Çinko Nedir, Nasıl Üretilir, Nerelerde Kullanılır?

Çinko, periyodik tablonun IIb grubunda yer alan, erime noktası düşük, yaşam için gerekli ve çok geniş kullanım alanı olan bir metaldir.

A. DOĞADA BULUNUŞU

Çinko, antik çağlardan beri bilinen ancak üretimi ve kullanılması tam anlaşılamadığından diğer metallerle karıştırılan bir elementtir.Metalin ilk tarifi, Strabos’un yazdığı Mysia adlı eserin Andriera adlı bölümünde “Sahte gümüş” olarak yapılmıştır.

Bilinen en eski çinko parçası Dakya medeniyetine ait Transilvanya’daki Dortaş harebelerinde bulunan ve %87.52 Zn + %11.41 Pb + %1.07 Fe içeren bir idoldür. M.Ö. 500 yıllarına ait Comeros harabelerinde çinkodan yapılmış iki bileziğe ve M.S. 79’da yıkılan Pompei harebelerinde ise çinkoyla kaplanmış bir musluğa rastlanmıştır.

M.Ö. 200 yıllarında pirinç, özellikle Roma’lılar tarafından iyi bilinen bir alaşımdı. Yapım tekniği ZnO içerikli maddelerin redüksiyonu, çinko buharlarının metal bakır üzerinde kondanse edilmesi ve ergitme kademelerinden oluşuyordu.Özellikle alşimistler pirinç yapımını çok iyi biliyorlardı ve amaçları bu alaşımı bakıra, bakırı da altına dönüştürmekti.

Avrupa’da ilk kez Basilluc Valentinius metalik çinkoyu tariflemeden “Zinck” terimini kullandı.”Zinck” isminin bir metal olduğu ve bu metalin fiziksel özellikleri Paracelsus tarafından yazıldı.Hintliler 1000-1300 yılları arasında çinkoyu ticari boyutta üretmişlerdir.

17. ve 18. yüzyılda önemli miktarlarda külçe çinko doğudan Portekiz gemileri ile getiriliyor ve Hollanda’lılar tarafından dağıtılıyordu.Ürün “Spelter”, “Hint kalayı”, “Caloaem” ve “Tutaney” gibi değişik isimler altında pazarlandı.1745 yılında doğudan gelen ve İsveç açıklarında batan bir gemiden çıkarılan külçeler %98.99 Zn, %0.765 Fe ve %0.245 Sb içeriyordu.

ABD’de ilk üretim 1835 yılında Arsenal Washington tarafından yapılmıştır. Amerikan hükümeti yapılan tesiste Belçika’lı  uzmanlarca eleman yetiştirilmesini , çinko metal ve alaşımlarının standartlaşmasını sağlamıştır.İlk ticari üretim ise Belçika prosesine göre 1850’de New  Jersey’de başlamıştır.

İkinci Dünya Savaşı’ndan sonra çinko da en büyük gelişmeler kavurmada akışkan yatak ve üretimde ISP(Imperial Smelting Process 1950-1960)  uygulamaların başlamasıydı.1960-1980 yılları arasında ise nötr liç artıklarının değerlendirilmesi konusundaki çalışmalar tamamlandı.

B. ELDE EDİLME YOLLARI VE ÖZELLİKLERİ

Çinko tayininde takip edilen metot;büyük ölçüde çinkonun bulunduğu malzemenin doğasına,çinko miktarına ve analizcinin tecrübesine bağlıdır.Tüm metotlar yalnızca belirtilen malzemeler için doğru sonuç verirler ve tüm çinko içeren demirli malzemeler için geçerli olan tavsiye edilebilecek tek bi metot yoktur.Çinko bileşenleri,cevherden HCl ve HNO3  gibi asitlerle çözümlendirilebilir ve asitte çözünmeyen artık nadiren çinko içerir.Analiz sırasında eğer çinko için gereken önlem alınmazsa bir kısım alüminyum çökeleğinin içinde,bir kısmı da magnezyum amonyum çökeleğinde kalacaktır.Eğer NH4OH çökeleği küçük değilse,çinko asidik çözeltiden sülfürlü halde ayrılmalıdır.

0.4 N asidik çözeltilerde çöktürülen Cu ve Cd çökelekleri çinko içerebilir.

1. Numunenin Hazırlanması ve Çözümlendirilmesi:  Numune, 100 mesh altına veya daha ince olacak şekilde öğütülmelidir.Çinko cevheri analizlerinde en sık görülen hata,pulp halindeki numunenin nem oranının ihmal edilmesinden kaynaklanır.

