锌：历史，性质，结构，风险，用途 - 化学

的锌是属于周期表的第12族的过渡金属，并通过化学符号的Zn表示。它是地壳中含量丰富的第24种元素，存在于硫矿物质（如闪锌矿）或碳酸盐（如闪锌矿）中。

它是一种流行文化中众所周知的金属。锌屋顶就是一个例子，调节男性荷尔蒙的补品也是如此。它存在于许多食物中，是无数代谢过程的重要元素。与体内过量摄入相比，适量摄入有几个好处。

河畔博物馆的锌合金屋顶。资料来源：Eoin

锌早在其镀锌钢和其他金属之前就广为人知。黄铜是一种由铜和锌组成不同的合金，数千年来一直是历史文物的一部分。如今，在某些乐器中经常可以看到它的金色。

同样，它是一种用于制造碱性电池的金属，因为其降低的功率和易于提供电子的特性使其成为阳极材料的良好选择。它的主要用途是对钢进行镀锌，并在其上镀一层氧化或牺牲的锌，以防止下面的铁随后被腐蚀。

在其衍生物化合物中，它几乎总是具有+2的氧化数或态。因此，认为Zn ²⁺离子被分子或离子环境包围。尽管Zn ²⁺是一种路易斯酸，它可以在细胞内引起问题，但与其他分子协同作用却与酶和DNA发生正向相互作用。

因此，锌是许多金属酶的重要辅助因子。尽管它具有极其重要的生物化学特性，并且燃烧时具有绿色闪光和火焰的光彩，但在科学界，它仍被认为是“无聊的”金属。因为它的特性缺乏其他金属的吸引力，并且其熔点大大低于其他金属。

历史

古代

锌已经被使用了数千年。但是以一种不为人所知的方式，因为包括波斯人，罗马人，特兰西瓦尼亚人和希腊人在内的古代文明已经制造了物体，硬币和黄铜武器。

因此，黄铜是已知的最古老的合金之一。他们从矿物炉甘石Zn ₄ Si ₂ O ₇（OH）₂ ·H ₂ O中制备了这种材料，并在羊毛和铜的存在下对其进行了研磨和加热。

在此过程中，可能形成的少量金属锌以蒸气的形式逸出，这一事实将其鉴定为化学元素的时间推迟了多年。几个世纪过去了，黄铜和其他合金的锌含量增加，看起来更灰。

在14世纪，他们已经在印度设法生产了金属锌，他们称之为Jasada，然后与中国进行贸易。

因此，炼金术士能够获得它来进行实验。著名的历史人物Paracelsus将其命名为“ zincum”，可能是由于锌晶体和牙齿之间的相似之处。渐渐地，在其他名称和各种文化中，“锌”这个名字最终使这种金属凝结。

隔离

尽管自1300年代以来印度就已经生产金属锌，但这是通过将炉甘石与羊毛一起使用的方法产生的。因此，它不是纯度很高的金属样品。威廉·冠军（William Champion）于1738年在英国使用立式re式炉对这种方法进行了改进。

1746年，德国化学家Andreas Sigismund Marggraf在装有铜的容器中，通过在木炭（比羊毛更好的还原剂）存在下加热炉甘石胺，首次“获得”纯锌样品。这种生产锌的方法是商业化开发的，并且与Champion的平行。

后来，开发了一些方法，最终使用氧化锌代替了炉甘石。换句话说，非常类似于当前的火法冶金工艺。熔炉也得到了改进，能够产生越来越多的锌。

直到那时，仍然没有需要大量锌的应用。但是随着Luigi Galvani和Alessandro Volta的贡献而改变了，后者放弃了镀锌的概念。沃尔塔还提出了所谓的原电池，锌很快成为干电池设计的一部分。

