30 Zn زنك 65.38
فلز انتقالي المستوى الفرعي d الدورة 4 المجموعة 12

زنك

Zn · العنصر 30 · فلز انتقالي

الفلز المضحي: يتآكل الزنك كي لا يتآكل الفولاذ الذي يغطيه.

الحالة عند 20°C صلب
الكتلة الذرية 65.38 u
التوزيع الإلكتروني[Ar] 3d¹⁰ 4s²
29Cu كل العناصر الـ118 31Ga

البنية

ذرة زنك

ليس مخططًا لنقاط على حلقات — بل عينة مونتِ كارلو من كثافة الاحتمال الفعلية |ψ|² لكل غلاف فرعي مشغول. اسحب للتدوير. يشير الأزرق والبنفسجي إلى الإشارتين المتعاكستين لدالة الموجة، وهذا ما يجعل الترابط ممكنًا.

سحابة المدار

القيم المقاسة

ورقة الخصائص

يوضح كل شريط موضع زنك بين جميع العناصر الـ118 بالنسبة إلى تلك الخاصية.

الفيزيائية

الكثافة 7.134 g/cm³ 43%
نقطة الانصهار 692.9 K 35%
نقطة الغليان 1180 K 29%
الحرارة النوعية 0.388 J/g·K
الموصلية الحرارية 116 W/m·K 84%

الذرية

نصف القطر الذري 134 pm 21%
نصف القطر التساهمي 122 pm
نصف قطر فان دير فالس 139 pm

الإلكترونية

الكهروسلبية 1.65 54%
طاقة التأين 906 kJ/mol 82%
الألفة الإلكترونية —

الوجود

الوفرة في القشرة 70 mg/kg 80%

الهوية

الرمزZn
العدد الذري30
الكتلة الذرية65.38 u
الفئةفلز انتقالي
المستوى الفرعيd
البنية البلوريةسداسي محكم التراص
حالات الأكسدة-2, +1, +2
سنة الاكتشاف1746
اكتشفهAndreas Marggraf

المصادر: الأوزان الذرية القياسية لـ IUPAC لعام 2021 · دليل CRC للكيمياء والفيزياء · NIST. القيم المعلّمة بـ ~ متوقعة وليست مقاسة.

الحجم، وفق المقياس

ما حجم ذرة زنك؟

نصف القطر 134 pm — أي 0.134 nm، ولذلك فإن نحو 3.73 مليون ذرة منها متجاورة ستغطي ملليمترًا واحدًا.

المدى الحراري

صلب، سائل، غاز — ومتى

يكون زنك سائلًا ضمن مجال 487 K، من 693 K إلى 1180 K.

موضعه

موضعه في الجدول

تقع زنك في الدورة 4، والمجموعة 12. تشترك جميع العناصر في المجموعة 12 في العدد نفسه من الإلكترونات الخارجية، ولذلك تتصرف بطريقة متشابهة جدًا.

عناصر الفلزات الانتقالية الأخرى

21Sc 22Ti 23V 24Cr 25Mn 26Fe 27Co 28Ni 29Cu 39Y 40Zr 41Nb 42Mo 43Tc 44Ru 45Rh
جميع عناصر الفلزات الانتقالية

القصة

ماهيّة زنك وكيف اكتشفناه

فلز أبيض مزرق. عنصر غذائي أساسي ويحمي الفولاذ من الصدأ.

اكتشاف زنك

الفلز القديم ذو الاسم الحديث

تمتد قصة اكتشاف الزنك آلاف السنين، واصلةً بين علم الفلزات القديم والكيمياء الحديثة. وعلى خلاف العناصر التي اكتُشفت في القوارير المختبرية، ظهر الزنك استجابةً للاحتياجات العملية للحرفيين وفضول الخيميائيين.

