Kẽm ii là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa và danh pháp

Kẽm II, được ký hiệu là ion $Zn^{2+}$, là dạng oxi hóa +2 phổ biến nhất của nguyên tố kẽm (Z = 30). Trong hệ thống danh pháp IUPAC, ion này được gọi là Zinc(II) ion hoặc kẽm(II) phân cation, phản ánh trạng thái điện tích dương đôi (+2) sau khi nguyên tố kẽm trung hòa mất hai electron từ lớp vỏ ngoài cùng. Ion Zn2+ không tồn tại tự do trong môi trường tự nhiên mà thường liên kết với anion hoặc phân tử hữu cơ để hình thành muối và phức chất phối trí.

Sở dĩ kẽm có xu hướng hình thành ion Zn2+ là do năng lượng ion hóa thứ hai và thứ ba:

• Năng lượng ion hóa lần 1: 906 kJ/mol
• Năng lượng ion hóa lần 2: 1733 kJ/mol
• Năng lượng ion hóa lần 3: 3833 kJ/mol

Việc tách hai electron đầu tiên (lần 1 và lần 2) tương đối thuận lợi so với lần thứ ba, dẫn đến sự ổn định của cấu hình Zn2+ với lớp vỏ d đầy 3d10.

Trong hóa học phối trí, Zn2+ thường xuất hiện trong các hợp chất như ZnCl2, ZnSO4, Zn(OH)2 và một loạt phức chất với amoniac, amino, hoặc ligand hữu cơ. Tên gọi muối kẽm(II) được hình thành theo công thức: “muối” + “kẽm(II)”. Ví dụ: kẽm(II) clorua (ZnCl2), kẽm(II) sulfat (ZnSO4).

Cấu trúc điện tử và bán kính ion

Cấu hình điện tử của ion $Zn^{2+}$ là [Ar] 3d10, nghĩa là sau khi mất hai electron từ lớp 4s, lớp 3d trở nên đầy đủ với 10 electron. Việc lớp 3d đã đầy giúp Zn2+ đạt được trạng thái bền nhiệt động và điện từ học, không có khuynh hướng tham gia vào liên kết pi hay tương tác cộng electron mạnh.

Bán kính ion Zn2+ thay đổi tùy theo số phối trí và môi trường dung môi. Trong pha rắn của hợp chất oxit hoặc muối, bán kính khoảng 74 pm (coordination số 6). Trong dung dịch nước, khi phối trí dạng octahedral với 6 phân tử H2O, bán kính thủy hợp thực tế tăng lên khoảng 88 pm do lớp vỏ kết hợp thêm lớp solvat hóa.

Có thể tổng kết tương quan giữa coordination số và bán kính ion Zn2+ như sau:

Tính chất vật lý

Ion Zn2+ không tồn tại ở dạng tinh thể thuần khiết, mà chỉ thông qua các muối hoặc phức chất. Đặc tính vật lý cơ bản của các muối kẽm(II) phụ thuộc nhiều vào anion đi kèm:

• Độ hòa tan: ZnCl2 và Zn(NO3)2 tan tốt trong nước, trong khi ZnO và Zn(OH)2 hầu như không tan (solubility < 0.001 g/100 mL).
• Điểm nóng chảy và sôi:
  • ZnCl2: điểm nóng chảy 290 °C, điểm sôi 732 °C
  • ZnSO4·7H2O: mất nước ở 100 °C, phân hủy ở ~680 °C

Các hằng số nhiệt động học như enthalpy hòa tan ΔHsol và entropy ΔSsol cũng rất đa dạng. Ví dụ, ΔHsol(ZnCl2) ≈ –147 kJ/mol, cho thấy quá trình hòa tan tỏa nhiệt mạnh mẽ.

Trong dung dịch xanh nhạt (màu đặc trưng của Zn2+ đậm đặc), tính dẫn điện cao, hệ số dẫn ion khoảng 106 S·cm2/mol (ở 25 °C), phù hợp để ứng dụng trong pin và điện phân.

Tính chất hóa học

Ion Zn2+ thể hiện tính khử yếu do lớp d đầy, không dễ dàng chuyển tiếp hóa trị thành +1 hay +3. Trong dung dịch trung tính hoặc nhẹ kiềm, Zn2+ có xu hướng thủy phân và kết tủa hydroxide:

$Zn^{2+} + 2H_2O \leftrightarrow Zn(OH)_2 \downarrow + 2H^{+}$

Khi pH tăng lên > 7.5, Zn(OH)2 tan vào phức với OH–:

$Zn(OH)_2 + 2OH^{-} \rightarrow [Zn(OH)_4]^{2-}$

Danh sách một số phản ứng đặc trưng của Zn2+:

1. Tác dụng với bazơ mạnh tạo kết tủa Zn(OH)2.
2. Tác dụng với muối bạc Ag+ không có phản ứng trực tiếp (ít khử Ag+).
3. Tương tác với ligand hữu cơ (NH3, en, EDTA) tạo phức ổn định:

• $[Zn(H_2O)_6]^{2+} + 4NH_3 \rightarrow [Zn(NH_3)_4]^{2+} + 6H_2O$
• $[Zn(H_2O)_6]^{2+} + EDTA^{4-} \rightarrow [Zn(EDTA)]^{2-} + 6H_2O$

