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Zinc

elemento químico con número atómico 30
Para otros usos de este término, véaseZinc (desambiguación).

Elzinc[1]​ (delalemánZink), también escritocinc,[2]​[3]​ es unelemento químico esencialdenúmero atómico30y símboloZn,situado en el grupo 12 de latabla periódica de los elementos.[4]​

Cobre←Zinc o cinc→Galio

30		 Zn
Tabla completa•Tabla ampliada
Información general
Nombre,símbolo Zinc o cinc, Zn
Grupo,período,bloque 12,4,d
Masa atómica 65,38u
Configuración electrónica [Ar] 3d104s2
Dureza Mohs 2,5
Electronespornivel 2, 8, 18, 2
Apariencia Gris, en algunos casos, azulado
Propiedades atómicas
Radio medio 135pm
Electronegatividad 1,6(escala de Pauling)
Radio atómico(calc) 142pm(radio de Bohr)
Radio covalente 131pm
Radio de van der Waals 139pm
Estado(s) de oxidación 2
Óxido Anfótero
1.ªenergía de ionización 906,4kJ/mol
2.ªenergía de ionización 1733,3 kJ/mol
3.ªenergía de ionización 3833 kJ/mol
4.ªenergía de ionización 5731 kJ/mol
Líneas espectrales
Propiedades físicas
Estado ordinario Sólido(diamagnético)
Densidad 7138kg/m3
Punto de fusión 692,68 K (420 °C)
Punto de ebullición 1180 K (907 °C)
Entalpía de vaporización 115,3kJ/mol
Entalpía de fusión 7,322kJ/mol
Presión de vapor 192,2Paa 692,73 K
Varios
Estructura cristalina Hexagonal
Calor específico 390J/(kg·K)
Conductividad eléctrica 16,6·106S/m
Conductividad térmica 116W/(m·K)
Velocidad del sonido 3700m/sa 293,15K(20°C)
Isótopos más estables
Artículo principal:Isótopos del zinc o cinc
iso AN Periodo MD Ed PD
MeV
64Zn48,63%Establecon 34neutrones
65ZnSintético244,26 díasε1,35265Cu
66Zn27,90%Establecon 36neutrones
67Zn4,10%Establecon 37neutrones
68Zn18,75%Establecon 38neutrones
70Zn0,62%Establecon 40neutrones
72ZnSintético46,5 horasβ0,45872Ga
Valores en elSIycondiciones normales de presión y temperatura,salvo que se indique lo contrario.
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Etimología

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La etimología de zinc parece que viene del alemánZink,este delZinken(en español pico, diente), para indicar el aspecto con filos dentados del mineralcalamina,luego fue asumido para el metal obtenido a partir de él,[5]​ aunque otras fuentes consideran que viene de la palabrapersaparapiedra.[6]​

En elespañol,las variantes gráficas «zinc» y «cinc» son ambas aceptadas como válidas.[1]​ La forma conz,«zinc», es la más coherente con el origen de la palabra y, por tanto, con su símbolo químico internacional (Zn), mientras que la forma conc,«cinc», es la más coherente con los sistemas gráfico y fonético del español, en los que el sonido /zi/ suele representarse con la letrac,«ci».

Características principales

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El zinc es un metal, a veces clasificado comometal de transiciónaunque estrictamente no lo sea, ya que tanto el metal como suionpositivo presentan el conjunto orbital completo. Este elemento presenta cierto parecido con elmagnesio,y con elcadmiode su grupo, pero delmercuriose aparta mucho por las singulares propiedades físicas y químicas de este (contracción lantániday potentesefectos relativistas sobre orbitales de enlace). Es el 23.º elemento más abundante en laTierray una de sus aplicaciones más importantes es elgalvanizadodelacero.

Es un metal de color blanco azulado que arde en el aire con llama verde azulada. El aire seco no le ataca pero en presencia de humedad se forma una capa superficial deóxidoocarbonatobásico que aísla al metal y lo protege de lacorrosión.Prácticamente el únicoestado de oxidaciónque presenta es el +2. En el año 2004 se publicó en la revistaScienceel primer y único compuesto conocido de zinc en estado de oxidación +1, basado en uncomplejo organometálicocon elligandopentametilciclopentadieno.Reacciona conácidosno oxidantes pasando al estado de oxidación +2 y liberandodihidrógeno(antiguamente llamado hidrógeno) y puede disolverse enbasesyácido acético.

