Els empèdocles moderns – L’element 30 (Zn) – zinc (niltrinili, Ntn)

Dels elements químics majoritaris a les biomolècules, carboni, hidrogen, oxigen, nitrogen, fòsfor i sofre, tots ells són comptats entre el “terç” d’elements químics classificats com a no-metalls (o metal•loids). Malgrat tot, aquestes setmanes, en aquest primer corregut pel bloc d dels elements de transició, hem vist que com molts d’ells són també biometalls. Sovint els trobem com a cofactors proteics, i en aquest sentit hom diu de les proteïnes corresponents que són “metal•loproteïnes”. Hom descompta sovint, d’aquesta categoria, les proteïnes que empren com a cofactors ions de metalls alcalins (Na, K) o alcalino-terris (Ca, Mg) i la restringeix als metalls de transició (Fe, Co, Cu, Zn, etc.). L’especificitat de la interacció entre els ions metàl•lics i les corresponents metal•loproteïnes explica la diversitat de requeriments nutricionals d’organismes biològics diferents. I també explica que les aportacions de cada element tingui uns intervals ideals. El gran moviment de metalls que no ha deixat d’augmentar des dels inicis més tendres de la metal•lúrgia humana, ha fet de la “contaminació” de sòls, aigües, aires i aliments amb “metalls pesants” un problema rellevant. La “química bioinorgànica” és la disciplina que estudia el rol dels metalls en biologia, no tan sols des del punt de mira fisiològic, sinó també patològic (toxicologia dels metalls) i terapèutic. Ja de bell antuvi, l’alquímia barrejava les arrels metal•lúrgiques amb les mèdiques, i molts foren els qui identificaren la pedra filosofal, la capacitat crisopoiètica, amb la panacea, l’elixir de la joventut. Hom ha anomenat “iatroquímica” a l’escola de pensament que, sobretot vinculada amb Paracels, provava d’aplicar els conceptes i eines del laboratori alquímic a la medicina. Els hereus moderns de la iatroquímica, l’anomenada “medicina basada en l’evidència”, diuen basar-se en “l’ús d’estimacions matemàtiques dels risc del benefici i del dany, derivades de la recerca d’alta qualitat en mostres poblacionals, per tal d’informar la presa de decisió clínica en el diagnòstics, investigació o gestió dels pacients”. Mentrestant, nosaltres arribem al nombre 30 de la nostra sèrie.

Esquema del centre actiu de la anhidrasa carbònica II, on es mostra la coordinació d’un ió de zinc (gris) amb tres residus d’histidina i el grup OH d’un quart residu

La descoberta del zinc

Recipient dels segles II-III e.c., fet d’un aliatge de coure i zinc

És probable que ja en els primers segles de l’Edat de Bronze, quan aquest aliatge es confegia a partir de minerals rics en coure i d’altres metalls, s’elaboressin “bronzes” amb quantitats significatives de zinc. Actualment, el mot “llautó” (o en anglès, “brass”) designa més específicament aquests aliatges de coure i zinc, però les denominacions i classificacions dels diversos tipus de bronze han ballat amb el temps. L’anàlisi de les peces arqueològiques pot reconstruir el contingut metàl•lic dels diversos aliatges.

Ja en el segle XIV a.e.c., trobem a Palestina peces fetes de llautó amb continguts de zinc d’un 23%. Aquest aliatge era el producte de l’ús de minerals amb aquesta composició relativa de coure i zinc, i no pas d’una barreja deliberada dels metal•lúrgics.

Però també hi ha materials d’aquesta època i d’anteriors que tenen continguts de zinc superiors. Així a Dàcia hom ha trobat una estatueta amb un aliatge de zinc al 87,5%. D’ús també ornamental són peces que tenen continguts de zinc del 80-90% (la resta conformada per plom, ferro, antimoni, etc.).

Els minerals per elaborar aquests aliatges rics en zinc, com la hidrozincita o la smithsonia, també eren emprats amb altres finalitats no-metal•lúrgiques, com era el tractament d’afeccions d’ulls. En aquest sentit, hom trobà píndoles fets d’aquests carbonats de zinc en les restes d’un naufragi a Relitto del Pozzino, datat en l’any 140 a.e.c. En la mateixa època, a Zawar (Udaipur) sembla que ja s’explotava mineral de zinc.

Malgrat que els aliatges de coure-zinc eren utilitzats a Grècia en el segle VIII a.e.c., la seva generalització no comença fins el segle I a.e.c. Les matèries primeres d’aquest aliatge eren calamina, carbó i coure. La principal aplicació d’aquest “bronze de calamina” fou en armament, encara que també s’utilitzà per fer recipients i, ja més tardanament, en algunes sèries monetàries.

Fins quin punt hi havia un coneixement del zinc com a metall diferenciat és dubtós. En el “Charaka Samhita”, que recull tradicions del segle V a.e.c., s’esmenta el “pushpanjan”, producte de l’oxidació d’un metall que hom ha identificat com a zinc. Similarment, hom ha identificat l’expressió de “fals argent”, que trobem en Teopomp (s. IV a.e.c.), amb el zinc. De zinc és la taula de Berna, en la qual llegim la inscripció celta en caràcters grecs “ΔΟΒΝΟΡΗΔΟ ΓΟΒΑΝΟ ΒΡΕΝΟΔΩΡ ΝΑΝΤΑRΩR”, que hom suposa ja de l’època romana.

