El cinc o zinc1 (del alemán Zink) es un elemento químico esencial de número atómico 30 y símbolo Zn, situado en el grupo 12 de la tabla periódica de los elementos.2
Las variantes gráficas «zinc» y «cinc» son ambas aceptadas como válidas.1 Sin embargo, la forma con z, «zinc», es la más coherente con el origen de la palabra y, por tanto, con su símbolo químico internacional (Zn), además de concordar con la mayoría de las lenguas europeas occidentales (inglés, francés, alemán, italiano, portugués, neerlandés, etc. aunque no en todas).
Características principales
El cinc es un metal o mineral, a veces clasificado como metal de transición aunque estrictamente no lo sea, ya que tanto el metal como su especie dispositiva presentan el conjunto orbital completo. 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). Es el 23º elemento más abundante en la Tierra y una de sus aplicaciones más importantes es el galvanizado del acero.
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. En el año 2004 se publicó en la revista Science el primer y único compuesto conocido de cinc en estado de oxidación +1, basado en un complejo organometálico con el ligando pentametilciclopentadieno. 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 100 °C. No se puede endurecer por acritud y presenta el fenómeno defluencia a temperatura ambiente —al contrario que la mayoría de los metales y aleaciones— y pequeñas cargas el más importante.
Historia
La etimología de cinc parece que viene del alemán Zink, este del Zinken (en español pico, diente), para indicar el aspecto con filos dentados del mineral calamina, luego fue asumido para el metal obtenido a partir de él,[cita requerida] aunque otras fuentes consideran que viene de la palabra persa para piedra.3
Las aleaciones de cinc se han utilizado durante siglos —piezas de latón datadas en 1000-1500 a. C. se han encontrado en Canaán y otros objetos con contenidos de hasta el 87% de cinc han aparecido en la antigua región de Transilvania— 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 los romanos hacia 30 a. C. 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 fundición y extracción de cinc impuro se llevó a cabo hacia el año 1000 en la India —en la obraRasarnava (c. 1200) de autor desconocido se describe el procedimiento— y posteriormente en China y 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. 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 cinc; añadiendo en sus notas que un metal similar denominado zincum se producía en Silesia.3 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 elbismuto.
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 químicoAnton 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.
Aplicaciones
La principal aplicación del cinc —cerca del 50 % del consumo anual— es el galvanizado del acero para protegerlo de lacorrosión, protección efectiva incluso cuando se agrieta el recubrimiento ya que el cinc actúa como ánodo de sacrificio. Otros usos son éstos:
- Baterías de Zn-AgO usadas en la industria aeroespacial para misiles y cápsulas espaciales por su óptimo rendimiento por unidad de peso y baterías cinc-aire para computadoras portátiles.
- Piezas de fundición inyectada en la industria de automoción.
- Metalurgia de metales preciosos y eliminación de la plata del plomo.
- Utilizado en fabricación de pinturas al óleo, para fabricar el color blanco de cinc, utilizado para crear transparencias en la pintura.
- Aleaciones: latón, alpaca, cuproníquel-cinc, aluzinc, virenium, tombac, etc.
Papel biológico
El cinc es un elemento químico esencial para los seres humanos y ciertos animales. El cuerpo humano contiene alrededor de 40 mg de cinc por kg y muchas enzimasfuncionan con su concurso: interviene en el metabolismo de proteínas y ácidos nucleicos, estimula la actividad de aproximadamente 100 enzimas, colabora en el buen funcionamiento del sistema inmunitario, 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.
Hay 2-4 gramos de cinc4 distribuidos en todo el cuerpo humano. La mayoría del cinc se encuentra en el cerebro, los músculos, los huesos, el riñón y el hígado, con las concentraciones más altas en la próstata y las partes del ojo.5 El semen es particularmente rico en cinc, siendo un factor clave en la correcta función de la glándula prostática y en el crecimiento de los órganos reproductivos.6
El cinc aumenta la testosterona en sangre indirectamente, funcionando como coenzima en el metabolismo de las hormonas masculinas por medio de su formación a través de la hormona luteinizante (LH), que estimula las células de Leydig.7 8 También previene que la testosterona se degrade en estrógeno por medio de la enzimaaromatasa.9
En el cerebro, el cinc se almacena en determinadas vesículas sinápticas mediante neuronas glutamatérgicas10 y puede "modular la excitabilidad del cerebro".11Desempeña un papel clave en la plasticidad sináptica y por lo tanto en el aprendizaje.12 Sin embargo, ha sido llamado el "caballo oscuro del cerebro" (“the brain's dark horse”)10 ya que también puede comportarse como una neurotoxina, lo que sugiere que la adecuada homeostasis del cinc desempeña un papel fundamental en el funcionamiento normal del cerebro y del sistema nervioso central.10
Se cree que el aguijón de los escorpiones contienen cinc con una pureza de 1/4 partes.
Deficiencia
La deficiencia de cinc perjudica al sistema 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.13 Las causas que pueden provocar una deficiencia de cinc son la deficiente ingesta y la mala absorción del mineral —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.
