Zinc
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Zinc. Elemento químico de símbolo Zn, número atómico 30 y peso atómico 65.37. Es un metal maleable, dúctil y de color gris. Se conocen 15 isótopos, cinco de los cuales son estables y tienen masas atómicas de 64, 66, 67, 68 y 70. Cerca de la mitad del zinc común se encuentra como isótopo de masa atómica 64.
Sumario
Características principales
El zinc es un metal, a veces clasificado como metal de transición aunque estrictamente no lo sea, ya que tanto el metal como su especie dispositiva presentan el conjunto orbital completo. Este elemento presenta cierto parecido con el magnesio, y con el cadmio de su grupo, pero del mercurio se aparta mucho por las singulares propiedades físicas y químicas de éste (contracción lantánida y potentes efectos relativistas sobre orbitales de enlace).
Es el 23º elemento más abundante en la Tierra y una de sus aplicaciones más importantes es el galvanizado del acero. Es un metal de color blanco azulado que arde en aire con llama verde azulada. El aire seco no le ataca, pero en presencia de humedad se forma una capa superficial de óxido o carbonato básico que aísla el metal y lo protege de la corrosión.
Prácticamente el único estado de oxidación que presenta es el +2. En el año 2004 se publicó en la revista Science el primer y único compuesto conocido de zinc en estado de oxidación +1, basado en un complejo organometálico con el ligando pentametilciclopentadieno.
Reacciona con ácidos no oxidantes pasando al estado de oxidación +2 y liberando hidrógeno y puede disolverse en bases y ácido acético. El metal presenta una gran resistencia a la deformación plástica en frío que disminuye en caliente, lo que obliga a laminarlo por encima de los 100 °C. No se puede endurecer por acritud y presenta el fenómeno de fluencia a temperatura ambiente —al contrario que la mayoría de los metales y aleaciones— y pequeñas cargas el más importante.
Historia
La etimología de zinc parece que viene del alemán, Zincken o Zacken, para indicar el aspecto con filos dentados del mineral calamina, luego fue asumido para el metal obtenido a partir de él,[cita requerida] aunque otras fuentes consideran que viene de la palabra persa para piedra.
Las aleaciones de zinc se han utilizado durante siglos —piezas de latón datadas en 1000-1500 a. C. se han encontrado en Canaán y otros objetos con contenidos de hasta el 87% de zinc han aparecido en la antigua región de Transilvania— sin embargo, por su bajo punto de fusión y reactividad química el metal tiende a evaporarse por lo que la verdadera naturaleza del metal no fue comprendida por los antiguos.
Se sabe que la fabricación de latón era conocida por los romanos hacia 30 a. C. Plinio y Dioscórides describen la obtención de aurichalcum (latón) por el procedimiento de calentar en un crisol una mezcla de cadmia (calamina) con cobre; el latón obtenido posteriormente era fundido o forjado para fabricar objetos.
La fusión y extracción de zinc impuro se llevó a cabo hacia el año 1000 en India —en la obra Rasarnava (c. 1200) de autor desconocido se describe el procedimiento— y posteriormente en China y a finales del siglo XIV los indios conocían ya la existencia del zinc como metal distinto de los siete conocidos en la Antigüedad, el octavo metal.
En 1597 Andreas Libavius describe una «peculiar clase de estaño» que había sido preparada en la India y llegó a sus manos en pequeña cantidad a través de un amigo; de sus descripciones se deduce que se trataba del zinc aunque no llegó a reconocerlo como el metal procedente de la calamina.
En occidente, hacia 1248, Alberto Magno describe la fabricación de latón en Europa, y en el siglo XVI ya se conocía la existencia del metal. Georgius Agricola (1490-1555) observó en 1546 que podía rascarse un metal blanco condensado de las paredes de los hornos en los que se fundían minerales de zinc; añadiendo en sus notas que un metal similar denominado zincum se producía en Silesia.
Paracelso fue el primero en sugerir que el zincum era un nuevo metal y que sus propiedades diferían de las de los metales conocidos sin dar, no obstante, ninguna indicación sobre su origen; en los escritos de Basilio Valentino se encuentran también menciones del zincum.
A pesar de ello, en tratados posteriores las frecuentes referencias al zinc, con sus distintos nombres, se refieren generalmente al mineral no al metal libre y en ocasiones se confunde con el bismuto.
Johann Kunkel en1677 y poco más tarde Stahl en 1702 indican que al preparar el latón con el cobre y la calamina ésta última se reduce previamente al estado de metal libre, el zinc, que fue aislado por el químico Anton von Swab en 1742 y por Andreas Marggraf en 1746, cuyo exhaustivo y metódico trabajo Sobre el método de extracción del zinc de su mineral verdadero, la calamina cimentó la metalurgia del zinc y su reputación como descubridor del metal.
En 1743 se fundó en Bristol el primer establecimiento para la fundición del metal a escala industrial pero su procedimiento quedó en secreto por lo que hubo que esperar 70 años hasta que Daniel Dony desarrollara un procedimiento industrial para la extracción del metal y se estableciera la primera fábrica en el continente europeo. Tras el desarrollo de la técnica de flotación del sulfuro de zinc se desplazó a la calamina como mena principal. El método de flotación es hoy día empleado en la obtención de varios metales.