Malgrat tots aquests antecedents, cal esperar a l’Índia del segle XII per trobar ja una producció generalitzada de zinc. A les mines de Zawar hom ha estimat la producció total d’òxid de zinc i de zinc entre els segles XII i XVI en un milió de tones. En el “Rasaratna Samuccaya”, redactat en el segle XIII, hom fa diferència entre dos minerals de “jasada”, l’emprat per a l’obtenció del metall corresponent i el destinat a usos mèdics. Per aconseguir el metall, la calamina era sotmesa a una reducció amb llana i d’altres materials orgànics que retenien impureses.

La metal•lúrgia de zinc es difongué des de l’Índia a altres regions. Els alquimistes dels països romànics empraren diversos símbols per referir-s’hi:

Els alquimistes sotmeteren el metall a diferents processos. En cremar-lo en presència d’aire, i en recollir el producte en un condensador, aconseguien l’anomenada “lana philosophica”o “nix album” pel seu color blanc i la seva textura.

Els cristalls metàl•lics tenien una aparença punxeguda, com de dent, que els hi va valdre, en els països germànics, el nom de “zinke”. Potser això es va veure enfortit pel mot persa سنگ (seng, pedra) o amb “zinn”, el nom amb el qual els alemanys coneixien l’estany. De fet, el zinc, a Europa, era designat de vegades com a estany indià. Altres denominacions habituals eren calamina (per bé que sovint hom la reservava al mineral de zinc), spinter (emprat també per referir-se a aliatges de zinc) o tutanego. Paracels (1493-1541), en qualsevol cas, s’estima més la denominació de “zinken” i la correspondència llatina de “zincum”.

De totes formes, el coneixement del zinc fora de l’esfera cultural índica era limitat. Ho mostra el fet que Andreas Libavius (1555-1616) descrigués una possible mostra de zinc, sota el nom de “calay”, procedent de Malabar, que hauria estat interceptada en una nau portuguesa capturada en el 1596. Ja en el segle XVII, la metal•lúrgia del zinc arriba a la Xina, però a Europa és, en general, un material importat, ben car i força rar.

De mica en mica, a Europa es realitzen intents d’extracció de metalls de minerals com la calamina. P. M. de Respour, a Flandes, ho fa en el 1668. Étienne François Geoffroy (1672-1731) esmenta el zinc i la “pedra calaminaire” en les “tables des rapports” (1718-1720):

Segons Geoffroy, el zinc és poc reactiu, tret d’en relació amb el mercuri. Geoffroy esmenta un mètode d’obtenció de cristalls grocs de zinc (d’òxid de zinc) damunt barres de ferro, a partir de la fossa de minerals de zinc. John Lane, més o menys, en la mateixa època provà d’obtindre zinc metàl•lic a través de la fossa de metalls.

En el 1738, William Champion patentà un procés per extreure zinc de calamina amb una foneria vertical en retorta. El mètode de Champion no era gaire més avançat a l’aplicat en les mines de Zawar, però permeté a Europa una producció pròpia.

Andreas Marggraf

Per obtindre zinc metàl•lic de major puresa, s’hi aplicaren diversos mètodes. Anton von Swab, en el 1740, destil•la zinc de considerable puresa a partir de calamina. Andreas Marggraf, en el 1746, va escalfar una barreja de calamina i de carbó en un vas tancat, tenint cura d’evitar cap estri de coure. En el 1752, el mètode de Marggraf ja era emprat comercialment.

De vegades, hom ha anomenat al zinc el “vuitè metall”, com si hagués estat el primer en afegir-se a la llista dels “set metalls clàssics” (or, argent, coure, ferro, plom, estany, mercuri). Ara bé, Geoffroy, ja en el 1718 ens parla de nou metalls (a més del set clàssics, el zinc i el “règol d’antimoni”). En el 1741, Georg Brandt diferencia entre sis “metalls” (or, argent, coure, estany, ferro i plom) i sis “semimetalls” (mercuri, bismut, zinc, règol d’antimoni, règol d’arsènic i règol de cobalt).

En el 1758, John Champion, germà de William, patentava un procés per obtindre zinc a partir de la calcinació de sulfur de zinc. De totes formes, la calamina continuava com a la font principal de zinc metàl•lic. Una bona part de les aplicacions de la calamina era contribuir a la formació de llautó, aliatge de coure i de zinc.

Luigi Galvani amb una preparació d’anques de granota, en les quals va descobrir l’anomenada “electricitat animal”, en connectar la medul•la espinal amb ferro a través d’unes pinces de llautó

Al “Traité Élémentaire de Chimie” (1789), Antoine Lavoisier fixa ja el concepte de “substància simple” (=element químic) i en fa una llista provisional de trenta-tres, entre les quals 17 són metalls, que són enumerats en ordre alfabètic: “antimoine, argent, arsenic, bismuth, cobolt, cuivre, etain, fer, manganèse, mercuri, molybdène, nickel, or, platine, plomb, tungstène, zinc”.

