झिंक (Zn): गुणधर्म, अभिक्रिया आणि उपयोग | CBSE/JEE पुनरावृत्ती

झिंक (Zn) ची ओळख

झिंक (Zn) हा निळसर-पांढरा, चमकदार धातू आहे, जो आधुनिक उद्योग आणि जैविक प्रणालींसाठी महत्त्वाचा आहे. याचा उपयोग स्टीलचे गंजण्यापासून संरक्षण करण्यापासून ते सजीवांमध्ये आवश्यक सूक्ष्मपोषक म्हणून त्याची भूमिका बजावण्यापर्यंतच्या विविध क्षेत्रांमध्ये होतो. त्याचे रासायनिक आणि भौतिक गुणधर्म समजून घेणे हे उच्च माध्यमिक रसायनशास्त्र परीक्षांसाठी मूलभूत आहे.

CBSE/JEE त्वरित पुनरावृत्ती नोट्स

• अणु चिन्ह: Zn
• अणु संख्या: 30
• अणु वस्तुमान: 65.38 u
• गट: 12 (IIB)
• आवर्त: 4
• खंड: d-खंड मूलद्रव्य (सामान्य ऑक्सिडेशन अवस्थेत त्याचे d-कक्षा पूर्ण असल्याने ते अनेकदा संक्रमणोत्तर धातू मानले जाते).
• सामान्य ऑक्सिडेशन अवस्था: +2 (नेहमी Zn²⁺ आयन बनवते).
• खोलीच्या तापमानातील भौतिक अवस्था: स्थायू
• स्वरूप: खोलीच्या तापमानाला ठिसूळ धातू; 100-150°C तापमानावर लवचिक होतो.
• प्रमाण इलेक्ट्रोड संभाव्यता (Zn²⁺/Zn): -0.76 V (अत्यंत इलेक्ट्रोपॉझिटिव्ह, सहज इलेक्ट्रॉन गमावतो).

इलेक्ट्रॉन संरूपण आणि बंध तयार करण्याची प्रवृत्ती

• मूळ अवस्थेतील इलेक्ट्रॉन संरूपण: [Ar] 3d¹⁰ 4s²
• Zn²⁺ आयनचे इलेक्ट्रॉन संरूपण: [Ar] 3d¹⁰
  • त्याच्या अणू अवस्थेत आणि सामान्य आयन अवस्थेत (Zn²⁺) दोन्हीमध्ये 3d¹⁰ कक्षेचे पूर्ण असणे हे झिंकला सामान्य संक्रमण धातूंपासून वेगळे करते, ज्यामुळे काही वर्गीकरणांमध्ये त्याला संक्रमणोत्तर धातू किंवा मुख्य गट धातू असे संबोधले जाते.
• बंध: प्रामुख्याने अधातूंशी आयनिक संयुगे बनवतो (उदा., ZnO, ZnS, ZnCl₂). रिकाम्या कक्षांच्या उपलब्धतेमुळे आणि d-खंड मूलद्रव्यासाठी त्याच्या लहान आकारामुळे ते सहसंयुजी संयुगे आणि विविध जटिल आयन देखील बनवू शकते.
• समन्वय संख्या: सामान्यतः 4 समन्वय संख्या (चतुष्पृष्ठीय संकुल, उदा., [Zn(NH₃)₄]²⁺) आणि कधीकधी 6 (अष्टपृष्ठीय संकुल, उदा., [Zn(H₂O)₆]²⁺) दर्शवतो.

महत्त्वाच्या रासायनिक अभिक्रिया

झिंकची अभिक्रियाशीलता त्याच्या इलेक्ट्रोपॉझिटिव्ह स्वरूपामुळे आणि उभयधर्मी (amphoteric) गुणधर्मामुळे वैशिष्ट्यीकृत आहे.

1. हवा/ऑक्सिजन सोबतची अभिक्रिया

• खोलीच्या तापमानाला: त्याच्या पृष्ठभागावर झिंक ऑक्साईड (ZnO) चा एक संरक्षक निष्क्रिय थर तयार होतो, ज्यामुळे पुढील गंजणे थांबते.
• तापवल्यावर: निळसर-हिरव्या ज्योतीने हवेत जळून झिंक ऑक्साईड तयार होते. 2Zn(s) + O₂(g) \rightarrow 2ZnO(s)

2. आम्लासोबतची अभिक्रिया

• विरल गैर-ऑक्सिडायझिंग आम्लांसोबत (उदा., HCl, H₂SO₄): हायड्रोजन वायू मुक्त करतो. Zn(s) + 2HCl(aq) \rightarrow ZnCl₂(aq) + H₂(g) Zn(s) + H₂SO₄(dilute) \rightarrow ZnSO₄(aq) + H₂(g)
• केंद्रित सल्फ्यूरिक आम्लासोबत: सल्फर डायऑक्साइड वायू तयार होतो. Zn(s) + 2H₂SO₄(conc) \rightarrow ZnSO₄(aq) + SO₂(g) + 2H₂O(l)
• विरल नायट्रिक आम्लासोबत: सांद्रतेनुसार नायट्रिक ऑक्साईड किंवा नायट्रस ऑक्साईड तयार करतो. 3Zn(s) + 8HNO₃(dilute) \rightarrow 3Zn(NO₃)₂(aq) + 2NO(g) + 4H₂O(l)
• केंद्रित नायट्रिक आम्लासोबत: नायट्रोजन डायऑक्साइड तयार करतो. Zn(s) + 4HNO₃(conc) \rightarrow Zn(NO₃)₂(aq) + 2NO₂(g) + 2H₂O(l)

3. आम्लारीसोबतची अभिक्रिया (उभयधर्मी स्वरूप)

