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氧化鋅(ZnO),俗稱鋅白,是鋅的一種氧化物。難溶于水,可溶于酸和強堿。氧化鋅是一種常用的化學添加劑,廣泛地應用于塑料、硅酸鹽制品、合成橡膠、潤滑油、油漆涂料、藥膏、粘合劑、食品、電池、阻燃劑等產品的制作中。氧化鋅的能帶隙和激子束縛能較大,透明度高,有優異的常溫發光性能,在半導體領域的液晶顯示器、薄膜晶體管、發光二極管等產品中均有應用。此外,微顆粒的氧化鋅作為一種納米材料也開始在相關領域發揮作用。
氧化鋅是鋅的氧化物,難溶于水,可溶于酸和強堿。它是白色固體,故又稱鋅白。它能通過燃燒鋅或焙燒閃鋅礦(硫化鋅)取得。在自然中,氧化鋅是礦物紅鋅礦的主要成分。人造氧化鋅有兩種制造方法:由純鋅氧化或烘燒鋅礦石而成。氧化鋅作為添加劑在多種材料和產品有應用,包括塑料、陶瓷、玻璃、水泥、潤滑劑[2]、油漆、軟膏、粘合劑、填隙材料、顏料、食品( 補鋅劑)、電池、鐵氧體材料、阻燃材料[3]和科研等。
物理性質
氧化鋅晶體有三種結構:六邊纖鋅礦結構、立方閃鋅礦結構,以及比較罕見的氯化鈉式八面體結構。纖鋅礦結構在三者中穩定性,因而見。立方閃鋅礦結構可由逐漸在表面生成氧化鋅的方式獲得。在兩種晶體中,每個鋅或氧原子都與相鄰原子組成以其為中心的正四面體結構。 八面體結構則只曾在100億帕斯卡的高壓條件下被觀察到。
纖鋅礦結構、閃鋅礦結構有中心對稱性,但都沒有軸對稱性。晶體的對稱性質使得纖鋅礦結構具有壓電效應和熱電效應,閃鋅礦結構具有壓電效應。
纖鋅礦結構的點群為6mm(國際符號表示),空間群是P63mc。晶格常量中,a = 3.25 埃,c = 5.2 埃;c/a比率約為1.60,接近1.633的理想六邊形比例。在半導體材料中,鋅、氧多以離子鍵結合,是其壓電性高的原因之一。
氧化鋅的硬度約為4.5,是一種相對較軟的材料。氧化鋅的彈性常數比氮化鎵等III-V族族半導體材料要小。氧化鋅的熱穩定性和熱傳導性較好,而且沸點高,熱膨脹系數低,在陶瓷材料領域有用武之地。
在各種具有四面體結構的半導體材料中,氧化鋅有著的壓電張量。該特性使得氧化鋅成為機械電耦合重要的材料之一。
在室溫下,氧化鋅的能帶隙約為3.3 eV,因此,純凈的氧化鋅是無色透明的。高能帶隙為氧化鋅帶來擊穿電壓高、維持電場能力強、電子噪聲小、可承受功率高等優點。氧化鋅混入一定比例的氧化鎂或氧化鎘,會使能帶隙在3-4 eV之間變化。
即使沒有摻入任何其它物質,氧化鋅具有N型半導體的特征。N型半導體特征曾被認為與化合物原子的非整比性有關,而對純凈氧化鋅的研究則成為一個反例。使用鋁、鎵、銦等第III主族元素或氯、碘等鹵素可以調節其N型半導體性能。而要將氧化鋅制成P型半導體則存在一定的難度。可用的添加劑包括鋰、鈉、鉀等堿金屬元素,氮、磷、砷等第V主族元素,銅、銀等金屬,但都需要在特殊條件下才具有效用。
化學性質
氧化鋅主要以白色粉末或紅鋅礦石的形式存在。紅鋅礦中含有的少量錳元素等雜質使得礦石呈現黃色或紅色。氧化鋅晶體受熱時,會有少量氧原子溢出(800 °C時溢出氧原子占總數0.007%),使得物質顯現黃色。當溫度下降后晶體則恢復白色。
當溫度達1975 °C時氧化鋅會分解產生鋅蒸氣和氧氣。單質碳可用于氧化鋅中鋅的還原,在高溫條件下發生反應:
· ZnO + C → Zn + CO
氧化鋅是一種兩性氧化物,難溶于水或乙醇,但可溶于大多數酸,例如鹽酸:
· ZnO + 2HCl → ZnCl2 + H?O
同時可以與強堿反應生成可溶性鋅酸鹽,例如與*反應:
· ZnO + 2NaOH + H2O → Na2[Zn(OH)4]
氧化鋅在脂肪酸中可發生緩慢的反應,生成相應的羧酸鹽,如油酸鹽和硬脂酸鹽。氧化鋅可以與硫化氫發生反應,在工業生產中該反應常用來除去混合氣體中的硫化氫:
· ZnO + H2S → ZnS + H2O
氧化鋅與濃氯化鋅水溶液混合時生成堿式氯化鋅,具有類似水泥的硬化性質,常用于牙科手術。氧化鋅和磷酸反應生成的四水合磷酸鋅(Zn3(PO4)2·4H2O)也具有相同的性質。
氧化鋅與鎂粉、鋁粉、氯化橡膠、亞麻籽油接觸會發生劇烈反應,發生起火或爆炸的危險。含有氧化鋅的軟膏與水混合暴露在紫外線光下則可產生*。
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