El metal presenta una gran resistencia a ladeformación plásticaen frío que disminuye en caliente, lo que obliga a laminarlo por encima de los 100 °C. No se puede endurecer poracritudy presenta el fenómeno defluenciaa temperatura ambiente —al contrario que la mayoría de los metales y aleaciones— y pequeñas cargas el más importante.

Historia

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Lasaleacionesde zinc se han utilizado durante siglos —piezas delatóndatadas en 1500-1000 a. C. se han encontrado enCanaány otros objetos con contenidos de hasta el 87% de zinc han aparecido en la antigua región deTransilvania— sin embargo, por su bajo punto de fusión y reactividad química el metal tiende a evaporarse por lo que la verdadera naturaleza del metal no fue comprendida por los antiguos.

Se sabe que la fabricación de latón era conocida por losromanoshacia 30 a. C.PlinioyDioscóridesdescriben la obtención deaurichalcum(latón) por el procedimiento de calentar en un crisol una mezcla decadmia(calamina) con cobre; el latón obtenido posteriormente era fundido o forjado para fabricar objetos.

La fundición y extracción de zinc impuro se llevó a cabo hacia el año 1000 en laIndia—en la obraRasarnava(c. 1200) de autor desconocido se describe el procedimiento— y posteriormente enChinay a finales del sigloXIVlos indios conocían ya la existencia del zinc como metal distinto de los siete conocidos en laAntigüedad,el octavo metal. En 1597Andreas Libaviusdescribe 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 zinc aunque no llegó a reconocerlo como el metal procedente de la calamina.

En occidente, hacia 1248,Alberto Magnodescribe la fabricación de latón enEuropa,y en el sigloXVIya se conocía la existencia del metal.Georgius Agricola(1490-1555) observó en 1546 que podía rascarse un metal blanco condensado de las paredes de los hornos en los que se fundían minerales de zinc; añadiendo en sus notas que un metal similar denominadozincumse producía enSilesia.[6]​Paracelsofue el primero en sugerir que elzincumera 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 deBasilio Valentinose encuentran también menciones delzincum.A pesar de ello, en tratados posteriores las frecuentes referencias al zinc, con sus distintos nombres, se refieren generalmente al mineral no al metal libre y en ocasiones se confunde con elbismuto.

Johann Kunkelen 1677 y poco más tardeStahlen 1702 indican que al preparar el latón con el cobre y la calamina esta última se reduce previamente al estado de metal libre, el zinc, que fue aislado por el químicoAnton von Swaben 1742 y porAndreas Marggrafen 1746, cuyo exhaustivo y metódico trabajoSobre el método de extracción del cinc de su mineral verdadero, la calaminacimentó la metalurgia del zinc 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 zinc se desplazó a la calamina como mena principal. El método de flotación es hoy día empleado en la obtención de varios metales.

Aplicaciones

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Óxido de zinc

La principal aplicación del zinc —cerca del 50% del consumo anual— es elgalvanizadodel acero para protegerlo de lacorrosión,protección efectiva incluso cuando se agrieta el recubrimiento ya que el zinc actúa como ánodo de sacrificio. Otros usos son estos:

  • Bateríasde Zn-C usadas en la industria aeroespacial paramisilesy cápsulas espaciales por su óptimo rendimiento por unidad de peso y baterías zinc-aire paracomputadoras portátiles.
  • Piezas de fundición inyectada en la industria de automoción.
  • Metalurgiademetales preciososy eliminación de laplatadelplomo.
  • Utilizado en fabricación de pinturas al óleo, para fabricar el color blanco de zinc, utilizado para crear transparencias en la pintura.
  • Aleaciones:latón,alpaca,cuproníquel-zinc,aluzinc,virenium,tombac,etc.
  • Ánodos:utilizado como elemento de sacrificio para evitar la corrosión de otras partes metálicas en depósitos de agua, barcos, etc.
  • El zinc y sus aleaciones se utilizan recientemente en aplicaciones ortopédicas debido a su biodegradabilidad[7]​.
  • El zinc también se usa para la galvanización y fabricación de láminas de construcción con tramado para evitar la sobre flexión, conocidas como acanaladas u onduladas, por ser un material de ínfima calidad su costo es bajo, lo cual implica que las láminas de dicho material se empleen en construcciones de viviendas improvisadas o criaderos de animales (llamadasranchos).

Función biológica

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Anhidrasa carbónica, enzima que posee un ion de zinc.