झिंक हा उभयधर्मी धातू आहे, जो मजबूत आम्लारीसोबत अभिक्रिया करून झिंकेट्स बनवतो. Zn(s) + 2NaOH(aq) + 2H₂O(l) \rightarrow Na₂[Zn(OH)₄](aq) + H₂(g) (सोडियम टेट्राहायड्रॉक्सोझिंकेट(II))

4. पाणी/वाफेसोबतची अभिक्रिया

• थंड पाण्यासोबत: अभिक्रिया नाही.
• वाफेसोबत (लाल तापमानाला): झिंक ऑक्साईड आणि हायड्रोजन वायू तयार करतो. Zn(s) + H₂O(g) \rightarrow ZnO(s) + H₂(g)

5. विस्थापन अभिक्रिया

झिंक, हायड्रोजन आणि इतर अनेक धातूंंपेक्षा जास्त अभिक्रियाशील असल्याने, त्यांच्या क्षार द्रावणातून त्यांना विस्थापित करू शकते.

• Zn(s) + CuSO₄(aq) \rightarrow ZnSO₄(aq) + Cu(s)
• Zn(s) + FeSO₄(aq) \rightarrow ZnSO₄(aq) + Fe(s) (पुरेशा अभिक्रियेसाठी उष्णता आवश्यक)

6. संकुल (Complexes) तयार करणे

झिंक आयन सहजपणे स्थिर संकुल तयार करतात, विशेषतः अमोनिया आणि हायड्रॉक्साईड आयनांसोबत.

• Zn²⁺(aq) + 4NH₃(aq) \rightarrow [Zn(NH₃)₄]²⁺(aq) (टेट्राअमीनझिंक(II) आयन)
• Zn²⁺(aq) + 4OH⁻(aq) \rightarrow [Zn(OH)₄]²⁻(aq) (टेट्राहायड्रॉक्सोझिंकेट(II) आयन)

औद्योगिक आणि जैविक महत्त्व

औद्योगिक महत्त्व

1. गॅल्व्हनायझेशन: सर्वात महत्त्वाचा उपयोग. झिंक लेपन स्टील आणि लोखंडाला शारीरिक अडथळा आणि कॅथोडिक संरक्षण (बलिदानी ॲनोड) दोन्ही प्रदान करून गंजण्यापासून वाचवते.
2. मिश्रधातू:
   • पितळ (Brass): तांबे (Cu) सोबतची मिश्रधातू, प्लंबिंग, वाद्ये आणि सजावटीच्या वस्तूंसाठी मोठ्या प्रमाणावर वापरली जाते.
   • जर्मन सिल्व्हर (German Silver): तांबे आणि निकेल (Ni) सोबतची मिश्रधातू, कटलरी आणि दागिन्यांमध्ये वापरली जाते.
3. बॅटरी:
   • कोरड्या पेशी (Leclanché Cell): झिंक ॲनोड म्हणून कार्य करते.
   • अल्कधर्मी बॅटरी: झिंक पावडर ॲनोड म्हणून वापरली जाते.
   • निकेल-कॅडमियम (Ni-Cd) बॅटरी: इलेक्ट्रोड्समध्ये झिंक असू शकते.
4. झिंक ऑक्साईड (ZnO):
   • रंगांमध्ये रंगद्रव्य (चायनीज व्हाईट).
   • रबर आणि प्लॅस्टिकमध्ये भराव म्हणून.
   • सनस्क्रीन आणि सौंदर्यप्रसाधनांमधील घटक (UV अवरोधक).
   • मलममध्ये अँटीसेप्टिक.
5. झिंक सल्फाईड (ZnS):
   • कॅथोड रे ट्यूब्स (टीव्ही स्क्रीन) आणि फ्लूरोसंट दिव्यांसाठी फॉस्फरमध्ये वापरले जाते.
   • चमकदार सामग्री.
6. झिंक डस्ट: सेंद्रिय संश्लेषणात रिड्यूसिंग एजंट म्हणून.

जैविक महत्त्व

1. आवश्यक ट्रेस घटक: मानवांसह, प्राणी आणि वनस्पतींसह सर्व प्रकारच्या जीवनासाठी झिंक महत्त्वाचे आहे.
2. एंझाइम कोफॅक्टर: 300 पेक्षा जास्त एंझाइम्सना त्यांच्या उत्प्रेरक कार्यासाठी झिंकची आवश्यकता असते. प्रमुख उदाहरणे:
   • कार्बोनिक एनहायड्रेज: रक्तातील CO₂ वाहतुकीसाठी आवश्यक.
   • अल्कोहोल डीहायड्रोजिनेज: अल्कोहोल चयापचयात (metabolism) सामील.
   • DNA पॉलीमरेझ: DNA प्रतिकृतीकरण (replication) आणि दुरुस्तीसाठी महत्त्वाचे.
   • RNA पॉलीमरेझ: जनुक अभिव्यक्तीसाठी (gene expression) आवश्यक.
3. प्रथिन संरचना: अनेक प्रथिनांमध्ये, विशेषतः DNA ला बांधून जनुक अभिव्यक्ती नियंत्रित करणाऱ्या “झिंक फिंगर” (zinc finger) नमुन्यांमध्ये संरचनात्मक भूमिका बजावते.
4. रोगप्रतिकार कार्य: निरोगी रोगप्रतिकार प्रणालीला मदत करते.
5. जखमेचे उपचार: ऊतक दुरुस्ती आणि पेशींच्या वाढीसाठी आवश्यक.
6. संवेदन कार्य: चव आणि गंध ओळखण्यासाठी महत्त्वाचे.

झिंकच्या कमतरतेमुळे वाढ खुंटणे, रोगप्रतिकारशक्तीचे बिघडणे, त्वचेच्या समस्या आणि न्यूरोलॉजिकल विकार होऊ शकतात.