البدايات القديمة

تكشف الأدلة الأثرية من حضارة وادي السند (2500 BCE) عن قطع نحاسية أثرية تحتوي على الزنك، مما يشير إلى معرفة مبكرة بخامات الزنك. غير أن علماء الفلزات القدماء أنتجوا الزنك دون علم منهم عبر عمليات الإسمنتة - بتسخين النحاس مع الكالامين الغني بالزنك (كربونات الزنك) في البوتقات، مكوّنين النحاس الأصفر من دون عزل الزنك النقي على الإطلاق.

ازدهر إنتاج النحاس الأصفر الروماني نحو 20 BCE، إذ أتقنت ورش العمل في بلجيكا وألمانيا حاليًا تقنيات أثرت في علم الفلزات الأوروبي لقرون. أطلق الرومان على خام الزنك اسم "cadmia"، مدركين قيمته لكن من دون فهم طبيعته الحقيقية.

الإتقان الآسيوي

بينما واجه الأوروبيون صعوبة مع تطاير الزنك، تمكن علماء الفلزات الهنود من إنتاج الزنك النقي بحلول القرن الثاني عشر. ففي مناجم Zawar في راجستان، طوروا تقنيات ثورية للتقطير في المراجل، إذ سخنوا خامات الزنك في أوعية طينية محكمة وأكثفوا البخار في أنابيب من الخيزران تبرد بالماء - وهي عملية سبقت الأساليب الأوروبية بـ500 عام.

الاعتراف الأوروبي

وصف الطبيب والخيميائي الألماني Andreas Libavius الزنك الفلزي لأول مرة في الأدبيات الأوروبية عام 1597، وأطلق عليه اسم "القصدير الهندي". غير أن الدراسة المنهجية انتظرت Andreas Sigismund Marggraf (1709-1782)، وهو ابن صيدلي من برلين أصبح أحد رواد الكيمياء.

في عام 1746، أجرى Marggraf التجارب الحاسمة التي أثبتت أن الزنك عنصر مستقل. ففي مختبره الخاص، سخن الكالامين بعناية مع الفحم في مراجل محكمة، وجمع المكثف الفضي الذي تشكل. وأثبت توثيقه الدقيق أن الزنك ليس مجرد شكل غير نقي من القصدير أو الرصاص، كما كان يُعتقد سابقًا.

الثورة الصناعية

جاء الاختراق الحقيقي مع براءة اختراع William Champion عام 1738 للصهر واسع النطاق للزنك في بريستول بإنجلترا. استخدمت عملية Champion مراجل ضخمة قادرة على إنتاج 200 رطل من الزنك يوميًا، مطلقةً عصر الزنك الصناعي وممكّنةً ثورة الجلفنة التي غيرت بناء القرن التاسع عشر.

الاستخدامات

استخدامات زنك

التطبيقات الصناعية: محارب التآكل

يُعد الزنك أحد أكثر مدافعي الصناعة تنوعًا، وتتمثل قدرته الأساسية في الجلفنة - وهي العملية التي توفر مليارات الدولارات من أضرار البنية التحتية سنويًا. عند جلفنة الفولاذ بالغمس الساخن، يُغمر في زنك منصهر عند 450°C، مما ينشئ رابطة معدنية تشكل طبقات متعددة من سبائك الزنك والحديد. تحمي هذه العملية كل شيء بدءًا من حواجز الطرق السريعة وصولًا إلى التجديد الأخير لبرج إيفل.

تقنيات الجلفنة

تستخدم الجلفنة الحديثة عدة تقنيات متقدمة. تستطيع خطوط الجلفنة المستمرة معالجة لفائف الفولاذ بسرعات تصل إلى 600 متر في الدقيقة، مع تطبيق طلاءات من الزنك رقيقة لا يتجاوز سمكها 7 ميكرونات، لكنها توفر حماية لعقود. وتستخدم الجلفنة الكهربائية محاليل كبريتات الزنك وتحكمًا دقيقًا في التيار لترسيب طلاءات فائقة النعومة على ألواح هياكل السيارات، مما يضمن اللمسة النهائية الناصعة لسيارتك.