物理和化学特性

外观

它是浅灰色的金属，通常以颗粒或粉末形式提供。它的物理性能很弱，因此对于必须支持重物的应用来说不是一个好的选择。

同样，它是脆性的，尽管加热到100ºC以上时，它会具有延展性和韧性；高达250ºC，在该温度下会变脆并再次喷涂。

摩尔质量

65.38克/摩尔

原子序数（Z）

熔点

419.53°C。该低熔点表明其弱金属键。当熔化时，其外观类似于液态铝。

沸点

907摄氏度

自燃温度

460摄氏度

密度

室温下为-7.14 g / mL

-6.57 g / mL的熔点，即刚融化或融化时

熔化热

7.32 kJ /摩尔

汽化热

115 kJ /摩尔

摩尔热容

25,470 J /（摩尔K）

电负性

鲍林规模为1.65

电离能

-第一：906.4 kJ / mol（锌⁺气体）

-第二：1733.3 kJ / mol（Zn ²⁺气态）

-第三：3833 kJ / mol（Zn ³⁺气态）

原子无线电

经验134 pm

共价半径

122±4下午

莫氏硬度

2.5。与其他过渡金属（即钨）的硬度相比，该值要低得多。

磁性顺序

抗磁

导热系数

116 W /（米·K）

电阻率

20°C时为59nΩm

溶解度

只要它的氧化层能保护它，它就不溶于水。一旦通过酸或碱的攻击将其除去，锌最终就会与水反应形成复杂的水溶液Zn（OH ₂）₆ ²⁺，从而将Zn ²⁺置于有限的八面体的中心通过水分子。

分解

燃烧时，它可以将有毒的ZnO颗粒释放到空气中。在此过程中，观察到绿色火焰和发光光。

化学反应

坩埚内的锌与硫之间的反应，可以看出火焰呈蓝绿色。资料来源：Eoin

锌是一种活性金属。在室温下，它不仅可以被氧化物层覆盖，还可以被碱性碳酸盐Zn ₅（OH）₆（CO ₃）₂甚至硫ZnS 覆盖。当这种变化的组成层被酸的侵蚀破坏时，金属会发生反应：

Zn（s）+ H ₂ SO ₄（aq）→Zn ²⁺（aq）+ SO ₄ ²⁻（aq）+ H ₂（g）

与其与硫酸反应的化学方程式：

锌（s）+ 4 HNO ₃（水溶液）→Zn（NO ₃）₂（水溶液）+ 2 NO ₂（克）+ 2 H ₂ O（l）

用盐酸。在这两种情况下，尽管没有写出，但都存在复杂的Zn（OH ₂）₆ ²⁺水溶液。除非是碱性介质，否则因为它以氢氧化锌的形式沉淀，所以Zn（OH）₂：

的Zn ²⁺（水溶液）+ 2OH ^- （水溶液）→锌（OH）₂（S）

这是一种白色，无定形的和两性氢氧化物，能够继续与多个OH反应的^-离子：

的Zn（OH）₂（S） + 2OH ^- （水溶液）→锌（OH）₄ ^2-（水溶液）

Zn（OH）₄ ^2-是锌酸盐阴离子。实际上，当锌与浓碱等强碱反应时，会直接生成锌酸钠复合物Na ₂：

锌（s）+ 2NaOH（aq）+ 2H ₂ O（l）→Na ₂（aq）+ H ₂（g）

同样，锌可以与非金属元素发生反应，例如气态卤素或硫：

锌（s）+ I ₂（g）→ZnI ₂（s）

锌（s）+ S（s）→ZnS（s）（上图）

同位素

锌以五个同位素形式存在于自然界中：⁶⁴锌（49.2％），⁶⁶锌（27.7％），⁶⁸锌（18.5％），⁶⁷锌（4％）和⁷⁰锌（0.62）％）。其他是合成的和放射性的。

结构和电子配置

锌原子结晶成致密但扭曲的六边形结构（hcp），这是其金属键的产物。根据电子构型，控制这种相互作用的价电子为属于3d和4s轨道的价电子：

3d ¹⁰ 4s ²

两个轨道都完全充满了电子，因此即使锌核对它们施加吸引力，它们的重叠也不是很有效。

因此，锌原子的内聚性不是很高，与其他过渡金属相比，其低熔点（419.53ºC）反映了这一事实。实际上，这是第12组金属（以及汞和镉）的特征，因此他们有时会质疑是否真的应将其视为d元素。

