Çinko - Vikipedi

Çinko (Zn)
H Periyodik tablo He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba   Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra   Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og     La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu   Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
Temel özellikleri
Atom numarası	30
Element serisi	Geçiş metalleri
Grup, periyot, blok	12, 4, d
Görünüş	Mavimsi açık gri
Kütle numarası	65,409(4) g/mol
Elektron dizilimi	[ Ar]3d10 4s2
Enerji seviyesi başına Elektronlar	2, 8, 18, 2
CAS kayıt numarası	7440-66-6
Fiziksel Özellikleri
Maddenin hâli	katı
Yoğunluk	7,14 g/cm³
Sıvı hâldeki yoğunluğu	6,57 g/cm³
Ergime noktası	692,68 °K 419,53 °C
Kaynama noktası	1180 °K 907 °C
Ergime ısısı	7,32 kJ/mol
Buharlaşma ısısı	123,6 kJ/mol
Isı kapasitesi	25,390 J/(mol·K)
Atom özellikleri
Kristal yapısı	Hegzagonal
Yükseltgenme seviyeleri	(2+) Amfoter oksit
Elektronegatifliği	1,65 Pauling ölçeği
İyonlaşma enerjisi	906,4 kJ/mol
Atom yarıçapı	135 pm
Atom yarıçapı (hes.)	142 pm
Kovalent yarıçapı	131 pm
Van der Waals yarıçapı	139 pm
Diğer özellikleri
Elektrik direnci	59,0 nΩ·m (20°C'de)
Isıl iletkenlik	116 W/(m·K)
Isıl genleşme	30,2 µm/(m·K) (25°C'de)
Ses hızı	3850 m/s (25 °C'de)
Mohs sertliği	2,5
Vickers sertliği	? MPa
Brinell sertliği	412 MPa

Çinko, sembolü Zn, atom numarası 30 olan kimyasal bir elementtir. Oda sıcaklığında hafif kırılgan bir metaldir ve oksidasyon giderildiğinde parlak gri bir görünüme kavuşur. Periyodik tablonun 12. (IIB) grubunun ilk elementidir. Bazı açılardan çinko kimyasal olarak magnezyuma benzer: her iki element de yalnızca bir normal oksidasyon durumu (+2) gösterir ve Zn²⁺ ve Mg²⁺ iyonları benzer boyuttadır.^[a] Çinko, Dünya kabuğundaki en bol bulunan 24. element olup beş kararlı izotopu vardır. En yaygın çinko cevheri, bir çinko sülfür minerali olan sfalerittir.

Çinko cevherinin en büyük işletilebilir damarları, Avustralya, Asya ve ABD'dedir. Çinko, cevherin köpük flotasyonu, kavurma ve elektrik kullanılarak nihai ekstraksiyon (elektrokazanım) yoluyla rafine edilir.

Çinko, insanlar,^[1][2][3][4] hayvanlar,^[5] bitkiler^[6] ve mikroorganizmalar^[7] için temel eser elementtir ve doğum öncesi ve sonrası gelişim için gereklidir.^[8] İnsanlarda demirden sonra en bol bulunan ikinci eser metaldir ve tüm enzim sınıflarında görülen tek metaldir.^[4][6]

Çinko aynı zamanda birçok enzim için önemli bir yardımcı faktör olduğundan mercan büyümesi için gerekli besin elementidir.^[9]

Çinko eksikliği gelişmekte olan ülkelerde yaklaşık iki milyar insanı etkilemektedir ve birçok hastalıkla ilişkilendirilir.^[10] Çocuklarda çinko eksikliği büyümede geriliğe, cinsel olgunluk gecikmesine, enfeksiyona yatkınlığına ve ishale neden olur.^[8]

Reaktif merkezde çinko atomu bulunan enzimler, insanlarda alkol dehidrogenaz gibi biyokimyada yaygındır.^[11]

Bakır ve çinkonun çeşitli oranlarda alaşımı olan pirinç, MÖ 3. binyıldan itibaren Ege Bölgesi'nde ve günümüzde Irak, Birleşik Arap Emirlikleri, Kalmukya, Türkmenistan ve Gürcistan'ı kapsayan bölgede kullanılıyordu.

