Zinco

Lo zinco è l'elemento chimico di numero atomico 30 e il suo simbolo è Zn. È il primo elemento del gruppo 12 del sistema periodico, facente parte del blocco d, ed è quindi formalmente un elemento di transizione, sebbene per il suo comportamento chimico assomigli molto di più a quello dei metalli di post-transizione.

Lo zinco è presente in natura con cinque isotopi. Allo stato metallico mostra lucentezza grigio argentea con una distinta sfumatura azzurrina; è un metallo diamagnetico, discreto conduttore di elettricità e calore; a temperatura ambiente è molto poco duttile o malleabile, quasi fragile, ma diviene tale se riscaldato tra 110 °C e 150 °C, intervallo in cui è facilmente lavorabile. Entra a far parte di molte leghe, la più comune è l'ottone (Zn e Cu).

Il principale minerale di zinco è la sfalerite (o blenda), che è essenzialmente il suo solfuro (ZnS), un composto semiconduttore che forma cristalli aventi struttura cubica simile a quella del diamante. Per la sua affinità per lo zolfo e omologhi superiori (calcogeni) è classificato geochimicamente tra i metalli "calcofili".

Lo zinco, a differenza dei suoi omologhi superiori cadmio e mercurio, che sono tossici, è un elemento che in tracce è essenziale per l'organismo umano ed è presente in esso in quantità superiore a quella di qualsiasi altro oligoelemento al di fuori del ferro.

Lo zinco è anche un micronutriente essenziale; la zinchemia è la concentrazione di zinco nel sangue. L'iperzinchemia è un livello patologicamente alto di zinco nel sangue ed è tipicamente associata con un'ipocupremia; di contro, l'ipozinchemia è un livello patologicamente basso.

Storia Leghe di zinco sono state usate per secoli: l'ottone è senza dubbio la più antica, e si ritrovano manufatti in tale lega in Palestina a partire dal 1400 al 1000 a.C. Oggetti di zinco puro all'87% sono stati rinvenuti nella Transilvania preistorica. A causa del basso punto di ebollizione e della reattività chimica di questo metallo (lo zinco puro tende ad evaporare piuttosto che a raccogliersi in forma liquida) la vera natura metallica di questo elemento non fu riconosciuta dagli antichi.

La fabbricazione dell'ottone era nota ai Romani circa fin dal 30 d.C., con una tecnica che prevedeva il riscaldamento di rame e calamina in un crogiolo. Il calore riduceva gli ossidi di zinco della calamina, e lo zinco libero veniva catturato dal rame, formando l'ottone, che veniva poi colato in stampi o forgiato.

L'estrazione e l'uso di forme impure di zinco era praticato già nel 1000 a.C. in Cina e in India; per la fine del XIV secolo gli indù erano a conoscenza dell'esistenza dello zinco come metallo a sé stante, diverso dai sette metalli noti agli antichi. In Occidente la scoperta dello zinco puro metallico pare sia dovuta al tedesco Andreas Marggraf, nel 1746, sebbene l'intera storia presenti dei lati romanzati.

Descrizioni di come ottenere ottone sono trovate in Europa occidentale negli scritti di Alberto Magno (1248 circa), ed entro il XVI secolo, la conoscenza e l'uso del nuovo metallo si diffuse ampiamente. Nel 1546 Agricola osservò che nei forni dove erano stati fusi dei pani di zinco si condensava sulle pareti un metallo bianco che poteva essere recuperato grattandolo via; nelle sue note aggiunse che un metallo del tutto simile, chiamato zincum, si preparava in Slesia. Paracelso (1493-1541) fu il primo in occidente a notare che lo zincum era in realtà un nuovo metallo e che aveva un insieme di proprietà chimiche separate da quelle degli altri metalli noti. Quindi lo zinco era già noto quando Marggraf fece la sua scoperta, e infatti lo zinco era già stato isolato due anni prima da un altro chimico, Anton von Swab. Tuttavia la qualità e la metodica precisione dei suoi esaustivi resoconti fu tale da cementare la sua fama come scopritore dello zinco.

Prima della scoperta della tecnica della flottazione del solfuro di zinco, la calamina era la principale sorgente di zinco metallico.

Caratteristiche La superficie dello zinco all'aria si ricopre di una patina che protegge gli strati sottostanti. La resistenza meccanica è bassa e la durezza inferiore a quella del rame.