Amb les innovacions del tombant dels segles XVII i XVIII, Europa pren ja la capçalera de la metal•lúrgia del zinc. En el 1798, Johann Christian Ruberg (1746-1807) introdueix el “mètode silesià”, amb uns forns de retorta horitzontal que permetia una operació contínua. Jean-Jacques Daniel Dony (1759-1819) aconseguí un mètode similar més productiu, que posà en pràctica quan l’Imperi li concedí en el 1806 el monopoli de l’explotació de les mines de Moresnet.

En el 1800, Alessandro Volta confegeix amb discs alternats de coure i de zinc una pila capaç de generar un corrent elèctric continu. La diferència de propietats elèctriques entre el coure i el zinc permet la creació d’un “voltatge”, al preu de la corrosió dels discs de zinc.

Esquema de funcionament de la pila de Volta. Faraday, dècades després, introduiria els conceptes d’ànode (-), en la part de dalt, i de càtode (+), en la part de sota. No seria fins entrat el segle XX, que hom sabria que el corrent elèctric el formen “partícules negatives” que viatgen de l’ànode al càtode. La pèrdua d’electrons de zinc en favor del coure explica el fet que sigui el primer metall i no el segon el que pateix corrosió amb el funcionament prolongat de la pila

Ja hem vist abans els símbols alquímics del zinc. Alguns d’ells consisteixen en modificacions de la inicial Z. “Z” és també el símbol que fa servir John Dalton a “New System of Chemical Philosophy” (1808). Berzelius, però, pensant en un criteri per diferenciar metalls de no-metalls proposa:

El signes químics haurien de ser lletres, per la major facilitat d’escriure, i per no desfigurar un llibre imprès. Encara que aquesta darrera circumstància pot no semblar de gran importància, caldria evitar-ho sempre que es pugui. Prendre, doncs, per al signe químic, la lletra inicial del nom llatí de cada substància elemental: però com que vàries tenen la mateixa lletra inicial, les distingiré de la manera següent:

1. En la classe que anomenaré metal•loids, empraré tan sols la lletra inicial, encara que aquesta lletra sigui comuna al metal•loid i a un metall.
2. En la classe dels metalls, distingiré els qui tenen les mateixes inicials que un altre metall, o un metal•loid, escrivint les primeres dues lletres del mot.
3. Si les dues primeres lletres són comunes a dos metalls, en aquest cas, afegiré a la lletra inicial la primera consonant que no tinguin en comú.

Dos metalls comencen per Z en el llistat de Berzelius, el zinc i el zirconi. En conseqüència, aplicant la norma 3, al primer li correspongué el símbol Zn i al segon el símbol Zr. Això s’ha mantingut fins els nostres dies. En general, “zinc” és l’arrel emprada per les diferents llengües, per bé que en algunes s’utilitzen altres arrels. En català, la forma escrita més difosa és zinc, pronunciat bé zíŋ o zέŋ (que, de vegades, dóna lloc a la forma escrita zenc). També hi ha la forma escrita, menys habitual, zin (corresponent a la pronúncia amb nasal dental). La forma zenc prendria la pronúncia nasal de la i en el mot francès “zinc”. La forma escrita i oral, giny (ʒíɲ), habitual a Mallorca, i la forma menorquina əʣín completen el panorama.

En el 1848, hom descrigué el dietilzinc ((C2H5Zn) el primer exemple conegut de compost organozincat, obtingut per la reacció del zinc amb iodur d’etil.

En un dels intents pioners de sistematitzar els elements, John Newlands aplicà la llei dels octaus (1865). En aquest esquema, el Zn rebia el nombre atòmic de 24, que el feia caure en el tercer grup, el del glucini (=beril•li), magnesi i calci, format també per l’estronci, el cadmi, el bari/vanadi i el mercuri.

Dmitri Mendeleev seguia un criteri semblant, però més complex. En tot cas, el zinc en la taula del 1869, apareix igualment en el grup del beril•li, en la casella corresponent al quart període, i amb una massa atòmica de 65,2. En la taula del 1871, més compacta, el zinc (ara amb la massa atòmica arrodonida a 65) apareix en el cinquè període del grup II. Més tard, hom substreuria d’aquest grups els elements no-alcalinoterris, com el zinc, el cadmi i el mercuri. Aquests tres elements conformaren, respectivament en els períodes 4, 5 i 6, un nou grup, el IIB, després denominat “grup 12”, i que de vegades ha estat designat amb el nom de “metalls volàtils”.

En el 1940, hom descrigué la presència del zinc en el centre actiu de l’anhidrasa carbònica, que es convertí així en la primera zinc-proteïna coneguda. En el 1955, se’n descobrí el segon zinc-enzim, la carboxipeptidasa.