MÖ ikinci binyılda Batı Hindistan, Özbekistan, İran, Suriye, Irak ve İsrail'i kapsayan bölgelerde kullanılıyordu. Çinko metali Hindistan'da 12. yüzyıla kadar büyük ölçekte üretilmiyordu ancak eski Romalılar ve Yunanlar tarafından biliniyordu.^{[12][13][14][15]}

Racastan madenleri, MÖ 6. yüzyıla kadar uzanan kesin çinko üretimi kanıtları sunmaktadır.^[16] Saf çinkoya ilişkin en eski kanıt, MS 9. yüzyılda saf çinko elde etmek için damıtma işleminin kullanıldığı Racastan'daki Zawar'dan gelmektedir.^[17] Simyacılar çinkoyu havada yakarak "filozof yünü" veya "beyaz kar" adını verdikleri maddeyi oluşturdular.

Element muhtemelen simyacı Paracelsus tarafından Almanca Zinke (çatal, diş) kelimesinden esinlenerek isimlendirilmiştir. Alman kimyager Andreas Sigismund Marggraf'ın 1746 yılında saf metalik çinkoyu keşfettiği kabul edilir. 1800'lü yıllarda Luigi Galvani ve Alessandro Volta'nın çalışmaları çinkonun elektrokimyasal özelliklerini ortaya çıkardı.

Çinkonun başlıca uygulama alanı demirin korozyona dayanıklı çinko kaplanmasıdır (sıcak daldırma galvanizleme). Elektrokimyasal potansiyel dizisinde demirden daha negatif değerdedir. Böylece çinko anot olarak katodik korozyon korumada önemli bir kullanım bulur. Galvanizleme bu tür uygulamalardan biridir.

Elektrik pilleri, küçük yapısal olmayan dökümler ve pirinç gibi alaşımlar diğer uygulama alanları arasındadır.

Organik laboratuvarlarda çinko karbonat ve çinko glukonat (gıda takviyesi olarak), çinko klorür (deodorantlarda), çinko pirition kepek önleyici şampuanlarda), çinko sülfür (lüminesans boyalarda) ve dimetilçinko veya dietilçinko gibi çeşitli çinko bileşikleri yaygın olarak kullanılır.

Elementlerin periyodik tablosunda geçiş elementleri grubundadır.

Düşük kaynama sıcaklığı dikkat çekicidir. Bu değer özellikle pirometalurjik metal üretiminde çok belirleyici bir etmendir.

Çinko dökülmüş halde sert ve kırılgandır. 120 °C'de şekillendirilebilir.

Çinko, Dünya kabuğunun yaklaşık 75 ppm'sini (%0,0075) oluşturur ve en bol bulunan 24. elementtir.^[18] Çinko güneş sisteminin 312 ppm'sini oluşturur ve burada en bol bulunan 22. elementtir.^[19]

Çinkonun tipik arka plan konsantrasyonları atmosferde 1 μg/m³'ü, toprakta 300 mg/kg'ı, bitki örtüsünde 100 mg/kg'ı, tatlı suda 20 μg/L'yi ve deniz suyunda 5 μg/L'yi aşmaz.^[20] Element normalde cevherlerde bakır ve kurşun gibi diğer temel metallerle birlikte bulunur. Çinko bir kalkofildir. Yani elementin minerallerde kükürt ve diğer ağır kalkojenlerle birlikte bulunma olasılığı, hafif kalkojen oksijenle veya halojenler gibi kalkojen olmayan elektronegatif elementlerle birlikte bulunma olasılığından daha yüksektir.

En çok kullanılan cevheri sfalerit (ZnS) olup %40-50 çinko ve yaklaşık %10 demir içerir. Çinkonun ayrıştırıldığı diğer mineraller smitsonit (çinko karbonat), hemimorfit (çinko silikat) ve franklinit ((Fe, Mn, Zn)(Fe, Mn)₂O₄) dir.

