Zn là nguyên tố gì - Tính chất, ứng dụng và vai trò của kẽm

Tìm hiểu Zn là nguyên tố gì?

Kẽm (Zn) là một trong những nguyên tố vi lượng thiết yếu của cuộc sống, xúc tác cho nhiều hoạt động sinh hóa trong cơ thể. Như đã đề cập, kẽm có số hiệu nguyên tử 30 và thuộc nhóm kim loại chuyển tiếp, với cấu hình electron là Ar 3d¹⁰ 4s². Nó thường hiện diện trong nhiều hợp chất hóa học quan trọng và có vai trò cực kỳ quan trọng trong việc duy trì sức khỏe cũng như sự phát triển của cơ thể. Hóa trị của kẽm chủ yếu là +2, cho phép nó dễ dàng tham gia vào các phản ứng hóa học. 

Tính chất lý hóa của Zn (Kẽm)

Kẽm là một kim loại độc đáo với nhiều tính chất lý hóa nổi bật. Hữu ích trong nhiều ứng dụng công nghiệp, kẽm không chỉ đơn thuần là một nguyên tố mà còn là một phần của nhiều phản ứng hóa học. Các tính chất nổi bật của kẽm được liệt kê sau đây:

Trạng thái tồn tại của kẽm 

Tính chất vật lý

Kẽm (Zn) là một kim loại chuyển tiếp có những đặc tính vật lý nổi bật sau:

• Trạng thái: Ở điều kiện thường, kẽm tồn tại ở trạng thái rắn.

• Màu sắc: Kẽm nguyên chất có màu trắng bạc, tuy nhiên khi tiếp xúc với không khí, bề mặt của nó thường bị oxy hóa tạo thành một lớp màng oxit mỏng màu xám.

• Độ cứng: Kẽm tương đối cứng và giòn ở nhiệt độ phòng. Tuy nhiên, khi nhiệt độ tăng lên từ 100°C đến 150°C, kẽm trở nên dẻo hơn và có thể dễ dàng uốn cong.

• Khối lượng riêng: Khối lượng riêng của kẽm khá lớn, khoảng 7.13 g/cm³.

• Điểm nóng chảy: Kẽm có điểm nóng chảy tương đối thấp so với nhiều kim loại khác, khoảng 419.53°C.

• Điểm sôi: Điểm sôi của kẽm cũng không quá cao, khoảng 907°C.

• Độ dẫn điện: Kẽm là một chất dẫn điện khá tốt, tuy nhiên độ dẫn điện của nó thấp hơn so với đồng và nhôm.

• Độ dẫn nhiệt: Kẽm cũng là một chất dẫn nhiệt tốt, giúp nó được ứng dụng trong nhiều thiết bị tản nhiệt.

• Tính dẻo: Như đã đề cập, kẽm có tính dẻo ở một khoảng nhiệt độ nhất định, giúp nó có thể được kéo thành dây hoặc cán thành tấm.

Một số đặc điểm vật lý khác của kẽm:

• Tính tinh thể: Kẽm có cấu trúc tinh thể lục giác.

• Tính đàn hồi: Kẽm có tính đàn hồi kém hơn so với nhiều kim loại khác.

• Tính từ: Kẽm là một chất nghịch từ.

Tính chất hóa học

Kẽm (Zn) là một kim loại hoạt động trung bình, có nhiều tính chất hóa học đặc trưng. Dưới đây là một số phản ứng hóa học quan trọng của kẽm:

Tính chất hóa học của kẽm 

1. Tác dụng với oxi:

Khi đốt cháy trong không khí, kẽm tạo thành oxit kẽm (ZnO):  2Zn + O₂ → 2ZnO

 ZnO là một chất bột màu trắng, không tan trong nước.

2. Tác dụng với phi kim khác:

Với lưu huỳnh:  Zn + S → ZnS

ZnS là kẽm sunfua, một chất rắn màu trắng.

Với halogen:  Zn + Cl₂ → ZnCl₂

 ZnCl₂ là kẽm clorua, một chất rắn màu trắng, tan tốt trong nước.

3. Tác dụng với axit:

Với axit không có tính oxi hóa:  Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂

Kẽm tác dụng với axit HCl giải phóng khí hidro.

Với axit có tính oxi hóa:  Zn + 4HNO₃ (đặc, nóng) → Zn(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O

Kẽm tác dụng với HNO₃ đặc, nóng tạo ra khí NO₂ màu nâu đỏ.

