كبريتات الزنك: تحليل شامل للخصائص والتحضير والتطبيقات المتعددة

كبريتات الزنك (كبريتات الزنك) هي مركب كبريتات مهم لعنصر الزنك، وصيغتها الكيميائية ZnSO₄. بوصفها مادة خام كيميائية غير عضوية تُستخدم على نطاق واسع، فإن لها خواصًا طبيعية وخصائص اصطناعية أيضًا. ويمكن تصنيفها إلى كبريتات الزنك اللامائية (ZnSO₄) حسب محتوى الماء البلوري، وكذلك إلى هيدرات بلورية، ومن بينها سباعي الهيدرات من كبريتات الزنك (ZnSO₄·7H₂O)، المعروف شائعًا باسم «الفيتريول»، وهو الشكل الأكثر شيوعًا في الإنتاج الصناعي والحياة اليومية. ويتكامل هذان النوعان في الخصائص وسيناريوهات الاستخدام، مما يدعم الأنشطة الإنتاجية في مجالات عديدة.
1. الخصائص النفسية الأساسية

1. الخصائص الفيزيائية

كبريتات الزنك اللامائية مادة صلبة بيضاء مسحوقة ذات بنية بلورية أورثورومبيك، كثافتها 3.54 غرام/سم³، ودرجة انصهارها حوالي 680 درجة مئوية. وهي تتحلل عند درجات حرارة مرتفعة. أما كبريتات الزنك السباعية المائية فهي بلورات منمنمة شفافة عديمة اللون، لا رائحة لها، طعمها قابض قليلاً، وكثافتها 1.957 غرام/سم³، ودرجة انصهارها 100 درجة مئوية. عندما تسخن إلى 30 درجة مئوية، تبدأ في فقدان ماء البلورة وتتحول تدريجيًا إلى كبريتات الزنك أحادية الماء. وإذا استمر التسخين حتى 280 درجة مئوية، يمكن أن تُفقد المياه تمامًا لتكوين كبريتات الزنك اللامائية. كبريتات الزنك قابلة للذوبان بسهولة في الماء، وتزداد قابلية ذوبانها بشكل كبير مع ارتفاع درجة الحرارة. وهي قابلة للذوبان بشكل طفيف في الإيثانول والجلسرين، لكنها غير قابلة للذوبان في الأسيتون. محلولها المائي حمضي ضعيف. هذه الخاصية من قابلية الذوبان توفر سهولة في تحضيرها وتطبيقها.

2. الخصائص الكيميائية

يتمتع كبريتات الزنك بخصائص كيميائية مستقرة نسبيًا، ولا يتحلل بسهولة في درجات الحرارة والضغوط العادية. له الخصائص الكيميائية النموذجية لمركبات الكبريتات. أولاً، يمكنه أن يخضع لتفاعل تبادل الأيونات مع أملاح الباريوم القابلة للذوبان، مما يؤدي إلى تكوّن راسب من كبريتات الباريوم غير قابلة للذوبان في الماء والأحماض. ويُعد هذا التفاعل من التفاعلات الكلاسيكية المستخدمة لاختبار أيونات الكبريتات. والمعادلة هي كما يلي:

$${\displaystyle {\ce {{ZnSO4}+{BaCl2}\rightarrow {BaSO4\downarrow }+{ZnCl2}}}}$$

ثانيًا، يمكنه التفاعل مع محلول القلويات لتكوين راسب هيدروكسيد الزنك. وإذا كان القلوي زائدًا، فإن الراسب سيذوب أكثر ليكوّن زينات؛ ثالثًا، يمكنه التفاعل مع الكبريتيد لتكوين راسب أسود من كبريتيد الزنك. غالبًا ما تُستخدم هذه التفاعلية في فصل أيونات الزنك وتنقيتها. بالإضافة إلى ذلك، يمتلك كبريتات الزنك خصائص اختزال معينة ويمكن أن يخضع لتفاعلات أكسدة تحت تأثير مؤكسدات قوية. وفي الوقت نفسه، يمكن لمحلوله المائي أن يخضع لتفاعل إزاحة مع الزنك المعدني لضبط تركيز أيونات الزنك في المحلول.

2. عملية التحضير

يُعدّ إعداد كبريتات الزنك بشكل رئيسي قائمًا على التوليف الاصطناعي، في حين لا تتجاوز حصة الاستخلاص الطبيعي سوى نسبة صغيرة. يعتمد الإنتاج الصناعي في معظمه على مواد خام تحتوي على الزنك، ويتم الحصول على منتجات ذات نقاوة مختلفة عبر عمليات الترشيح الحمضي والتنقية والبلورة وغيرها من العمليات. وتُكيَّف العملية الأساسية وفقًا لمختلف توافرات المواد الخام.