Çinko, bileşiklerinde +2 değerlikli olarak bulunur ve oluşturduğu bileşiklerde genelde iyonik bağ yapar. Amonyak, amin, siyanür ve halojen iyonları ile kompleks bileşikler meydana getirir. Mineral asitlerinde H₂ çıkışıyla çözünür. Ancak nitrik asitte NO_x çıkışı olur. Dolayısıyla çinko, özellikle toz halde çok etkili bir indirgeyicidir. Normal sıcaklıkta havada bırakılan metalin yüzeyinde koruyucu bir tabaka oluştuğundan bu sıcaklıkta halojenlere bile dayanıklıdır. HCl gazı çinkoyu çok çabuk korozyona uğratır. Toz çinkonun reaksiyona girme kabiliyeti oldukça fazla ise de yanıcı değildir. Yüksek sıcaklıkta oksijen, klor ve kükürt gibi elementlerle şiddetle reaksiyona girer. Cıva ile sert bir amalgam meydana getirir. Klorür ve sülfat tuzları suda yüksek miktarda çözünür. Buna karşılık çinko oksit, silikat, fosfat ve organik kompleksleri ya suda hiç çözünmezler ya da çok az çözünürler. Bileşikleri arasında çinko oksitin teknik ve ekonomik değeri vardır. Organik bileşikleri arasında çinko sabunu en önemli kullanıma sahiptir.

Çinko (Latince: Zinkum, İngilizce: Zinc, Almanca: Zink), eski kaynaklarda Tutya^[21] (Osmanlıca: توتيا), mavimsi açık gri renkte, kırılgan bir metal.

Çinko, antik çağlardan beri bilinen ancak üretimi ve kullanılması tam anlaşılamadığından diğer metallerle karıştırılan bir elementtir. Metalin ilk tarifi, Strabos'un yazdığı Mysia adlı eserin Andriera adlı bölümünde "Sahte gümüş" (False silver, Yunanca: Pseudargyros) olarak yapılmıştır.

Bilinen en eski çinko parçası Dakya medeniyetine ait Transilvanya'daki Dortaş harabelerinde bulunan ve %87.52 Zn + %11.41 Pb + %1.07 Fe içeren bir idoldür. MÖ 500 yıllarına ait Comeros harabelerinde çinkodan yapılmış iki bileziğe ve 79'da yıkılan Pompei harabelerinde ise çinkoyla kaplanmış bir musluğa rastlanmıştır.

MÖ 200 yıllarında pirinç, özellikle Roma'lılar tarafından iyi bilinen bir alaşımdı. Yapım tekniği ZnO içerikli hammaddenin redüksiyonu, çinko buharlarının metal bakır üzerinde kondanse edilmesi ve ergitme kademelerinden oluşuyordu. Özellikle simyacılar pirinç yapımını çok iyi biliyorlardı ve amaçları bu alaşımı bakıra, bakırı da altına dönüştürmekti.

Avrupa'da ilk kez Basilius Valentinius metalik çinkoyu tariflemeden "Zinck" terimini kullandı. "Zinck" isminin bir metal olduğu ve bu metalin fiziksel özellikleri Paracelsus (1490-1541) tarafından yazıldı. "Doğunun Plinius'u" (Romalı tabiatçı ve yazar Goius Plinius Secundus'a (23-79) benzetme) olarak tanınan Kazwiui (ölümü 630) Çinlilerin çinkodan sikke ve aynalar ürettiklerini söyler. Hintler 1000-1300 yılları arasında çinkoyu ticari boyutta üretmişlerdir. Mewar eyaletinin racalarından olan Ranu Laksh Singh'in Zawar madenlerini işlettiği (1382) bilinmektedir. Ancak bu cevher çıkarma ve izabe işlemleri feodal savaşlar nedeniyle ara sıra durmuş ve en sonunda Moğollarla yapılan Maratha savaşlarından sonra 1830'dan 1940 yılına kadar tamamen kapanmıştır.

