زنك

التاريخ وأصل التسمية

كلمة الخارصين أو الخارصيني هي التسمية العربية للزنك. 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 تعنى 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).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
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.

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.
بعده يمكن اجراء عملية اختزال بنزع الأكسجين من الزنك بواسطة الكربون أو أول أكسيد الكربون طبقا للمعادلات:

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.

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 ، 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.

التفاعلية

الزنك لديه الاكترون التنظيم (التمييز)في المدارالثالث 3d104s2 ورقم مجموعته 12 من الجدول
الدوري وهو معدن رد فعله متوسط وعامل التقليل كبير
سطح المعدن النقي يشوه بسرعة وفي نهاية المطاف تشكيل طبقة وافية من كاربونات الزنك القاعدية Zn5(OH)6(CO3)2، ومن خلال التفاعل مع ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، هذه الطبقة تساعد على منح من التفاعل مع الهواء والماء
الزنك يحترق في الهواء بلهب لامع أخضر مزرق وينتج عنه ابخرة أكسيد الزنك. يتفاعل الزنك بسهولة مع الأحماض والالكيلات وغيرها من اللا فلزات ’وعلى وجه الخصوص فان الزنك النقي يتفاعل ببطئ فقط في الغرف الحرارية مع الأحماض، الأحماض القوية مثل حمض هيدروكلوريك أو حمض الكبريت وينتج عنه انطلاق غاز الهيدروجين والماء،
يتميز الزنك كيمياءيا بناتج التأكسد +2 وعندها تشكل الغلاف الإلكتروني الخارجي الذي يتم فقده في هذه المرحلة للإلكترونين
جزيئات الزنك بالتفلعل مع الكلوريد وتحت درجة حرارة تفوق 285° يتنج عنه Zn2Cl2،
تاكسد الزنك+1
الزنك في الكيمياء يشبه النيكل والنحاس (معادن ذات حالة انتقالية في المدار الأول) وهي في هذه الحالة مركبات ضعيفة التمغنط وعديمة اللون في الغالب

المركبات

اسيتات الزنك
كلوريد الزنك

 
اسيتات الزنك
على الأغلب مركبات ثنائية للزنك تعرف بنسبة للفلزات وكل غير الفلزات باستثناء الغازات النبيلة أكسيد الزنكzno عبارة عن مسحوق أبيض ينحل تقريبا في الماء المقطر
المحاليل القاعدية الضعيفة تحتؤي على ايونات Zn2+، هيدروكسيد الزنكZn(OH)2 يتكون على شكل راسب أبيض
المحاليل القوية الالكنية ’هذا الهيدروكسيد ينحل ليكون الزنكات [Zn(OH)4]2−).[26]، الملبيداتZnMoO4، سيانيد Zn(CN)2 ’نترات الزنكZn(NO₃)₂ كلورات Zn(ClO₃)₂ السلفاتZnSO₄الفوسفات Zn₃(PO₄)₂ الارسينات Zn(AsO4)2 كروماتZnCrO4(من بين المركبات الزنكية الملونة)
و هي بعض من بين العناصر عير العضوية للزنك هو الاسيتات (Zn(O2CCH3)2)، مركبات الزنك العضوية هي التي تحتوي على كربون الزنك

الأهمية الحيوية

يحتاج الجسم الزنك بكميات ضئيلة لا تتعدى 15 ملغ يوميا ويجب الا تتعدى الكمية من 40 ملغ. ويشكل 160 جزءا من الانزيمات التي يحتاجها الجسم لعمليات القلب والتنفس والهضم وغيرها.
له أهمية للجسم تتمثل في دوره في تقوية جهاز المناعة ودعمه. ولقد اكتشف الأطباء انه بإضافة سلفات الزنك للبلازما عند كبار السن يتم تقوية مناعتهم.