La deprivación de cinc en los períodos de rápido crecimiento afecta negativamente el desarrollo cognitivo, cerebral y sexual.8
Según el CSIC, este elemento tiene un papel de suma importancia en las funciones mediadas por neurotransmisores, actuando como modulador de la excitabilidad neuronal. En este sentido la deficiencia de cinc puede causar trastornos del humor y neurodegeneración, como depresión y Alzheimer.14
La disminución de los niveles de LH y testosterona circulantes a causa de la deficiencia de cinc afecta negativamente la actividad de las células de Leydig.
Exceso
El exceso de cinc, denominado hipercincemia, se ha asociado con bajos niveles de cobre, alteraciones en la función del hierro, disminución de la función inmunológica y de los niveles del colesterol bueno HDL, vómitos, diarrea, daños a los riñones y depresión mental.15 16
Cinc en la dieta
El cinc se encuentra en diversos alimentos, especialmente en aquellos ricos en proteínas, ya que el cinc queda retenido entre las mismas, como las ostras, carnes rojas, carne de cerdo, cordero, aves de corral, algunos pescados y mariscos. Otras fuentes ricas en cinc son las habas, nueces, granos enteros y levadura. Las frutas y las verduras no son habitualmente buenas fuentes, porque el cinc en las proteínas vegetales no tiene tanta biodisponibilidad para el ser humano como el cinc de las proteínas animales.
Los cereales integrales, las legumbres y los frutos secos son ricos en fitatos, que son conocidos bloqueantes del cinc. La biodisponibilidad del cinc en el pan leudado es mayor que en los productos sin levadura, ya que el proceso de leudado activa la fitasa, que descompone el ácido fítico. El resultado es que mejora la biodisponibilidad del cinc.
La ingesta diaria recomendada de cinc 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.13 La absorción del cinc 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 cinc, como se refleja en los niveles de cinc en sangre y en los estudios sobre el balance de cinc.17 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.18 Los hombres vegetarianos y no vegetarianos tienen un consumo de cinc similar19 mientras que las mujeres vegetarianas presentan un consumo significativamente más bajo. Incluso aunque estas últimas consuman menos cinc, 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 cinc.
Como el cinc, 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 cinc.20
Abundancia y obtención
La producción mundial de cinc durante 2011 alcanzó un total de 12,40 millones de toneladas métricas. El principal país productor es China, seguido por Perú yAustralia.21
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| Fuente:United States Geological Survey (USGS) - 2011 |
El cinc es el 23º elemento más abundante en la corteza terrestre. Las minas 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 sulfuro de cinc conocido como esfalerita en EE.UU. y blenda en Europa; smithsonita (carbonato) en Estados Unidos, pero calamina en Europa;hemimorfita, (silicato) y franklinita (óxido).
De acuerdo a información entregada en el informe anual del United States Geological Survey (USGS), las estimaciones señalan que las reservas económicamente explotables de cinc en el 2011 a nivel mundial alcanzarían las 250 millones de toneladas métricas. Repartiéndose entre China, Estados Unidos, Perú y Kazajistán.22 Las reservas conocidas (incluyendo aquéllas cuya explotación hoy día no es rentable) rozan los 2000 millones de toneladas.
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 y se someten a un proceso de flotación para obtener el concentrado.
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
Otra forma más sencilla y económica de reducir el óxido de cinc es con Carbono. Se colocan los dos moles o porciones molares de óxido de cinc (ZnO), y un mol deCarbono (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 cinc. En esta etapa, la reducción del óxido de cinc, se expresa de la siguiente manera:
2 ZnO + C → 2 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 Organización Internacional de Normalización 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: sulfato de cinc (nutriente agrícola y uso en minería), cloruro de cinc (desodorantes) y sulfuro de cinc (pinturasluminiscentes).
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 con periodos de semidesintegración de 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 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. En la década de los 40 se observó que en la superficie del acero galvanizado se forman con el tiempo "bigotes de cinc" (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 pequeños voltajes de funcionamiento impiden que se alcance la temperatura de fusión del metal provocando fallos crónicos que pueden ser incluso intermitentes.
El seleniuro de zinc (ZnSe) es un material semiconductor y compuesto químico binario. Se presenta como un sólido amarillo pálido. Es un semiconductor intrínseco con una banda prohibida de 2.7 eV, aproximadamente a 25 °C. El ZnSe rara vez se encuentra en la naturaleza. Se encuentra en el mineral stilleíta que toma su nombre de Hans Stille.n. 1
Características
Su conductancia eléctrica se puede controlar de forma dinámica o permanente variando su estado desde conductor a aislante. Es un material que se usa comúnmente para los lentes, ventanas, acopladores de salida y expansores de haz debido a su baja absorción de las ondas infrarrojas y su transmisión visible. Es un materialhigroscópico, es decir, que tiene la capacidad de absorber humedad del medio circundante y es químicamente estable, a menos que sea tratado con ácidos fuertes. Es seguro en la mayor parte de ambientes industriales, campo y laboratorio. Si se aplica en alta potencia, es importante que la absorción masiva del material y la estructura de defectos internos sea cuidadosamente controlada, que se emplee una tecnología de pulido que produzca un daño mínimo y que se utilicen los recubrimientos de película fina de mayor calidad.