4. Tác dụng với dung dịch muối:

Kẽm đẩy được các kim loại đứng sau nó trong dãy hoạt động hóa học ra khỏi dung dịch muối:  Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu

5. Tính lưỡng tính:

Kẽm có tính lưỡng tính, tức là vừa tác dụng với axit, vừa tác dụng với dung dịch kiềm:  Zn + 2NaOH + 2H₂O → Na₂[Zn(OH)₄] + H₂

Zn có những ứng dụng thực tiễn nào trong đời sống?

Với các tính chất lý hóa đặc biệt, kẽm (Zn) có nhiều ứng dụng quan trọng trong đời sống và công nghiệp. Kẽm được sử dụng phổ biến trong quá trình mạ, giúp bảo vệ các kim loại khác khỏi sự ăn mòn, đặc biệt là trong ngành thép và sản xuất sản phẩm từ sắt.

• Hợp kim: Kẽm đóng vai trò chính trong nhiều hợp kim, như đồng thau (Zn-Cu), được dùng rộng rãi trong sản xuất đồ dùng gia dụng và nhạc cụ.

• Pin và ắc quy: Kẽm được sử dụng trong pin kẽm-carbon và pin kẽm-không khí, cung cấp nguồn điện cho nhiều thiết bị điện tử.

Ngoài ra, kẽm còn được sử dụng trong lĩnh vực y học với các sản phẩm như thuốc mỡ và kem bôi, nhờ tính chất kháng viêm và hỗ trợ làm lành vết thương hiệu quả.

Các hợp chất quan trọng của Zn trong công nghiệp là gì?

Kẽm là một kim loại có nhiều ứng dụng quan trọng trong cuộc sống hàng ngày và các ngành công nghiệp. Nhờ những tính chất vật lý và hóa học đặc trưng, kẽm đã trở thành một nguyên liệu không thể thiếu trong nhiều sản phẩm.

1. Ngành công nghiệp:

Mạ kẽm được ứng dung nhiều trong công nghiệp

• Mạ kẽm:

  • Bảo vệ các vật dụng bằng sắt, thép khỏi bị ăn mòn: Khi mạ một lớp kẽm lên bề mặt sắt, kẽm sẽ bị oxi hóa trước, tạo thành một lớp màng oxit bảo vệ lớp sắt bên trong.

  • Tăng tính thẩm mỹ cho sản phẩm.

• Sản xuất hợp kim:

  • Đồng thau (hợp kim của đồng và kẽm): Được sử dụng rộng rãi trong sản xuất các linh kiện điện tử, đồng hồ, khóa cửa,...

  • Đồng đỏ (hợp kim của đồng và kẽm): Sử dụng trong sản xuất các thiết bị gia dụng, đồ trang sức,...

• Sản xuất pin:

  • Pin kẽm-carbon: Loại pin phổ biến, được sử dụng trong nhiều thiết bị điện tử.

2. Ngành xây dựng:

• Sản xuất xi măng: Kẽm oxit được sử dụng như một chất phụ gia trong sản xuất xi măng, giúp tăng cường độ bền của xi măng.

• Sản xuất sơn: Kẽm oxit được sử dụng làm chất tạo màu trắng trong sơn.

3. Ngành y tế:

• Thuốc bổ sung: Kẽm là một khoáng chất thiết yếu cho cơ thể, giúp tăng cường hệ miễn dịch, hỗ trợ quá trình lành vết thương và tham gia vào nhiều quá trình sinh hóa khác.

• Kem chống nắng: Một số loại kem chống nắng có chứa kẽm oxit, giúp bảo vệ da khỏi tác hại của tia cực tím.

4. Các ứng dụng khác:

• Sản xuất cao su: Kẽm oxit được sử dụng làm chất xúc tác trong quá trình lưu hóa cao su.

• Sản xuất mỹ phẩm: Kẽm oxit được sử dụng trong một số loại mỹ phẩm như phấn rôm, kem dưỡng da.

• Sản xuất giấy: Kẽm sunfua được sử dụng trong sản xuất giấy.

Zn có vai trò gì trong cơ thể con người?

Zn có vai trò gì trong cơ thể con người?

Kẽm cũng đóng vai trò thiết yếu trong sức khỏe của con người. Là một nguyên tố vi lượng cần thiết, kẽm hỗ trợ một loạt các chức năng sinh lý quan trọng.