El zinc es unelemento químico esencialpara los seres humanos y ciertos animales. El cuerpo humano contiene alrededor de 40 mg de zinc por kg y muchasenzimasfuncionan con su concurso: interviene en elmetabolismodeproteínasyácidos nucleicos,estimula la actividad de aproximadamente 300 enzimas diferentes,[8]​ colabora en el buen funcionamiento delsistema inmunitario,es necesario para lacicatrizaciónde las heridas, interviene en las percepciones del gusto y el olfato y en la síntesis delADN.El metal se encuentra en lainsulina,lasproteínasdedo de zinc(zinc finger) y diversas enzimas como lasuperóxido dismutasa.

Hay 2-4 gramos de zinc[9]​ distribuidos en todo el cuerpo humano. La mayoría del zinc se encuentra en el cerebro, los músculos, los huesos, el riñón y el hígado, con las concentraciones más altas en lapróstatay las partes del ojo.[10]​ Elsemenes particularmente rico en zinc, siendo un factor clave en la correcta función de la glándula prostática y en el crecimiento de los órganos reproductivos.[11]​

El zinc aumenta latestosteronaen sangre indirectamente, funcionando como coenzima en el metabolismo de las hormonas masculinas por medio de su formación a través de lahormona luteinizante(LH), que estimula lascélulas de Leydig.[12]​[13]​ También previene que la testosterona se degrade enestrógenopor medio de la enzimaaromatasa.[14]​

En elcerebro,el zinc se almacena en determinadasvesículas sinápticasmedianteneuronas glutamatérgicas[15]​ y puede "modular la excitabilidad del cerebro".[16]​ Desempeña un papel clave en laplasticidad sinápticay por lo tanto en el aprendizaje.[17]​ Sin embargo, ha sido llamado el "caballo oscuro del cerebro" ( “the brain's dark horse” )[15]​ ya que también puede comportarse como unaneurotoxina,lo que sugiere que la adecuadahomeostasisdel zinc desempeña un papel fundamental en el funcionamiento normal del cerebro y delsistema nervioso central.[15]​

Deficiencia

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Ladeficiencia de zincperjudica alsistema inmunitario,genera retardo en el crecimiento y puede producir 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 y el gusto.[18]​ Las causas que pueden provocar una deficiencia de zinc son la deficiente ingesta y la mala absorción del mineral —caso de alcoholismo que favorece su eliminación en laorinao dietas vegetarianas en las que la absorción de zinc es un 50% menor que de las carnes— o por su excesiva eliminación debido a desórdenes digestivos.

La carencia de zinc en los períodos de rápido crecimiento afecta negativamente el desarrollo cognitivo, cerebral y sexual.[13]​

Según elCSIC,este elemento tiene un papel de suma importancia en las funciones mediadas porneurotransmisores,actuando como modulador de la excitabilidad neuronal. En este sentido la deficiencia de zinc puede causar trastornos del humor y neurodegeneración, comodepresiónyAlzheimer.[19]​

La disminución de los niveles de LH y testosterona circulantes a causa de la deficiencia de zinc afecta negativamente la actividad de las células de Leydig.

Exceso

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El exceso de zinc, denominado hipercincemia, se ha asociado con bajos niveles decobre,alteraciones en la función delhierro,disminución de la función inmunológica y de los niveles delcolesterolbueno (HDL), vómitos, diarrea, daños a los riñones y depresión mental.[20]​[21]​

Zinc en la dieta

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El zinc se encuentra en diversos alimentos, especialmente en aquellos ricos enproteínas,ya que el zinc queda retenido entre las mismas, como ostras, carnes rojas, carne de cerdo, cordero, aves de corral, algunos pescados y mariscos. Otras fuentes ricas en zinc son las habas, nueces, granos enteros y levadura. Las frutas y las verduras no son habitualmente buenas fuentes, porque el zinc en las proteínas vegetales no tiene tantabiodisponibilidadpara el ser humano como el zinc de las proteínas animales.

Los cereales integrales, las legumbres y los frutos secos son ricos enfitatos,que son conocidos bloqueantes del zinc. La biodisponibilidad del zinc en el panleudadoes mayor que en los productos sinlevadura,ya que el proceso de leudado activa la fitasa, que descompone el ácido fítico. El resultado es que mejora la biodisponibilidad del zinc.

La ingesta diaria recomendada de zinc ronda los 11-20 mg para hombres adultos, menor para bebés, niños, adolescentes y mujeres adultas (por su menor peso corporal) y algo mayor para mujeres embarazadas y durante la lactancia.[18]​ La absorción del zinc es muy variable (entre un 20 y un 30%), y aumenta cuando el consumo es bajo o cuando aumentan las necesidades.