Des del 1982, la moneda d’1 centau de dòlar US es feta de zinc, amb una coberta de coure, de manera que la composició global és de 97,5% de Zn i 2,5% de Cu

El zinc: isòtops i abundància

La massa atòmica estàndard del zinc és de 65,38, i resulta de la mitjana ponderada dels seus isòtops estables. Una llista dels isòtops coneguts faria:
– zinc-54 (54Zn; 53,99295 uma). Nucli format per 30 protons i 24 neutrons. És un isòtop molt inestable. Decau a níquel-52, amb emissió de dos protons.
– zinc-55 (55Zn; 54,98398 uma). Nucli format per 30 protons i 25 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,02 s. Decau bé a níquel-53 (amb emissió de dos protons) o a coure-55 (amb emissió d’un positró).
– zinc-56 (56Zn; 55,97238 uma). Nucli format per 30 protons i 26 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,036 s. Decau a coure-56, amb emissió d’un positró.
– zinc-57 (57Zn; 56,96479 uma). Nucli format per 30 protons i 27 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,038 s. Decau majoritàriament (65%) a níquel-56 (amb emissió d’un protó i d’un positró) o, alternativament (35%) a níquel-57 (amb emissió d’un positró).
– zinc-58 (58Zn; 57,95459 uma). Nucli format per 30 protons i 28 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,084 s. Decau bé a níquel-57 (60%; amb emissió d’un protó i d’un positró) o bé a coure-58 (40%; amb emissió d’un positró).
– zinc-59 (49Zn; 58,94926 uma). Nucli format per 30 protons i 29 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,182 s. Decau normalment (99%) a coure-59 (amb emissió d’un positró) o, alternativament (1%), a níquel-58 (amb emissió d’un protó i d’un positró).
– zinc-60 (60Zn; 59,951827 uma). Nucli format per 30 protons i 30 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 143 s. Decaure a coure-60, amb emissió d’un positró. El nucleó de 60Zn és el producte final de la combustió de silici, que té lloc en les fases tardanes d’estels molt massius; la seva producció en endotèrmica i contribueix al col•lapse de l’estel i a l’explosió subsegüent de supernova.
– zinc-61 (61Zn; 60,939511 uma). Nucli format per 30 protons i 31 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 89,1 s. Decau a coure-61, amb emissió d’un positró. Posseeix tres estats metastable, un a 88,4 keV (61m1Zn; amb una semivida inferior a 0,43 s), un altre a 418,10 keV (61m2Zn; amb una semivida de 0,140 s) i un tercer a 756,02 keV (61m3Zn; amb una semivida inferior a 0,13 s).
– zinc-62 (62Zn; 61,934330 uma). Nucli format per 30 protons i 32 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 3,307•104 s (9 hores). Decau a coure-62, amb emissió d’un positró.
– zinc-63 (63Zn; 62,9332116 uma). Nucli format per 30 protons i 33 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2308 s (38 minuts). Decau a coure-63, amb emissió d’un positró.
– zinc-64 (64Zn; 63,9291422 uma). Nucli format per 30 protons i 34 neutrons. Teòricament, decau a níquel-64 (amb emissió de dos positrons), amb una vida mitjana superior a 7,2•1025 s (vuit ordres de magnitud superior a l’edat actual de l’univers). Donada aquesta llarga vida mitjana, és un isòtop observacionalment estable. Amb una abundància relativa de 48,268%, és l’isòtop més freqüent del zinc.
– zinc-65 (65Zn; 64,9292410 uma). Nucli format per 30 protons i 35 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2,1052•107 s (243 dies). Decau a coure-65, amb emissió d’un positró. Posseeix un estat metastable (65mZn) a 53,928 keV, que té una semivida de 1,6•10-6 s. Les propietats radioactives del 65Zn han estat considerades en el disseny de bombes nuclears. Així s’ha pensat en una recoberta de zinc enriquit en 64Zn que, per la irradiació de l’explosió, donaria lloc, per captació de neutrons, a 65Zn, amb la producció resultant, a partir d’aquest radioisòtop, de 1,115 MeV de radiació gamma, que perllongaria l’acció radioactiva d’aquest armament. El 65Zn és emprat com a traçador de zinc en sistemes biològics i en components industrials.
– zinc-66 (66Zn; 65,9260334 uma). Nucli format per 30 protons i 36 neutrons. És un isòtop estable, amb una abundància relativa de 27,975%.
– zinc-67 (67Zn; 66,9271273 uma). Nucli format per 30 protons i 37 neutrons. És un isòtop estable, amb una abundància relativa de 4,102%.
– zinc-68 (68Zn; 67,9248442 uma). Nucli format per 30 protons i 38 neutrons. És un isòtop estable, amb una abundància relativa de 19,024%.
– zinc-69 (69Zn; 68,9265503 uma). Nucli format per 30 protons i 39 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 3380 s (56 minuts). Decau a gal•li-69, amb emissió d’un electró. Posseeix un estat metastable (69mZn) a 438,636 keV, que té una semivida de 4,954•104 s, i que o bé decau a l’estat basal (96,7%) o, directament, a gal•li-69 (3,3%).
– zinc-70 (70Zn; 69,9253193 uma). Nucli format per 30 protons i 40 neutrons. Teòricament, decau a gal•li-70 (amb emissió de dos electrons), amb una vida mitjana de 4,1•1023 s (sis ordres de magnitud superior a l’edat actual de l’univers). És, doncs, un isòtop observacionalment estable. La seva abundància relativa és de 0,631%.
– zinc-71 (71Zn; 70,927722 uma). Nucli format per 30 protons i 41 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 147 s. Decau a gal•li-71, amb emissió d’un electró. Posseeix un estat metastable (71mZn) a 157,7 keV, que té una semivida de 1,42•104 s (4 hores), i que pot decaure directament a gal•li-71 (99,95%) o a través de l’estat basal (0,05%).
– zinc-72 (72Zn; 71,926858 uma). Nucli format per 30 protons i 42 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,67•105 s (46 hores). Decau a gal•li-72, amb emissió d’un electró.
– zinc-73 (73Zn; 72,92978 uma). Nucli format per 30 protons i 43 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 23,5 s. Decau a gal•li-73, amb emissió d’un electró. Posseeix dos estats metastables, un a 195,5 keV (73m1Zn; amb una semivida de 0,130 s) i un altre a 237,6 keV (73m2Zn; amb una semivida de 5,8 s, i que pot decaure bé directament a gal•li-73 o a través de l’estat basal).
– zinc-74 (74Zn; 73,92946 uma). Nucli format per 30 protons i 44 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 95,6 s. Decau a gal•li-74, amb emissió d’un electró.
– zinc-75 (75Zn; 74,93294 uma). Nucli format per 30 protons i 45 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 10,2 s. Decau a gal•li-75, amb emissió d’un electró.
– zinc-76 (76Zn; 75,93329 uma). Nucli format per 30 protons i 46 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 5,7 s. Decau a gal•li-76, amb emissió d’un electró.
– zinc-77 (77Zn; 76,93696 uma). Nucli format per 30 protons i 47 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2,08 s. Decau a gal•li-77, amb emissió d’un electró. Posseeix un estat metastable (77mZn) a 772,39 keV, que té una semivida de 1,05 s, i que decau bé a l’estat basal (50%) o directament a gal•li-77 (50%).
– zinc-78 (78Zn; 77,93844 uma). Nucli format per 30 protons i 48 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,47 s. Decau a gal•li-78, amb emissió d’un electró. Posseeix un estat metastable (77mZn) a 2673 keV, que té una semivida de 3,19•10-7 s.
– zinc-79 (79Zn; 78,94265 uma). Nucli format per 30 protons i 49 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,995 s. Decau normalment (98,7%) a gal•li-79 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (1,3%), a gal•li-78 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– zinc-80 (80Zn; 79,94434 uma). Nucli format per 30 protons i 50 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,545 s. Decau normalment (99%) a gal•li-80 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (1%), a gal•li-79 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– zinc-81 (81Zn; 80,95048 uma). Nucli format per 30 protons i 51 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,290 s. Decau majoritàriament (92,5%) a gal•li-81 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (7,5%), a gal•li-80 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– zinc-82 (82Zn; 81,95442 uma). Nucli format per 30 protons i 52 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,1 s. Decau a gal•li-82, amb emissió d’un electró.
– zinc-83 (83Zn; 82,96103 uma). Nucli format per 30 protons i 53 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,08 s.