Aynı bir pulpun farklı zamanlarda ve değişik laboratuvarlarda yapılacak analizlerin karşılaştırılabilmesi için tüm sonuçların kuru esasa göre düzeltilmiş olması gerekir. Bu durum özellikle kavrulmuş çinko konsantreleri için geçerli olup normal atmosferik koşullarda dahi çok hızlı nem kapabilirler.Kurutma genellikle 110 C’de yapılırsada sülfat  içeren bazı özel cevherler için 250 C’ye kadar çıkmak gereklidir.Cevherler en ideal olaraka HCl veya HNO3 ile muamelenin ardından buharlaşma ve SiO2’nin geleneksel şekilde ayrılmasıyla parçalanırlar.Alaşımlar ise HCl, HNO3 veya H2SO4 ile muamele sonucu dekompoze edilebilirler.

2. Ayrıştırma:  SiO2 nin ayrıştırılması HCl ile birlikte buharlaştırma veya H2SO4 ile dehidratasyon tamamlandığında SiO2 oluşur ve kolaylıkla yıkanarak filtre edilebilir. Cd, Pb, As, Sb, Bi ve Cu gibi metallerin ayrıştırılmasında (Cd hariç) aluminyum kullanılabilir.

Ayrıştırmada kullanılabilecek diğer bir yöntem de  Çinko-demirli malzemenin çözeltisi, 7 ml 1:2 lik H2SO4 çözeltisi ile buharlaştırılır, soğutulur, 50 ml  sum ilave edilir, ısıtılır, 10 ml %10 luk Natiyosülfat ilave edilit ve çıkan SO2 buharları bitene dek kaynatılıp filtre edilir.Eğer mevcutsa, Cd tamamen çökmez ve dolayısıyla H2S ile uzaklaştırılacaksa ayrıca Na-tiyosülfat kullanmaya gerek yoktur.Zira Pb, As, Sb, Bi, ve Cu da bu yolla uzaklaşmaktadır.

Fe, Al ve Mn ayrıştırılmasında eğer miktarlar küçük ise NH3 ve Br ile yapılan çöktürmeler yeterli olabilir.Aksi takdirde, çinkonun, amonyum asetat ile tamponlanmış asetik asit çözeltisinden çinko sülfür şeklinde çöktürülmesi ile ayrıştırma gerçekleştirilir.Çökerek tekrar çözündürülür ve yeniden çöktürülür.

3. Çinkonun Sülfür Şeklinde Çöktürülerek Al, Fe, Co, Ni, Mn ve Cr’dan Ayrılması:  Çinko, pH=2-3 ralığındaki çözeltilerden H2S geçirilerek sülfür şeklinde çöktürülebilir.Bu işlem, 0.01 N H2SO4 çözeltisinden gerçekleştirilebilir.H2S ile olan reaksiyon sırasında, amonyum format ve sitrat, hidrojen iyon konsantrasyonu sabit tutacak şekilde tampon görevini üstlenir.

ZnSO4 + H2S —–  ZnS + H2SO4

Seyretik H2SO4  varlığında çökelek, formik asittekine oranla daha kolay filtre edilebilir karakterde olup dekantasyon yoluyla yıkama, her iki halde de tavsiye edilir.

H2S grubunun ayrıştırılması H2S gazı ile yapılmışsa önce H2S uçurulur ve asit, NH4OH ilave edilerek hafif bir çökelek oluşana dek dikkatlice nötralize edilir. Asitik 0.1 N  H2SO4  ilvesi ile dikkatlice ayarlanır.Normalite 0.01 den daha az olmalıdır. Zira H2S’in asitliği arttırıcı etkiye sahip olduğu dikkate alınmalıdır.

4. Çinko Konsantrelerinde İzo Butil Keton Ekstraksiyonu ve EDTA Titrasyonu ile Çinko Tayini:  Numunenin Br + H2SO4’te çözünürleştirilmesi, refakatçi elementlerin tiyoüre ve sitrat ilavesi ile maskelenmesinden sonra çinkonun metil izo butil ketonla tiosiyonat kompleksi  olarak ekstraksiyonu ve kompleksometrik titrasyonudur. Standart sapma             %50 Zn için + 0.15. İşlem süresi çözünürleştirmeden sonra 30 dakikadır.