1. الاستخلاص الطبيعي

يوجد كبريتات الزنك الطبيعية بشكل رئيسي في الخامات ومياه الينابيع الساخنة والبحيرات المالحة. ومن خلال تبخير المياه وتركيزها وتبريد التبلور للينابيع المعدنية المحتوية على الزنك، يمكن الحصول على كبريتات الزنك الخام سباعية الهيدرات. وبعد مزيد من التنقية لإزالة الشوائب، يمكن استخدامها في حالات الطلب ذات النقاء المنخفض. ومع ذلك، وبسبب القيود المتعلقة بتوزيع الموارد الطبيعية، يصعب بهذه الطريقة تلبية الاحتياجات الصناعية الكبيرة، ولذلك لا تُطبَّق إلا في بعض المناطق الغنية بالموارد.

2. طريقة التوليف الاصطناعي

طريقة التحميص والتحلّل: هذه هي العملية السائدة في الصناعة. تستخدم فيها مركزات الزنك (المكون الرئيسي هو كبريتيد الزنك) كمادة خام. يُحمَّص مركز الزنك أولاً في الهواء لتحويل كبريتيد الزنك إلى أكسيد الزنك. وفي الوقت نفسه، يتم إزالة عنصر الكبريت لتوليد ثاني أكسيد الكبريت (الذي يمكن إعادة تدويره لتحضير حمض الكبريتيك). بعد سحق المنتج المحمص، يُحلَّل بمحلول مخفف من حمض الكبريتيك للحصول على محلول خام من كبريتات الزنك. بعد ذلك، تُزال الشوائب مثل النحاس والكادميوم بواسطة الأكسدة واستبدالها بمسحوق الزنك. يُبخر المحلول النقي المصفّى، ويُركّز، ويُبرّد، ويُبلور. وبعد الفصل والتجفيف، نحصل على المنتج النهائي من كبريتات الزنك سباعية الهيدرات. إذا كان من الضروري تحضير كبريتات الزنك اللامائية، فيمكن إجراء عملية إزالة الماء الإضافية من المنتج المتبلور عند درجة حرارة عالية. معادلة التفاعل الأساسية هي كما يلي:

$${\displaystyle {\ce {{2ZnS}+{3O2}\;\xrightarrow {\triangle } \;{2ZnO}+{2SO2\uparrow }}}}$$

$${\displaystyle {\ce {{ZnO}+{H2SO4}\rightarrow {ZnSO4}+{H2O}}}}$$

طريقة إعادة تدوير مواد الزنك الخردة: تُستخدم ألواح الزنك الخردة وخبث الزنك وخردة سبائك الزنك وغيرها من الموارد المتجددة كمواد خام، ويتم استخلاصها مباشرة باستخدام حمض الكبريتيك المخفف، مع التحكم في درجة حرارة التفاعل ودرجة الحموضة، بحيث يذوب الزنك تمامًا ويُنتج محلول كبريتات الزنك، ويتم في الوقت ذاته إزالة الحديد والألمنيوم والشوائب الأخرى الموجودة في المواد الخام. وبعد التنقية والبلورة، يتم الحصول على المنتج النهائي. تتمتع هذه الطريقة بمزايا بيئية واقتصادية على حد سواء، وتتماشى مع استراتيجية «الكربون المزدوج». وتزداد نسبة المواد الخام الزنكية المعاد تدويرها عامًا بعد عام.

طرق أخرى: في المختبرات والإنتاج على نطاق صغير، يمكن تحضير كبريتات الزنك من خلال تفاعل التحييد المباشر لأكسيد الزنك وهيدروكسيد الزنك وحمض الكبريتيك. ظروف التفاعل معتدلة ونقاء المنتج عالٍ. وهو مناسب لإنتاج كبريتات الزنك بدرجة كاشف. معادلة تفاعل التحييد هي:

$${\displaystyle {\ce {{Zn(OH)2}+{H2SO4}\rightarrow {ZnSO4}+{2H2O}}}}$$

3. مجالات التطبيق الرئيسية

يلعب كبريتات الزنك دورًا رئيسيًا في الزراعة والطب والصناعة الكيميائية والطلاء الكهربائي ومجالات أخرى، نظرًا لقابلية ذوبان عنصر الزنك واستقراره ونشاطه الفسيولوجي. وتتناسب المنتجات ذات النقاوة المختلفة مع سيناريوهات طلب متمايزة، ويتجاوز نطاق تطبيقها نطاق كربونات الزنك.

