ ففي المحاليل القلوية الضعيفة الحاوية على أيونات الزنك الثنائي ²⁺Zn يتشكل هيدروكسيد الزنك Zn(OH)₂ على هيئة راسب أبيض ؛ أما في المحاليل القلوية القوية فإن ذلك الراسب ينحل ليتشكل ملح الزنكات ²⁻[Zn(OH)₄].

هناك شبه تطابق في قيمة نصف القطر الأيوني للزنك ووللمغنيسيوم؛ ولذلك فإن أملاحهما الموافقة تكون ذات بنية بلورية مشابهة؛ كما هناك تشابه عام في الخواص الكيميائية بينهما. من جهة أخرى، يختلف الزنك عن جيرانه من باقي عناصر الفلزات الانتقالية في الصف الأول، إذ لديه مدار d ممتلئ، ومركباته عديمة اللون (ذات لون أبيض)، وذات مغناطيسية معاكسة. كما أن الزنك يميل إلى تشكيل روابط كيميائية ذات سمة تساهمية ؛ كما يشكل معقدات أكثر استقراراً مع الكواشف المانحة للربيطات النتروجينية والكبريتية. يكون الزنك في معقداته التناسقية رباعي أو سداسي التناسق غالباً؛ على الرغم من وجود بعض المعقدات خماسية التناسق.

المركبات الكيميائية

يعرف للزنك العديد من المركبات الثنائية مع أغلب أشباه الفلزات واللافلزات باستثناء الغازات النبيلة. تسيطر حالة الأكسدة +2 على أغلب كيمياء الزنك، ففي أغلب مركباته الكيميائية يكون الزنك ثنائي التكافؤ. ولمركبات الزنك انحلالية جيدة في الماء، وفي محاليله المائية يكون المعقد ثماني السطوح ²⁺[Zn(H₂O)₆] هو النوع الكيميائي المسطير.

من النادر أن يوجد الزنك في حالة الأكسدة +1، والتي قد تستحصل عند معالجة الزنك ومركباته عند درجات حرارة مرتفعة تتجاوز 285 °س. يستدل على الأيون ²⁺[Zn₂] من تشكل مركب لابلوري زجاجي أصفر اللون ذي مغناطيسية معاكسة، والناتج من حل الزنك الفلزي في مصهور كلوريد الزنك. تشابه نواة ²⁺[Zn₂] في المركب الناتج تلك التي في كاتيون ²⁺[Hg₂] الموجودة في مركبات الزئبق الأحادي. أما السمة المغناطيسية المعاكسة في الأيون فتؤكد البنية ثنائية الوحدات . من جهة أخرى، لا تعرف مركبات كيميائية للزنك في حالة أكسدة موجبة غير +1 أو +2؛ فقد برهنت الحسابات النظرية أن حالة الأكسدة +4 غير ممكنة؛ في حين أن البرهان على وجود مركبات في حالة الأكسدة +3 أمر خلافي.

اللاعضوية

كلوريد الزنك

الأكسيد

يوجد مركب أكسيد الزنك ZnO على هيئة صلب أبيض اللون، وتتبع بلوراته بنية وفق نظام بلوري سداسي؛ وهو غير منحل في الماء؛ كما أنه من المركبات المذبذبة ، إذ ينحل في المحاليل الحمضية والقلوية القوية؛ ويستخدم هذا المركب في عدة مجالات، منها في مجال التلوين و صناعة الخضب .

الهاليدات

كلوريد الزنك ZnCl₂ هو مركب كيميائي أبيض اللون، وشديد الاسترطاب ، وله العديد من الاستخدامات منها استخدامه صهارة في عمليات اللحام واللحام بالقصدير. أما فلوريد الزنك ZnF₂ فهو مركب له بنية الروتيل وتتبع الزمرة الفراغية P4₂/mnm؛ وهو يستخدم في مجال فلورة المركبات العضوية، وفي تحضير خلايا التحليل الكهربائي للغلفنة، على سبيل المثال. من بين الهاليدات الأربعة، فإن لفلوريد الزنك السمة الأيونية الأكبر، في حين أن الهاليدات الأخرى (الكلوريد ZnCl₂ والبروميد ZnBr₂ واليوديد ZnI₂) ذات نقطة انصهار منخفضة نسبياً، وتكون السمة التساهمية واضحة فيها.

