Le zinc (Zn) est un métal situé dans le groupe 12 du bloc d du tableau périodique. Le numéro atomique du zinc est 30, ce qui signifie que son noyau contient 30 protons. Le zinc forme le plus souvent des cations chargés positivement avec une charge de +2.
Le zinc formera rarement des ions avec une charge de +1 mais il ne formera jamais d’ions avec une charge négative. Comme le zinc est un métal, il forme généralement des composés métalliques avec d’autres métaux. Comme il a une charge ionique de +2, les ions zinc sont de puissants agents réducteurs et forment facilement des liaisons ioniques.
Les ions zinc forment un certain nombre de composés qui ont des applications pratiques. L’oxyde de zinc (ZnO), par exemple, est produit en masse comme semi-conducteur pour l’électronique, tandis que le sulfure de zinc (ZnS) est utilisé comme matériau optique dans les dispositifs infrarouges. Le zinc est également un oligo-élément essentiel nécessaire à la transduction des signaux et à la transcription dans les cellules eucaryotes. Les composés constitués d’ions zinc ont tendance à adopter une structure cristalline symétrique et à avoir un éclat incolore comme le fer.
Qu’est-ce qu’un ion ?
Prenons un peu de recul par rapport au zinc et revoyons d’abord ce qu’est, exactement, un ion. Normalement, les atomes contiennent un nombre égal de protons et d’électrons. Comme les protons et les électrons ont des charges égales et opposées (respectivement +1 et -1), les atomes ayant un nombre égal de protons et d’électrons seront électriquement neutres car chaque charge positive est annulée par une charge négative correspondante et vice versa.
Les atomes peuvent gagner ou perdre des électrons. Lorsque cela se produit, l’atome n’a plus des quantités égales de charges électriques opposées, donc l’atome prendra une charge globale et deviendra un ion Si l’atome gagne des électrons, il aura une abondance de charges négatives, et prendra une charge négative globale. Si l’atome perd des électrons, il aura une abondance de charges positives et prendra une charge globale positive. Les ions chargés négativement sont appelés anions et les ions chargés positivement sont appelés cations.
« La vie ne se trouve pas dans les atomes, les molécules ou les gènes en tant que tels, mais dans l’organisation ; pas dans la symbiose mais dans la synthèse. » – Edwin Grant Conklin
AVERTISSEMENT
La possibilité pour un atome de former un anion dépend de son électronégativité. L’électronégativité est une mesure de l’attraction exercée par un atome sur les électrons. Les éléments plus électronégatifs, comme l’oxygène ou le fluor, tirent très fort sur les électrons, ils sont donc plus susceptibles de former des anions en volant des électrons à d’autres atomes.
La possibilité pour un atome de former un cation dépend de l’énergie d’ionisation de l’atome. L’énergie d’ionisation est une mesure de la quantité d’apport énergétique nécessaire pour retirer un électron de l’atome. En général, les atomes qui ont une faible énergie d’ionisation ont tendance à former des cations. Les atomes ayant une faible énergie d’ionisation peuvent plus facilement se débarrasser de leurs électrons, et donc former plus facilement des cations. En règle générale, les éléments situés à droite du tableau périodique ont tendance à former des cations, et les éléments situés à gauche du tableau périodique ont tendance à former des anions. Cette tendance à travers le tableau périodique reflète les tendances dans les électronégativités et les énergies d’ionisation des éléments qui sont intégrées dans l’organisation du tableau périodique.
Les ions fabriqués à partir d’un seul atome sont appelés ions monatomiques. Les molécules qui ont un caractère ionique sont appelées ions polyatomiques. Les ions polyatomiques ne doivent pas être confondus avec les molécules polaires. Les ions polyatomiques ont des charges entières alors que les molécules polaires ont des charges électriques partielles.
Les ions s’engagent dans une forme unique de liaison appelée liaison ionique. Au cours de la liaison ionique, les cations chargés positivement vont attirer les anions à proximité et se disposer en une structure de réseau cristallin très serrée. À ce titre, les composés ioniques ont tendance à être cassants et à avoir des points de fusion élevés.
Les ions fabriqués à partir de métaux et de semi-métaux subissent une forme particulière de liaison ionique appelée liaison métallique. Les liaisons métalliques consistent en un réseau de cations métalliques chargés positivement et entourés d’une « mer » délocalisée d’électrons. Dans les liaisons métalliques, les électrons de valence sont détachés de leurs orbitales et sont partagés librement dans la structure moléculaire. La délocalisation des électrons dans les liaisons métalliques explique bon nombre des propriétés uniques des métaux, comme leur ductilité, leurs propriétés conductrices, leur éclat et leur malléabilité.
Le zinc en tant qu’ion
Le zinc est un élément du bloc d des éléments. Il a une configuration électronique de 3d104s2. Le zinc n’est généralement pas considéré comme un métal de transition car il possède une coquille d complète, bien qu’il soit considéré comme un métal de transition dans certains textes.
La chimie du zinc est presque entièrement régie par la charge de son ion +2. Un cation Zn2+ s’est débarrassé des deux électrons de sa sous-coquille 4s, ne laissant que la sous-coquille 3d remplie. Les cations Zn2+ se dissolvent dans l’eau pour former des complexes octaédriques de forme 2+. Très rarement, deux ions Zn1+ se lient pour former un ion zinc diatomique Zn22+, similaire à l’ion mercure diatomique Hg22+. C’est le seul cas connu d’un composé formé avec des ions Zn+1. Tous les autres composés du zinc sont formés avec des ions Zn2+.