Aplicaciones
Óxido de Zinc. La principal aplicación del zinc —cerca del 50% del consumo anual— es el galvanizado del acero para protegerlo de la corrosión, protección efectiva incluso cuando se agrieta el recubrimiento ya que el zinc actúa como ánodo de sacrificio. Otros usos incluyen
- Baterías de Zn-AgO usadas en la industria aeroespacial para misiles y cápsulas espaciales por su óptimo rendimiento por unidad de peso y baterías zinc-aire para computadoras portátiles.
- Piezas de fundición inyectada en la industria de automoción.
Papel biológico
El zinc es un elemento químico esencial para las los seres humanos y ciertos animales. El cuerpo humano contiene alrededor de 40 mg de zinc por kg y muchas enzimas funcionan con su concurso: interviene en el metabolismo de proteínas y ácidos nucleicos, estimula la actividad de aproximadamente 100 enzimas, colabora en el buen funcionamiento del sistema inmunitario, es necesario para la cicatrización de las heridas, interviene en las percepciones del gusto y el olfato y en la síntesis del ADN.
El metal se encuentra en la insulina, las proteínas dedo de zinc (zinc finger) y diversas enzimas como la superóxido dismutasa. El zinc se encuentra en diversos alimentos como las ostras, carnes rojas, aves de corral, algunos pescados y mariscos, habas y nueces. La ingesta diaria recomendada de zinc ronda los 20 mg para adultos, menor para bebés, niños y adolescentes (por su menor peso corporal) y algo mayor para mujeres embarazadas y durante la lactancia.
La deficiencia de zinc perjudica al sistema inmunitario, genera retardo en el crecimiento y puede producir pérdida del cabello, diarrea, impotencia, lesiones oculares y de piel, pérdida de apetito, pérdida de peso, tardanza en la cicatrización de las heridas y anomalías en el sentido del olfato.
Las causas que pueden provocar una deficiencia de zinc son la deficiente ingesta y la mala absorción del mineral —caso de alcoholismo que favorece su eliminación en la orina o dietas vegetarianas en las que la absorción de zinc es un 50% menor que de las carnes— o por su excesiva eliminación debido a desórdenes digestivos.
El exceso de zinc se ha asociado con bajos niveles de cobre, alteraciones en la función del hierro y disminución de la función inmunológica y de los niveles del colesterol bueno. Se cree que el aguijón de los escorpiones contienen zinc con una pureza de 1/4 partes.
Abundancia y obtención
El zinc es el 23er elemento más abundante en la corteza terrestre. Las minas más ricas contienen cerca de un 10% de hierro y entre el 40 y 50% de zinc. Los minerales de los que se extrae son: el sulfuro de cinc conocido como esfalerita en EE.UU. y blenda en Europa; smithsonita (carbonato) en EE.UU., pero calamina en Europa; hemimorfita, (silicato) y franklinita (óxido).
De acuerdo a información entregada en el informe anual del United States Geological Survey (USGS), las estimaciones señalan que las reservas económicamente explotables de zinc en el 2009 a nivel mundial alcanzarían 220 millones de toneladas métricas. Repartiéndose entre China, Estados Unidos, Perú y Kazajistán.
Las reservas conocidas (incluyendo aquéllas cuya explotación no es hoy día económica) rozan los 2000 millones de toneladas. La producción del zinc comienza con la extracción del mineral que puede realizarse tanto a cielo abierto como en yacimientos subterráneos. Los minerales extraídos se trituran con posterioridad y se someten a un proceso de flotación para obtener el concentrado.
Los minerales con altos contenidos de hierro se tratan por vía seca: primeramente se tuesta el concentrado para transformar el sulfuro en óxido, que recibe la denominación de calcina, y a continuación se reduce éste con carbono obteniendo el metal (el agente reductor es en la práctica el monóxido de carbono formado).
Las reacciones en ambas etapas son:
2 ZnS + 3 O2 → 2 ZnO + 2 SO2
ZnO + CO → Zn + CO2
Otra forma más sencilla y económica de reducir el óxido de Zinc, es con Carbono, se colocan ambos; 2 moles o porciones molares de Óxido de Zinc (ZnO), y un mol de Carbono (C), en un recipiente al vacío para evitar que el metal se incendie con el aire al momento de purificarse dando como resultado nuevamente óxido de zinc. En una etapa, la reducción del óxido de Zinc, se expresa de la siguiente manera:
2 ZnO + C → 2 Zn + CO2
Por vía húmeda primeramente se realiza el tueste obteniendo el óxido que se lixivia con ácido sulfúrico diluido; las lejías obtenidas se purifican separando las distintas fases presentes.
El sulfato de zinc se somete posteriormente a electrólisis con ánodo de plomo y cátodo de aluminio sobre el cual se deposita el zinc formando placas de algunos milímetros de espesor que se retiran cada cierto tiempo. Los cátodos obtenidos se funden y se cuela el metal para su comercialización. Como subproductos se obtienen diferentes metales como mercurio, óxido de germanio, cadmio, oro, plata, cobre, plomo en función de la composición de los minerales.