مركبات وأملاح أخرى

يوجد كبريتيد الزنك ZnS في الطبيعة على هيئة معدن السفاليريت، وهو أهم خامات الزنك؛ وهو يستخدم في مجال صناعة الخضب، وإبادة الفطريات ، بالإضافة إلى استخدامه بكثرة في مجال البصريات، كما هو الحال أيضاً مع الكالكوجينات الأخرى مثل سيلينيد الزنك ZnSe وتيلوريد الزنك ZnTe. أما كبريتات الزنك ZnSO₄ فيستخدم بكثرة كاشفاً كيميائياً في مجال الكيمياء التحليلية؛ بالإضافة إلى استخدامه في مجال التبييض في صناعة اللب والورق. لمركب كربونات الزنك ZnCO₃ استخدامات عدة، منها دخوله على هيئة مادة مالئة في صناعة اللدائن والمطاط، وفي مجال صناعة مستحضرات التجميل، وكذلك صناعة الخزف. يعد سيانيد الزنك Zn(CN)₂ من المركبات السامة، ويستخدم في مجال الطلي ، وكذلك إنتاج المبيدات الحشرية ؛ وفي مجال تعدين الذهب.

أسيتات الزنك

من المركبات اللاعضوية المعروفة للزنك أيضاً كل من نتريد الزنك Zn₃N₂، وفوسفيد الزنك Zn₃P₂، وزرنيخيد الزنك Zn₃As₂؛ بالإضافة إلى بيروكسيد الزنك ZnO₂، وهيدريد الزنك ZnH₂؛ وكذلك كربيد الزنك ZnC₂. تعرف أيضاً مركبات الزنك اللاعضوية التالية: نترات الزنك Zn(NO₃)₂، وكلورات الزنك Zn(ClO₃)₂، وفوسفات الزنك Zn₃(PO₄)₂؛ بالإضافة إلى كرومات الزنك ZnCrO₄، وهو مثال نادر على مركب ملون للزنك.

هناك عدد من أملاح الزنك للأحماض العضوية؛ منها أسيتات الزنك Zn(CH₃COO)₂، وهو ملح أبيض اللون، ويستخدم في مجال حفظ الخشب وفي مجال صناعة اللواصق؛ بالإضافة إلى استخدامه في مجال الكشف عن الألبومين والعفص والفوسفات.

العضوية

هناك عدد قليل نسبياً من مركبات الزنك العضوية، وهي تلك الحاوية على رابطة تساهمية بين الزنك والكربون؛ ومن الأمثلة عليها مركب ثنائي إيثيل الزنك ، والذي أعلن عن تحضيره أول مرة سنة 1848 من تفاعل فلز الزنك مع يوديد الإيثيل ؛ وكان من أول المركبات التي برهن على وجود رابطة سيغما بين ذرة فلز وذرة كربون.

التحليل الكيميائي

يمكن أن يجرى التحليل الكمّي للزنك وفق معايرة تشكل المعقدات بمحلول معياري من ثنائي أمين الإيثيلين رباعي حمض الأسيتيك (EDTA) . أما الكشف عن الآثار النزرة من الزنك فتتم وفق طرائق عدة أيضاً، منها قياس الاستقطابية ، أو القياس الفولتي ، أو مطيافية كتلة مزوّدة ببلازما مقترنة بالحثّ . أما الكشف النوعي كيميائياً عن الزنك فيجرى بعدة طرائق، أبسطها بتسخين عينة مع بضع قطرات من محلول ممدد من ملح من أملاح الكوبالت على شريحة من أكسيد المغنيسيوم فوق لهب من موقد بنزن ؛ وفي حال وجود الزنك فإن التفاعل يؤدي إلى ظهور أخضر الكوبالت (المعروف أيضاً باسم أخضر رينمان ). كما يعطي اختبار اللهب التقليدي للكشف عن أيونات الزنك لوناً أزرق إلى أخضر مزرق.

الدور الحيوي

للزنك دور حيوي مهم، فهو ينتمي إلى مجموعة العناصر المعدنية الأساسية ، وذلك بالنسبة للإنسان، وكذلك بالنسبة لباقي الكائنات الحية من الحيوانات، والنباتات، والأحياء الدقيقة. إذ يحتاج إلى الزنك من أجل دوره الوظيفي البارز في أكثر من 300 إنزيم وأكثر من 1000 عامل نسخ ، لذلك يخرن وينقل في بروتينات الميتالوثيونين . يعد الزنك ثاني أكثر عنصر معدني أساسي وفرةً في الجسم بعد الحديد؛ وهو العنصر المعدني الوحيد الداخل في تركيب جميع فئات الإنزيمات.