5. Galvaniz Saçlarında Atomik Absorbsiyon Metoda ile Fe, Zn, Mn Tayini: Galvaniz tabakası (koruyucu tabaka) bir kromik asit çözeltisinde çözülür.Çözeltiden Zn, Fe ve Mn, atomik absorbsiyon ile tayin edilir.

6. Çinko Nötr Liç Artıklarında Zn (ZnSO4), ZnSiO4, ZnFe2O4 Tayini: 

*Suda çözünen Zn (ZnSO4): 2g ince öğütülmüş numune 500 ml su ile karıştılarak 1 saat oda sıcaklığında, 1 saat da kaynama sıcaklığında liç edilir.Süzülür, çökelek yıkanır. Süzüntüde Zn tayini yapılır.

*ZnO  ve metalik Zn: Artık 400 ml Mustprattscher çözeltisinde (320 g NH4Cl, 640 ml NH3 ve 1040 ml su) karıştırılır. ve 8 saat soğukta bekletilir.Filtre edilir ve artık 1/9 luk Mustprattscher çözeltisi yıkanır.Sonra artık 300 ml sıcak olan çözelti  24 saat karıştırılır.Yıkama yukarıdaki gibi ayne tekrar edilir.Çözeltiler birleştirilir.NH3’lı süzüntüde Zn tayini yapılır.

*ZnSiO4: Artık 500 ml %6’lık asetik asite (CH3COOH) kaynamada bir saat karıştırılarak çözülür.Filtre edildilten sonra çözünmemiş artık hemen dikkatlice yıkanır. CH3COOH’in süzüntü bir ölçü kabında sulandırılır ve CH3COOH’in uzaklaştırılması amacıyla kuruluğa kadar buharlaştırılır.Kalan tuz HCl ile alınır ve artık filtre edilir.Artıkta SiO2 tayini yapılır.Süzüntüde oksitlenmiş Demirin çöktürülmesinden sonra Zn tayini yapılır.

*ZnFe2O4: Asetik asitle muamele sırasında ZnSiO4’den gelen ve artık içeren filtre kağıdı mümkün olan endüşük sıcaklıkta yakılır.Kül önceden tabanına 4g NaOH konmuş bir nikel krozeye alınır.Sonra kül üzeri yine 4gNaOH ile örtülür.Bunun üzerine 10 ml %96’lık etanol dökülür.Sıkı bir örtüye kapanır.

C. FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ

Çinko, atom ağırlığı 65.39 g/mol ve atom numarası 30 olan gümüş renkli bir metaldir.Önemli fiziksel özellikleri;

*Ergime sıcaklığı; 419.47 C

*Kaynama sıcaklığı; 906 C

*Kristal yapısı; Hegzagonal

*Yoğunluğu; 20 C’de 7.14g/cm, ergime noktasında 6.56 g/cm

*30 C sıkılaştırılabilirlik katsayısı;   =1.69 . 10 cm /kg

*Elastik modülü; E=10000 kg/mm (20 C)

*Burulma modülü; F=3935 kg/mm (20 C)

*Poisson sayısı; m=0,27

*Ergime ısısı; 100.86 J/g

*Molar buharlaşma ısısı; 116.4 kJ/g-Atom Zn

*Isı iletkenliği; 0 C’de 116, 100 C’de 109

*Elektrik direncinin sıcaklık katsayısı; 0.00417

*20 C’de normal potansiyeli; -0.763V

*516  C’de   H2 çözünürlüğü ; %10  Atom H

*448 C’de N2 çözünürlüğü; %10  Atom N

*Spesifik ısı; 0 C’de 0.381, 20 C’de 0.385, 100 C’de 0.398

D. KİMYASAL ÖZELLİKLERİ

Çinko bileşiklerinde  +2 değerlikli olarak bulunur. Oluşturduğu bileşiklerde kovalent bağ yapar. Amonyak, amin, siyanür ve halojen iyonları ile kompleks bileşikler meydana getirir.Mineral asitlerinde H2 çıkışıyla çözünür. Ancak nitrik asitle NOx çıkışı olur.Dolayısıyla çinko özellikle toz halde çok etkili bir redükleyicidir.Normal sıcaklıkta havada bırakılan metalin yüzeyinde koruyucu bir tabaka oluştuğundan bu sıcaklıkta oluşan halojenlere bile dayanıklıdır.Toz çinkonun reaksiyona girme kabiliyeti oldukça fazladır fakat yanıcı değildir.Yüksek sıcaklıkta oksijen, kükürt ve klor gibi elementlerle şiddetli reaksiyona girer.