L’àtom neutre de zinc conté 30 electrons, amb una configuració basal d’escorça de 1s22s22p63s23p63d104s2. Això el col•loca com el primer element del grup 12, ja en el quart període. Normalment, és assignat al bloc d, el dels metalls de transició, però també hi ha autors, com Horace G. Deming, que els han col•locat entre els “metalls de post-transició”, ja dins del bloc p. L’estat d’oxidació més habitual és +2 (Zn2+, corresponent a la cessió dels dos electrons 4s), per bé que també el podem trobar en +1 i 0. El radi atòmic és de 1,34•10-10 m.

D’esquerra a dreta, cub d’1 cm3 de zinc (99,995%), fragment cristal•lí d’un lingot de zinc i dendrites de zinc obtingudes per sublimació-condensació.

En condicions estàndards de pressió i de temperatura, el zinc es presenta com un metall llustrós d’aspecte argentí (amb una certa tonalitat blavosa). És un material diamagnètic (i, per tant, no pot magnetitzar-se de manera permanent). L’estructura cristal•lina és hexagonal estretament empacada, amb una densitat de 7140 kg•m-3. Amb una resistivitat de 59,0 nΩ•m, és relativament bon conductor a temperatura ambient. Com en el cas de l’estany, la barra de zinc pot emetre un soroll característic (“el plor de l’estany”) quan se la doblega.

Les peces de zinc pur, en contacte amb l’aire, s’oxiden fàcilment, formant una capa passiva de carbonat de zinc (Zn5(OH)6CO3). Les peces passivades són poc reactives amb l’aigua, però poden reaccionar amb àcids (HCl, H2SO4) amb la corresponent formació de gas H2. També el mercuri és capaç de superar la capa passiva.

A temperatura ambient, és un metall no gaire dur (2,5 en l’escala de Mohs) i fràgil, però poc mal•leable. A temperatures de 370-430 K, guanya en mal•leabilitat i no s’esquerda tan fàcilment. Per damunt de 480 K, torna a fer-se més fràgil, i en aquest punt se’l pot esmicolar amb certa facilitat.

En condicions estàndards de pressió, el punt de fusió és a 692,68 K (força baix per a una “metall de transició” i tan sols superat en aquest sentit pel cadmi i, òbviament, pel mercuri). En el punt de fusió la densitat del zinc líquid és de 6570 kg•m-3.