ثورة الصب بالقالب

ينتج الصب بالقالب بالزنك مكونات معقدة تختبئ أمام أعينك في كل مكان. تحقن العملية سبائك الزنك المنصهرة (عادةً Zamak 3 أو 5 أو 7) في قوالب فولاذية دقيقة تحت ضغوط تتجاوز 1,000 psi. وينتج عن ذلك كل شيء بدءًا من مفصلات حاسوبك المحمول وهياكل هاتفك الذكي وصولًا إلى علب ناقل الحركة ومعدات الزينة، مع تفاوتات تُقاس بأجزاء من الألف من البوصة.

تقنية البطاريات

يعمل مسحوق الزنك في البطاريات القلوية بوصفه المصعد في إلكتروليت هيدروكسيد البوتاسيوم، موفرًا الجهد الموثوق 1.5V الذي يشغل عددًا لا يحصى من الأجهزة. وتحقق بطاريات الزنك والهواء المتقدمة الخاصة بالمعينات السمعية كثافات طاقة تضاهي أنظمة الليثيوم، باستخدام أكسجين الغلاف الجوي بوصفه المهبط، مما يجعلها خفيفة للغاية وطويلة العمر.

التصنيع الكيميائي

يتضمن إنتاج أكسيد الزنك إما العملية الفرنسية (تبخير الزنك الفلزي عند 950°C) أو العملية الأمريكية (حرق بخار الزنك في أجواء مضبوطة). ويُستخدم أكسيد الزنك الناتج عاملًا حفازًا مهمًا في تصنيع الميثانول ومكوّنًا أساسيًا في فلكنة المطاط، حيث يعمل منشطًا للتشابك المتقاطع للكبريت الذي يمنح الإطارات متانتها.

الزنك في الحياة اليومية: حاضر دون أن نلاحظه

  • منتجات العناية الشخصية
    • واقي الشمس (يوفر أكسيد الزنك حماية واسعة الطيف من الأشعة فوق البنفسجية)
    • كريم طفح الحفاضات (Desitin وA+D وBoudreaux's Butt Paste)
    • شامبو مضاد للقشرة (Head & Shoulders وSelsun Blue)
    • مزيلات العرق ومضادات التعرق (خصائص مضادة للميكروبات)
  • مواد البناء
    • الأسقف والكسوات المجلفنة (تدوم أكثر من 50 سنة)
    • أسوار الوصلات المتسلسلة وحواجز الطرق
    • مجاري تكييف الهواء والمزاريب
    • المسامير والبراغي والمثبتات
  • صناعة السيارات
    • ألواح الهيكل والإطارات (مقاومة التآكل)
    • مكونات المحركات المصبوبة بالقالب وأجزاء ناقل الحركة
    • أنابيب المكابح وأنظمة الوقود
    • الزخارف والشعارات
  • الإلكترونيات والتقنية
    • أغلفة البطاريات والأقطاب الكهربائية (Duracell وEnergizer)
    • هياكل الهواتف الذكية والحواسيب المحمولة
    • إطارات أجهزة التلفاز والشاشات
    • أغلفة منصات الألعاب
  • الصحة والتغذية
    • المكملات الغذائية (دعم الجهاز المناعي)
    • أقراص استحلاب الزنك لعلاج الزكام (Cold-Eeze وZicam)
    • مراهم التئام الجروح
    • الحبوب والأطعمة المدعمة بالزنك

مصدره

الوجود الطبيعي

70 mg/kg من القشرة الأرضية · أوفر من 80% من العناصر

رحلة الزنك الكونية

تبدأ قصة الزنك في الأفران النووية للنجوم الضخمة، حيث تصنع عمليات احتراق السيليكون والتقاط النيوترونات هذا العنصر الأساسي خلال اللحظات الأخيرة قبل الانهيار النجمي. وعندما تنفجر هذه النجوم على هيئة مستعرات عظمى، تنثر الزنك في أنحاء الكون، فيندمج في النهاية في أنظمة كوكبية جديدة مثل نظامنا.