17. ve 18. yüzyılda önemli miktarlarda külçe çinko doğudan Portekiz gemileri ile getiriliyor ve Hollandalılar tarafından dağıtılıyordu. Ürün; "Spelter", "Hint kalayı", "Caloaem" ve "Tutaney" gibi değişik isimler altında pazarlandı. 1745 yılında, doğudan gelen ve İsveç açıklarında batan bir gemiden çıkarılan külçeler %98.99 Zn, %0.765 Fe ve %0.245 Sb içeriyordu.

Çinko, yıllık yaklaşık 13 milyon tonluk üretimiyle demir, alüminyum ve bakırdan sonra en çok kullanılan dördüncü metaldir.^[22]

Dünyanın en büyük çinko üreticisi, Avustralyalı OZ Minerals ve Belçikalı Umicore şirketlerinin birleşmesiyle oluşan Nyrstar'dır.^[24] Dünya çinkosunun yaklaşık %70'i madencilikten, kalan %30'u ise ikincil çinkonun geri dönüşümünden elde edilmektedir.^[25]

Ticari olarak saf çinko, genellikle SHG olarak kısaltılan Özel Yüksek Sınıf olup ve %99,995 saflıktadır.^[26]

Dünya çapında, yeni çinkonun %95'i, sfaleritin (ZnS) neredeyse her zaman bakır, kurşun ve demir sülfürleriyle karıştırıldığı sülfürlü cevher yataklarından çıkarılır.^[27](s6) Çinko madeni dünyanın dört bir yanına dağılmış olup başlıca alanları Çin, Avustralya ve Peru'dur. Çin, 2014 yılında küresel çinko üretiminin %38'ini üretmiştir.^[22]

Çinko metali, ekstraktif metalurji kullanılarak üretilir.^[28](s7) Cevher ince öğütülür, ardından mineralleri gangdan ayırmak için köpük flotasyonundan geçirilir (hidrofobisite özelliği), böylece yaklaşık %50 çinko, %32 kükürt, %13 demir ve %5 SiO₂'den oluşan bir çinko sülfür cevheri konsantresi^[28](s16) elde edilir.^[28](s16)

Kavurma çinko sülfür konsantresini çinko okside dönüştürür:^[27]

${\displaystyle {\ce {2ZnS + 3O2 ->[t^o] 2ZnO + 2SO2}}}$

Kükürt dioksit, liç işlemi için gerekli olan sülfürik asit üretimi için kullanılır. Çinko karbonat, çinko silikat veya çinko-spinel yatakları (Namibya'daki Skorpion Yatağı gibi) çinko üretimi için kullanılırsa, kavurma işlemi atlanabilir.^[29]

Daha ileri işleme için iki temel yöntem kullanılır: pirometalurji veya elektrokazanım. Pirometalurji, çinko oksidi 950 °C (1.740 °F)'de karbon veya karbonmonoksit ile metale indirger ve indirgenen metal, bu sıcaklıklarda uçucu olmayan diğer metallerden ayrılmak üzere çinko buharı olarak damıtılır.^[30] Çinko buharı yoğunlaştırıcıda toplanır.^[27] Aşağıdaki denklemler bu işlemi açıklar:^[27]

${\displaystyle {\ce {ZnO + C ->[950^oC] Zn + CO}}}$

${\displaystyle {\ce {ZnO + CO ->[950^oC] Zn + CO2}}}$

Elektrolitik kazanımda, çinko cevher konsantresinden sülfürik asit ile yıkanır ve yabancı maddeler çökeltilir:^[31]

${\displaystyle {\ce {ZnO + H2SO4 -> ZnSO4 + H2O}}}$

Son olarak çinko elektroliz yoluyla indirgenir.^[27]

${\displaystyle {\ce {2ZnSO4 + 2H2O -> 2Zn + O2 + 2H2SO4}}}$

Sülfürik asit geri kazanılır ve liç adımına geri dönüştürülür.