尽管3d和4s轨道已满，锌还是很好的电导体。因此，其价电子可以“跳”入导带。

氧化数

假设存在Zn ¹²⁺阳离子，则锌不可能失去其十二个价电子或氧化数或状态为+12 。取而代之的是，它只失去两个电子。特别是4s轨道的那些，其行为与碱土金属类似（贝坎巴拉先生）。

发生这种情况时，据说锌以+2的氧化数或态参与了该化合物。即，假设存在Zn ²⁺阳离子。例如，在其氧化物ZnO中，锌具有该氧化值（Zn ²⁺ O ^2-）。对于许多其他化合物也是如此，以为仅存在Zn（II）。

但是，还有Zn（I）或Zn ⁺，它们仅失去了4s轨道中的一个电子。锌的另一个可能的氧化数是0（Zn ⁰），其中锌的中性原子与气态或有机分子相互作用。因此，它可以表示为Zn 2 ⁺，Zn ⁺或Zn ⁰。

如何获得

原材料

来自罗马尼亚的闪锌矿矿物样品。资料来源：詹姆斯·圣约翰

锌在地壳中含量最高的元素的第二十四位。通常在分布于整个星球的硫矿物质中发现。

为了获得纯净的金属，首先必须收集位于地下隧道中的岩石，并浓缩富含锌的矿物质，锌是真正的原材料。

这些矿物包括：闪锌矿或纤锌矿（ZnS），锌矿（ZnO），硅铝土矿（Zn ₂ SiO ₄），锌铁矿（ZnCO ₃）和钠长石（ZnAl ₂ O ₄）。到目前为止，闪锌矿是锌的主要来源。

煅烧

在经过浮选和提纯后，将矿物浓缩后，必须将其煅烧以将硫化物转化为各自的硫化物。在此步骤中，只需在氧气存在下加热矿物即可进行以下化学反应：

2 ZnS（s）+ 3 O ₂（g）→2 ZnO（s）+ 2 SO ₂（g）

SO ₂也与氧气反应生成SO ₃，这是一种用于合成硫酸的化合物。

一旦获得了ZnO，就可以对其进行火法冶金工艺或电解，最终结果是形成金属锌。

火法冶金工艺

使用煤（矿物或焦炭）或一氧化碳还原ZnO：

2氧化锌（s）+碳（s）→2锌（g）+ CO ₂（g）

ZnO（s）+ CO（g）→Zn（g）+ CO ₂（g）

该方法所面临的困难是由于其沸点低而产生了气态锌，而炉子的高温克服了这一难题。这就是为什么必须要蒸馏锌蒸气并将其与其他气体分离的原因，同时锌的晶体会凝结在熔融的铅上。

电解过程

在两种获取方法中，这是全球使用最广泛的方法。ZnO与稀硫酸反应，以硫酸盐的形式滤出锌离子：

ZnO（s）+ H ₂ SO ₄（aq）→ZnSO ₄（aq）+ H ₂ O（l）

最后，该溶液被电解生成金属锌：

2 ZnSO ₄（水溶液）+ 2 H ₂ O（l）→2 Zn（s）+ 2 H ₂ SO ₄（水溶液）+ O ₂（g）

风险性

在有关化学反应的小节中，提到当锌与水反应时，氢气是主要产物之一。因此，在金属状态下，必须将其妥善保存，并且放在酸，碱，水，硫或任何热源都无法接触的地方；否则有发生火灾的危险。

锌的细分程度越高，着火甚至爆炸的风险就越大。

否则，只要温度不接近500ºC，它的固体或颗粒形式就不会构成任何危险。如果被一层氧化物覆盖，则可以用裸手操作，因为它不会与湿气发生反应。但是，像任何固体一样，它刺激眼睛和呼吸道。

