عنصر الزنك

الزِّنْك^[1] أو الخارَصِين^[1][2] أو التُوتِياء^[3] الرمز الكيميائي Zn من عناصر السلسلة الأولى في الفلزات الانتقالية وذلك لوجود مدارات فارغة بالمدار d وبالتالي يستطيع تكوين معقدات، وهو من العناصر الهامة لاستخداماته المتعددة. ينطق الزِّنْك / ziŋk / zingk من الكلمة الألمانية ziŋk و المعروف أيضًا بدخان الزنك وهو عنصر كيميائي معدني،يرمزله بالرمزZn رقمه الذري 30، وهو العنصر الأول في المجموعة 12 من الجدول الدوري. يشبه الزنك في بعض خصائصه المغنزيوم،لان حالة أكسدته تشبه من حيث الحجم الزنك +2.^[4]

يعتبر الزنك العنصر الرابع و العشرون الأكثر وفرة على مستوى القشرة الأرضية كما لديه 5 نظائر مستقرة، وخامات الزنك الرئيسية هي سفاليريت، كبريتيد الزنك ZnS.

وتتواجد المناطق الأكثر إنتاجا له في أستراليا،آسيا،والولايات المتحدة الأمريكية. ويشمل إنتاج الزنك،زبد تعويم الخام التحميص، الاستخراج النهائي باستعمال الكهرباء.. مقاومة التآكل، طلاء الفولاذ بالزنك هي كبرى تطبيقات الزنك، وهناك أخرى في البطاريات والسبائك مثل النحاس الأصفر يشبع استخدام مجموعة متنوعة من مركبات الزنك مثل كاربونات الزنك، غلوكونات الزنك (المكملات الغذائية)، كلوريد الزنك (في مزيلات الروائح)، بيربيتيوني الزنك (في الشامبو المضاد للقشرة)، كبريتيد الزنك (الاضاءة الملونة) وميثيل أو ايثيل الزنك فيستعمل في المغابر العضوية.

الزنك هو أهم معدن في الحالات البيولوجية الاستثنائية واهمية الصحة العمومية،نقص الزنك يؤثر على نحو مليار شخص في العالم النامي ويرتبط بالعديد من الأمراض وعند الأطفال يسبب نقصه تاخر النمو،وتاخر النضج الجنسي، العدوى، الحساسية، الإسهال وهذا ما أدى إلى وفاة ازيد من 800000 طفل في العالم سنويا. الانزيمات لها رد فعل مركزي واسع في الكيمياء الحيوية مثل هيدروجين الكحول عند الإنسان حيث يسبب استهلاك الزنك الزائد الترنح الخمول والنعاس.

التاريخ وأصل التسمية

كلمة الخارصين أو الخارصيني هي التسمية العربية للزنك^[5][6]. ويختلف العلماء اللغويون حول أصل كلمة زنك فبينما يرى بعضهم أنها كلمة لاتينية تعنى الراسب الأبيض و يرى آخرون أنها مشتقة من الكلمة الألمانية Zinke وهي تعني أسنان المشط حيث أن شكل الفلز الخام في فرن الصهر يكون شبيها بذلك.

الاستعمال القديم

هناك أمثلة مختلفة عن استعمال الزنك غير النقي، العثور على تمثال ما قبل التاريخ يحتوي على 87,5% من الزنك في الموقع الأثري داقية (موجودة مع رومانيا الحالية)^[7].حلي مصنوعة من السبائك تحتوي على ما يقارب %80-90% من الرصاص الحديد القصدير ومعادن أخرى التي يدخل الزنك في تركيبها تم اكتشاف أن عمرها أزيد من 2500 سنة، ولوحة زنكية (مصنوعة من الزنك) تسمى بارم رزمانية الاصل مصنوعة من سبائك الزنك ومؤرخ سترابو ومن فقرة إحدى كتابته الأولى من القرن الرابع قبل الميلاد يشير انه قطرات من الفضة المزيفة التي حين تختلط مع النحاس تسمى سبائك من الزنك النحاسي ’شاراسامهيتا في كتابات في العام 500 قبل الميلاد أو قبل ذلك اشار هذا المعدن حين يتاكسد.