الإنزيمات

الشريط التنظيمي ل أنهيداز الكربوني للإنسان، مع ذرة الزنك مرئية في المركز

الشريط التنظيمي لكاربونات الانهيداز 2 عند الإنسان مع ذرة الزنك واضحة في المركز أصابع الزنك تساعد في قراءة سلسلة DNA هذا المعدن له أيضًا هندسة تنسيقية مرنة تسمح بتشكيل البروتينات بسرعة والتحول إلى أجزاء التفاغلات البيولوجية .

بروتينات اخرى

يساعد الزنك من خلال بنية التي تسمى أصابع الزنك حيث يركب بعض عمليات النسخ التي هي عبارة عن بروتينات تعرف ب(DNA) تسلسلها ونسخها. ربما يمكن للزنك أن يحمل في الميثالونين عند الكائنات الدقيقة أو في الخلايا المعوية أو الكبد للحيوانات ’ الميثالوثين في الخلايا المعوية قادر على ضبط امتصاص الزنك من 15-40%’ لذلك يمكن الإفراط في الزنك أن يكون ضار .

مرجع اختبارات الدم يبين الزنك في اللون الإرجواني في يمين الوسط .

التغذية والصحة

الغذاء

يتواجد الزنك في مختلف اللحوم الحمراء (من 50 مع إلى 120مغ للغرام الواحد)، في مختلف لحوم الأسماك و الدواجن.

و يتواجد أيضًا في الغذاء النباتي، و بنسب متفاوتة، فالعديد من النباتات تحتوي على الزنك، إلا أن مقداره فيها يتغير وفق الكميات التي يتواجد بها في التربة.

فعلى سبيل المثال، يتواجد الزنك في الأفوكادو، في اللفت و الكرفس، الخردل، في البرسيم الحجازي (الفصة)، في بذور اليقطين وحب الشمس، في السمسم، في الشوفان و اللوز و الحمص و غيرها من البقوليات.

هناك أنواع من النباتات تحتوي على حمض الفيتيك كالشعير و القمح (بالضبط الغشاء المحيط بحبة القمح)، هذا الحمض يقوم بامتصاص بعض المواد المعدنية أهمها الزنك و الحديد، المنغنيز و الكالسيوم، وعند أكل هذه النباتات فإن حمض الفيتيك يقوم بامتصاص الزنك الفائض و يزيله من الجسم.

الزنك والصحة

الزنك هو عنصر أساسي لحياة البشر والحيوان والنبات. فهو حيوي بالنسبة للكثير من الوظائف البيولوجية ويؤدي دورا حاسما في أكثر من 300 من الإنزيمات في الجسم البشري. أجسام البالغين تحتوي ما بين 2 و 3 جرام من الزنك. وهو يوجد في جميع أجزاء الجسم: الأعضاء الحيوية، الأنسجة، والعظام، الخلايا والسوائل. تحتوي العضلات والعظام على معظم مخزون الجسم من الزنك (90٪). إلا أن أعلى تركيز للزنك ضمن الحجم يقع ضمن غدة البروستاتا والسائل المنوي، ليأتي بعد ذلك العينين.

بفضل خصائصه العلاجية، يستخدم أوكسيد الزنك كعلاج لبعض الأمراض الجلدية لأنه مضاد للإلتهاب، لذا فهو يدخل في تركيب المراهم المضادة للإلتهاب و الحروق، و يعالج أمراضا شائعة كطفح الحفاضات وحب الشباب.

المكملات الغذائية

GNC أقراص الزنك 50 مغ (AU)

يدخل الزنك على شكل أقراص في تكوين العديد من الفيتامينات و المكملات الغذائية التي نتناولها في حياتنا اليومية، وتحتوي أيضًا على أكسيد الزنك وخلات الزنك حيث تجعلنا نملك خصائص مضادة للأكسدة، والتي تقي من تسارع شيخوخة الجلد والعضلات.

التوصيات اليومية

التوصيات اليومية في الولايات المتحدة هي 8 مغ يومياً للنساء و11 مغ يومياً للرجال. إن متوسط الاستهلاك في الولايات المتحدة حوالي العام 2000 كان 9 مغ يومياً للنساء و14مغ يومياً للرجال.