Galvanizli hammadde bir elektrik ark ocağına beslendiğinde, çinko tozdan bir dizi işlemle, özellikle de Waelz işlemi ile geri kazanılır (2014 itibarıyla %90).^[32]

1730 yılında çinko izabe bilgisi Çin'den İngiltere'ye geldi ve 1739'da aşağıya doğru distilasyon tekniği ile ilgili ilk patent alındı. 1740-1743 yıllarında Bristol'de üretime başlandı. Üretim yılda 200 ton civarında idi. Proseste, cevher + odun kömürü karışımı sızdırmaz kil potalarda işleniyordu. Potanın dibi bir boru ile aşağıdaki toplama kabına bağlıydı. Gazdan yoğuşan olan metal bu kaba damlıyordu. 1758'de alınan bir patentten sonra sülfürlü cevherlerden izabik çinko üretimine başlandı.

1798'de Silezya - Wessola'da demir yüksek fırınında elde edilen çinkolu artıklar (Zincky Crust = Skafold) odun ısıtmalı bir cam fırınında İngiliz yöntemi ile işlendi. Yine 18. yüzyılın sonlarına doğru kurulan Corinthia çinko izabe fırınında ilk dikey retort uygulamasına başlandı. 19. yüzyılın başlarında geliştirilen "Belçika prosesi" reverber fırınında izabe ve potada yoğuşmayı kapsıyordu.^[33] 1836'da Stolberg'de Belçika ve Silezya fırınlarının kombinasyonu olan "Renisch" fırını yapıldı. Fırın dikey retortlar, tek kondansatör ve dışarıdan ısıtma ile çalışıyordu.

Sheffield'da 1805 yılında 100-150 °C'ye tavlanan çinkonun saç haline geleceği keşfedildi. İlk sac haddesi 1812'de Belçika-Liège'de, ilk çinko levha ise 1857'de Philadelphia'da yapıldı. Endüstriyel üretime 1866 yılında La Salle-Illinois'de Matthiessen ve Hegeler tarafından başlandı.

ABD'de ilk üretim 1835 yılında Arsenal-Washington, DC'dedir. Amerikan hükûmeti bu tesiste Belçika'lı uzmanlarca eleman yetiştirilmesini ve çinko metal ve alaşımlarının standartlaşmasını sağlamıştır. İlk ticari üretim ise Belçika prosesine göre 1850'de New Jersey'de başlamıştır. Bununla beraber 1856'da Friedensville-Pennsylvania'da Silezya prosesi ve 1860'ta La Salle-Illinois'deki Belçika prosesi ile yapılan üretimler de önemli boyutlardaydı. 1850-1860 yıllarında kondensasyonun fırın üstünde pik plakalar üzerinde yapılmasını kapsayan Wetherill-American prosesi geliştirildi. 1860-1880 arasında Avrupa'da sekonder hava ısıtmalı ve gaz yakmalı fırınlar yapıldı ve ilk ısı değiştiriciler kullanıldı. Dikey mufla fırınlarındaki ilk uygulamalar 1878'de Fransa'da ve ABD'de gerçekleştirildi.

Yatay retort işlemi ise ilk kez 1872'de, ABD'de La Salle-Illinois'de denendi. Gaz ısıtmalı bir tünel fırında toplam 408 retort bulunuyordu. 1880'lerde sülfürlü cevherleri kavurmak ve H₂SO₄ üretimi için mekanik karıştırmalı muflalı fırın (Hegeler) geliştirildi. 1881'de asidik ZnSO₄ çözeltisinden katodik çinko üretimi denendi ve başarısız oldu. Kavurma-Liç-Elektroliz'le çinko üretimini amaçlayan ilk tesis 1914'ten sonra gerçekleştirildi. 1895'te çinko izabesinde ilk defa doğal gaz kullanıldı. 20. yüzyılın başlangıcında flotasyon devreye girdi ve 1920'lerde sfalerit'in (ZnS) selektif flotasyonu gerçekleştirildi. I. Dünya Savaşı çok sayıda fabrika kurulmasını teşvik etti. 1917'de sinterleyici kavurma uygulaması çinko üretimini arttırdı. 1920'den itibaren Japonya, İtalya ve Fransa'da küçük; Norveç'te Odda'da, Kanada Manitoba'da (Flin Flon) ve Almanya'da Magdeburg'da büyük kapasiteli elektrolitik çinko tesisleri kuruldu. Dikey retort + sürekli distilasyon işlemi 1925'ten sonra Almanya ve İngiltere'de uygulandı. Ancak en başarılısı ABD'deki New Jersey prosesi idi.