وقد استخدم النحاس الأصفر وهو سبيكة من النحاس والزنك من على الأقل القرن 10 قبل الميلاد،و لم يتم إنتاج معدن الزنك على نطاق واسع حتى القرن 13 في الهند،في حين أن المعدن لم يكن معروفا في أروبا إلى غاية نهاية القرن 16 احرق الكيميائيون الزنك في الهواء للتشكيل ما سموه «صوف الفيلسوف» و«بياض الثلج» العنصر ربما سمي من قبل الكيميائيون براسيلوس بعد الكلمة الألمانية -zink-، منح العالم الألماني اندرياس سيغسمون مارغان فرض من أجل اكتشاف الزنك المعدنية الصرفة في 1746. العمل الذي قام لويجي جالفاني واليساندرو وفولتا كشف خصائص كهرو كيميائية للزنـك بحلول عام 1800

الاكتشاف

مقارنة بمعادن كالحديد والنحاس والرصاص التي اكتشفت قبل قبل الميلاد بالالاف الأعوام. فان اكتشاف الزنك قد جاء متاخرا في القرن الرابع عشر ميلاديا في الهند والصين وقد عثر في الصين على عملات معدنية تحتوى في تكونيها على 99% من الزنك و1% من النحاس وذلك في الفترة من 1368 إلى 1644 م وقد عثرت في الهند على أدوات تشير أن عمليات صهر الزنك تمت في القرن الرابع عشر الميلادى. يعد تاخر اكتشاف الزنك إلى انخفاض درجة غليانه حيث يوجد في الطبيعة غالبًا مع الرصاص والذي كان يصهر في افران درجة حرارتها حوالي 1000 مئوية فكان سرعان ما يتبخر الزنك ولا يبقى الا الرصاص. في عام 1617 عمل لوهنيس على دراسة عينات من الزنك احضرت من الهند والصين واطلق عليه اسم الزنك. في عام 1721 تمكن هنكل من تحضير الزنك من خام السميثسونيت (ZnCO3) إلا أنه احتفظ بالطريقة سرا وفي عام 1746 تمكن الالمانى مارجراف في برلين من إنتاج الزنك بتقطير خام السميثسونيت في وعاء مغلق ووصف الطريقة التي اتبعها والخطوات بدقة وبذلك يكون أول من توصل من تحضير الزنك معمليا.

الوفرة الطبيعية

يوجد الزنك في قشرة الأرض بنسبة 65 غرام لكل طن وهو العنصر رقم 24 من حيث الانتشار في القشرة الأرضية ويوجد في عدة خامات منها

مخلوط الزنك أو السفاليريت و كبريتيد الزنك ZnS.

سميثسونايت ZnCO₃

زينسيت (Zn,Mn)O

فيليميت Zn₂SiO₄

فرانكلينيت ZnFe₂O₄

سفاليريت (ZnS)

يمثل الزنك حوالي ppm) 75%0,075) من القشرة الأرضية مما يجعله العنصر 24 الأكثر وفرة فيها، التربة تحتوي 770,5ppm من الزنك بمتوسط 64ppm، أما مياه البحر فتحتوي على ppm30 من الزنك.

