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Cinc

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Posición del cobre en la tabla periódica; grupo 12, periodo 4
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Nombre, símbolo, Z: Cinc, Zn, 30
Serie química: Metales de transición
Grupo, periodo, bloque: 12, 4 , d
Configuración electrónica: [Ar] 3d10 4s2
Propiedades atómicas
Masa atómica: 65,409 uma
Radio atómico: 142 pm
 - Medio 135 pm
 - Covalente 131 pm
 - De Van der Waals 139 pm
Nº de oxidación (óxido): 2 (anfótero)
Electronegatividad: 1,65 (Pauling)
Potencial de ionización: 906,4 kJ/mol
 - 2.º = 1733,3  - 3.º = 3833  - 4.º = 5731

† Calculado a partir de distintas longitudes de enlace covalente, metálico o iónico.

Propiedades físicas
Estado: Sólido
Estructura cristalina: Hexagonal
Color: Azul pálido, grisáceo
Densidad: 7140 (kg/)
Dureza: 2,5 (Mohs)
Conductividad eléctrica: 16,6×106 S/m
Conductividad térmica: 116 W/(m·K)
Calor específico: 390 J/kg·K
Punto de fusión: 692,68 K
Entalpía de fusión: 7,322 kJ/mol
Punto de ebullición: 1180 K
Entalpía de vaporización: 115,3 kJ/mol
Presión de vapor: 192,2 Pa a 692,73 K
Velocidad del sonido: 3700 m/s a 293,15 K
Isótopos más estables
Iso. AN (%) Vida media MD ED (MeV) PD
64Zn 48,6 El Zn es estable con 34 neutrones
65Zn Sintético 244,26 d ε 1,352 65Cu
66Zn 27,9 El Zn es estable con 36 neutrones
67Zn 4,1 El Zn es estable con 37 neutrones
68Zn 18,8 El Zn es estable con 38 neutrones
72Zn Sintético 46,5 h β- 0,458 72Ga
Valores en el SI y en condiciones normales (0 ºC y 1 atm), salvo indicación en contra.


El cinc o zinc es un elemento químico de número atómico 30 y símbolo Zn situado en el grupo 12 de la tabla periódica de los elementos.La etimología de zinc parece que viene del alemán, Zincken o Zacken, para indicar el aspecto con filos dentados del mineral calamina, luego fue asumido para el metal obtenido a partir de él.

Características principales

El cinc es un metal, a veces clasificado como metal de transición aunque estrictamente no lo sea ya que él y su especie dipositiva tienen los orbitales d llenos.Este elemento presenta cierto parecido con el magnesio, y con el cadmio de su grupo, pero del mercurio se aparta mucho por las singulares propiedades físicas y químicas de éste ( contracción lantánida y potentes efectos relativistas sobre orbitales de enlace).Su abundancia promedio es baja en la corteza terrestre pero se obtiene con facilidad, ya que existen yacimientos fáciles de explotar, donde se encuentra muy concentrado.Una de sus aplicaciones más importantes es el galvanizado del acero. Es un elemento químico esencial.

Es un metal de color blanco azulado que arde en aire con llama verde azulada. El aire seco no le ataca pero en presencia de humedad se forma una capa superficial de óxido o carbonato básico que aísla al metal y lo protege de la corrosión. Prácticamente el único estado de oxidación que presenta es el +2. Reacciona con ácidos no oxidantes pasando al estado de oxidación +2 y liberando hidrógeno y puede disolverse en bases y ácido acético.

El metal presenta una gran resistencia a la deformación plástica en frío que disminuye en caliente, lo que obliga a laminarlo por encima de los 100ºC. No se puede endurecer por acritud y presenta el fenómeno de fluencia a temperatura ambiente —al contrario que la mayoría de los metales y aleaciones— y pequeñas cargas provocan deformaciones permanentes.