النقص

المقالة الرئيسة: نقص الزنك

نقص الزنك عند الإنسان يرجع عادة إلى عدم التغذية الكافية أو لسوء هضمه و امتصاصه مما يسبب أمراضا كالتهاب الجلد، أمراض الأمعاء، فقر الدم و ضعف الشهية، وكذلك بعض الأمراض الخارجية مثل الاكتئاب العجز والخمول. الفئات المُعرَّضة أكثر للأمراض الناتجة عن نقص الزنك هم المسنون والأطفال.

نقص الزنك له عواقب وخيمة على نمو الأطفال، بحيث يؤدي إلى نقص في الطول و الإصابة بالتأخر النمو البنيوي، فقد أظهرت دراسات للتدخلات التي أُجريت في عدة بلدان وجود علاقة إيجابية بين توفير جرع الزنك المكملة والنمو الخطي لدى الأطفال. ويسبب نقصه أيضًا مرض الإسهال و التهابات الجهاز التنفسي.

و تشير التقديرات إلى ما يقارب 2 مليار في العالم المتقدم يعانون من نقص الزنك.

المخاطر

السمية

على الرغم من أن الزنك هو شرط اساسي لصحة جيدة، يمكن أن يكون ضارا وهذا ما يمنع امتصاص الحديد والنحاس. أيون الزنك الحر في المحاليل أكثر خطورة فهو يسبب تسمم النباتات واللافقاريات وحتى الأسماك الفقارية وأيون حر هو نموذج نشيط قادر على قتل بعض الأعضاء. المعدة تحتوي على حمض الهيدروكلوريك ’حيث يمكن لمعدن الزنك أن يتحلل ليعطي كلوريد الزنك مما يسبب أضرار على بطانية المعدة بسبب ارتفاع درجة الحموضة ، أما مستويات الزنك التي تزيد على 500 جزء من المليون في التربة تسبب تداخل في قدرة النباتات على امتصاص المعادن الأساسية الأخرى مثل الحديد والمغنيسيوم.

في عام 1982 الولايات المتحدة زرعت مجموعة نباتات بالاعتماد على الزنك لكن كان تركيزه كبير مما سبب تسممها، ومن بين الحالات المزمنة التي كان ناتجها الموت هي 425 حالة امتصتها البكتيريا والفطريات، وكثير من الحالات التي تم دراستها أثبتت معاناة الإنسان من التسمم بواسطة الزنك من جراء ابتلاع قطع معدنية تحتوي عليه الذي يكون قاتلا في بعض الأحيان أو يسبب فقر الدم الشديد أو أمراض الكبد أو القصور الكلوي القيء، الإسهال وهذه الأعراض هي نتيجة التسمم بواسطة الزنك .

الأثر البيئي

لإنتاج كبريتيد الزنك الخامات تعتمد بشكل كبير لإنتاج ثاني أكسيد الكبريت وانصهاره له مخلفات كثيرة مثل بخار الكاديوم عمليات تعدين الزنك خلفت آثار كبيرة على الأنهار ومختلف المناطق الخضراء المجاورة للمناجم وانتقال الزنك من المناجم حوالي 10 آلاف طن في السنة خلال 2005 الدراسات أثبتت أن هذه الانبعاثات المعدنية تنعكس على البشرية والطبيعة معا ولكن يمكن أن يؤثر سلبا على كمية الأكسجين عند الأسماك مثلا في نهر الراين.

الاستخدامات

• عمل جلفنة الحديد
• صناعة البطاريات المختلفة بالإضافة لصناعة العلبة الخارجية للبطاريات الجافة.
• صناعة سبائك تستخدم في عمليات اللحام والطلاء

يستعمل الزنك في غلفنة الحديد وصناعة البطاريات المختلفة بالاضافة إلى صناعة العلبة الخارجية للبطاريات الجافة وصناعة سبائك تستخدم في عمليات اللحام والطلاء التسمية والدراسات القديمة الزنك عرف قديما من بين العناصر في الطب عند الهنود كتب عنها عند الملك الهندي مادونالا في 1374 وقد دخل الزنك في تركيب الكثير من المواد العضوية عند الهنود في القرن 13 أما الصينيون فلم يدرسوا هذه التقنية إلى غاية القرن 17.