Aunque los adultos vegetarianos tienen a menudo una ingesta menor que la de los omnívoros, parece que en general presentan un nivel adecuado de zinc, como se refleja en los niveles de zinc en sangre y en los estudios sobre el balance de zinc.[22]​ Se ha visto que a lo largo del tiempo se produce una adaptación a la dieta vegetariana, dando como resultado una mejor utilización de este elemento.[23]​ Los hombres vegetarianos y no vegetarianos tienen un consumo de zinc similar[24]​ mientras que las mujeres vegetarianas presentan un consumo significativamente más bajo. Incluso aunque estas últimas consuman menos zinc, sus niveles son similares a los niveles de las mujeres omnívoras. Las personas de la tercera edad, independientemente de su tipo de dieta, tienen un mayor riesgo de deficiencia de zinc.

Como el zinc, en general, se absorbe de manera menos efectiva a partir de una dieta vegetariana que de una dieta omnívora, es importante que los vegetarianos seleccionen alimentos ricos en zinc.[25]​

Abundancia y obtención

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Artículo principal:Países productores de zinc a nivel mundial

La producción mundial de zinc durante 2011 alcanzó un total de 12,40 millones detoneladas métricas.El principal país productor esChina,seguido porPerúyAustralia.[26]​

Rango Estado Producción en 2019
(en mill. ton/año)
1 China 4,21
2 Perú 1,40
3 Australia 1,33
4 Estados Unidos 0,75
5 India 0,72
6 México 0,67
7 Bolivia 0,52
8 Canadá 0,33
9 Kazajistán 0,30
10 Rusia 0,26
11 Suecia 0,24
Brasil 0,16[27]​
Fuente:United States Geological Survey (USGS), 2021

El zinc es el 23.º elemento más abundante en la corteza terrestre. Lasmenasmás ricas contienen cerca de un 10% dehierroy entre el 40 y el 50% de zinc. Losmineralesde los que se extrae son el sulfuro de zinc, conocido comoesfalerita(y también comoblenda,término que actualmente se considera obsoleto), lasmithsonita(carbonato) y lahemimorfita,(silicato), que reciben en conjunto el nombre industrial de "calaminas", y lafranklinita,(óxido).

De acuerdo con la información recogida en el informe anual del United States Geological Survey (USGS), las estimaciones señalan que las reservas económicamente explotables de zinc en 2011 a nivel mundial alcanzarían las 250 millones de toneladas métricas, repartidas entreChina,Estados Unidos,PerúyKazajistán.[28]​ Las reservas conocidas (incluyendo aquellas cuya explotación hoy día no es rentable) rozan los 2000 millones de toneladas.

La producción del zinc comienza con la extracción delmineral,que puede realizarse tantoa cielo abiertocomo enyacimientossubterráneos.Los minerales extraídos se trituran con posterioridad y se someten a unproceso de flotaciónpara obtener el concentrado.

Los minerales con altos contenidos de hierro se tratan porvía seca:primeramente setuestael concentrado para transformar el sulfuro en óxido, que recibe la denominación decalcina,y a continuación se reduce este con el carbono contenido en elcarbón,obteniendo el metal (el agente reductor es en la práctica elmonóxido de carbonoformado). Las reacciones en ambas etapas son:

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

Otra forma más sencilla y económica de reducir el óxido de zinc es concarbón.Se colocan los dos molesóxido de zinc(ZnO), y unmoldecarbono(C), en un recipiente al vacío para evitar que el metal se incendie con el aire en el momento de purificarse, dando como resultado nuevamente óxido de zinc. En esta etapa, la reducción del óxido de zinc, se expresa de la siguiente manera:

2 ZnO + C → 2 Zn + CO2

Porvía húmedaprimeramente se realiza el tueste obteniendo el óxido que selixiviaconácido sulfúricodiluido; las lejías obtenidas se purifican separando las distintas fases presentes. Elsulfato de zincse somete posteriormente aelectrólisisconánododeplomoycátododealuminiosobre el cual se deposita el zinc formando placas de algunos milímetros de espesor que se retiran cada cierto tiempo. Loscátodosobtenidos se funden y se cuela el metal para su comercialización.

Como subproductos se obtienen diferentes metales comomercurio,óxido degermanio,cadmio,oro,plata,cobreyplomo,en función de la composición de los minerales. El dióxido de azufre obtenido en la tostación del mineral se usa para producirácido sulfúricoque 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%)
  • PWGPrime 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, laOrganización Internacional de Normalizaciónpublicó en 2004 la norma ISO 752 sobre clasificación y requisitos del zinc primario.