• Tham gia vào cấu trúc và hoạt động của enzyme: Kẽm là thành phần của hơn 300 enzyme, tham gia vào quá trình tiêu hóa và chuyển hóa protein.

• Hỗ trợ hệ miễn dịch: Kẽm cần thiết cho sự phát triển và chức năng của tế bào lympho, từ đó giúp cơ thể chống lại bệnh tật.

• Giúp phát triển và duy trì chức năng sinh sản: Đặc biệt, kẽm có ảnh hưởng lớn đến sản xuất testosterone và chất lượng tinh trùng.

Vì thế, việc bổ sung kẽm qua chế độ ăn uống là rất cần thiết. Thực phẩm chứa nhiều kẽm bao gồm thịt đỏ, hải sản, ngũ cốc, các loại đậu.

Zn (kẽm) được sản xuất như thế nào?

Quá trình sản xuất kẽm từ quặng đến kim loại tinh khiết trải qua nhiều giai đoạn phức tạp. Dưới đây là một cái nhìn tổng quan về quá trình này:

1. Khai thác quặng kẽm:

• Quặng chính: Quặng sphalerit (ZnS) là nguồn cung cấp kẽm chính. Ngoài ra, còn có các loại quặng khác như smithsonite (ZnCO₃), hemimorphite (Zn₄(OH)₂Si₂O₇·H₂O).

• Địa điểm khai thác: Các mỏ kẽm lớn trên thế giới tập trung ở Trung Quốc, Úc, Peru và Hoa Kỳ.

2. Chuẩn bị quặng:

• Nghiền và xay: Quặng kẽm được nghiền nhỏ thành bột mịn để tăng diện tích tiếp xúc trong các quá trình tiếp theo.

• Tuyển nổi: Quặng nghiền được trộn với nước, hóa chất và không khí để tách các hạt khoáng vật kẽm ra khỏi các tạp chất khác. Các hạt kẽm có tính ưa béo sẽ bám vào bọt khí nổi lên bề mặt, tạo thành bọt khoáng.

3. Thiêu kết:

• Mục đích: Chuyển hóa kẽm sunfua (ZnS) trong quặng thành kẽm oxit (ZnO) để dễ dàng khử trong các giai đoạn sau.

• Quá trình: Bột quặng được nung ở nhiệt độ cao trong không khí, tạo ra phản ứng:  2ZnS + 3O₂ → 2ZnO + 2SO₂

4. Khử kẽm oxit:

• Phương pháp lò tháp: Kẽm oxit được nung nóng với than cốc ở nhiệt độ cao trong lò tháp. Hơi kẽm sinh ra được ngưng tụ lại thành kẽm lỏng.  ZnO + C → Zn + CO

• Phương pháp điện phân: Kẽm oxit được hòa tan trong dung dịch axit sunfuric, sau đó được điện phân để thu được kẽm kim loại ở cực âm.

5. Tinh chế kẽm:

• Tinh luyện: Kẽm thô thu được sau quá trình khử hoặc điện phân thường chứa các tạp chất. Quá trình tinh luyện nhằm loại bỏ các tạp chất này để thu được kẽm tinh khiết.

• Phương pháp điện phân: Đây là phương pháp tinh luyện kẽm phổ biến nhất. Kẽm thô được làm anot, một tấm kẽm tinh khiết được làm catot. Khi cho dòng điện một chiều chạy qua dung dịch, kẽm tinh khiết sẽ bám vào catot.

Lưu ý: Các công đoạn và công nghệ sản xuất kẽm có thể khác nhau tùy thuộc vào loại quặng, quy mô sản xuất và công nghệ của từng nhà máy.

Kết luận, kẽm không chỉ là một nguyên tố hóa học quan trọng mà còn là một phần không thể thiếu trong đời sống hàng ngày cũng như sự phát triển bền vững của nhiều ngành công nghiệp. Với tính chất vật lý và hóa học đa dạng, kẽm có vai trò thiết yếu trong nhiều hoạt động sinh lý của con người cũng như đóng góp trong các quy trình công nghệ. Đông Á mong rằng việc hiểu biết về Zn là nguyên tố gì không chỉ giúp ta có cái nhìn tổng quan về nguyên tố này mà còn nhấn mạnh tầm quan trọng của nó trong việc duy trì sức khỏe và phát triển công nghiệp.