الغذاء

يتواجد الزنك في مختلف اللحوم الحمراء (من 50 مع إلى 120مغ للغرام الواحد)، في مختلف لحوم الأسماك و الدواجن.
و يتواجد أيضًا في الغذاء النباتي، و بنسب متفاوتة، فالعديد من النباتات تحتوي على الزنك، إلا أن مقداره فيها يتغير وفق الكميات التي يتواجد بها في التربة.
فعلى سبيل المثال، يتواجد الزنك في الأفوكادو، في اللفت و الكرفس، الخردل، في البرسيم الحجازي (الفصة)، في بذور اليقطين و حب الشمس، في السمسم، في الشوفان و اللوز و الحمص و غيرها من البقوليات.
هناك أنواع من النباتات تحتوي على حمض الفيتيك كالشعير و القمح (بالضبط الغشاء المحيط بحبة القمح)، هذا الحمض يقوم بامتصاص بعض المواد المعدنية أهمها الزنك و الحديد، المنغنيز و الكالسيوم، وعند أكل هذه النباتات فإن حمض الفيتيك يقوم بامتصاص الزنك الفائض و يزيله من الجسم.

الزنك والصحة

الزنك هو عنصر أساسي لحياة البشر والحيوان والنبات. فهو حيوي بالنسبة للكثير من الوظائف البيولوجية ويؤدي دورا حاسما في أكثر من 300 من الإنزيمات في الجسم البشري. أجسام البالغين تحتوي ما بين 2 و3 جرام من الزنك. وهو يوجد في جميع أجزاء الجسم: الأعضاء الحيوية، الأنسجة، والعظام، الخلايا والسوائل. تحتوي العضلات والعظام على معظم مخزون الجسم من الزنك (90٪).إلا أن أعلى تركيز للزنك ضمن الحجم يقع ضمن غدة البروستاتا والسائل المنوي، ليأتي بعد ذلك العينين.
بفضل خصائصه العلاجية، يستخدم أوكسيد الزنك كعلاج لبعض الأمراض الجلدية لأنه مضاد للإلتهاب، لذا فهو يدخل في تركيب المراهم المضادة للإلتهاب و الحروق، و يعالج أمراضا شائعة كطفح الحفاضات و حب الشباب.

المكملات الغذائية

يدخل الزنك على شكل أقراص في تكوين العديد من الفيتامينات و المكملات الغذائية التي نتناولها في حياتنا اليومية، وتحتوي أيضًا على أكسيد الزنك وخلات الزنك حيث تجعلنا نملك خصائص مضادة للاكسدة، والتي تقي من تسارع شيخوخة الجلد والعضلات.

الدور البيولوجي

الزنك هو عنصر تتبع رئيسي وهو ضروري للنباتات والحيوانات والكائنات الحية الدقيقة وقد وجد الزنكفي ما يقارب 100 انزيمات معينة كما يعد المعدن الوحيد الذي يتواجد في الانزيمات،
وهناك ما بين 2-4غ من الزنك موزعة على جميع أنحاء جسم الإنسان، وهو معظمه في المخ، العضلات، الكلى مع تركيز أعلى في أجزاء العين ونمو الجهاز التناسلي
يلعب الزنك ادوارا بيولوجية مختلفة وموزعة على كامل الجسم يدخل ليضا في ميتابوليزم
Rna,dna، في نقل الإشارة والتعبير الجيني

الانزيمات

الشريط التنظيمي لكاربونات الانهيداز2عند الإنسان مع ذرة الزنك واضحة في المركز
اصابع الزنك تساعد في قراءة سلسلة DNA
هذا المعدن له أيضًا هندسة تنسيقية مرنة تسمح بتشكيل البروتينات بسرعة والتحول إلى أجزاء التفاغلات البيولوجية

بروتينات اخرى

يساعد الزنك من خلال بنية التي تسمى اصابع الزنك حيث يركب بعض عمليات النسخ التي هي عبارة عن بروتينات تعرف ب(DNA) تسلسلها ونسخها.
ربما يمكن للزنك أن يحمل في الميثالونين عند الكائنات الدقيقة أو في الخلايا المعوية أو الكبد للحيوانات ’ الميثالوثين في الخلايا المعوية قادر على ضبط امتصاص الزنك من 15-40%’لذلك يمكن الإفراط في الزنك أن يكون ضار.
مرجع اختبارات الدم يبين الزنك في اللون الارجواني في يمين الوسط