En condicions estàndards de pressió, el punt d’ebullició és a 1180 K.

Entre els metalls amb els quals el zinc forma aliatges binaris podem comptar el coure (llautó), l’alumini, l’antimoni, el bismut, l’or, el ferro, el plom, el mercuri, l’argent, l’estany, el magnesi, el cobalt, el níquel, el tel•luri, el sodi o el zirconi (ZrZn2).

Hem vist com en la primera taula periòdica, Mendeleev col•locava el zinc en el grup 2, corresponent als metalls alcalinoterris. De fet, les sals de zinc (II) són isomorfes amb les de magnesi (II). En solució aquosa, el zinc [Zn(H2O)6]2+ és incolor. En altres aspectes, la reactivitat química del zinc és més propera a la del coure.

Clorur de zinc (ZnCl2). Tot i que la majoria de compostos de zinc són incolors, en són excepcions el seleniür (ZnSe) i el tel•luriür (ZnTe), que són grocs

Entre els compostos de zinc (II) podem citar:
– l’òxid de zinc (ZnO). Normalment incolor, quan s’escalfa pot tornar groc.
– el sulfur de zinc (ZnS). És un material fosforescent.

Els compostos de zinc (I) tenen la forma de R-Zn-Zn-R.

Acetat de zinc, un exemple de compost organozincat, que segueix una estructura tetrahèdrica, amb cada àtom de zinc coordinat amb quatre àtoms d’oxigen (a sota)

L’abundància del zinc en l’univers és condicionat pels processos de nucleosíntesi associats a les supernoves, i a l’estabilitat dels seus diferents isòtops. El 60Zn, per exemple, es forma en grans quantitats en estels molt massius, i és pràcticament el darrer nucleó en formar-se en el procés de combustió de silici; però, com que és inestable, no hi ha més que traces. Els isòtops estables (si més no, observacionalment), 64Zn, 66Zn, 68Zn i 67Zn, resulten de reaccions nucleosintètiques més col•laterals. En tot cas, com correspon a un element de nombre Z parell, el zinc és més abundant que els elements que el flanquegen en la taula periòdica, tant el coure com, encara més, el gal•li. A més del coure, el zinc també supera en abundància atòmic alguns altres elements de menor nombre atòmic (vanadi, escandi, liti, bor, beril•li). Dels elements que el segueixen, no n’hi ha cap que ni tan sols s’apropi a la seva abundància atòmica.

L’abundància global del zinc en la Terra en termes atòmics és de 16 ppm (40 ppm en termes de massa). El zinc és classificat entre els elements “calcòfils”, com ja assenyala la seva reactivitat amb l’oxigen i el sofre. I és efectivament formant compostos amb aquests i altres elements que el trobem a l’escorça terrestre, on assoleix una abundància de 75 ppm en termes de massa. En els sòls, el zinc es troba a una concentració de 64 ppm de mitjana (amb rangs que van de 5 a 770 ppm, o encara molt superiors en sòls que han patit l’efecte de contaminacions d’origen miner o industrial).

Els minerals de zinc solen contindre també altres metalls com coure i plom. La majoria de minerals de zinc són el resultat de processos de meteorització dels sulfurs de zinc primordials. De fet, els minerals més rics en zinc són els constituïts per sulfur de zinc, com és el cas de l’esfalerita (amb un contingut de zinc fins al 60-62%) o la wurtzita. També contenen quantitats explotables de zinc l’smithsonia (carbonat de zinc), l’hemimorfita (silicat de zinc) i la hidrozincita (carbonat de zinc bàsic).

Esfalerita o zincblenda ((Zn,Fe)S). Constituïda per un sulfur de zinc i de ferro, pot tindre quantitats variables de zinc. Com més quantitat de ferro, més fosca és, i la variant negra, la més pobra en zinc, és coneguda com a “marmatita”. En qualsevol cas, se la sol troba associada amb altres sulfurs (galena, pirita, etc.) i amb calcita, dolomita o fluorita.

La concentració de zinc en la hidrosfera continental varia notablement segons el context geològic i històric. Els valors més elevats (fins a 20 g•m-3) els trobem en rius on s’ha practicat la minera o la indústria del zinc. En el Rin, els nivells de zinc encara se situen en 50 mg•m-3, tot i els esforços que s’han fet en el tractament de les aigües. Tot i que les mines de La Calamine i de Plombières foren explotades entre el 1806 i el 1882, encara avui els sediments del riu Geul presenten nivells elevats de zinc i de plom. La concentració oceànica típica és de 4,9 mg•m-3.

La concentració atmosfèrica de zinc oscil•la entre 0,1-4,0 μg•m-3. En l’actualitat, les emissions antropogèniques de zinc (vora 3 milions de tones anuals) són més de vint vegades superiors a les emissions naturals. Encara que en les darreres dècades, hi ha una tendència a la davallada en les emissions, les concentracions troposfèriques continuen a augmentar. Hom calcula que les emissions antropogèniques fa 2000 anys eren ja de 10.000 tones anuals, i que a mitjan del segle XIX ja s’havien arribat a nivells de 300.000 tones anuals.

