Tìm hiểu về kim loại kẽm – Tính chất, cách điều chế, công dụng

Chu Văn An

Kẽm là nguyên tố kim loại có nhiều ứng dụng trong công nghiệp sản xuất. Đồng thời, kẽm là nguyên tố vi lượng cần thiết cho cơ thể. Vậy kẽm là gì? Kẽm có những đặc tính tiêu biểu nào, được điều chế như thế nào… Hãy cùng vietchem giải đáp những thắc mắc trên qua bài viết dưới đây nhé!

1. Kẽm là gì?

Kẽm là nguyên tố kim loại lưỡng tính thuộc nhóm kim loại chuyển tiếp. Trong bảng tuần hoàn, Kẽm đứng ở ô thứ 30 – nguyên tố đầu tiên trong nhóm 12. Kẽm là nguyên tố phổ biến thứ 24 trên Trái Đất, chiếm 75ppm (0,0075%) trong vỏ Trái Đất. Nước biển chỉ chứa 30 ppb kẽm và khí quyển chứa 0,1-4 µg/m³. Trong tự nhiên, kẽm thường được tìm thấy trong quặng cùng với các kim loại khác như đồng và chì. Kẽm liên kết với lưu huỳnh tạo thành quặng Sphalerit, đây là loại quặng chứa nhiều kẽm nhất với hàm lượng lên tới 60%. Ngoài ra, kẽm còn tồn tại ở một số loại quặng khác như: smithsonite (kẽm cacbonat), hemimorphite (kẽm silicat), wurtzite (kẽm sunfua khác), hydrozincite (kẽm cacbonat).

Kẽm là kim loại có màu bạc kim loại

Kẽm cũng là nguyên tố rất quan trọng đối với sự sống, là khoáng chất cần thiết cho cơ thể. Kẽm có vai trò trong sự phát triển và phân chia tế bào, tham gia cấu trúc và duy trì chức năng của nhiều bộ phận trong cơ thể.

2. Kẽm có những tính chất cụ thể nào?

2.1 Tính chất vật lý

• Kẽm là chất rắn, có màu xám bạc, lấp lánh ánh kim loại. Kim loại kẽm có cấu trúc tinh thể lập phương, tương đối cứng, giòn và có thể uốn cong khi đạt nhiệt độ 100-150°C. Trên 210°C, kim loại kẽm lại trở nên giòn và có thể bị nghiền nát khi dùng lực.
• Mật độ: 7,13 g/cm3
• Nhiệt độ nóng chảy: 419,53 °C.
• Nhiệt độ sôi: 907°C. Kẽm có nhiệt độ sôi thấp, khá thấp trong nhóm kim loại chuyển tiếp, chỉ cao hơn thủy ngân và cadimi.
• Mật độ: 7,14 g/cm3 (ở 0 °C, 101,325 kPa).

Một số tính chất của kẽm

2.2 Tính chất hóa học của kẽm

– Cấu hình electron của kẽm là [Ar]3d104s2, số oxi hóa của kẽm là +2. Kẽm là kim loại lưỡng tính, có hoạt tính vừa phải, là chất oxy hóa mạnh.

– Kẽm có đầy đủ các tính chất của kim loại, thể hiện qua các phản ứng sau:

• Phản ứng với oxy tạo thành oxit: Zn + O2 → ZnO
• Kẽm tác dụng với dung dịch axit tạo thành muối:

Zn + H2SO4 → ZnSO4 + H2

Zn + H2SO4 → 2H2O + SO2 + ZnSO4

• Phản ứng với các phi kim khác: Zn + Cl2 → ZnCl2
• Phản ứng với chất kiềm: Zn + NaOH → Na2ZnO2 + H2

– Kẽm cũng có thể phản ứng với nước nhưng phản ứng này hầu như không xảy ra vì trên bề mặt kẽm có một lớp màng bảo vệ Hydrozincite là Zn5(OH)6(CO3)2.

3. Phương pháp sản xuất kẽm

Kẽm là nguyên tố được sử dụng phổ biến thứ tư sau sắt, đồng và nhôm. Khoảng 70% lượng kẽm hiện nay đến từ việc khai thác quặng kẽm, phần còn lại đến từ việc tái chế. 95% kẽm được khai thác từ quặng sunfit. Trên thế giới, các mỏ quặng kẽm tập trung ở Trung Quốc, Peru và Australia.

Quặng kẽm sẽ được nghiền nhỏ và trải qua nhiều công đoạn chế biến, tinh luyện để thu được kim loại kẽm nguyên chất:

• Chuyển hóa kẽm sunfit thành kẽm oxit: 2 ZnS + 3 O2 → 2 ZnO + 2 SO2.
• Khử oxit kẽm bằng cacbon hoặc CO ở 950 °C tạo ra kim loại kẽm ở dạng hơi. Hơi kẽm được thu hồi trong bình ngưng:

2 ZnO + C → 2 Zn + CO2

2 ZnO + 2 CO → 2 Zn + 2 CO2.

Ngoài ra, ZnO có thể khử bằng cách dùng dung dịch H2SO4 rồi điện phân để thu được kẽm kim loại:

ZnO + H2SO4 → ZnSO4 + H2O

2 ZnSO4 + 2 H2O → 2 Zn + 2 H2SO4 + O2

4. Ứng dụng của kẽm

Kẽm có nhiều ứng dụng trong sản xuất và là nguyên tố vi lượng thiết yếu cho sự phát triển của cơ thể.