Aleaciones

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Una aleación de zinc ampliamente utilizada es el latón, en el que el cobre está aleado con entre un 3 % y un 45 % de zinc, según el tipo de latón.[29]​ El latón es generalmente másdúctily más fuerte que el cobre, pero es más resistente a lacorrosión.[29]​ Estas propiedades lo hacen útil en equipos de comunicación, hardware, instrumentos musicales y válvulas de agua.[29]​

Microestructura de latón fundido con un aumento de 400x

Otras aleaciones de zinc ampliamente utilizadas incluyen laalpaca,metal para máquinas de escribir,soldadura blanday de aluminio, y algunos tipos comerciales debronce.[30]​ El zinc también se utiliza en los tubos de los órganos contemporáneos como sustituto de la aleación tradicional de plomo y estaño.[31]​ Las aleaciones de 85 a 88 % de zinc, de 4 a 10 % de cobre y de 2 a 8 % de aluminio tienen un uso limitado en ciertos tipos de cojinetes de máquinas. Desde 1982 el zinc ha sido el metal principal en la moneda estadounidense delcentavo con la imagen de Lincoln.[32]​ El núcleo de zinc está recubierto con una fina capa de cobre para dar la apariencia de una moneda de cobre. En 1994, 33 200 toneladas (36 596,7 ST) de zinc se utilizaron para producir 13.600 millones de centavos en los Estados Unidos.[33]​

Las aleaciones de zinc con pequeñas cantidades de cobre, aluminio y magnesio son útiles tanto enfundición a presióncomo enmoldeo por centrifugado,especialmente en las industrias automotriz, eléctrica y de hardware.[30]​ Estas aleaciones se comercializan con el nombre deZamak.[34]​ Un ejemplo de esto es elaluzinc.Su bajo punto de fusión, junto con la bajaviscosidadde la aleación hace posible la producción de formas pequeñas e intrincadas. La baja temperatura de trabajo conduce a un enfriamiento rápido de los productos fundidos, que se pueden ensamblar en muy poco tiempo.[30]​[35]​ Otra aleación, comercializada bajo la marca Prestal, contiene 78% de zinc y 22% de aluminio, y se informa que es casi tan fuerte como el acero pero tan maleable como el plástico.[30]​[36]​ Estasuperplasticidadde la aleación permite darle forma utilizando moldes a presión de cerámica y cemento.[30]​

Aleaciones similares con la adición de una pequeña cantidad de plomo se pueden laminar en frío. Se utiliza una aleación de 96 % de zinc y 4 % de aluminio para fabricar troqueles de estampado para aplicaciones de bajo volumen de producción, para las que los troqueles de metal ferroso serían demasiado caros.[37]​ Para la construcción de fachadas, cubiertas y otras aplicaciones propias dechapasformadas porembutición,perfiladoodoblado,se utilizan aleaciones de zinc contitanioy cobre.[38]​ El zinc sin alear es demasiado frágil para estos procesos de fabricación.[38]​

Como material denso, económico y fácil de trabajar, el zinc se utiliza como sustituto delplomo.Debido a latoxicidad del plomo,el zinc se emplea para fabricar pesas para diversas aplicaciones, que van desde la pesca[39]​ hasta elequilibrado de ruedasy volantes.[40]​

Eltelururo de zinc y cadmio(CZT) es una aleaciónsemiconductoraque se puede disponer en una serie de pequeños dispositivos de detección.[41]​ Estos dispositivos son similares a uncircuito integradoy pueden detectar la energía de los fotones derayos gammaincidentes.[41]​ Cuando está detrás de una pantalla absorbente, la matriz de sensores CZT puede determinar la dirección de los rayos.[41]​

Compuestos

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Artículo principal:

Elóxido de zinces el más conocido y utilizado industrialmente, especialmente como base depigmentosblancos parapintura,pero también en la industria delcauchoy en cremas solares. Otros compuestos importantes son:sulfato de zinc(nutriente agrícola y uso en minería),cloruro de zinc(desodorantes) ysulfuro de zinc(pinturasluminiscentes).

Isótopos

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

Precauciones

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El zinc metal no está considerado como tóxico, pero sí algunos de sus compuestos como el óxido y el sulfuro. En la década de los 40 se observó que en la superficie del acero galvanizado se forman con el tiempo "bigotes de zinc" (zinc whiskers) que pueden liberarse al ambiente provocando cortocircuitos y fallos en componentes electrónicos. Estos bigotes 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 bigotes 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 pequeñosvoltajesde funcionamiento impiden que se alcance la temperatura de fusión del metal, provocando fallos crónicos que pueden ser incluso intermitentes.

Véase también

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Referencias

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Bibliografía

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