Aplicaciones

La principal aplicación del cinc —cerca del 50% del consumo anual— es el galvanizado del acero para protegerle de la corrosión, protección efectiva incluso cuando se agrieta el recubrimiento ya que el cinc actúa como ánodo de sacrificio. Otros usos incluyen

Papel biológico

El zinc es el segundo metal traza destacado, sigue en importancia al hierro, siendo un elemento químico esencial para humanos, animales, plantas y microorganismos. El cuerpo humano contiene alrededor de 40 mg de zinc por kg: muchas enzimas funcionan con su concurso.Por ello interviene en el metabolismo de proteínas y ácidos nucleicos, estimula la actividad de más de aproximadamente 100 enzimas, colabora en el buen funcionamiento del sistema inmunológico, es necesario para la cicatrización de las heridas, interviene en las percepciones del gusto y el olfato y en la síntesis del ADN. El metal se encuentra en la insulina, las proteínas dedo de cinc (zinc finger) y diversas enzimas como la superóxido dismutasa.

El cinc se encuentra en diversos alimentos como las ostras, carnes rojas, aves de corral, algunos pescados y mariscos, habas y nueces. La ingesta diaria recomendada de cinc ronda los 20 mg para adultos, menor para bebés, niños y adolescentes (por su menor peso corporal) y algo mayor para mujeres embarazadas y durante la lactancia.

La deficiencia de cinc perjudica al sistema inmunitario,genera retardo en el crecimiento y enfermedades óseas(con síntomas tipo artritis), pérdida del cabello, diarrea, impotencia, lesiones oculares y de piel, pérdida de apetito, pérdida de peso, tardanza en la cicatrización de las heridas y anomalías en el sentido del olfato. Las causas que pueden provocar una deficiencia de cinc son la deficiente ingesta y su mala absorción —caso de alcoholismo que favorece su eliminación en la orina o dietas vegetarianas en las que la absorción de cinc es un 50% menor que de las carnes— o por su excesiva eliminación debido a desórdenes digestivos.

El exceso de cinc se ha asociado con bajos niveles de cobre, alteraciones en la función del hierro y disminución de la función inmunológica y de los niveles del colesterol bueno.

Historia

Las aleaciones de cinc se han utilizado durante siglos —se han encontrado en Palestina piezas de latón datadas hacia 1000-1400 adC y en la antigua región de Transilvania han aparecido objetos con contenidos de hasta el 87% de cinc— sin embargo por su bajo punto de fusión y reactividad química el metal tiende a evaporarse por lo que los antiguos no llegaron a comprender su verdadera naturaleza.

Se sabe que la fabricación de latón era conocida por los romanos hacia 30 adC. Plinio y Dioscórides describen la obtención de aurichalcum (latón) por el procedimiento de calentar en un crisol una mezcla de cadmia (calamina) con cobre; el latón obtenido posteriormente era fundido o forjado para fabricar objetos.

La fusión y extracción de cinc impuro se llevó a cabo hacia el año 1000 en India —en la obra Rasarnava (c. 1200) de autor desconocido se describe el procedimiento— y posteriormente en China; a finales del siglo XIV los indios conocían ya la existencia del cinc como metal distinto de los siete conocidos en la Antigüedad, el octavo metal. En 1597 Andreas Libavius describe una «peculiar clase de estaño» que había sido preparada en la India y llegó a sus manos en pequeña cantidad a través de un amigo; de sus descripciones se deduce que se trataba del cinc aunque no llegó a reconocerlo como el metal procedente de la calamina.

En occidente, hacia 1248, Alberto Magno describe la fabricación de latón en Europa, y en el siglo XVI ya se conocía la existencia del metal. Agrícola observó en 1546 que podía rascarse un metal blanco condensado de las paredes de los hornos en los que se fundían minerales de cinc; añadiendo en sus notas que un metal similar denominado zincum se producía en Silesia. Paracelso fue el primero en sugerir que el zincum era un nuevo metal y que sus propiedades diferían de las de los metales conocidos sin dar, no obstante, ninguna indicación sobre su origen; en los escritos de Basilio Valentino se encuentran también menciones del zincum. A pesar de ello, en tratados posteriores las frecuentes referencias al cinc, con sus distintos nombres, se refieren generalmente al mineral no al metal libre y en ocasiones se confunde con el bismuto.