Uso
El seleniuro de zinc se utiliza entre otras cosas para la preparación de superficies ópticas altamente reflectantes, donde se presenta en capas delgadas alternando con otra sustancia, por ejemplo. Por otra parte , es transparente , en contraste con el vidrio normal tanto en el rango infrarrojo y en el rango de longitud de onda visible. Por lo tanto, es particularmente adecuado para la producción de ventanas ópticas y lentes de enfoque para los láseres z, láser de CO2 o de estado sólido. Las propiedades ópticas del material se pueden utilizar para transmitir la longitud de onda de trabajo real , al tiempo que permite la transmisión de un láser semiconductor mayoría de color rojo para la alineación de la trayectoria del haz.
La transparencia de infrarrojos de seleniuro de zinc también hace que sea interesante para el uso en la espectroscopia de infrarrojos. El rango espectral utilizable es de 20 000 a 650 cm-1 (0.5 a 15 micras). En esta área, el seleniuro de zinc se utiliza como un cristal de medición para la técnica de reflexión total atenuada. Aquí, el material se conoce como IrTran-1. Se considera por muchas aplicaciones de rutina como uno de los sustitutos preferidos para talio de bromuro altamente tóxicos (KRS-5). El índice de refracción de ambos materiales es muy similar en esta región. El índice de refracción de ZnSe a 1000 cm-1 es de 2.4. Sin embargo, no es adecuado para uso en conexión con ácidos y bases fuertes, tales como el grabado de la superficie. Lo mismo es cierto para los agentes complejantes tales como EDTA y amoníaco.
Aplicaciones
- El ZnSe se utiliza para formar los diodos emisores de luz II- VI y láseres de diodo . Emite una luz azul.
- El ZnSe dopado con cromo (ZnSe:Cr) se ha utilizado como medio de ganancia al láser infrarrojo que emite a alrededor de 2.4 micras.
- El seleniuro de cinc puede reaccionar lentamente con la humedad atmosférica si está mal pulido, pero esto no representa un problema grave
- El seleniuro de zinc activado, con teluro (ZnSe(Te)), es un centelleador donde su pico de emisión es a 640 nm, apto para la combinación con fotodiodos.
- Se utiliza en detectores de rayos X y rayos gamma
- El centelleador de ZnSe es significativamente diferente al de ZnS.
Propiedades
| Coeficiente de absorción a granel @ 10.6µm | <= 0.0005 cm-1 |
| Cambio de temperatura del índice de refracción @ 10.6µm | 61 x 10-6/°C |
| Índice de Refracción Inhomogeneidad @ 632.8 nm | < 3x10-6 |
| Conductividad Térmica @ 20°C | 0.18 W/cm/°C |
| Calor específico | 0.356 J/g/°C |
| Coeficiente de expansión lineal@ 20°C | 7.57x10-6/°C |
| Módulo de Young | 67.2 GPa (9.75 x 106 psi) |
| Módulo de ruptura | 55.1 MPa (8,000 psi) |
| Dureza de Knoop | 105-120 kg/mm2 |
| Densidad | 5.27 g/cm3 |
| Coeficiente de piosson | 0.28 |
El zincado1 es el recubrimiento de una pieza de metal con un baño de zinc para protegerla de la oxidación y de la corrosión, mejorando además su aspecto visual. El principio de funcionamiento se basa en que los átomos de cinc reaccionan con las moléculas del aire(especialmente oxígeno), oxidándose más rápido (por estar en la superficie) que el metal componente de la pieza, retardando la corrosión interna.
El zincado puede obtenerse por procesos electrolíticos o mecánicos. Las partes metálicas se sumergen en un baño de cinc líquido a temperatura de fusión de 900 a 950 grados Celsius, consiguiendo un galvanizado. El cinc también puede adsorberse si se aplica como polvo y se coloca en un horno adecuado (sheradización), o se pulveriza a presión (metalización). También existe el cincado ácido y el alcalino. La diferencia entre ambos es que en el alcalino se utilizan compuestos con cianuro. Debido a la toxicidad de este grupo químico se ha incrementado la utilización de la variante ácida, a pesar de requerir mayor control de la composición y la pureza.
Según sea el tamaño de las piezas se emplean diversos métodos de cincado. Las piezas pequeñas se tratan a granel en tambores rotativos, mientras que para las de mayor tamaño se utiliza el cincado en bastidor, para disminuir el rozamiento en la superficie del material. En este caso, la pieza se limpia y se cuelga en un bastidor acorde a su forma. Después del baño electrolítico se consigue un espesor de recubrimiento medio de 6-12 micras. Para una mayor protección anticorrosiva del material, se aplica un pasivadocromatizado que le da además el aspecto final de la pieza, pudiendo ser blanco, amarillo o verde dependiendo de la protección y matiz que se desee obtener.
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