Lo zinco è un metallo moderatamente reattivo, che si combina con l'ossigeno, alogeni e altri non metalli; reagisce molto facilmente con acidi diluiti in soluzione acquosa generando idrogeno.

Lo stato di ossidazione praticamente esclusivo dello zinco è +2, come per il magnesio, con il quale presenta altre analogie: per entrambi la configurazione elettronica esterna presenta due elettroni al di sopra di gusci elettronici completi: [Ne] 3s2 per Mg e [Ar] 3d10 4s2 per Zn.

Il raggio ionico di Zn2+ è 88 pm, quasi uguale a quello di Mg2+ (86 pm), il che si riflette nella similitudine in molta della sua chimica. In particolare, nello zinco c'è indisponibilità degli elettroni del guscio sottostante per la formazione dei loro composti, come accade per il magnesio, e ciò a differenza del rame che è l'elemento precedente e di tutti i metalli di transizione ancora precedenti; tuttavia, lo zinco metallico è decisamente meno reattivo e molto meno riducente: il potenziale di riduzione dello ione Zn2+(-0,762 V) è molto meno negativo di quello di Mg2+ (-2,372 V); in questo lo zinco assomiglia, piuttosto, al manganese (-1,185 V), che è un po' più reattivo.

La minore reattività dello zinco viene sfruttata anche in chimica organica, dove i composti di organozinco (zinco dialchili, R2Zn, e alogenuri di zinco alchile, RZnX) risultano meno nucleofili e meno basici dei corrispondenti composti di organomagnesio, permettendo così migliore selettività e meno precauzioni nel loro uso.

Disponibilità Lo zinco è il ventiquattresimo elemento più abbondante nella crosta terrestre; i giacimenti di zinco più sfruttati contengono di solito il 10% di ferro e il 40%-50% di zinco. I minerali da cui si estrae lo zinco sono la sfalerite (o blenda), la smithsonite, la calamina e la franklinite.

Esistono miniere di zinco in tutto il mondo e i maggiori produttori sono l'Australia, il Canada, la Cina, il Perù e gli Stati Uniti. In Europa le due miniere più importanti sono la Vieille Montagne in Belgio e la Zinkgruvan in Svezia.

I maggiori produttori di zinco nel 2019 Posizione Paese Produzione (tonnellate) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Estrazione

Lo zinco è il quarto metallo più comune nell'uso tecnologico dopo ferro, alluminio e rame, per tonnellate di metallo prodotto annualmente.

L'estrazione dello zinco viene operata secondo due differenti procedimenti: per via termica o per via elettrolitica.

Via termica

I minerali di zinco vengono ossidati con aria, secondo la reazione:

2 ZnS + 3 O2 → 2 ZnO + 2 SO2

gli ossidi di zinco vengono poi ridotti per via termica, secondo la reazione:

2 ZnO → 2 Zn + O2

In questa maniera si produce zinco metallico in fase vapore; per poterlo successivamente condensare è necessario estrarlo insieme al piombo, che impedisce alla reazione di tornare indietro verso l'ossido di zinco; il piombo e lo zinco vengono successivamente separati in una colonna di distillazione operante alla temperatura di circa in carburo di silicio, da cui si ottengono zinco e piombo pressoché puri allo stato fuso.

Via elettrolitica

L'ossido di zinco viene lisciviato con acido solforico secondo la reazione:

ZnO + H2SO4 → ZnSO4 + 2 H+

e inviato in una cella elettrolitica che contiene come elettrolita una soluzione di solfato di zinco; l'anodo è costituito da una lastra di piombo, mentre il catodo è costituito da una lastra di zinco puro; la reazione complessiva è:

ZnSO4 + H2O → Zn + H2SO4 + 1/2 O2

ottenendo catodi di zinco puro.

Isotopi Dell'elemento zinco si conoscono almeno trenta isotopi, con numeri di massa che vanno da A = 54 ad A = 83.Tra questi, gli isotopi stabili (o almeno apparentemente stabili) dello zinco esistenti in natura sono i cinque che seguono, con le loro abbondanze relative in parentesi:

64Zn (il più abbondante, 48,6%), 66Zn (27,73%), 67Zn (4,04%), 68Zn (18,45%) e 70Zn (0,61%).

