Sinkki
Sinkki on metalli ja alkuaine, jonka kemiallinen merkki on Zn () ja CAS-numero 7440-66-6. Nimi on tullut saksan sanan "Zink" kautta mahdollisesti persian kiveä tarkoittavasta sanasta "sing".
Sinkin sulamispiste on noin 420 °C ja kiehumispiste 908 °C. Sinkki on huoneenlämmössä haurasta ja kiteistä, mutta lämmitessään muuttuu taipuisaksi ja pulverimaiseksi. Sinkki esiintyy hapetusluvulla +II. Puhdas sinkki on reaktiivista, mutta metallisen sinkin pinnalle muodostuva sinkkioksidikerros ei reagoi ilman hapen tai halogeenien kanssa. Sinkillä on korkea pelkistymispotentiaali, eli se hapettuu helposti.
Sinkki on tunnettu jo 3 000 vuoden takaa, jolloin sitä käytettiin messingin tekemiseen. Sinkki kuitenkin identifioitiin vasta 1746, kun Andreas Marggraf erotti metallista sinkkiä hemimorfiitin ja hiilen seoksesta.
Nykyään sinkki on kuparin, raudan ja alumiinin jälkeen maailman neljänneksi käytetyin metalli. Sinkkiä käytetään esimerkiksi rakennusteollisuudessa, autoteollisuudessa, lääketeollisuudessa ja kuluttajatuotteiden valmistuksessa. Yksi sinkin tärkeimmistä ominaisuuksista on sen kyky suojata terästä korroosiolta.
Kiinteänä sinkki on kiiltävää ja sinertävän valkoista. Huoneenlämmössä sinkki on haurasta ja kiteistä, mutta yli 100 °C:ssa se muuttuu taipuisaksi ja muotoiltavaksi. Yli 210 °C:ssa sinkki muuttuu pulverimaiseksi ja heikoksi, mutta korkeammassa lämpötilassa siitä tulee jälleen taipuisaa. Sinkin pinnalle muodostuu ohut karbonaattikerros, joka tekee sen melko taipumattomaksi, kun se reagoi ilman hiilidioksidin ja veden kanssa. Sinkki on melko pehmeää, ja sen kovuus Mohsin asteikolla on 2,5. Sen kiderakenne on heksagonaalinen. Sinkin sulamispiste on noin 420 °C ja kiehumispiste 908 °C. Sinkki palaa sinivihreällä liekillä.
Sinkki on metalli, jonka hapetusluku on yleensä +II. Sinkki on melko reaktiivista, mutta sen pinnalle muodostuva oksidikerros kestää hyvin hapen tai halogeenien vaikutusta. Jauheena sinkki reagoi kuumennettaessa hapen tai kloorin kanssa syttyen palamaan. Hapot, kuten suolahappo, liuottavat sinkkiä helposti vapauttaen vetyä ja typpihapon tapauksessa typen oksideja. Sinkin kemiallisista ominaisuuksista merkittävin on sen korkea pelkistyspotentiaali eli se hapettuu helposti. Tähän perustuu sen käyttö suojaamaan rautaa korroosiolta ja jalompien metallien kuten hopean pelkistämiseen.
Metallinen sinkki liukenee sekä emäksiin että happoihin. Sinkin liukoisuuteen vaikuttaa pH. Ionimuotoinen sinkki voidaan saostaa lievästi emäksisessä liuoksessa sinkkihydroksidiksi (Zn(OH)). Voimakkaasti emäksiseen liuokseen sinkki liukenee tetrahydroksosinkaattina ([Zn(OH)]). Zn-ioni voidaan myös saostaa vesiliuoksissa sulfidi-, boraatti-, karbonaatti-, fosfaatti- ja kromaatti-ioneilla. Nämä kuitenkin liukenevat happoihin. Analyysissa sinkki voidaan saostaa ja tunnistaa heksasyanoferraatilla(III) ([Fe(CN)]) ruskehtavana sinkkiheksasyanoferraatti(III)na.
Sinkin yhdisteet ovat tyypillisesti ioniyhdisteitä hapetusluvulla +II. Niille tyypillistä on värittömyys, eräitä kompleksiyhdisteitä lukuun ottamatta. Yhdisteistä halogenidit ja sulfaatti liukenevat hyvin veteen, mutta oksidi, fosfaatti, karbonaatti ja silikaatti ovat liukenemattomia. Sinkin suolat ovat yleensä ei-magneettisia, eivät johda sähköä, valkoisia ja jauhemaisia. Poikkeuksia ovat kromaattiyhdisteet.
Tärkein sinkkiyhdiste on sinkkioksidi, jota valmistetaan hehkuttamalla metallista sinkkiä ilman vaikutuksessa. Sinkkioksidia käytetään mm. kumiteollisuudessa. Muita tärkeitä ovat mm. sinkkikloridi, jota käytettään metallisulatteissa.