سالفريت((zns عثر على هذا المعدن بالاعتماد على معادن أساسية أخرى مثل النحاس الرصاص في الخامات، ال له علاقة بالاكاسيد الضعيفة على عكس علاقته،الكالكوفيل يشكل صلابة القشرة أثناء قلة الشروط الخاصة بالغلاف الجوى الأرضي السفاليرايت الذي يكون كبريتيد الزنك هي من أثقل المعادن المنجمية التي تحتوي على الزنك الخام لان تركيزها يحتوي على60_62 من الزنك معادن أخرى والتي يستخرج منها الزنك والتي تشمل كربونات الزنك، سيليكات الزنك، آخر كبريتيد الزنك،و في بعض الأحيان كربونات الزنك القاعدية باستثناء آخر كبريتيد الزنك،فإن كل هذه المعادن الأخرى شكلت نتيجة عمليات الناتجة من الحالات الجوية (الطبيعة)على كبريتيد الزنك البدائية. موارد الزنك المعروفة في العالم يصل عددها إلى 1,9 مليار طن،ما يقارب 200 مليون طن تدخل في النطاق الاقتصادي في عام 2008،إضافة إلى الاقتصاد الهامشي الاحتياطي لهذا الرقم، ومجموع الاحتياط التي تم إحصائها (التعرف عليها) يتركز على 500 مليون طن،وأكبر المراكز الخاصة به توجد في أستراليا،كندا، والولايات المتحدة مع أكبر الاحتياطات في إيران. وفي المعدل الحالي للاستهلاك،يفترض أن هذه الاحتياطات تستنفذ ما بين 2027 و2055 حوالي 346 مليون طن تم استخراجها عبر الزمن اٍلى عام 2002،ووجدت اْحد التقديرات اْن حوالي 109مليون طن لا يزال قيد الاستعمال.

كيفية التكوين

يتكوّن الزنك في داخل المستعرات العظمى.^[8] الزنك كبيرة وثقيلة جدا تتشكل في نجوم باستخدام طريقة السليكوم المحروق، يتم تكون نموذج الزنك المستقرة من خلال عملية السيبرنوفا وعملية الراديوية.

الإنتاج والاستخلاص

  لا يوجد العنصر في الطبيعة منفردا بل يكون مختلطا بعناصر أخرى كالذهب والفضة والكادميوم والرصاص. تتم عملية استخلاص الزنك على عدة مراحل أولها تكسير الخام وطحنه ثم ازالة الشوائب بالتعويم يليه عملية تحميص الخام إلى كبريتيد الزنك ZnS يليه اجراء عملية اكسدة للكبريتيد طبقا للمعادلة ويجب اتمام عملية الاكسدة حتى تلامس ذرات العنصر ذرات الزنك.

{\displaystyle {\mathsf {2ZnS+3O_{2}\rightarrow 2ZnO+2SO_{2}\uparrow }}}بعده يمكن اجراء عملية اختزال بنزع الأكسجين من الزنك بواسطة الكربون أو أول أكسيد الكربون طبقا للمعادلات:{\displaystyle {\mathsf {ZnO+C\rightarrow Zn+CO\uparrow }}}

التعدين والتجهيز

الزنك هو المعدن الرابع الأكثر شيوعا من حيث الاستعمال، بالإضافة إلى الحديد والألمنيوم والنحاس بإنتاج سنوي يقدر ب10مليون طن وأكبر الشركات المنتجة للزنك هي (nayza) التابعة لمجموعة أسترالية oz للمعادن والشركات البلجكية umicore حوالي 70% من الزنك العالمي ينتج من المناجم، في حين 30% الباقية تنتج من إعادة تركيز الزنك الثانوية. معدن الزنك ينتج باستعمال المعادن الاستخراجية، بعد طحن الخام، الذي يفصل بشكل انتقائي المعادن من الشوائب المعدنية، وهذا ما يعطى خام مركز. التحميص يحول كبريت الزنك المركز لينتج أكسيد الزنك 2 ZnS + 3 O2 → 2 ZnO + 2 SO2 لمزيد من طرق التجهيز الأساسية المستعملة هي pyrometallurgy يقلل من كبريت الزنك بالكاربون أو أول أكسيد الكربون في درجة حرارة 950° والمعادلات ادناه تشرح بوضوح هذه العملية 2 ZnO + C → 2 Zn + CO2 2 ZnO + 2 CO → 2 Zn + 2 CO2

وباستعمال الكهرباء يتم ترشيح الزنك من الزنك الخام المركزبمعالجته بحمض الكبرتيد

ZnO + H2SO4 → ZnSO4 + H2O

وبعد استخدام هذا التحليل الكهربائي يتم إنتاج معدن الزنك

2 ZnSO4 + 2 H2O → 2 Zn + 2 H2SO4 + O2

الأثر البيئي

لإنتاج كبريتيد الزنك الخامات تعتمد بشكل كبير لإنتاج ثاني أكسيد الكبريت وانصهاره له مخلفات كثيرة مثل بخار الكاديوم عمليات تعدين الزنك خلفت اثار 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.