II. Dünya Savaşı'ndan sonra çinko izabesinde en büyük gelişmeler kavurmada akışkan yatak ve üretimde ISP (Imperial Smelting Process 1950-1960) uygulamalarının başlamasıydı. 1960-1980 yılları arasında ise nötr liç artıklarının değerlendirilmesi konusundaki çalışmalar tamamlandı.

Günümüzün en büyük çinko cevher üreticileri Avustralya, Kanada, Çin, Peru ve ABD'dir. Avrupalı üreticiler arasında ise; Belçika'da Vieille Montagne, İrlanda'da Tara ve İsveç'te Zinkgruvan sayılabilir. Çinko metali ekstraktif metalurji yöntemleri ile elde edilir. Çinko sülfür minerali, flotasyon tekniği kullanılarak zenginleştirilir ve ardından pirometalurjik yöntemlerle kavurma işlemi uygulanarak çinko sülfürün, çinko okside kavrulması sağlanır. Çinko oksit daha sonra sülfürik asitte liç edilir ve elde edilen çözelti çinko tozu ile arındırılır. Nihayet çinko metali, bu temiz çözeltiden elektroliz yoluyla katot levhalar halinde kazanılır. Çinko katotlar ya doğrudan dökümhaneye gönderilerek ingotlar halinde dökülür ya da alüminyum ile alaşımlandırılır.

Bir diğer çinko üretim prosesi de pirometalurjik bir proses olan flaş ergitme yöntemidir, ancak bu yöntemle elde edilen çinko oksit, hidrometalurjik alternatifine göre daha düşük safiyette çinko üretimine yol açar.

Çinko, dünyada yıllık kullanım miktarı açısından demir, alüminyum ve bakırdan sonra gelir. Çinko:

• korozyondan korunma amacıyla, çelik gibi diğer metallerin galvanize edilmesinde,
• pirinç, nikelli gümüş, değişik lehimler, alman gümüşü gibi alaşımların yapımında,
• genellikle otomotiv endüstrisinde döküm kalıplarında,
• pillerin gövdelerinin yapımında kullanılır.
• Çinko oksit, sulu boyalarda beyaz pigment olarak ve lastik sanayiinde aktivatör olarak kullanılır. Reçetesiz satılabilen bazı merhemlerin bileşiminde bulunur ve ince bir tabaka halinde uygulandığında cildin su kaybetmesini önler. Yazın güneş, kışın da soğuk yanıklarına karşı koruyucudur. Bebeklerin bez bağlanan bölgelerinde çok az miktarda kullanılarak ciltte meydana gelebilecek kızarıklıklar önlenebilir. Yaşa bağlı göz hastalıklarının tedavisinde de kullanılır.
• Çinko klorür, deodorantlarda ve ahşap koruyucu olarak kullanılır.
• Çinko sülfür, karanlıkta parlayan pigment olarak saatlerin akrep ve yelkovanlarında kullanılır.
• Çinko metil, (Zn(CH₃)₂) pek çok organik maddenin sentezinde kullanılır.
• Çinko, pek çok günlük vitamin ve mineral ilaçlarının bileşenidir. Cildin ve kasların erken yaşlanmasını önleyen anti-oksidan özellikler taşıdığına inanılmaktadır.

Özel

Genel

• Çinko, Addemir O., Açma E., Arslan C., Sistem Yayıncılık, İstanbul, 1994. ISBN 975-7397-41-5