El dióxido de azufre obtenido en la tostación del mineral se usa para producir ácido sulfúrico que se reutiliza en el lixiviado comercializando el excedente producido. Los tipos de zinc obtenidos se clasifican según la norma ASTM en función de su pureza:
- SHG, Special High Grade (99,99%)
- HG, High Grade (99,90%)
- PWG Prime Western Grade (98%)
La norma EN 1179 considera cinco grados Z1 a Z5 con contenidos de zinc entre 99,995% y 98,5% y existen normas equivalentes en Japón y Australia. Para armonizar todas ellas la Organización Internacional para la Estandarización publicó en 2004 la norma ISO 752 sobre clasificación y requisitos del zinc primario.
Bioquímica
- Aleaciones
Las aleaciones más empleadas son las de aluminio (3,5-4,5%, Zamak; 11-13%, Zn-Al-Cu-Mg; 22%, Prestal, aleación que presenta superplasticidad) y cobre (alrededor del 1%) que mejoran las características mecánicas del zinc y su aptitud al moldeo. Es componente minoritario en aleaciones diversas, principalmente de cobre como latones (3 a 45% de zinc), alpacas (Cu-Ni-Zn) y bronces (Cu-Sn) de moldeo.
- Compuestos
El óxido de zinc es el más conocido y utilizado industrialmente, especialmente como base de pigmentos blancos para pintura, pero también en la industria del caucho y en cremas solares. Otros compuestos importantes son: sulfato de zinc (nutriente agrícola y uso en minería), cloruro de zinc (desodorantes) y sulfuro de zinc (pinturas luminiscentes).
- Isótopos
El zinc existente en la naturaleza está formado por cuatro isótopos estables, Zn-64 (48,6%), Zn-66, Zn-67, y Zn-68. Se han caracterizado 22 radioisótopos de los que los más estables son Zn-65 y Zn-72 con periodos de semidesintegración de 244,26 días y 46,5 horas respectivamente; el resto de isótopos radioactivos tienen periodos de semidesintegración menores que 14 horas y la mayoría menores que un segundo. El zinc tiene cuatro estados metaestables.
Precauciones
El zinc metal no está considerado como tóxico pero sí algunos de sus compuestos como el óxido y el sulfuro. En la década de los 40 se observó que en la superficie del acero galvanizado se forman con el tiempo "bigotes de zinc" (zinc whiskers) que pueden liberarse al ambiente provocando cortocircuitos y fallos en componentes electrónicos. Estos bigotes se forman tras un período de incubación que puede durar días o años y crecen a un ritmo del orden de 1 mm al año.
El problema causado por estos bigotes se ha agudizado con el paso del tiempo por haberse construido las salas de ordenadores y equipos informáticos sobre suelos elevados para facilitar el cableado en las que era común el uso de acero galvanizado, tanto en la estructura portante como en la parte posterior de las baldosas.
Las edades de dichas salas, en muchos casos de 20 o 30 años propician la existencia de pelos en cantidades y longitudes peligrosas susceptibles de provocar fallos informáticos. Además, la progresiva miniaturización de los equipos disminuye la longitud necesaria para provocar el fallo y los pequeños voltajes de funcionamiento impiden que se alcance la temperatura de fusión del metal provocando fallos crónicos que pueden ser incluso intermitentes.
Efectos del Zinc sobre la salud
El Zinc es una substancia muy común que ocurre naturalmente. Muchos alimentos contienen ciertas concentraciones de Zinc. El agua potable también contiene cierta cantidad de Zinc. La cual puede ser mayor cuando es almarcenada en tanques de metal. Las fuentes industriales o los emplazamientos para residuos tóxicos pueden ser la causa del Zinc en el agua potable llegando a niveles que causan problemas.
El Zinc es un elemento traza que es esencial para la salud humana. Cuando las personas tiene una absorción deficiente de Zinc pueden experimentar pérdida del apetito, disminución de la sensibilidad, el sabor y el olor. Pequeñas llagas, y erupciones cutáneas. La acumulación del Zinc puede incluso producir defectos de nacimiento.
Incluso los humanos pueden tolerar proporcionalmente grandes cantidades de Zinc, aunque demasiada cantidad de Zinc puede causar problemas de salud, como úlcera de estómago, irritación de la piel, vómitos, náuseas y anemia. Niveles altos de Zinc pueden dañar el páncreas y disturbar el metabolismo de las proteínas, y causar arterioesclerosis.
Exposiciones intensivas al clorato de Zinc pueden causar desordenes respiratorios. En el Ambiente de trabajo el contacto con Zinc puede causar la gripe conocida como la fiebre del metal, esta pasará después de dos días y es causada por una sobresensibilidad. El Zinc puede dañar a los fetos y a los recien nacidos. Cuando sus madres han absorbido grandes concentraciones de Zinc los niños, pueden ser expuestos a éste a través de la sangre o la leche de sus madres.