1. الزراعة

كبريتات الزنك هي مُخصِب زنك مهم من العناصر النزرة في الإنتاج الزراعي. يمكنها أن تكمل بشكل فعّال احتياجات المحاصيل من الزنك لتعزيز نموها، وتحفيز عملية التمثيل الضوئي، وتحسين مقاومة المحاصيل للإجهاد (مقاومة البرودة ومقاومة الأمراض)، وتحسين جودة المحاصيل، وزيادة غلتها. وهي مناسبة لمختلف المحاصيل مثل الأرز والذرة والقمح وأشجار الفاكهة والخضروات وغيرها. ويمكن استخدامها كسماد أساسي أو سماد رشٍّ علوي، أو تحويلها إلى سماد أورقي للرش. وهي مناسبة بشكل خاص للترويج والتطبيق في التربة المنخفضة في محتوى الزنك. وفي الوقت نفسه، يمكن أيضًا استخدام كبريتات الزنك كمضاف غذائي لتعزيز التغذية بالزنك لدى الماشية والدواجن والحيوانات المائية، مما يعزز النمو والتطور ويحسّن مناعة الجسم واستخدام العلف.

2. مجالات الأدوية والكيماويات اليومية

في مجال الطب، يمتلك كبريتات الزنك سباعي الهيدرات تأثيرات قابضة ومضادة للتعفن ومقيئة وتأثيرات أخرى. يمكن استخدامه لتحضير أدوية خارجية لعلاج الأمراض الجلدية مثل الأكزيما والحرارة الشائكة والتهاب الجلد وغيرها. كما يمكن استخدامه كمكون في غسولات العين لتخفيف التهابات العين. مع ذلك، يجب الانتباه إلى أن كبريتات الزنك سامة عند تناولها عن طريق الفم. وقد يؤدي الإفراط في تناولها إلى ظهور أعراض التسمم مثل القيء والإسهال، ولذلك ينبغي التحكم بدقة في الجرعة المتناولة. وفي صناعة المنتجات الكيميائية اليومية، يمكن استخدام كبريتات الزنك في منتجات مثل بودرة التلك والبلسم ومنتجات العناية بالبشرة لتضييق المسام والتحكم في إفراز الدهون وتثبيط البكتيريا. كما أنه يمكن أن يعزز استقرار المنتج.

3. الصناعة الكيميائية ومجال المواد الجديدة

يُعدّ كبريتات الزنك المادة الخام الأساسية لتحضير مركبات الزنك الأخرى (مثل أكسيد الزنك وكربونات الزنك وكبريتيد الزنك وغيرها)، مما يوفّر دعماً أساسياً لسلسلة صناعة المواد الكيميائية الخاصة بالزنك. وفي صناعة النسيج، يمكن استخدامه كمادة مثبتة لتعزيز قوة الارتباط بين الصبغات والألياف، مما يجعل عملية الصباغة أكثر تجانساً وثباتاً. وفي مجال تصنيع البطاريات، يمكن استخدام كبريتات الزنك عالية النقاوة لتحضير إلكتروليتات بطاريات أيونات الزنك، بما يسهم في تطوير صناعة بطاريات الطاقة الجديدة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدامه أيضاً كعامل حفاز وحافظ في التخليق العضوي ومعالجة المياه وحالات أخرى.

4. مجالات الطلاء الكهربائي والمعادن

في صناعة الطلاء الكهربائي، يُعدّ كبريتات الزنك الإلكتروليت الرئيسي في عملية الجلفنة. ويُستخدم لإعداد محاليل الطلاء الكهربائي بحيث يمكن ترسيب أيونات الزنك بشكل متجانس على سطح القطعة المشغولة لتكوين طبقة زنك كثيفة، تلعب دورًا مضادًا للتآكل ومقاومًا للاحتكاك. ويُستخدَم على نطاق واسع في عمليات الطلاء الكهربائي للمنتجات المعدنية والآلات وقطع غيار السيارات وغيرها من المنتجات. وفي الصناعة المعدنية، يمكن استخدامه لتكرير الزنك كهربائيًا لتحسين نقاء منتجات الزنك. كما يمكن استخدامه كمادة مضافة في صهر السبائك لتحسين خصائصها.