سمية الزنك

على الرغم من أن الزنك هو شرط اساسي لصحة جيدة، يمكن أن يكون ضارا وهذا ما يمنع امتصاص الحديد والنحاس. أيون الزنك الحر في المحاليل أكثر خطورة فهو يسبب تسمم النباتات واللافقاريات وحتى الأسماك الفقارية وايون حر هو نموذج نشيط قادر على قتل بعض الأعضاء. المعدة تحتوي على حمض الهيدروكلوريك ’حيث يمكن لمعدن الزنك أن يتحلل ليعطي كلوريد الزنك مما يسبب اضرار على بطانية المعدة بسبب ارتفاع درجة الحموضة ، أما مستويات الزنك التي تزيد على 500 جزء من المليون في التربة
تسبب تداخل في قدرة النباتات على امتصاص المعادن الأساسية الأخرى مثل الحديد والمغنيسيوم.
في عام 1982الولايات المتحدة زرعت مجموعة نباتات بالاعتماد على الزنك لكن كان تركيزه كبير مما سبب تسممها، ومن بين الحالات المزمنة التي كان ناتجها الموت هي 425حالة امتصتها البكتريا والفطريات، وكثير من الحالات التي تم دراستها أثبتت معاناة الإنسان من التسمم بواسطة الزنك من جراء ابتلاع قطع معدنية تحتوي عليه الذي يكون قاتلا في بعض الأحيان أو يسبب فقر الدم الشديد أو أمراض الكبد أو القصور الكلوي القيء، الإسهال وهذه الأعراض هي نتيجة التسمم بواسطة الزنك

التوصيات اليومية

التوصيات اليومية في الولايات المتحدة هي 8 مغ يومياً للنساء و11 مغ يومياً للرجال. إن متوسط الاستهلاك في الولايات المتحدة حوالي العام 2000 كان 9 مغ يومياً للنساء و14مغ يومياً للرجال.

التطبيقات

تطبيقات الزنك تشمل ما يلي: الغلفنة 59%، النحاس والبرونز 10%، المواد الكيمائية 6.0%متفرقات 2.5% مكافحة التآكل والبطاريات
غالبًا ما يستعمل الزنك لمكافحة التأكل وهو طلاء على معدن الحديد يحارب التاكل على المعدن
الزنك أكثر تفاعلا من الحديد أو الصلب وبالتالي هذا ما يسمح بالاكسدة المحلية حتى يتاكسد ويفسد تماما
و يستعمل الزنك في المعادن التي لها غلاقة بمياه البحر مثل السفن مما يمنع تاكل الحديد
يستعمل الزنك كقطب معدني في البطاريات (بطاريات الليتيوم 3.04v والبطاريات الالكيلية.....الخ).

السبائك

أكثر السبائك المستعملة التي تحتوي على الزنك هي سبائك النحاس وهذه السبائك عموما أقوى وأكثر مقاومة للتاكل وهذه الخصائص تجعلها أكثر استعمالا في أجهزة كثيرة.

استخدامات صناعية اخرى

ما يقارب ربع الزنك يستعمل في الولايات المتحدة 2006 ويستهلك على شكل زنك مركب وفي مختلف النشاطات الصناعية أكسيد الزنك يستعمل كصباغة بيضاء في الطلاء.
أكسيد الزنك يستعمل كصباغة بيضاء في الطلاءغالبًا ما يضاف كلوريد الزنك إلى الاخشاب كمثبط للنار، كما يمكن استخدامه كمادة حافظة للخشب، كما يستعمل لتركيب مواد كيمياءية أخرى كما اقترح استعمال الزنك كمادة معدنية لصناعة الأسلحة النووية والكوبالت هو مادة أخرى معروفة للتصليح المعدني.