وفرة الزنك على الأرض

تحتوي قشرة الأرض على نحو 70 جزءًا في المليون من الزنك، مما يجعله العنصر الرابع والعشرين من حيث الوفرة. نتج هذا التركيز عن عمليات التمايز الكوكبي المبكرة، إذ سمح الوزن الذري المتوسط للزنك ببقائه في الوشاح السيليكاتي بدلًا من هبوطه إلى النواة الحديدية والنيكلية.

معادن الزنك الرئيسية

يهيمن السفاليريت (ZnS) على إنتاج الزنك عالميًا، إذ يمثل 95% من خام الزنك كله. وغالبًا ما يعرض هذا المعدن، ذو النظام البلوري المكعّب، ألوانًا زاهية - من الأصفر العسلي إلى الأحمر الداكن - بسبب إحلال الحديد والكادميوم. تشكلت الرواسب الرئيسية عبر عمليات مائية حرارية ترسبت فيها السوائل الغنية بالزنك في بيئات الحجر الجيري.

يمثل كل من السميثسونيت (ZnCO₃) والهيميمورفيت (Zn₄Si₂O₇(OH)₂·H₂O) معادن ثانوية مهمة تشكلت بفعل تجوية رواسب الكبريتيد الأولية. وغالبًا ما تنشئ هذه المناطق المؤكسدة تشكيلات بلورية مذهلة يقدرها جامعو المعادن.

التوزيع العالمي

تتجمع أكبر رواسب الزنك في العالم حول الحدود التكتونية القديمة. وتحتوي منطقة Broken Hill في أستراليا على بعض أغنى خامات الزنك والرصاص والفضة على الأرض، وقد تشكلت قبل 1.7 مليار سنة. ويستغل منجم Antamina في بيرو رواسب سكارن ضخمة، حيث تداخل الحجر الجيري مع الصهارة المتطفلة، موجدًا ظروفًا مثالية لتركيز الزنك.

الدورة البيولوجية

يشارك الزنك في الدورات الجيوكيميائية الحيوية للأرض عبر التجوية وامتصاص النباتات والترسيب البحري. وتحتوي مياه المحيطات على نحو 0.5 جزء في البليون من الزنك، بينما تركزه الكائنات البحرية في أنسجتها، ثم تعيده في النهاية إلى الرواسب عند موتها.

التعامل

السلامة

سلامة الزنك: أساسي لكن بتوازن

يمثل الزنك مفارقة مثيرة للاهتمام - فهو ضروري للحياة، وقد يكون سامًا في الوقت نفسه عند الإفراط فيه. ويُعد فهم هذا التوازن الدقيق أمرًا أساسيًا للتعامل الآمن والصحة البيولوجية.

الأهمية البيولوجية مقابل السمية

يحتاج جسم الإنسان إلى 8-11 mg من الزنك يوميًا لأكثر من 300 وظيفة إنزيمية، وتشغيل جهاز المناعة، والتئام الجروح. ومع ذلك، تبدأ السمية الحادة عند نحو 225-450 mg، مسببة الغثيان والقيء والإسهال. ويمكن أن يتداخل التعرض المزمن لأكثر من 40 mg يوميًا مع امتصاص النحاس، مما يؤدي إلى فقر الدم واضطراب المناعة.