Isotopi stabili Gli isotopi naturali centrali (66Zn, 67Zn, e 68Zn) sono stabili, mentre il primo (64Zn) e l'ultimo (70Zn) sono soggetti a modi di decadimento di segno opposto, ma con emivite enormi (rispettivamente stimate con limiti inferiori di e  anni) molto maggiori della età stimata dell'universo, che è dell'ordine di 1010 anni, e ciò comporta che la loro radioattività sia talmente ridotta da essere insignificante e ciò permette di considerarli, all'atto pratico, come non radioattivi.

L'isotopo Zn-64 è soggetto al decadimento, in maggior parte per cattura elettronica e emissione di positrone (ε+β+), e in minor parte per doppia cattura elettronica (εε), in entrambi i casi con emissione di 2 neutrini; questo lo trasforma in Ni-64 (Q(εε) ≈ 1094,9 keV, Q(ε+β+) ≈ 72,9 keV), il quale è l'ultimo isotopo naturale del nichel, che è stabile.

L'isotopo Zn-70, l'ultimo per abbondanza, è invece soggetto al doppio decadimento β−, con emissione di 2 antineutrini; questo lo trasforma in Ge-70 (Q = 998,46 keV), il quale è il primo isotopo naturale del germanio, che è stabile. Per la sua scarsa abbondanza naturale (0,61%) può essere usato per testare l'assorbimento dello zinco (oligoelemento essenziale) con somministrazioni di campioni opportunamente arricchiti in questo isotopo. Inoltre, dato che questo è un isotopo naturale ricco di neutroni (10 più dei protoni), viene considerato il suo impiego in ricerche sulla sintesi di elementi superpesanti.

L'isotopo Zn-67, sebbene penultimo per abbondanza, è tuttavia l'unico isotopo naturale ad avere uno spin nucleare (5/2-) e questo rende possibile l'applicazione su questo nucleo della risonanza magnetica nucleare (67Zn-RMN) allo stato solido, che viene usata sia su nanoparticelle sia su sistemi biologici.

Isotopi radioattivi L'isotopo 54Zn è in isotopo singolare dello zinco. Con un'emivita di appena 1,59 millisecondi, decade per il 92% per doppia emissione di protone, trasformandosi in 54Ni (Q = 1,509 MeV), un modo di decadimento estremamente raro, possibile solo a nuclei atomici fortemente carenti di neutroni e aventi protoni in numero pari. Un altro nuclide che esibisce tale fenomeno è il 45Fe.

L'isotopo Zn-62 decade, con un'emivita di 9,186 ore, per emissione di positrone (β+) a Cu-62 (Qεε = 1626,2 keV, Qβ+ = 604,2 keV); quest'ultimo nuclide decade a sua volta, ancora β+, a dare Ni-62, stabile.

L'isotopo Zn-63 (spin 3/2-), con emivita di 38,47 minuti, decade per emissione di positrone (β+) a Cu-63 (Qεε = 3,366 MeV), stabile.

L'isotopo Zn-65 (spin 3/2-), con emivita di 244,01 giorni, decade per cattura elettronica/emissione di positrone (ε/β+) a Cu-65 (Qε = 1352,1 keV, Qβ+ = 330,1 keV), stabile. Questo è il radioisotopo più longevo e anch'esso trova applicazioni in studi di assorbimento e metabolismo dello zinco.

L'isotopo Zn-69 (spin 1/2-), con emivita di 56,33 minuti, decade β− a Ga-69 (Q = 909,8 keV), stabile.

L'isotopo Zn-71 (spin 1/2-), con emivita di 2,45 minuti, decade β− a Ga-71 (Q = 2,813 MeV), stabile.

L'isotopo Zn-72, con emivita di 1,933 giorni (46,39 ore), decade β− a Ga-72 (Q = 458 keV), che poi decade a sua volta β− a Ge-72, stabile.

Composti

L'ossido di zinco è probabilmente il composto di zinco più noto e più ampiamente usato: costituisce un'ottima base per pigmenti bianchi e si trova in molte vernici. Si usa anche nell'industria della gomma e si vende come protezione solare. Un'ampia varietà di altri composti trovano applicazione in molti settori dell'industria. Il cloruro di zinco viene impiegato nei deodoranti; il solfuro di zinco nelle vernici fosforescenti, e lo zinco metile si usa come reagente in chimica organica. Circa un quarto di tutta la produzione mondiale di zinco viene impiegata sotto forma di composti di zinco. Ioduro di zinco Solfato di zinco Il sale di zinco, in acido acetico, diventa acetato di zinco.

Applicazioni

Lo zinco si usa per galvanizzare metalli come l'acciaio per prevenirne la corrosione.