Qual è la carica ionica dello zinco (Zn)?

Gli ioni di zinco formano una serie di composti che hanno applicazioni pratiche. L’ossido di zinco (ZnO), per esempio, è prodotto in massa come semiconduttore per l’uso in elettronica, mentre il solfuro di zinco (ZnS) è usato come materiale ottico nei dispositivi a infrarossi. Lo zinco è anche un minerale traccia essenziale richiesto per la trasduzione del segnale e la trascrizione nelle cellule eucariotiche. I composti fatti di ioni di zinco tendono ad adottare una struttura cristallina simmetrica e hanno una lucentezza incolore come il ferro.

Cos’è uno ione?

Facciamo un passo indietro rispetto allo zinco e rivediamo prima cos’è esattamente uno ione. Normalmente, gli atomi contengono un numero uguale di protoni ed elettroni. Poiché i protoni e gli elettroni hanno cariche uguali e opposte (rispettivamente +1 e -1) gli atomi con un numero uguale di protoni ed elettroni saranno elettricamente neutri, poiché ogni carica positiva è annullata da una corrispondente carica negativa e viceversa.

Gli atomi possono guadagnare o perdere elettroni. Quando questo accade, l’atomo non ha più quantità uguali di cariche elettriche opposte, quindi l’atomo assumerà una carica complessiva e diventerà uno ione Se l’atomo guadagna elettroni, avrà un’abbondanza di cariche negative, e assumerà una carica complessiva negativa. Se l’atomo perde elettroni, avrà un’abbondanza di cariche positive e assumerà una carica complessiva positiva. Gli ioni con carica negativa sono chiamati anioni e gli ioni con carica positiva sono chiamati cationi.

“La vita non si trova in atomi o molecole o geni in quanto tali, ma nell’organizzazione; non nella simbiosi ma nella sintesi.” – Edwin Grant Conklin

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Se un atomo forma o meno un anione dipende dalla sua elettronegatività. L’elettronegatività è una misura di quanto un atomo attira gli elettroni. Gli elementi più elettronegativi, come l’ossigeno o il fluoro, tirano molto sugli elettroni, quindi è più probabile che formino anioni rubando elettroni da altri atomi.

Se un atomo formerà un catione dipende dall’energia di ionizzazione dell’atomo. L’energia di ionizzazione è una misura di quanta energia è richiesta per rimuovere un elettrone dall’atomo. In generale, gli atomi che hanno basse energie di ionizzazione tendono a formare cationi. Gli atomi con basse energie di ionizzazione possono avere più facilmente i loro elettroni rimossi, e quindi possono più facilmente formare cationi. Come regola generale, gli elementi a destra della tavola periodica tendono a formare cationi, e gli elementi a sinistra della tavola periodica tendono a formare anioni. Questa tendenza attraverso la tavola periodica riflette le tendenze nelle elettronegatività e nelle energie di ionizzazione degli elementi che sono incorporate nell’organizzazione della tavola periodica.

Gli ioni formati da un singolo atomo sono chiamati ioni monoatomici. Le molecole che hanno un carattere ionico sono chiamate ioni poliatomici. Gli ioni poliatomici non vanno confusi con le molecole polari. Gli ioni poliatomici hanno cariche intere mentre le molecole polari hanno cariche elettriche parziali.

Gli ioni si impegnano in una forma unica di legame chiamata legame ionico. Durante il legame ionico, i cationi caricati positivamente attirano gli anioni vicini e si dispongono in una struttura cristallina strettamente imballata. Come tale, i composti ionici tendono ad essere fragili e ad avere alti punti di fusione.

Gli ioni fatti da metalli e semi-metalli subiscono un tipo speciale di legame ionico chiamato legame metallico. I legami metallici consistono in un reticolo caricato positivamente di cationi metallici circondati da un “mare” delocalizzato di elettroni. Nei legami metallici, gli elettroni di valenza sono sciolti dai loro orbitali e sono condivisi liberamente attraverso la struttura molecolare. La delocalizzazione degli elettroni nei legami metallici spiega molte delle proprietà uniche dei metalli, come la loro duttilità, le proprietà conduttive, la lucentezza e la malleabilità.

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Lo zinco come ione

Lo zinco è un elemento del blocco d degli elementi. Ha una configurazione elettronica di 3d104s2. Lo zinco non è generalmente considerato un metallo di transizione perché ha un guscio d completo, anche se è considerato un metallo di transizione in alcuni testi.

La chimica dello zinco è quasi interamente governata dalla sua carica ionica +2. Un catione Zn2+ si è liberato dei due elettroni nel suo sottoguscio 4s, lasciando solo il sottoguscio 3d pieno. I cationi Zn2+ si dissolvono in acqua per formare complessi ottaedrici della forma 2+. Molto raramente, due ioni Zn1+ si legano per formare uno ione biatomico di zinco Zn22+, simile allo ione biatomico di mercurio Hg22+. Questo è l’unico caso conosciuto di un composto formato con ioni Zn+1. Tutti gli altri composti di zinco si formano con ioni Zn2+.

“Le stesse poche decine di molecole organiche sono usate più e più volte in biologia per la più grande varietà di funzioni.” – Carl Sagan

Gli ioni di zinco tendono a comportarsi in modo simile agli ioni rame (Cu) e nichel (Ni). Lo zinco si ossida rapidamente in presenza di ossigeno, formando ossido di zinco (ZnO). Trattando lo zinco puro con acido si formano Zn2+ e idrogeno gassoso (H2). I composti fatti dagli ioni Zn2+ tendono ad organizzarsi in una struttura tetraedrica o esagonale.

Esempi di composti con ioni di zinco

Ossido di zinco

L’ossido di zinco (ZnO) è il composto di zinco più ampiamente usato. L’ossido di zinco è una polvere bianca inorganica insolubile a temperatura ambiente. Pur essendo una sostanza presente in natura, la maggior parte dell’ossido di zinco è prodotta sinteticamente. L’ossido di zinco si presenta in due strutture principali, un reticolo esagonale e un reticolo cubico. L’ossido di zinco esagonale è la forma più stabile di ossido di zinco ed è quindi la più comune. La struttura esagonale consiste in un complesso di subunità tetraedriche, ciascuna composta da uno ione centrale di zinco circondato da 4 ioni di ossigeno (O2-).

La struttura cristallina simmetrica dell’ossido di zinco gli permette di deformarsi senza rompersi. Questa proprietà rende l’ossido di zinco un materiale altamente piezoelettrico. I materiali piezoelettrici sono materiali cristallini che possono convertire una forza meccanica in un segnale elettrico. Quando un materiale piezoelettrico viene deformato, la struttura degli ioni viene spostata in modo che le cariche elettriche non siano più distribuite uniformemente nel materiale. Poiché ora c’è una differenza netta di carica elettrica, si genera una corrente elettrica attraverso il materiale. L’ossido di zinco, in particolare, ha un tensore piezoelettrico molto alto, quindi converte molto facilmente lo stress meccanico in potenziale elettrico.

La struttura geometrica dell’ossido di zinco gli dà un’alta capacità termica e una bassa espansione termica. Questo rende l’ossido di zinco utile per l’applicazione nelle ceramiche per la realizzazione di smalti. I rivestimenti trattati con ossido di zinco hanno meno probabilità di incrinarsi sotto le alte temperature del processo di cottura. Questa stessa proprietà rende l’ossido di zinco utile anche nella vulcanizzazione della gomma e come rivestimento che assorbe la luce UV. È anche usato come pigmento per vernici bianche.

L’ossido di zinco ha mostrato alcune applicazioni igieniche e medicinali. Storicamente, l’ossido di zinco è un costituente principale della calamina, una lozione usata per combattere il prurito della pelle secca. I prodotti moderni per la pelle come il borotalco e gli shampoo antiforfora utilizzano ancora le proprietà anti-prurito dell’ossido di zinco. In odontoiatria, l’ossido di zinco è mescolato con l’eugenolo e applicato ai denti per servire come restauratore. Infine, l’ossido di zinco è un ingrediente comune nei prodotti di protezione solare. Le nanoparticelle di ossido di zinco nella protezione solare assorbono efficacemente la luce e proteggono la pelle dai raggi UV.

Solfuro di zinco

Il solfuro di zinco è un composto inorganico con una formula chimica (ZnS). Il solfuro di zinco è il principale tipo di zinco in natura, che si trova sotto forma di sfalerite minerale. Il solfuro di zinco esibisce fosforescenza, quindi è usato in prodotti come i raggi catodici, schermi a raggi X e oggetti che brillano nel buio.

È anche usato come materiale nei dispositivi ottici. I solidi composti da solfuro di zinco possono trasmettere lunghezze d’onda dal visibile all’infrarosso, quindi è un composto utile per dispositivi che usano sensori a infrarossi. Le proprietà che danno il suo carattere ottico rendono anche il solfuro di zinco un buon semiconduttore.

“La biologia molecolare è essenzialmente la pratica della biochimica senza la licenza.” – Erwin Chargaff

Cloruro di zinco

Cloruro di zinco (ZnCl2) è un sale ionico formato dall’unione di un catione Zn2+ e 2 anioni Cl-. Uno dei principali usi del cloruro di zinco è nella saldatura dei metalli. Il cloruro di zinco reagisce con vari ossidi di metallo, dissolvendoli ed esponendo la superficie metallica chiara. La maggior parte delle granate fumogene producono fumo di cloruro di zinco attraverso la reazione dell’ossido di zinco con l’esacloroetano. Il cloruro di zinco ha anche trovato storicamente uso come antisettico, particolarmente nel colluttorio.

Acetato di zinco

L’acetato di zinco (Zn(CH3CO2)2) è un sale organometallico L’acetato di zinco è formato da uno ione Zn2+ che forma un legame con 2 ioni acetati che sono derivati da acido acetico. È comunemente usato nelle pastiglie per la gola per il raffreddore e come integratore alimentare di base.

Per riassumere, lo zinco è un elemento del blocco d con un numero atomico di 30. Lo zinco forma più comunemente ioni caricati positivamente con una carica di 2+. Molto raramente, lo zinco forma ioni con una carica di +1. Gli ioni di zinco sono un costituente di molti composti comunemente usati. Gli ioni Zn2+ sono un efficace agente riducente e formano facilmente legami ionici. La maggior parte dei composti inorganici di zinco sono malleabili, hanno un’alta capacità termica e sono piezoelettrici. I composti di zinco hanno una vasta gamma di applicazioni, comprese le ceramiche, le tecnologie ottiche, le vernici e la medicina.