El zinc és un oligoelement essencial per a pràcticament tots els organismes biològics. Després del ferro, és el segon metall de transició més abundant en la biosfera. Hi ha un amplíssim ventall de proteïnes que contenen zinc (zincproteïnes), amb representants en totes les classes enzimàtiques (anhidrasa carbònica, carboxipeptidasa). El metabolisme del zinc és regulat per evitar deficiències i excessos. Diverses metal•lotioneïnes participen en l’emmagatzematge i transferència intracel•lular de Zn, com també ho fan amb el Cu i el Se. Part de la toxicitat de metalls pesants com el Cd, Hg, Ag i As té a veure amb la disrupció de les metal•loproteïnes per desplaçament del Zn i d’altres biometalls.

Interacció d’un àtom de zinc (verd) coordinat amb dos residus d’histidina i dos residus de cisteïna en zones d’alfa-hèlix i de làmina beta de l’estructura secundària d’una proteïna. Aquest motiu rep el nom de dit de zinc Cys2Hys2, i és el més ben descrit dels dominis de zinc. La funció del zinc en aquests dominis d’interacció d’ADN és fonamentalment la de mantindre l’estructura de la proteïna, essencial per garantir l’especificitat de la interacció.

La interacció del Zn amb les proteïnes és variada i específica de cadascuna. Podem trobar ions Zn2+ coordinades amb residus d’aspartat, glutamat, cisteïna (com en el cas de les metal•lotioneïnes) o histidina. Aquestes interaccions reben el nom genèric de dits de zinc. Originàriament, hom reservava el nom als motius Zn-Cys2Hys2 que construïen en la proteïna un domini d’unió a l’ADN. De fet, els dits de zinc majoritàriament serveixen en la interacció proteïna-àcids nucleics i, en menor mesura, a altres tipus d’interaccions.

Esquema que mostra la interacció entre la doble hèlix d’ADN i els dits de zinc de la proteïna Zif268. El Zif268 és un dels nombrosíssims exemples de factors de transcripció que interactuen amb zones específiques de l’ADN a través dels seus dits de zinc.

A banda, del seu rol en les zincproteïnes, els cations Zn2+ participen en alguns teixits d’animals pluricel•lulars en la comunicació intercel•lular, a través de receptors específics (ZnR).

La deficiència en zinc és la deficiència més comuna en micronutrients de cultius. Afecta particularment els sòls amb pH elevats, manifestant-se en una major susceptibilitat a malalties.

Si bé no de manera tan habitual, els sòls també poden partir per un excés de zinc (per contaminacions d’origen industrial o per les aportacions en fertilitzants de fosfat). En sòls amb nivells de zinc de més de 500 ppm, les plantes poden patir dificultats per la interferència que això produeix en l’absorció de ferro o de manganès.

En el cos humà, la concentració típica de zinc en termes de massa és de 32 ppm (3,1 ppm en termes atòmics), la qual cosa suposa un contingut, per a un individu de 70 kg, de 2,3 g. Bona part del zinc es troba en el cervell, en la musculatura, els ossos, el ronyó i el fetge. Les concentracions més elevades de zinc, les trobem en zones de l’ull. També és elevada la concentració en la pròstata i, de resultes d’això, en el semen. En la sang, els cations Zn2+ podem trobar-los dissolts o, més freqüentment, associada a l’albúmina (60%) o a la transferrina (10%).

L’homeostasi de zinc es manifesta en la constància dels nivells plasmàtics de zinc malgrat oscil•lacions en la ingesta. La metal•lotioneïna de cèl•lules intestinals permet ajustar amb un marge del 15-40% canvis en la quantitat de zinc que s’absorbirà. La quantitat d’ingesta recomanada és de 8 mg/dia en dones i 11 mg/dia en homes. Entre els aliments més rics en zinc podem citar fruits secs, marisc, les carns roges i el fetge.

Les proteïnes amb dits de zinc realitzen tota mena de funcions, però les més destacades són les que tenen a veure amb la regulació de l’expressió gènica (factors de transcripció). De fet, de tot el proteoma humà, vora un 10% (2800 proteïnes), poden unir-se a ions Zn2+.

En una revisió del 2009, hom denominava el zinc com el “cavall negre del cervell”. Encara que hi participa en un gran ventall de funcions, especialment crític és el paper que juga el zinc en l’excitabilitat de neurones glutamatèrgiques. Així, si bé és essencial que hi hagi unes reserves suficients en les vesícules sinàptiques d’aquestes neurones, també un excés pot tindre conseqüències neurotòxiques.

Els estats carencials de zinc poden ésser precipitats no tan sols per una ingesta insuficient sinó també per malalties cròniques que n’augmentin els requeriments. La deficiència de zinc és un dels components de la subnutrició en la qual viu una porció notable de la població humana. Hom calcula que vora 2.000 milions de persones no ingereixen els nivells de zinc que necessiten. Això és especialment greu per a infants i gent gran. La deficiència en zinc augmenta el risc de patir infeccions i diarrea, amb un impacte de 800.000 infants morts per any. Si bé en els casos aguts de malnutrició és indicat la suplementació de zinc (en forma d’òxid, acetat, gluconat, etc.), és clar que la problemàtica crònica cal tractar-la amb una perspectiva integral de l’alimentació i de la superació de les dependències econòmiques actuals.