Johann Kunkel en 1677 y poco más tarde Stahl en 1702 indican que al preparar el latón con el cobre y la calamina ésta última se reduce previamente al estado de metal libre, el cinc, que fue aislado por el químico Anton von Swab en 1742 y por Andreas Marggraf en 1746, cuyo exhaustivo y metódico trabajo Sobre el método de extracción del cinc de su mineral verdadero, la calamina cimentó la metalurgia del cinc y su reputación como descubridor del metal.

En 1743 se fundó en Bristol el primer establecimiento para la fundición del metal a escala industrial pero su procedimiento quedó en secreto por lo que hubo que esperar 70 años hasta que Daniel Dony desarrollara un procedimiento industrial para la extracción del metal y se estableciera la primera fábrica en el continente europeo.

Tras el desarrollo de la técnica de flotación del sulfuro de cinc se desplazó a la calamina como mena principal. El método de flotación es hoy día empleado en la obtención de varios metales.

Símbolo del Zn usado por Dalton, un círculo con la letra Z en su interior Símbolo químico empleado por Dalton para el cinc.

Abundancia y obtención

Mineral de Esfalerita encontrado en Cartagena (Murcia).

El cinc es el 23º elemento más abundante en la corteza terrestre. Las menas más ricas contienen cerca de un 10% de hierro y entre el 40 y 50% de cinc. Los minerales de los que se extrae son:el sufuro de cinc conocido como esfalerita en EEUU y blenda en Europa; smithsonita (carbonato) en EEUU, pero calamina en Europa; hemimorfita (silicato) y franklinita (óxido).

Las reservas mundiales conocidas, de explotación rentable, ascienden a casi 220 millones de toneladas, repartiéndose más de la mitad a partes iguales entre EE. UU., Australia, China y Kazajstán. Las reservas conocidas (incluyendo aquéllas cuya explotación no es rentable hoy día) rozan los 2000 millones de toneladas.

La producción minera mundial fue en el 2003, según datos de la agencia de prospecciones geológicas estadounidense (US Geological Survey) de 8,5 millones de toneladas, liderada por China con el 20% del total y Australia con el 19%. Se estima que cerca de un tercio del cinc consumido es reciclado (secundario).

Evolución de la producción minera mundial de zinc desde 1900.

La producción del cinc comienza con la extracción del mineral que puede realizarse tanto a cielo abierto como en yacimientos subterráneos. Los minerales extraídos se trituran con posterioridad para aplicar un proceso de flotación que produce un concentrado enriquecido en Zn.

Los minerales con altos contenidos de hierro se tratan por vía seca: primeramente se tuesta el concentrado para transformar el sulfuro en óxido, que recibe la denominación de calcina, y a continuación se reduce éste con carbono obteniendo el metal (el agente reductor es en la práctica el monóxido de carbono formado). Las reacciones en ambas etapas son:

2 ZnS + 3 O2 → 2 ZnO + 2 SO2
ZnO + CO → Zn + CO2

Por vía húmeda primeramente se realiza el tueste obteniendo el óxido que se lixivia con ácido sulfúrico diluido; las lejías obtenidas se purifican separando las distintas fases presentes. El sulfato de cinc se somete posteriormente a electrólisis con ánodo de plomo y cátodo de aluminio sobre el cual se deposita el cinc formando placas de algunos milímetros de espesor que se retiran cada cierto tiempo. Los cátodos obtenidos se funden y se cuela el metal para su comercialización.