النظائر

للزنك 30 نظيرا معروفا بعدد كتلي يتراوح ما بين 54 و 83، خمسة منها مستقرة وهي: ⁶⁴Zn, ⁶⁶Zn, ⁶⁷Zn, ⁶⁸Zn et ⁷⁰Zn, يعتبر ⁶⁴Zn النظير الأكثر وفرة في الطبيعة (% 48.63).

للزنك خمس و عشرون نظيرا مشعا، يعتبر ⁶⁵Zn الأكثر إستقرارا و وفرة مع عمر النصف 244.26 يوما، يليه ⁷²Zn مع عمر النصف 46.5 ساعة. بقية النظائر المشعة الأخرى لها عمر النصف أقل من 14 ساعة ومنها من له عمر النصف أقل من ثانية.

النظير	الوفرة الطبيعية
64Zn	% 48,268
66Zn	% 27,975
67Zn	% 4,102
68Zn	% 19,024
70Zn	% 0,631

الزنك لديه 10 اٍيزوميرات نووية، Zn له مدة حياة 13,76ساعة يشير جهاز متبدل الاستقرار أن نواة النظير الغير مستقر في حالة تهيج (نشاط) ويرجع اٍلى حالة السكون (الخمول)بفقد فتون على شكل γ

⁶⁵Zn, ⁷¹Zn, ⁷⁸Zn النظائر لديها فقط حالة عدم نشاط اما

لديها 3 حالات و⁷³Zn، ونظام الاضمحالا الأكثر شيوعا الخاص بنظائر الزنك المشعة ذات عدد كتلي اقل من 66 هو التفاط إلكترون، وهذا العنصر المضمحل الناتج من التقاط الإلكترون هونظير النحاس n ₃₀Zn + e− → n ₂₉Cu ونظام الاضمحلال الأكثر شيوعا الخاص بنظائر الزنك المشعة ذات عدد كتلي أكبرمن 66 هو(β–)، الذي ينتج عنه نظير الغاليوم

n ₃₀Zn → n ₃₁Ga + e− + ν e

الخواص الفيزيائية

الزنك فلز لامع أبيض مائل للزرقة من عناصر الفلزات الإنتقالية، صلب و بنيته البلورية على شكل نظام بلوري سداسي. يصبح ليِّنا في درجات حرارة تترواح من °100 إلى °150 مئوية ويصبح قابلا للطرق والسحب و أكثر هشاشة.

أقل كثافة من الحديد و القصدير حيث تبلغ كثافته 7,1.

ينصهر الزنك الخالص ابتداء من درجة الحرارة °419,53 مئوية (نقطة الإنصهار) و يغلي ابتداء من درجة الحرارة °907 مئوية (نقطة الغليان)، أثناء احتراقه يعطي لهبا أخضر مزرق يمكن الكشف عنه عن طريق اختبار اللهب.

تمكن هذه الخصائص من استعماله في الألعاب النارية من أجل إعطاء أثر الدخان.

الزنك معدن موصل للكهرباء موصليته الكهربية {\displaystyle \sigma =16,6*10^{6}S.m^{-1}} ، ضعيف النفاذية المغناطيسية.

مقاوم للصدأ، حيث يقوم الهواء الرطب بإكساب سطح الزنك طبقة رقيقة من أكسيد الزنك تمنع أكسدة الطبقات التالية.

تفاعل الزنك مع حمض الكلوريدريك ينتج عنه غاز ثنائي الهيدروجين وفق المعادلة التالية:

Zn+2NaOH---->Na2ZnO2+H2

يتفاعل مع المحاليل القلوية لينتج غاز الهيدروجين.

يقوم الهواء الرطب باكساب سطح الزنك طبقة رقيقة من أكسيد الزنك تمنع اكسدة الطبقات التالية. ويعد الزنك عامل مختزل قوى.