مختلف الرموز الكيميائية التي تمثل عنصر الزنك 

أحرق الكيميائيون هذا باكسيد الزنك سمي هذا المعدن ربما من قبل مقالة ل paracelsus أولا وهو كيميائي ألماني سويسري الأصل والذي أطلق عليه zencuim أو zenken في كتابة المعادن 2 الحرة في القرن 16 وصل الكثير من الكيميائيين إلى عزل معدن الزنك في دول الغرب والقاموس العالمي postleway هو مصدر علمي وتكنولوجي عند الاروبيين لم يشر إلى الزنك قبل 1751 ورغم ذلك قد تم دراسته قبل ذلك في عام 1738، وليام شامبيوا من بريطانيا درس استخراج الزنك من الكلامين وتكنولوجيته كانت مشابهة إلى التقنيات المستعملة في «زاوارا» منجم الزنك في راجستان، ولكن ليس هناك دليل على أنه زار المشرق، وتقنيته استعملت خلال عام1851. الكيميائي الألماني اندرياس مغراف منح منحة من أجل اكتشاف الزنك النقي من خلال دراسات الكيميائي السويدي انطون فون سواب الذي استخلص الزنك من الكلامين 4 سنوات من قبله في تجارب عام 1746’ ماغراف أخلط الكلامين والكحول في وعاء مغلق من دون النحاس للحصول على المخدن، وهذه الطريقة أصبحت كيميائيا مستعملة عام 1752 الأعمال الأخيرة الغلفنة سميت نسبة للوجي غالفاني أخو ويليام المسمى جون اخترع في عام 1758 طريقة التكليس كبريت الزنك إلى أكسيد قابل للاستخدام. حيث يمكن استعمال الكالمين فقط لإنتاج الزنك في 1798جوهان كريستان برهن طريقة بناء الانصهار الأولي استحدم الزنك في الغلفنة الأول مرو من قبل غالفاني، وحاول صديقه اليساندرو مواصلة أبحاثه وتم اكتسلف البطارية الفولطية 1800 يرجع عدم تمغنط الزنك إلى عدم تلونه في المحاليل ومنه اكتشف أهميته الكيميائي والغذائية.

التطبيقات

تطبيقات الزنك تشمل ما يلي: الغلفنة 59%، النحاس والبرونز 10%، المواد الكيمائية 6.0%متفرقات 2.5% مكافحة التآكل والبطاريات

Hot-dip handrail كلفنة crystalline surface

غالبًا ما يستعمل الزنك لمكافحة التآكل وهو طلاء على معدن الحديد يحارب التآكل على المعدن الزنك أكثر تفاعلا من الحديد أو الصلب وبالتالي هذا ما يسمح بالأكسدة المحلية حتى يتأكسد ويفسد تماما و يستعمل الزنك في المعادن التي لها علاقة بمياه البحر مثل السفن مما يمنع تآكل الحديد يستعمل الزنك كقطب معدني في البطاريات (بطاريات الليتيوم 3.04v والبطاريات الألكيلية.....الخ).

السبائك

أكثر السبائك المستعملة التي تحتوي على الزنك هي سبائك النحاس وهذه السبائك عموما أقوى وأكثر مقاومة للتآكل وهذه الخصائص تجعلها أكثر استعمالا في أجهزة كثيرة.

Cast القاء مجهرية النحاس في تكبير 400x

استخدامات صناعية أخرى

أكسيد الزنك يستعمل كخضاب أبيض في الطلاء

ما يقارب ربع الزنك يستعمل في الولايات المتحدة 2006 ويستهلك على شكل زنك مركب وفي مختلف النشاطات الصناعية أكسيد الزنك يستعمل كصباغة بيضاء في الطلاء.

أكسيد الزنك يستعمل كصباغة بيضاء في الطلاء غالبًا ما يضاف كلوريد الزنك إلى الأخشاب كمثبط للنار، كما يمكن استخدامه كمادة حافظة للخشب، كما يستعمل لتركيب مواد كيميائية أخرى كما اقترح استعمال الزنك كمادة معدنية لصناعة الأسلحة النووية والكوبالت هو مادة أخرى معروفة للتصليح المعدني.

طالع أيضاً

• فلز انتقالي

المراجع

فهرس المراجع

بالعربية

بالألمانية

بالإنجليزية