Phối trí và hợp chất

Ion $Zn^{2+}$ có ái lực mạnh với các ligand chứa nguyên tử nitơ, oxy hoặc lưu huỳnh, tạo nên các phức chất ổn định. Hai kiểu phối trí phổ biến nhất là tetrahedral (coordination số 4) và octahedral (coordination số 6). Trong tetrahedral, Zn2+ liên kết với 4 ligand như halide (Cl−, Br−), tạo phức [ZnCl4]2−. Với coordination số 6, thường gặp trong các phức với nước hoặc amin:

• [Zn(H2O)6]2+ (ion thủy hợp)
• [Zn(NH3)6]2+ (phức amoniac)

Khả năng phối trí của Zn2+ được đánh giá thông qua hằng số ổn định βn. Ví dụ, hằng số β4 cho phức [Zn(EDTA)]2− (EDTA4−) gần 1016, cho thấy độ bền rất cao của liên kết Zn–N/O .

Một số phức chất điển hình:

Vai trò sinh học

Ion $Zn^{2+}$ là vi chất dinh dưỡng thiết yếu, tham gia cấu trúc và chức năng của hơn 300 enzyme, bao gồm carbonic anhydrase, carboxypeptidase và RNA polymerase. Thiếu kẽm dẫn đến rối loạn tổng hợp protein, giảm hoạt động miễn dịch, và trì hoãn lành vết thương .

Lượng kẽm khuyến nghị hàng ngày dao động từ 8–11 mg đối với người trưởng thành. Nguồn thực phẩm giàu kẽm gồm thịt đỏ, hải sản (đặc biệt hàu), ngũ cốc nguyên cám và các loại hạt. Tình trạng thiếu kẽm được xác định qua xét nghiệm nồng độ plasma Zn2+ < 70 μg/dL.

• Enzyme phụ thuộc kẽm: tiêu hóa, chuyển hóa đường, chống oxy hóa.
• Cấu trúc protein: “zinc finger” – motif gắn DNA trong yếu tố phiên mã.
• Điều tiết tín hiệu tế bào và quá trình apoptosis.

Ứng dụng trong công nghiệp

Muối Zn2+ và bột kẽm là thành phần chủ chốt trong nhiều lĩnh vực:

1. Mạ điện: ZnCl2 và ZnSO4 dùng trong dung dịch mạ kẽm để bảo vệ bề mặt kim loại khỏi ăn mòn.
2. Pin và ắc quy: Pin kiềm (Zn–MnO2) và pin kẽm–không khí tận dụng phản ứng Zn → Zn2+ + 2e− để sinh điện .
3. Xử lý bề mặt: Zinc phosphate coating – lớp phủ tăng độ bám sơn, chống gỉ cho ô tô và thiết bị công nghiệp.
4. Chất xúc tác: Phân hủy peroxide và tổng hợp hữu cơ, ZnO khử N2O trong khí thải nhiệt điện.

Thông số kỹ thuật thường quan tâm:

Phương pháp điều chế và tách chiết

Trong công nghiệp, Zn2+ thu được chủ yếu từ quặng kẽm sulfide (ZnS) thông qua hai bước:

• Rang xỉ: $2ZnS + 3O_2 \rightarrow 2ZnO + 2SO_2$
• Leaching: ZnO hòa tan trong H2SO4 → ZnSO4, sau đó kết tủa Zn(OH)2 bằng NaOH và nung thành ZnO hoặc điện phân để thu Zn kim loại.

Quy trình hội tụ điện phân:

1. Dung dịch ZnSO4 150–200 g/L, pH ≈ 4.0.
2. Dòng điện 250–350 A/m2, điện cực đồng thau.
3. Điện thế cực khoảng 2.2 V, thu Zn tinh khiết > 99.9 % .

An toàn và tác động môi trường

Dung dịch chứa Zn2+ ở nồng độ cao có thể gây độc với thủy sinh: fish LC50 (96 h) cho cá chuột khổng lồ < 2 mg/L. Theo US EPA, giới hạn thải Zn trong nước thải công nghiệp là 2 mg/L .

Triệu chứng ngộ độc người bao gồm buồn nôn, nôn mửa, đau bụng; tiếp xúc dài hạn gây bất thường sinh sản. Xử lý nước thải chứa Zn thường dùng trung hòa pH và kết tủa hydroxide, sau đó lọc hoặc keo tụ-phân tách:

• $Zn^{2+} + 2OH^- \rightarrow Zn(OH)_2 \downarrow$
• Thêm polyme keo tụ để tăng kích thước bông cặn.

Tài liệu tham khảo

• AZoM. (2021). Zinc Applications. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=13258
• Gold Book IUPAC. (n.d.). Zinc(II) ion. https://goldbook.iupac.org/terms/view/Z05011
• Mining Technology. (2023). Budel Zinc Plant. https://www.mining-technology.com/projects/budel-zinc-plant/
• NIH Office of Dietary Supplements. (2024). Zinc: Fact Sheet for Consumers. https://ods.od.nih.gov/factsheets/Zinc-Consumer/
• RSC. (n.d.). Zinc. Royal Society of Chemistry. https://www.rsc.org/periodic-table/element/30/zinc
• US EPA. (2022). Zinc Complexes Effluent Guidelines. https://www.epa.gov/eg/zinc-complexes-effluent-guidelines