Sinkille on tyypillistä muodostaa myös kompleksiyhdisteitä muun muassa ammoniakin, hydroksidi- ja syanidi-ionien sekä orgaanisten yhdisteiden kanssa. Sinkki kuitenkin muodostaa lähinnä tetraedrisiä komplekseja, kuten tetra-ammiinisinkki(II)- ([Zn(NH)]), tetrasyanosinkaatti(II)- ([Zn(CN)]) ja tetraklorosinkaatti(II)-ioneja ([ZnCl]). Poikkeuksena on sinkin hydraatti, joka on oktaedrinen [Zn(HO)].
Sinkki muodostaa myös orgaanisia yhdisteitä. Asetaatti-ionien kanssa reagoidessa sinkistä muodostuu [ZnO(OCOMe)], joka on kiteistä ja emäksistä. Sinkin ja asetyyliasetonin (acac) reaktiossa syntyy [Zn(acac)], jossa sinkkiatomit linkittyvät toisiinsa asetyyliasetonaatti-ionien välityksellä. Sinkki muodostaa myös organometalliyhdisteitä, jotka ovat yleensä muotoa ZnR ja jotka ovat lineaarisia ja poolittomia. R on tyypillisesti metyyli, etyyli tai fenyyli. Ne reagoivat helposti ilman kanssa muodostaen sinkkioksidia. Muita tyypillisiä orgaanisia sinkkiyhdisteitä ovat aryylisinkkihalogeenit (RZnX, jossa X on jokin halogeeni ja R aryyli, fenyyliryhmä).
Sinkkijauhe on helposti syttyvää, ja se reagoi kiivaasti veden, happojen sekä emästen kanssa, jolloin syntyy syttyvää vetykaasua. Sinkkijauhe saattaa sisältää myös pieniä määriä arseenia, joten myrkyllisten arseenikaasujen muodostuminen on mahdollista. Sinkistä syntyvät kaasut saattavat aiheuttaa metallikuumeen. Sinkki itsessään ei ole myrkyllistä, pieninä määrinä se on jopa välttämätön hivenaine, mutta yliannostus sinkkiä voi aiheuttaa pahoinvointia. Vapaana ionina sinkki on erittäin myrkyllistä kasveille, selkärangattomille ja kaloille. Liiallinen sinkki muuttaa kuparin ja raudan imeytymistä erityisesti lihassoluissa. Sinkki reagoi vatsahappojen kanssa muodostaen sinkkikloridia, joka voi tuhota vatsaa. Krooninen altistuminen sinkille aiheuttaa anemiaa, väsymystä sekä HDL:n laskua. Sinkin yliannostusta voi hoitaa veden ja maidon avulla sekä vatsalääkkein.
Sinkin yhdisteitä ja metalliseoksia kuparin kanssa tunnetaan ainakin 3 000 vuoden takaa. Erityisen käytettyjä olivat messinkiset astiat. 1200-luvulla Intiassa sinkki tunnistettiin omaksi metalliksi, kun intialaiset kuumensivat sinkkimalmia suljetussa astiassa. Sinkki sublimoituu helposti, mutta se härmistyy astian reunoille, josta se on helposti irrotettavissa. Tämä tapa levisi ensin Kiinaan ja sieltä Eurooppaan. Kiinassa Ming-dynastian aikana (1368–1644) oli käytössä sinkkisiä kolikoita. 1500-luvun alussa Paracelsus kirjoitti joistakin sinkin ominaisuuksista kuitenkaan tietämättä, mitä hänen tutkimansa metalli oli. 1700-luvulla Euroopassa aloitettiin Bristolin alueella sinkin valmistus, mistä se levisi Sisiliaan ja Belgiaan. Sinkki tunnistettiin 1746, kun saksalainen kemisti Andreas Marggraf lämmitti hemimorfiitin (sinkki- ja rautaoksidin seos) ja hiilen seosta ilman kuparia, jolloin hän sai metallista sinkkiä. Sana sinkki tulee saksan kielen sanasta "zinke", "zin" tai "zink", joiden alkuperä on persian kielen sanassa "sing".
Sinkkiä esiintyy muun muassa sulfidimineraaleissa, sinkkivälkkeessä, hemimorfiitissa, willemiitissä ja sinkkisälvässä. Tärkein lähde on sinkkivälke. Sinkkiä esiintyy eri puolilla maapalloa melko paljon, noin 0,02 % kaikista alkuaineista. Sinkkiä tuotetaan maailmassa noin seitsemän miljoonaa tonnia vuosittain. Sinkki on suhteellisen halpaa: 100 grammaa puhdasta sinkkiä maksaa noin 3,7 euroa. Suurin osa sinkistä tuotetaan Kanadassa, Australiassa ja Kiinassa. Muita merkittäviä tuottajia ovat Venäjä, Yhdysvallat, Peru ja Meksiko. Suomessa sinkkiä tuottaa Kokkolassa toimiva Boliden Kokkola Oy, joka on Euroopan toiseksi suurin sinkkitehdas.