Como subproductos se obtienen diferentes metales como mercurio, óxido de germanio, cadmio, oro, plata, cobre, plomo en función de la composición de los minerales. El dióxido de azufre obtenido en la tostación del mineral se usa para producir ácido sulfúrico que se reutiliza en el lixiviado comercializando el excedente producido.

Los tipos de cinc obtenidos se clasifican según la norma ASTM en función de su pureza:

  • SHG, Special High Grade (99,99%)
  • HG, High Grade (99,90%)
  • PWG Prime Western Grade (98%)

La norma EN 1179 considera cinco grados Z1 a Z5 con contenidos de cinc entre 99,995% y 98,5% y existen normas equivalentes en Japón y Australia. Para armonizar todas ellas la ISO publicó en 2004 la norma ISO 752 sobre clasificación y requisitos del cinc primario.

Aleaciones

Las aleaciones más empleadas son las de aluminio (3,5-4,5%, Zamak; 11-13%, Zn-Al-Cu-Mg; 22%, Prestal, aleación que presenta superplasticidad) y cobre (alrededor del 1%) que mejoran las características mecánicas del cinc y su aptitud al moldeo.

Es componente minoritario en aleaciones diversas, principalmente de cobre como latones (3 a 45% de cinc), alpacas (Cu-Ni-Zn) y bronces (Cu-Sn) de moldeo.

Compuestos

El óxido de cinc es el más conocido y utilizado industrialmente, especialmente como base de pigmentos blancos para pintura, pero también en la industria del caucho y en cremas solares. Otros compuestos importantes son el cloruro de cinc (desodorantes) y sulfuro de cinc (pinturas luminiscentes). Aproximadamente la cuarta parte del cinc consumido lo es en forma de compuesto.

Isótopos

El cinc existente en la naturaleza está formado por cuatro isótopos estables, Zn-64 (48,6%), Zn-66, Zn-67, y Zn-68. Se han caracterizado 22 radioisótopos de los que los más estables son Zn-65 y Zn-72 de vidas medias de 244,26 días y 46,5 horas respectivamente; el resto de isótopos radioactivos tienen vidas medias menores que 14 horas y la mayoría menores que un segundo. El cinc tiene cuatro estados metaestables.

Precauciones

El cinc metal no está considerado como tóxico pero sí algunos de sus compuestos como el óxido y el sulfuro.

Pelos de cinc formados sobre acero galvanizado.
Pelos de cinc formados sobre acero galvanizado
(Cortesía NASA Goddard Space Flight Center).

En la década de los 40 se observó que en la superficie del acero galvanizado se forman con el tiempo «pelos de cinc» (zinc whiskers) que pueden liberarse al ambiente provocando cortocircuitos y fallos en componentes electrónicos. Estos pelos se forman tras un período de incubación que puede durar días o años y crecen a un ritmo del orden de 1 mm al año. El problema causado por estos pelos se ha agudizado con el paso del tiempo por haberse construido las salas de ordenadores y equipos informáticos sobre suelos elevados para facilitar el cableado en las que era común el uso de acero galvanizado, tanto en la estructura portante como en la parte posterior de las baldosas. Las edades de dichas salas, en muchos casos de 20 o 30 años propician la existencia de pelos en cantidades y longitudes peligrosas susceptibles de provocar fallos informáticos. Además, la progresiva miniaturización de los equipos disminuye la longitud necesaria para provocar el fallo y los pequeños voltajes de funcionamiento impiden que se alcance la temperatura de fusión del metal provocando fallos crónicos que pueden ser incluso intermitentes.

H   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 Uub Uut Uuq Uup Uuh  
  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

Referencias

Bibliografía

  • Diccionario Enciclopédico Hispano-Americano, Tomo XXIII, Montaner y Simón Editores, Barcelona, 1898.
  • Inorganic Chemistry, Holleman & Wiberg, Academic Press, 1995.

Otras fuentes de información

Notas