4.1 Ứng dụng của kẽm trong công nghiệp

– Trong tạo hợp kim: Kẽm được sử dụng rộng rãi trong chế tạo hợp kim, trong đó đồng thau là hợp kim phổ biến nhất của kẽm bao gồm đồng và kẽm với hàm lượng từ 3-45%. Hợp kim kẽm – đồng được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị thông tin liên lạc, nhạc cụ, van nước… Hợp kim kẽm – đồng, nhôm và magie được sử dụng để đúc áp lực. Hợp kim kẽm-cadmium Telluride (CZT) là hợp kim bán dẫn được sử dụng trong nhiều loại thiết bị cảm ứng nhỏ…

– Là vật liệu chống ăn mòn: Kẽm là vật liệu chính được sử dụng làm chất chống ăn mòn. Vì kẽm dễ bị oxy hóa hơn sắt và thép nên nó có tính phản ứng mạnh hơn. Vì vậy, Kẽm thường được mạ lên các đồ vật bằng sắt, thép như một lớp bảo vệ. Mạ kẽm được sử dụng trên hàng rào dây thép gai, cầu treo, mái kim loại, bộ trao đổi nhiệt, phụ tùng ô tô và vỏ tàu để chống ăn mòn…

Kẽm được ứng dụng trong công nghệ luyện kim

– Hợp chất kẽm còn có nhiều ứng dụng trong công nghiệp sản xuất:

• Kẽm oxit được dùng làm chất tạo màu trắng trong sơn và làm chất xúc tác trong công nghiệp chế biến cao su.
• Kẽm clorua có tác dụng khử mùi hiệu quả.
• Kẽm sulfua ZnS được dùng làm chất phát quang màu trong sơn, màn hình tivi…
• Metyl kẽm (Zn(CH3)2) được sử dụng trong nhiều phản ứng tổng hợp hữu cơ

4.2 Vai trò của Kẽm đối với sức khỏe

Kẽm là một khoáng chất vi lượng rất quan trọng đối với sinh vật và con người.

• Kẽm tham gia vào cấu trúc tế bào và là thành phần của hơn 80 enzym khác nhau.
• Giúp phát triển trí não: Kẽm cần thiết cho hoạt động của não đặc biệt là ở trung tâm trí nhớ. Ở trẻ nhỏ, khi cơ thể được cung cấp đầy đủ kẽm sẽ giúp não bộ có điều kiện phát triển tốt nhất, nâng cao nhận thức và trí thông minh. Ở người lớn, kẽm giúp phục hồi sức khỏe não bộ sau chấn thương. Kẽm và vitamin B6 giúp đảm bảo dẫn truyền xung thần kinh.
• Kẽm tham gia vào quá trình hình thành nhiều loại hormone trong cơ thể, đặc biệt là hormone giới tính. Kẽm là thành phần không thể thiếu để sản xuất insulin – một loại hormone giúp điều hòa lượng đường trong máu.
• Tham gia chuyển hóa các chất trong cơ thể: Kẽm tham gia chuyển hóa các nguyên tố vi lượng khác như magie, đồng, nhôm… Đồng thời, kẽm có tác dụng ức chế độc tính của các kim loại nặng như asen, cadimi…

Vai trò của kẽm đối với cơ thể

• Kẽm là thành phần của da, tóc và móng; kích thích tiêu hóa, tăng cảm giác thèm ăn; tăng cường hệ thống miễn dịch; Kẽm giúp ngăn ngừa thoái hóa giác mạc ở mắt…
• Kẽm rất cần thiết cho sự phát triển của thai nhi và trẻ nhỏ: Kẽm rất quan trọng cho sự phát triển của tế bào, là thành phần quan trọng trong việc tổng hợp các chất trong cơ thể, sản xuất DNA, RNA, tổng hợp protein, Tham gia vào cấu trúc của hệ xương… Vì vậy, kẽm giúp thai nhi phát triển toàn diện về thể chất, cân nặng và trí tuệ. Nếu thiếu kẽm, thai nhi dễ bị chậm phát triển và nhẹ cân.

Trên đây là những thông tin tổng quát giúp bạn đọc hiểu thêm về kim loại kẽm, những tính chất đặc trưng của nó cũng như những ứng dụng của nó trong cuộc sống. Kẽm cũng đóng vai trò quan trọng đối với sức khỏe. Việc sử dụng và bổ sung kẽm đúng cách là cần thiết để giúp đảm bảo sức khỏe.