Sulfidimineraaleista sinkki muutetaan ensin sinkkioksidiksi (ZnO). Tämän jälkeen se sekoitetaan hiilen kanssa ja kuumennetaan 1 200 °C:seen. Sinkki sublimoituu kaasuksi, jolloin se kulkeutuu pois reaktioastiasta, minkä jälkeen se kerätään. Tämä voidaan myös tehdä siten, että mineraali kuumennetaan ilman kanssa, jolloin rikin oksidit saadaan poistettua seoksesta. Rikkidioksidi voidaan myöhemmin muuttaa rikkihapoksi. Tällöin syntyy sinkkisulfaattia (ZnSO), joka erotetaan elektrolyyttisesti. Toisessa vaihtoehdossa mineraali ensin jauhetaan pieneksi, minkä jälkeen hydrofobinen ja hydrofiilinen aines erotellaan toisistaan, minkä jälkeen sinkki suodatetaan ja kuumennetaan. Tämän jälkeen se uutetaan ja jälleen suodatetaan. Saadusta liuoksesta voidaan sinkki erottaa elektrolyyttisesti. Valmistamisen ongelma on, että kaasumainen sinkki reagoi ilman hapen kanssa muodostaen sinkkioksidia. Ongelma on ratkaistu lyijyllä, joka nopeuttaa sinkin kiinteytymistä huomattavasti, jolloin sinkin hapettuminen jää minimaaliseksi. Puhtausprosentiksi voidaan saada jopa 99,99 %.
Sinkin tarve kasvaa koko ajan. Sinkkiä joutuu ajoittain jätevesien kautta vesistöihin, joissa se kertyy mutaan ja rantapenkkoihin. Muita sinkin lähteitä ekosysteemeihin ovat muun muassa sinkityt putket, moottoriöljy sekä hyönteismyrkyt. Sinkki lisää veden happamuutta. Sinkki myös kertyy kaloihin ja myöhemmin rikastuu ravintoketjussa. Jos sinkkiä kertyy maaperään, se rikastuu eläimissä, mikä on haitallista niiden terveydelle. Myöskään kasvit eivät kestä liikaa sinkkiä. Turvallisen sinkkipitoisuuden raja-arvoksi vedessä on määritelty 2 mg/l. Tällöin sinkki saattaa aiheuttaa veden maun huononemista. Sinkki-ioni ei ole itsessään pienissä määrissä myrkyllinen, mutta jotkin sinkin yhdisteistä, kuten sinkkisyanidi ja -arsenidi, ovat erittäin myrkyllisiä. Sinkin määrää vesistöissä on pystytty laskemaan tuntuvasti viime vuosikymmeninä. Tunnettu sinkistä saastunut joki on Rein, mutta sen sinkkimäärät on saatu laskemaan suositeltuihin arvoihin. Sinkki voidaan puhdistaa vesistöissä muun muassa aktiivihiilen, hyydyttämisen tai ioninvaihdon avulla.
Sinkki on maailman neljänneksi käytetyin metalli raudan, alumiinin ja kuparin jälkeen. Yli puolet tuotetusta sinkkimetallista käytetään kuumasinkitykseen ja galvanointiin, eli sillä päällystetään terästä, esimerkiksi nauloja. Galvanoidussa (sähkösinkitys) metallissa sinkki toimii niin sanottuna uhrianodina eli se hapettuu pinnoitetun metallin sijaan, jolloin esimerkiksi teräksen tapauksessa vältytään ruostumiselta. Sinkkiä käytetään muutenkin rakentamisessa, erityisesti katoissa ja sadevesikouruissa käytetään sinkittyä peltiä. Ilman vesi ja hiilidioksidi muodostavat sinkin pinnalle sinkkikarbonaattia, joka suojaa muuta metallia. Sinkkiä ei voida käyttää esimerkiksi ruokatölkkien päällystämiseen, sillä ruoissa olevat hapot liuottavat sitä. Sinkkiä käytetään myös painevaluissa, jolloin sulaa sinkkiä laitetaan rautaiseen muottiin, johon se jähmettyy. Painevalettuja osia käytetään muun muassa autoissa. Sinkkiä käytetään myös muun muassa kolikoissa. Sinkkiä voidaan käyttää myös mm. hyönteismyrkyissä. Sinkkiä käytetään alkaliparistoissa anodina. Paristoissa sinkin kanssa käytetään yleensä mangaanidioksidia, elohopeaoksidia ja ammoniumkloridia.
