氧化锌(ZnO),俗称锌白,是锌的一种氧化物。难溶于水,可溶于酸和强碱。氧化锌是一种常用的化学添加剂,广泛地应用于塑料、硅酸盐制品、合成橡胶、润滑油、油漆涂料、药膏、粘合剂、食品、电池、阻燃剂等产品的制作中。氧化锌的能带隙和激子束缚能较大,透明度高,有优异的常温发光性能,在半导体领域的液晶显示器、薄膜晶体管、发光二极管等产品中均有应用。此外,微颗粒的氧化锌作为一种纳米材料也开始在相关领域发挥作用。
CAS编号:1314-13-2 化学式:ZnO 分子量:
81.37 外观:白色固体 相对密度:
5.606 熔点:1975 °C(分解) 沸点:2360 °C 在水中溶解度:
0.16 mg / 100 mL(30 °C) 能带隙:
3.3eV 标准摩尔生成焓:-348.0 kJ / mol 标准摩尔熵:
43.9 J / (K · mol) MSDS编号:ICSC 0208 EU分类:对环境有害(N) 警示性质标准词:R50/53(对水生生物有剧毒,可能对水生环境造成长期的不良影响) 安全建议标准词:S60(物质及容器必须按危险废物放置)、S61(防止排向环境) 闪点:1436 °C本段化学性质 氧化锌主要以白色粉末或红锌矿石的形式存在。红锌矿中含有的少量锰元素等杂质使得矿石呈现黄色或红色。氧化锌晶体受热时,会有少量氧原子溢出(800 °C时溢出氧原子占总数0.007%),使得物质显现黄色。当温度下降后晶体则恢复白色。
当温度达1975 °C时氧化锌会分解产生锌蒸气和氧气。单质碳可用于氧化锌中锌的还原,在高温条件下发生反应: · ZnO + C → Zn + CO 氧化锌是一种两性氧化物,难溶于水或乙醇,但可溶于大多数酸,例如盐酸: · ZnO + 2HCl → ZnCl2 + H2O 同时可以与强碱反应生成可溶性锌酸盐,例如与氢氧化钠反应: · ZnO + 2NaOH + H2O → Na2[Zn(OH)4] 氧化锌在脂肪酸中可发生缓慢的反应,生成相应的羧酸盐,如油酸盐和硬脂酸盐。氧化锌可以与硫化氢发生反应,在工业生产中该反应常用来除去混合气体中的硫化氢: · ZnO + H2S → ZnS + H2O 氧化锌与浓氯化锌水溶液混合时生成碱式氯化锌,具有类似水泥的硬化性质,常用于牙科手术。氧化锌和磷酸反应生成的四水合磷酸锌(Zn3(PO4)2·4H2O)也具有相同的性质。
氧化锌与镁
粉、铝
粉、氯化橡胶、亚麻籽油接触会发生剧烈反应,发生起火或爆炸的危险。含有氧化锌的软膏与水混合暴露在紫外线光下则可产生过氧化氢。本段物理性质晶体结构氧化锌两种晶体结构氧化锌晶体有三种结构:六边纤锌矿结构、立方闪锌矿结构,以及比较罕见的氯化钠式八面体结构。纤锌矿结构在三者中稳定性最高,因而最常见。立方闪锌矿结构可由逐渐在表面生成氧化锌的方式获得。在两种晶体中,每个锌或氧原子都与相邻原子组成以其为中心的正四面体结构。
八面体结构则只曾在100亿帕斯卡的高压条件下被观察到。
纤锌矿结构、闪锌矿结构有中心对称性,但都没有轴对称性。晶体的对称性质使得纤锌矿结构具有压电效应和焦热点效应,闪锌矿结构具有压电效应。
纤锌矿结构的点群为6mm(国际符号表示),空间群是P63mc。晶格常量中,a =
3.25 埃,c =
5.2 埃;c/a比率约为1.60,接近1.633的理想六边形比例。在半导体材料中,锌、氧多以离子键结合,是其压电性高的原因之一。力学性能 氧化锌的硬度约为4.5,是一种相对较软的材料。氧化锌的弹性常数比氮化镓
等III-V族族半导体材料要小。氧化锌的热稳定性和热传导性较好,而且沸点高,热膨胀系数低,在陶瓷材料领域有用武之地。
在各种具有四面体结构的半导体材料中,氧化锌有着最高的压电张量。该特性使得氧化锌成为机械电耦合重要的材料之一。电学性质 在室温下,氧化锌的能带隙约为3.3 eV,因此,纯净的氧化锌是无色透明的。高能带隙为氧化锌带来击穿电压高、维持电场能力强、电子噪声小、可承受功率高等优点。氧化锌混入一定比例的氧化镁
或氧化镉
,会使能带隙在3-4 eV之间变化。
即使没有掺入任何其它物质,氧化锌具有N型半导体的特征。N型半导体特征曾被认为与化合物原子的非整比性有关,而对纯净氧化锌的研究则成为一个反例。使用铝、镓、铟
等第III主族元素或氯、碘等卤素可以调节其N型半导体性能。而要将氧化锌制成P型半导体则存在一定的难度。可用的添加剂包括锂
、纳、钾等碱金属元素,氮、磷、砷等第V主族元素,铜
、银等金属,但都需要在特殊条件下才具有效用。本段制备途径 自然界的红锌矿中存在氧化锌,但纯度不高。工业生产中使用的氧化锌通常以燃烧锌或焙烧闪锌矿的方式取得。全球氧化锌的年产量在1000万吨左右,[1]
有以下几种生产方法。间接法 间接法的原材料是经过冶炼得到的金属锌锭
或锌渣。锌在石墨坩埚内于1000 °C的高温下转换为锌蒸汽,随后被鼓入的空气氧化生成氧化锌,并在冷却管后收集得氧化锌颗粒。间接法是于1844年由法国科学家勒克莱尔(LeClaire)推广的,因此又称为法国法。间接法生产氧化锌的工艺技术简单,成本受原料的影响较大。