« Les mêmes quelques dizaines de molécules organiques sont utilisées encore et encore en biologie pour la plus grande variété de fonctions. » – Carl Sagan
Les ions zinc ont tendance à se comporter de manière similaire aux ions cuivre (Cu) et nickel (Ni). Le zinc s’oxyde rapidement en présence d’oxygène, formant de l’oxyde de zinc (ZnO). Si l’on traite du zinc pur avec de l’acide, on obtient Zn2+ et de l’hydrogène (H2). Les composés fabriqués à partir d’ions Zn2+ ont tendance à s’agencer dans une structure de réseau tétraédrique ou hexagonal.
Exemples de composés avec des ions de zinc
Oxyde de zinc
L’oxyde de zinc (ZnO) est le composé de zinc le plus utilisé. L’oxyde de zinc est une poudre blanche inorganique insoluble à température ambiante. Bien qu’il s’agisse d’une substance naturelle, la plupart des oxydes de zinc sont produits de manière synthétique. L’oxyde de zinc se présente sous deux structures principales, un réseau hexagonal et un réseau cubique. L’oxyde de zinc hexagonal est la forme la plus stable de l’oxyde de zinc et est donc la plus courante. La structure hexagonale consiste en un complexe de sous-unités tétraédriques, chacune étant constituée d’un ion zinc central entouré de 4 ions oxygène (O2-).
La structure cristalline symétrique de l’oxyde de zinc lui permet de se déformer sans se rompre. Cette propriété fait de l’oxyde de zinc un matériau hautement piézoélectrique. Les matériaux piézoélectriques sont des matériaux cristallins qui peuvent convertir une force mécanique en un signal électrique. Lorsqu’un matériau piézoélectrique est déformé, la structure ionique est déplacée de sorte que les charges électriques ne sont plus réparties uniformément dans le matériau. Comme il existe désormais une différence nette de charge électrique, un courant électrique est généré à travers le matériau. L’oxyde de zinc, en particulier, a un tenseur piézoélectrique très élevé, il convertit donc très facilement la contrainte mécanique en potentiel électrique.
La structure géométrique de l’oxyde de zinc lui confère une capacité thermique élevée et une faible dilatation thermique. Cela rend l’oxyde de zinc utile pour une application dans les céramiques pour fabriquer des glaçures et des émaux. Les revêtements traités à l’oxyde de zinc sont moins susceptibles de se fissurer sous les hautes températures du processus de cuisson. Cette même propriété rend l’oxyde de zinc utile dans la vulcanisation du caoutchouc et comme revêtement absorbant la lumière UV. Il est également utilisé comme pigment pour les peintures blanches.
L’oxyde de zinc a montré quelques applications hygiéniques et médicinales. Historiquement, l’oxyde de zinc est un constituant principal de la calamine, une lotion utilisée pour combattre les démangeaisons de la peau sèche. Les produits modernes pour la peau, comme la poudre pour bébé et les shampooings antipelliculaires, utilisent toujours les propriétés anti-démangeaisons de l’oxyde de zinc. En dentisterie, l’oxyde de zinc est mélangé à de l’eugénol et appliqué sur les dents pour les restaurer. Enfin, l’oxyde de zinc est un ingrédient courant des produits de protection solaire. Les nanoparticules d’oxyde de zinc dans les écrans solaires absorbent efficacement la lumière et protègent la peau des rayons UV.
Sulfure de zinc
Le sulfure de zinc est un composé inorganique de formule chimique (ZnS). Le sulfure de zinc est le principal type de zinc dans la nature, que l’on trouve sous la forme du minéral sphalérite. Le sulfure de zinc présente une phosphorescence, il est donc utilisé dans des produits comme les rayons cathodiques, les écrans à rayons X et les objets qui brillent dans le noir.
Il est également utilisé comme matériau dans les dispositifs optiques. Les solides composés de sulfure de zinc peuvent transmettre les longueurs d’onde du visible à l’infrarouge, c’est donc un composé utile pour les dispositifs qui utilisent des capteurs infrarouges. Les propriétés qui lui confèrent son caractère optique font également du sulfure de zinc un bon semi-conducteur.
« La biologie moléculaire est essentiellement la pratique de la biochimie sans la licence. » – Erwin Chargaff
Chlorure de zinc
Le chlorure de zinc (ZnCl2) est un sel ionique formé par l’union d’un cation Zn2+ et de 2 anions Cl-. L’une des principales utilisations du chlorure de zinc est la soudure des métaux. Le chlorure de zinc réagit avec divers oxydes métalliques, les dissolvant et exposant la surface métallique transparente. La plupart des grenades fumigènes produisent de la fumée de chlorure de zinc par la réaction de l’oxyde de zinc avec l’hexachloroéthane. Le chlorure de zinc a également trouvé historiquement une utilisation comme antiseptique, notamment dans les bains de bouche.
Acétate de zinc
L’acétate de zinc (Zn(CH3CO2)2) est un sel organométallique L’acétate de zinc est formé par un ion Zn2+ formant une liaison avec 2 ions acétate qui sont dérivés de l’acide acétique. Il est couramment utilisé dans les pastilles pour la gorge contre le rhume et comme complément alimentaire de base.
Pour résumer, le zinc est un élément du bloc d dont le numéro atomique est de 30. Le zinc forme le plus souvent des ions chargés positivement avec une charge de 2+. Très rarement, le zinc forme des ions avec une charge de +1. Les ions de zinc sont un constituant de nombreux composés d’usage courant. Les ions Zn2+ sont un agent réducteur efficace et forment facilement des liaisons ioniques. La plupart des composés inorganiques du zinc sont malléables, ont une capacité thermique élevée et sont piézoélectriques. Les composés du zinc ont un large éventail d’applications, notamment dans les domaines de la céramique, des technologies optiques, des peintures et de la médecine.
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