حدود التعرض المهني

  • OSHA PEL: 5 mg/m³ (8-hour TWA) لأبخرة أكسيد الزنك
  • NIOSH REL: 5 mg/m³ (10-hour TWA) مع حد أقصى 10 mg/m³
  • ACGIH TLV: 2 mg/m³ للجزء القابل للاستنشاق، و10 mg/m³ للجزء المستنشق

حمى أبخرة المعادن

تمثل حمى أبخرة المعادن أخطر مخاطر الزنك المهنية. فاستنشاق أبخرة أكسيد الزنك أثناء اللحام أو الصهر يسبب أعراضًا شبيهة بالإنفلونزا تظهر بعد 4-12 ساعة من التعرض: الحمى والقشعريرة والغثيان والإرهاق. وعلى الرغم من أنها نادرًا ما تكون خطيرة، يمكن الوقاية منها تمامًا بالتهوية المناسبة وحماية الجهاز التنفسي.

معدات الحماية الشخصية

  • حماية الجهاز التنفسي: N95 كحد أدنى لغبار الزنك؛ وجهاز تزويد بالهواء للعمليات الساخنة
  • حماية العينين: نظارات أمان بواقيات جانبية؛ ونظارات واقية لأعمال الطحن
  • حماية الجلد: قفازات النتريل؛ وأكمام طويلة عند التعامل مع مركبات الزنك
  • التهوية: شفط موضعي للحام؛ وتهوية عامة للتخزين

إجراءات الطوارئ

الاستنشاق: أبعد المصاب عن مصدر التعرض فورًا؛ وفر الهواء النقي والأكسجين عند الحاجة. ملامسة الجلد: اغسل بالماء لمدة 15 دقيقة؛ وانزع الملابس الملوثة. ملامسة العينين: اغسل بالماء النظيف لمدة 15 دقيقة؛ واطلب العناية الطبية. الابتلاع: لا تحفز القيء؛ وفر الماء واطلب رعاية طبية فورية للكميات التي تتجاوز الجرعات الغذائية.

إجابات سريعة

أسئلة شائعة عن زنك

ما هو زنك؟

زنك (رمزه Zn) هو العنصر 30 في الجدول الدوري، وينتمي إلى فلز انتقالي في الدورة 4 والمجموعة 12. الفلز المضحي: يتآكل الزنك كي لا يتآكل الفولاذ الذي يغطيه. في درجة حرارة الغرفة، يكون صلباً.

ما التوزيع الإلكتروني لـ زنك؟

التوزيع الإلكتروني للحالة الأرضية لـزنك هو [Ar] 3d¹⁰ 4s²، ويشغل 4 مستويات من مستويات الطاقة بتوزيع 2, 8, 18, 2.

ما نقطتا انصهار وغليان زنك؟

ينصهر زنك عند 692.9 K (419.7 °C) ويغلي عند 1180 K (906.9 °C).

ما الكتلة الذرية لـ زنك؟

تبلغ الكتلة الذرية القياسية لـ زنك ‏65.38 u. وهذا متوسط موزون لنظائره الموجودة طبيعياً، ولذلك نادراً ما يكون عدداً صحيحاً.

ما كثافة زنك؟

تبلغ كثافة زنك مقدار 7.134 g/cm³. تبلغ كثافة الماء 1.0 g/cm³، لذا تكون كتلة من زنك أثقل بنحو 7.1×.

ما الكهروسلبية لـ زنك؟

تبلغ كهروسلبية زنك وفق مقياس باولنغ 1.65. ويتراوح المقياس من 0.70 (الفرانسيوم، الأقل ميلاً إلى جذب الإلكترونات) إلى 3.98 (الفلور، الأكثر ميلاً). تميل القيم ضمن هذا النطاق المتوسط إلى تكوين روابط تساهمية بدلًا من الروابط الأيونية القوية.

من اكتشف زنك ومتى؟

اكتُشف زنك في 1746 على يد Andreas Marggraf. سُمّي على اسم zinke بالألمانية، وتعني «نتوء».

ما مدى وفرة زنك على الأرض؟

يشكّل زنك حوالي 70 mg/kg من قشرة الأرض — وهو غير شائع، لكنه ليس نادرًا.

→ السابق Cu نحاس العنصر 29 · فلز انتقالي التالي ← Ga غاليوم العنصر 31 · فلز بعد انتقالي