Klorür ve sülfat tuzları suda yüksek miktarda çözünür.Buna karşılık çinko oksit, fosfat ve organik kompleksleri ya suda hiç çözünmezler ya da çok ağır çözünürler.Bileşikleri arasında çinko oksitin teknik ve ekonomik değeri vardır.Organik bileşikleri arasında çinko sabunu en önemli kullanıma sahiptir.

E. KULLANILDIĞI YERLER

Üstünde koruyucu hidrokarbonat tabakası bulunduğu için, havadan etkilenmeyen çinko levhalar damların kaplanmasında kullanılır.Yaprak veya saç şeklindeki çinkodan, ayrıca basım işlerinde ve kuru pillerin yapımında yararlanılır.

Madene bronz görünümü kazandıran bir alaşımla galvanoplasti yoluyla, kaplanıp döküm yapılan çinko, çeşitli sanat eşyaları yapmakta kullanılır.Su, su buharı, organik maddeler, benzenli ve klorlu eriticiler gibi bazı ortamlardaki demir ve çelik üzerinde çinko etkin bir koruyucudur.Bu korumayı sağlamak için, çeşitli çinko çöktürme metotları uygulanır.

Çinko, insan vücudunda eser halinde bulunan ve yaşam açısından gerekli olan elementlerden biridir.Kırmızı kan hücrelerinde yoğun halde bulunur ve karbon dioksit metabolizmasına ilişkin bir çok tepkimenin oluşmasını sağlayan karbonik anhidraz enziminin önemli bir bölümünü oluşturur.Pankreasta buluna çinko, insülün depolanmasına yardım eder.Ayrıca, proteinlerin mide ve ince bağırsakta sindirilmesini sağlayan bazı enzimlerin de önemli bileşenlerinde biridir. Sıcakkanlı hayvanlarda kan proteini hemoglobinde  buluna demirin üstlendiği, dokulara oksijen taşıma görevini, salyongozlarda kan proteini olan hemosikotipsinin bileşimindeki çinko yerine getirir.

Dünyada üretilen çinko temel olarak, demir ve çelik malzemelerinin koruyucu kaplamalarında, basınçlı dökümlerde, pirinç ve çinko levha yapımında kullanılır.

Üretimin geri kalan bölümlerinde ise boya, ilaç gibi maddelerin hazırlamnmasında yararlanılır.Çinko kaplamalar, yapı çeliği sac, boru, kablo ve çivi gibi çeşitli çelik malzemeleri yenime karşı korur.Başlıca çinko kaplama yötemi olan galvanizlemede, çelik malzeme önce asit içinde temizlenir, galvanizleyici maddeylekaynaşmaya hazırlamak amacıyla çeşitli kimyasal maddelerle işlenir ve ardından yaklaşık 440  C’deki ereimiş çinko banyosuna daldırılır.             Yüzeyde çeşitli demir-çinkoalaşımı katmanlar oluşur, en dışarda ise yalnızca çinko katman yer alır.Öteki çinko  kaplama yöntemleri ise, malzemelerin yüzeyine erimiş çinko parçacıklarının püskürtülmesi,küçük boyutlu malzemelerin döner tamburlar içinde sıcak çinko tozuyla ısıtılması biçimindeki Sherard işlemi ve geniş yüzeylerim zengin çinko içerikli boyalarla sıvanmasıdır. Basınçlı döküm yoluyla hazırlanan çinko kalıp dökümlerinde %99.99 oranında çinko içeren katışıksız ürünlerden yararlanılır ve buna %4 alüminyum ile %0.04 magnezyum eklenir.Böylece elde edilen döküm ürünlerinin önemli bir bölümü otomotiv sanayisinde kullanılır.Ayrıca çinko alaşımı dökümleri, anahtar, kapı kolu, banyo malzemeleri, oyuncak ve inşaat malzemesi yapımında kullanılır.Çinko-bakır alaşımı olan pirinç, ürünlerin sanayide ve günlük yaşamda çok geniş uygulama alanları vardır.Çinko levhaların ve şeritlerin başlıca kullanım alanları ise pil sanayisi ile inşaat ve basım etkinlikleridir.Kuru pillerin çoğunda negatif elektrot yerine geçen pilin dış kabı çinkodan yapılır.