Sinkkiä käytetään myös useissa metalliseoksissa, kuten pronssissa, messingissä ja uushopeassa. Sinkkiä voidaan käyttää metalliseoksissa, kunhan seosten ei tarvitse olla erityisen vahvoja. Messinkiä käytetään soittimissa, koruissa ja monenlaisissa koriste-esineissä.
Sinkkiä voidaan käyttää vapauttamaan vetyä epäorgaanisista hapoista (kuten suola- ja typpihaposta). Syntetiikassa sinkkiä käytetään ketonien valmistamisessa, karbonyyliyhdisteiden reaktioissa ja kytkentäreaktioissa. Sinkki toimii tällöin katalyyttinä. Sinkkikloridia voidaan käyttää dehydrauksessa ja katalyyttinä. Sinkin isotooppia Zn voidaan käyttää lauhdevesissä.
Sinkin yhdisteillä on monia käyttötarkoituksia. Sinkkikloridia voidaan käyttää puun kyllästämiseen, tekstiilien värjäämiseen, liimoihin, sementtiin ja metallisulatteissa. Sinkkisulfidia käytetään televisioissa ja röntgenlaitteissa. Sitä käytettiin aiemmin myös lasten lelujen värjäyksessä, kunnes se todettiin haitalliseksi. Sinkin arseeniyhdisteitä käytetään hyönteismyrkyissä. Sinkkiyhdisteitä voidaan käyttää myös muun muassa väriaineina ja muina pigmentteinä, veden pehmennyksessä ja veden puhdistuksessa. Sinkkioksidia voidaan käyttää kumiteollisuudessa vulkanoinnissa. Sitä käytetään myös lasien vahvennuksessa, maaleissa sekä lääkkeissä.
Luonnossa esiintyvä sinkki koostuu neljästä pysyvästä isotoopista Zn, Zn, Zn, Zn ja yhdestä erittäin pitkän puoliintumisajan isotoopista Zn, jonka puoliintumisaika on 5×10 vuotta. Näistä Zn on yleisin 48,6 % osuudella. Sinkillä on ytimessään 30 protonia ja neutronien lukumäärä vaihtelee 27:n ja 51:n välillä.
Suomessa ei sinkin puutetta esiinny tavallista ruokavaliota noudattavilla. Puutoksen suhteen riskiryhmiä ovat laihduttajat ja vegaanit. Sinkkiä on runsaasti lihassa, maksassa ja yleensä juustoissa. Kasviksista sinkkiä on runsaasti täysjyväviljassa, auringonkukan- ja kurpitsansiemenissä, vehnänalkioissa ja -leseissä sekä pähkinöissä.
Valtion ravitsemusneuvottelukunnan suositusten mukaan sinkkiä tulisi saada 1,1 mg/vrk ravinnosta energiana saatua megajoulea kohti eli aikuisilla naisilla noin 7 mg/vrk ja miehillä 9 mg/vrk. Erityisryhmillä kuten raskaana olevilla (9 mg/vrk) ja imettävillä naisilla (11 mg/vrk) tarve on suurempi. Vegaaniruokavaliossa saantisuositus on 25–30 % suurempi, koska eläinperäinen proteiini parantaa sinkin hyväksikäyttöä ruoassa, kun taas viljavalmisteiden fytiinihappo heikentää sitä. Lapsilla ja nuorilla suositus vaihtelee iän mukaan. Tarve on suurin kasvuikäisillä pojilla: 11–12 mg/vrk. Suurimmaksi hyväksyttäväksi päiväsaanniksi on määritelty aikuiselle 25 mg/vrk. Suomalaiset saavat sinkkiä keskimäärin: naiset 10,0 mg/vrk (1,5 mg/MJ) ja miehet 13,6 mg/vrk (1,5 mg/MJ). Suosituksiin verrattuna sinkkiä saadaan ravinnosta riittävästi. Kun myös ravintoainevalmisteista saatava sinkki otetaan huomioon, muutamalla prosentilla väestöstä saanti kuitenkin ylittää suurimman hyväksyttävän päiväsaannin. Suomalaisten kolme tärkeintä sinkin lähdettä ovat viljat, liha ja maito.
Eliöt tarvitsevat sinkkiä useiden entsyymien rakennusosaksi sekä DNA:n valmistamisessa. Nämä entsyymit tyypillisesti säätelevät ihmisen kehitystä ja hedelmällisyyttä. Esimerkiksi hiilihappoanhydraasi, joka vaikuttaa hiilidioksidin kulkeutumiseen veressä, vaatii sinkkiä toimiakseen. On arvioitu, että sinkki on noin kolmentuhannen proteiinin rakennusosa. Muun muassa sylkirauhasesta, eturauhasesta ja immuunijärjestelmästä on löydetty sinkkiä. Sinkin puute, erityisesti lapsilla, vaikuttaa aivojen kehittymiseen.