La ingesta màxima tolerable de zinc s’ha avaluat en 40 mg/dia. Un excés d’ingesta (100-300 mg/dia) pot interferir en l’absorció de coure i manifestar-se en una deficiència en aquest element.

La toxicitat del zinc es manifesta especialment en les solucions de Zn2+ lliure. Fins i tot en concentracions de l’ordre μmol•L-1, el Zn2+ pot ser letal (degut a l’amplificació que els ions metàl•lics produeixen en la formació d’espècies reactives d’oxigen).

Les aplicacions del zinc

El zinc és el quart metall més emprat en la nostra era, tan sols superat pel ferro, l’alumini el coure. La producció anual és de 13 milions de tones. Les reserves identificades s’avaluen en 1900 milions de tones, especialment concentrades a Iran, Austràlia i Amèrica del Nord. Hom calcula que el total de zinc extret al llarg de la història és de vora 500 milions de tones, dels quals vora un 25% són encara en ús.

Evolució de la producció de zinc al llarg del segle XX

Del zinc emprat en la indústria, un 70% procedeix de la mineria i un 30% del reciclatge. Del zinc procedent de la minera, la immensa majoria (95%) prové de dipòsits de sulfurs de zinc, com ara l’esfalerita. Aquests dipòsits contenen quantitats notables de sulfurs de coure, plom i ferro, de manera que cal aplicar processos de metal•lúrgia extractiva: esmicolament, flotació, separació diferencial (aprofitant els diversos graus d’hidrofobicitat). D’això en resulta un concentrat de zinc del 50%, que conté encara quantitats notables de sofre (32%), ferro (13%) i òxid de silici (5%). Un procés de torrat permet la conversió d’aquest concentrat de sulfur de zinc en òxid de zinc. Segueix després un procés pirometal•lúrgic per reduir l’òxid de zinc a zinc metàl•lic amb carbó a 1220 K, que és destil•lat com a vapor de zinc, i recollit en un condensador. Alternativament, l’òxid de zinc pot ser rentat amb àcid sulfúric i el sulfat de zinc obtingut reduït per electròlisi.

Més de la meitat del zinc produït es destina a la galvanoplàstia. La galvanoplàstia de zinc cerca protegir de la corrosió peces de ferro o d’acer. Com que el zinc és més reactiu que el ferro, la capa protectora de zinc s’oxida de manera preferent (donant lloc a òxid i a carbonat de zinc) fins que queda completament corroïda.

Vora una cinquena part del zinc s’empra en la fabricació d’aliatges. El mot “spelter”, emprat originàriament per designar un aliatge de parts iguals de coure i de zinc, s’utilitza actualment com a sinònim comercial del mateix zinc en els països anglòfons. Entre els aliatges de zinc podem esmentar:
– els llautons. Són aliatges de coure i de zinc, amb percentatges de Zn que poden anar del 3% al 45%. El llautó, en relació amb el coure, és més dúctil, més fort i més resistent a la corrosió.
– l’anomenat “argent alemany” és un aliatge del 60% de coure, 20% de níquel i 20% de zinc.
– els aliatges coneguts com a “zamacs” empren el zinc com a metall base i tenen diferents continguts d’alumini, magnesi i coure. Foren desenvolupats en el 1929, s’empren especialment en la fundació per injecció en la indústria automobilística i elèctrica, ja que la baixa viscositat i el baix punt de fusió permet donar-los formes detallades i intrincades.
– el prestal és fet de 78% de zinc i 22% d’alumini, i ofereix una combinació de mal•leabilitat (superplasticitat) i fortalesa.

Lingot de zamac

La quarta part del zinc produït s’utilitza no com a metall, sinó en forma de compostos:
– òxid de zinc: és emprat com a pigment blanc en pintures i com a catalitzador en la fabricació de gomes. També entra en el disseny, per les seves propietats semiconductores, en components electrònics (varistors, etc.).
– sulfur de zinc: és emprat en pigments luminiscents.
– clorur de zinc: és emprat com a piroretardant i preservador de fusta.
– metil de zinc: és emprat en la indústria química orgànica de síntesi.
– diotiocarbamats de zinc són emprats com a fungicides en agricultura.

Arxivat a Ciència i Tecnologia
3 comments on “Els empèdocles moderns – L’element 30 (Zn) – zinc (niltrinili, Ntn)
  1. Òscar ha dit:

    Benvolgut Dídac, segueixo la teva sèrie de posts #elements amb gran plaer i interès. Et felicito!! Moltes gràcies per aquestes lectures tan amenes i polifacètiques amb què ens obsequies. Si fessis l’edició d’un compendi en format llibre, estic convençut que tindria un cert èxit. Jo mateix n’adquiriria un exemplar amb tota seguretat :-) Salutacions cordials,

  2. didaclopez ha dit:

    Per fer el llibre, haurem d’acabar la sèrie primer

  3. […] per al nou metall el nom de “cadmi” (Cadmium). De la calamina ja vam parlar extensament en tractar del zinc. En les primeres dècades del segle XIX hom havia acabat d’escatir la natura mineralògica i […]

Els comentaris estan tancats.

%d bloggers like this: