Seng oksida
Seng oksida adalah suatu senyawa anorganik dengan rumus kimia ZnO. ZnO merupakan bubuk putih yang tidak larut dalam air, dan senyawa ini banyak digunakan sebagai aditif dalam berbagai material dan produk termasuk karet, plastik, keramik, kaca, semen, pelumas, cat, minyak gosok, perekat, penutup, pigmen, makanan, baterai, ferit, pemadam api, dan perban pertolongan pertama. Meskipun terdapat di alam sebagai mineral zincite, sebagian seng oksida diproduksi secara sintetis.
ZnO merupakan suatu semikonduktor dengan celah pita lebar pada grup semikonduktor II-VI. Doping natif dari semikonduktor dikarenakan kekosongan oksigen atau interstisi seng adalah tipe-n. Semikonduktor ini memiliki beberapa sifat yang menguntungkan, termasuk transparansi yang baik, mobilitas elektron yang tinggi, celah pita lebar, dan pendaran kuat pada suhu kamar. Sifat tersebut bernilai pada aplikasi di negara berkembang untuk: elektroda transparan di dalam penampil kristal cair, jendela yang hemat energi atau melindungi panas, dan elektronik sebagai transistor film tipis dan dioda pemancar cahaya.
ZnO murni berbentuk serbuk putih, tapi di alam ia terdapat sebagai mineral langka zincite, yang biasanya mengandung mangan dan ketidakmurnian lainnya yang menimbulkan warna kuning hingga warna merah.
Kristal seng oksida bersifat termokromik, berubah dari putih ke kuning ketika dipanaskan di udara dan kembali menjadi putih pada pendinginan. Perubahan warna ini disebabkan oleh kehilangan kecil oksigen ke lingkungan pada suhu tinggi untuk membentuk ZnO non-stoikiometrik, di mana pada suhu 800 °C, x = 0.00007.
Seng oksida merupakan sebuah oksida amfoter. Ia hampir tak larut dalam air, namun akan larut dalam kebanyakan asam, seperti asam klorida:
Padatan seng oksida juga akan larut dalam basa untuk memberikan zincates mudah larut:
ZnO bereaksi lambat dengan asam lemak dalam minyak untuk menghasilkan karboksilat yang sesuai, seperti oleat atau stearat. ZnO membentuk produk seperti-semen bila dicampur dengan larutan berair yang kuat dari seng klorida dan semua ini tepat digambarkan sebagai seng hidroksi klorida. Semen ini digunakan dalam kedokteran gigi.
ZnO juga membentuk material seperti-semen ketika diberi perlakuan dengan asam fosfat; material terkait dapat digunakan dalam kedokteran gigi. Suatu komponen utama dari semen seng fosfat yang diproduksi melalui reaksi ini adalah hopeite, Zn(PO)·4HO.
ZnO terurai menjadi uap seng dan oksigen pada sekitar 1975 °C dengan tekanan oksigen standar. Dalam reaksi karbotermik, pemanasan dengan karbon mengubah oksida menjadi uap seng pada suhu yang jauh lebih rendah (sekitar 950 °C).
Seng oksida dapat bereaksi keras dengan bubuk aluminium dan magnesium, dengan karet terklorinasi dan minyak biji rami pada pemanasan menyebabkan kebakaran dan ledakan bahaya.
Seng oksida mengkristal dalam dua bentuk, heksagonal wurtzite dan kubik zincblende. Struktur wurtzite merupakan yang paling stabil pada kondisi ambien dan dengan demikian yang paling umum. Bentuk zincblende dapat distabilkan dengan menumbuhkan ZnO pada substrat dengan struktur kisi kubik. Dalam kedua kasus, pusat seng dan oksida merupakan tetrahedral, geometri yang paling karakteristik untuk Zn (II). ZnO berubah menjadi motif garam dapur pada tekanan tinggi relatif sekitar 10 GPa.
Polimorf heksagonal dan zincblende tidak memiliki simetri inversi (Refleksi kristal relatif terhadap suatu titik tertentu tidak mengubahnya menjadi dirinya sendiri). Hal ini dan sifat kisi simetri lainnya menghasilkan piezoelektrik dari ZnO heksagonal dan zincblende, dan piroelektrisitas dari ZnO heksagonal.
Struktur heksagonal memiliki "point group" 6 mm (notasi Hermann-Mauguin) atau C (notasi Schoenflies), dan grup ruangnya adalah P6mc atau C. Konstanta kisinya adalah "a" = 3.25 Å and "c" = 5.2 Å; rasio "c/a" ~ 1.60 mendekati nilai ideal untuk sel heksagonal "c/a" = 1.633. Seperti dalam kebanyakan material golongan II-VI, ikatan dalam ZnO sebagian besar adalah ionik (Zn–O) dengan jari-jari 0.074 nm untuk Zn dan 0.140 nm untuk O. Sifat ini menjelaskan pembentukan preferensial dari struktur heksagonal daripada zincblende, serta sifat piezoelektrisitas yang kuat pada ZnO. Karena ikatan Zn-O yang polar, bidang seng dan oksigen bermuatan listrik. Untuk menjaga netralitas listrik, bidang tersebut merekonstruksi pada tingkat atom dalam sebagian besar material relatif, namun tidak dalam ZnO - permukaannya adalah datar secara atomik, stabil dan tidak menunjukkan rekonstruksi. Anomali ZnO ini tidak sepenuhnya dijelaskan.
ZnO adalah material yang relatif lembut dengan kekerasan perkiraan sebesar 4.5 pada skala Mohs. konstanta elastisnya lebih kecil dibandingkan dengan semikonduktor III-V yang relevan, seperti GaN. Kapasitas panas serta konduktivitas termal yang tinggi, ekspansi termal yang rendah dan suhu lebur yang tinggi dari ZnO menguntungkan bagi keramik. ZnO menunjukkan suatu fonon optik E2 (rendah) yang sangat lama tinggal dengan masa tinggal mencapai 133 ps pada 10 K.
ZnO memiliki celah pita langsung yang relatif besar yakni ~3.3 eV pada suhu kamar. Keuntungan yang terkait dengan celah pita yang besar meliputi tegangan "breakdown" yang lebih tinggi, kemampuan untuk mempertahankan medan listrik yang besar, menurunkan suara elektronik, serta suhu tinggi dan operasi berdaya tinggi. Celah pita ZnO lebih lanjut dapat disetel pada ~3–4 eV melalui campurannya dengan magnesium oksida atau kadmium oksida.
Untuk keperluan industri, ZnO diproduksi sebesar 10 ton per tahun melalui tiga proses utama:
Dalam proses tidak langsung atau Perancis, logam seng dilebur dalam wadah grafit dan menguap pada suhu di atas 907 °C (biasanya sekitar 1000 °C). Uap seng bereaksi dengan oksigen di udara untuk menghasilkan ZnO, disertai dengan penurunan suhu dan pendaran terang. Partikel seng oksida diangkut ke saluran pendingin serta dikumpulkan di sebuah rumah kantung. Metode tidak langsung ini dipopulerkan oleh LeClaire (Prancis) pada tahun 1844 dan karena itu umumnya dikenal sebagai proses Perancis. Produk yang dihasilkan biasanya terdiri dari partikel seng oksida diaglomerasi dengan ukuran rata-rata 0.1 hingga beberapa mikrometer. Berdasarkan berat, sebagian besar oksida seng di dunia diproduksi melalui proses Prancis.
Proses langsung atau Amerika dimulai dengan beragam komposit seng terkontaminasi, seperti bijih seng atau produk sampingan pabrik peleburan. Prekursor seng direduksi (reduksi karbotermal) dengan pemanasan dengan sumber karbon seperti antrasit untuk menghasilkan uap seng, yang kemudian dioksidasi seperti dalam proses tidak langsung. Karena kemurnian yang lebih rendah dari material utama, produk akhir dalam proses langsung juga memiliki kualitas yang lebih rendah dibandingkan dengan yang tidak langsung.
Sejumlah kecil produksi industri melibatkan proses kimia basah, yang dimulai dengan larutan berair garam seng, dari mana seng karbonat atau seng hidroksida diendapkan. Endapan padat kemudian dikalsinasi pada suhu sekitar 800 °C.
Berbagai metode khusus tersedia untuk memproduksi ZnO untuk studi ilmiah dan aplikasi niche. Metode ini dapat diklasifikasikan melalui bentuk yang dihasilkan ZnO (ruah, film tipis, kawat nano), suhu ("rendah", yang dekat dengan suhu kamar atau "yang tinggi", yaitu T ~ 1000 °C), jenis proses (deposisi uap atau pertumbuhan dari larutan) dan parameter lainnya.
Kristal tunggal yang besar (beberapa sentimeter kubik) bisa ditumbuhkan dengan transportasi gas (deposisi fasa uap), sintesis hidrotermal, atau pertumbuhan leleh. Namun, karena tekanan uap yang tinggi dari ZnO, pertumbuhan dari lelehan menimbulkan masalah. Pertumbuhan dengan transportasi gas sulit dikendalikan, meninggalkan metode hidrotermal sebagai preferensi. Film tipis dapat diproduksi melalui deposisi uap kimia, epitaksi fasa uap metalorganik, elektrodeposisi, deposisi laser berdenyut, pemercikan ("sputtering"), sintesis sol-gel, deposisi lapisan atom, pirolisis semprot, dll
Kebanyakan seng oksida bubuk putih dapat diproduksi di laboratorium dengan elektrolisis larutan natrium bikarbonat dengan anoda seng. Seng hidroksida serta gas hidrogen dihasilkan. Seng hidroksida pada pemanasan akan terurai menjadi seng oksida.
Struktur nano ZnO dapat disintesis menjadi berbagai morfologi termasuk kawat nano, "nanorod", tetrapoda, "nanobelt", "nanoflower", nanopartikel dan sebagainya. Struktur nano dapat diperoleh dengan sebagian besar teknik yang disebutkan di atas, pada kondisi tertentu, dan juga dengan metode uap-cair-padat. Sintesis ini biasanya dilakukan pada suhu sekitar 90 °C, dalam suatu larutan berair ekimolar dari seng nitrat serta heksamina, yang terakhir menyediakan lingkungan basa. Bahan tambahan tertentu, seperti polietilena glikol atau polietilenimina, dapat meningkatkan aspek rasio kawat nano ZnO. Doping dari kawat nano ZnO telah dicapai dengan menambahkan nitrat logam lainnya ke dalam larutan pertumbuhan. Morfologi struktur nano yang dihasilkan dapat disetel dengan mengubah parameter yang berkaitan dengan komposisi prekursor (seperti konsentrasi seng dan pH) atau perlakuan termal (seperti tingkat suhu dan pemanasan).
Sebagai aditif makanan, seng oksida berada dalam daftar zat, "secara umum diakui sebagai aman" atau GRAS oleh U.S. FDA.
Seng oksida itu sendiri bersifat non-toksik; Namun berbahaya untuk menghirup asap seng oksida, seperti yang dihasilkan ketika seng atau seng paduan dilelehkan dan teroksidasi pada suhu yang tinggi. Masalah ini terjadi ketika melelehkan kuningan karena titik leleh kuningan berada dekat dengan titik didih seng. Paparan seng oksida di udara, yang juga terjadi saat pengelasan galvanis (seng berlapis) baja, dapat mengakibatkan penyakit saraf yang disebut "metal fume fever". Untuk alasan ini, biasanya baja galvanis tidak dilas, atau seng dihilangkan lebih dulu.