4. حالة واتجاهات تطور الصناعة

تُعدّ الصين أكبر منتج ومستهلك ومصدّر لكبريتات الزنك في العالم. وفي عام 2024، ستصل الطاقة الإنتاجية لكبريتات الزنك في البلاد إلى 1.2 مليون طن، وسيتجاوز الاستهلاك الظاهر 850 ألف طن. ومن بين هذه الكميات، يمثل الطلب في المجال الزراعي النسبة الأعلى (حوالي 45%)، تليه الصناعات الكيميائية ومجالات الطلاء الكهربائي. وتتميز الهيكلية الصناعية بخصائص «التركيز الإقليمي والتراتبية الواضحة». وتتركز الطاقة الإنتاجية بشكل رئيسي في منغوليا الداخلية ويونان وهونان وأماكن أخرى ذات موارد غنية من خامات الزنك. وتعتمد الشركات الرائدة على ميزاتها في المواد الخام وتقنيات التنقية لتتبوأ مركزًا مهيمنًا في الأسواق المتوسطة والعالية الجودة. أما الطاقات الإنتاجية الصغيرة والمتوسطة فتركز في الغالب على المنتجات الزراعية منخفضة النقاء.

يُحفَز التطور الحالي للصناعة بعاملين رئيسيين: أولاً، التقدم في التحديث الزراعي، وما زال الطلب على الأسمدة المحتوية على العناصر النزرة ينمو، مما يدفع إلى توسيع الطاقة الإنتاجية لكبريتات الزنك من الدرجة الزراعية؛ ثانياً، تزايد الطلب على كبريتات الزنك عالية النقاء (نقاوة ≥ 99.9%) في مجالات الطاقة الجديدة والطلاء الكهربائي الفاخر وغيرها، مما يعزز تحديث تقنيات الصناعة، وتحلّ عمليات الإنتاج المنخفضة الاستهلاك للطاقة والصديقة للبيئة تدريجياً محل العمليات التقليدية ذات التلوث العالي، كما ارتفعت نسبة إعادة تدوير المواد الخام الزنكية المعاد تدويرها إلى 28%، بما يتماشى مع مفهوم التنمية الخضراء.

في المستقبل، ستتحول صناعة كبريتات الزنك نحو «التنقية العالية، والطبيعة الخضراء، والتنويع»، مع التركيز على تحقيق طفرات في تقنيات إعداد المنتجات عالية النقاء، وتوسيع سيناريوهات التطبيقات في المجالات الراقية مثل الطاقة الجديدة والطب الحيوي، مع تحسين تخطيط سلسلة الصناعة ورفع كفاءة إعادة تدوير الموارد. وستواصل الشركات التي تتمتع بمزايا تقنية وقدرات على دمج الموارد قيادة السوق.

5. التشغيل والتخزين الآمنان

يحتوي كبريتات الزنك على تهيج معين. يمكن لمسحوقه أو محلوله المائي أن يُهيّج الجلد والعينين والأغشية المخاطية للجهاز التنفسي. وهو سام عند تناوله عن طريق الفم. يبلغ مستوى الخطر وفقًا لـ NFPA 704: 1-0-0. أثناء العمل، يجب ارتداء ملابس واقية ونظارات واقية وأقنعة، والعمل في بيئة جيدة التهوية، وتجنب ذبذبات الغبار المتطاير، ويُمنع تمامًا التلامس المباشر مع الجلد والعينين؛ وفي حال حدوث ملامسة غير متعمدة، يجب شطف المنطقة فورًا بالكثير من الماء، واستشارة الطبيب إذا لزم الأمر؛ أما الأشخاص الذين يعانون من تسمم عن طريق الفم، فيجب عليهم إحداث القيء في الوقت المناسب وإرسالهم إلى المستشفى لتلقي العلاج.

عند التخزين، يجب إغلاقه بإحكام ووضعه في مستودع جاف وجيد التهوية، بعيدًا عن مصادر النار والحرارة، لتجنب الرطوبة والتكتل. كما ينبغي تخزينه منفصلًا عن الأغذية والأدوية والمواد المؤكسدة والمواد القلوية لمنع حدوث تفاعلات تؤثر على جودة المنتج أو تسبب مخاطر على السلامة. أثناء النقل، يجب التعامل مع العبوات بحذر عند التعبئة والتفريغ لمنع تلف التغليف وضمان سلامة النقل.

باختصار، يُعدّ كبريتات الزنك، باعتباره الوسيط الأساسي في صناعة الزنك الكيميائية، ذا قيم تطبيقية متنوعة في الزراعة والصناعة والطب وغيرها. وسيستمر تطوير تقنيات إنتاجه وتوسيع سيناريوهات استخدامه في تمكين التحديث المستمر للصناعات ذات الصلة، مما يُظهر آفاقًا سوقية واسعة في سياق التنمية الخضراء والتحول الصناعي.