尽管锌对于健康至关重要，但是过量使用锌会导致以下症状或副作用：

-恶心，呕吐，消化不良，头痛，胃或腹泻。

-在肠道吸收铜和铁时会置换铜和铁，这反映在四肢无力的增加上。

- 肾结石。

-失去嗅觉。

应用领域

-金属

合金类

许多乐器由黄铜，铜和锌合金制成。资料来源：Pxhere。

锌可能是与铜一起形成最受欢迎的合金的金属之一：黄铜和镀锌铁。铜管乐器的金色光芒部分归因于所述铜和锌的合金，因此在音乐乐队中曾多次观察到黄铜。

尽管金属锌可以卷起用作干电池的阳极，但它本身并没有很多用途，而以粉末形式被用作还原剂。当将这种金属层电沉积在另一层上时，前者可保护后者免受腐蚀，因为它更容易氧化。也就是说，锌先于铁被氧化。

这就是为什么对钢进行镀锌（镀锌）以提高其耐用性的原因。这些镀锌钢的例子还出现在无尽的“锌”屋顶中，其中一些还带有绿色涂料，还出现在公交车厢，家用电器和吊桥中。

还有铝锌合金，一种用于民用建筑的铝锌合金。

还原剂

锌是一种很好的还原剂，因此它失去了电子以供另一物种吸收。特别是金属阳离子。当为粉末形式时，其还原作用甚至比固体颗粒的还原作用更快。

它用于从矿物中获取金属的过程；如铑，银，镉，金和铜。

同样，其还原作用也用于还原有机物，有机物可能涉及石油工业，例如苯和汽油，或制药工业。另一方面，锌粉也可用于碱性锌-二氧化锰电池。

杂

由于锌粉具有反应性和高能燃烧性，因此可在火柴头，炸药和烟花爆竹（它们发出白色闪光和绿色火焰）中用作添加剂。

-化合物

硫化物

时钟上涂有磷光漆。资料来源：弗朗西斯·弗林奇

硫化锌具有发磷光和发光的特性，这就是为什么它被用于发光涂料的生产。

氧化物

其氧化物的白色，半导电性和光导性都用作陶瓷和纸的颜料。此外，它存在于滑石粉，化妆品，橡胶，塑料，织物，药品，油墨和搪瓷中。

营养补品

我们的身体需要锌来履行其许多重要功能。为了获得它，将其以氧化物，葡萄糖酸盐或乙酸盐的形式掺入一些营养补品中。它也存在于面霜中，以减轻灼伤和皮肤刺激，还存在于洗发剂中。

已知或与服用锌有关的一些好处是：

-改善免疫系统。

-这是一种很好的消炎药。

-减轻普通感冒的烦人症状。

-防止视网膜细胞受损，因此建议用于视力。

-它有助于调节睾丸激素水平，还与男性的生育能力，精子质量和肌肉组织发育有关。

-调节大脑神经元之间的相互作用，这就是为什么它与记忆力和学习能力的提高有关。

-而且，它对腹泻有效。

这些锌补充剂可以胶囊，片剂或糖浆形式商购。

生物作用

在碳酸酐酶和羧肽酶中

锌被认为是人体总酶中10％的一部分，大约300种酶。其中，可以提及碳酸酐酶和羧肽酶。

碳酸酐酶（一种锌依赖性酶）通过催化二氧化碳与水反应形成碳酸氢盐而在组织水平发挥作用。当碳酸氢盐到达肺部时，酶会逆转反应并形成二氧化碳，二氧化碳在呼气过程中会被排放到外面。

羧肽酶是一种外肽酶，可消化蛋白质并释放氨基酸。锌的作用是提供正电荷，以促进酶与正在消化的蛋白质的相互作用。

前列腺功能

锌存在于人体的不同器官中，但在前列腺和精液中的浓度最高。锌负责前列腺的正常功能和雄性生殖器官的发育。

锌指

锌参与RNA和DNA的代谢。锌指（Zn-finger）由锌原子组成，它们充当蛋白质之间的结合桥，它们共同参与各种功能。

锌指可用于DNA的阅读，书写和转录。此外，还有一些激素可将它们用于与整个身体的体内动态平衡相关的功能。

在谷氨酸的调节中

谷氨酸是大脑皮层和脑干中主要的兴奋性神经递质。锌在谷氨酰胺能突触前囊泡中积累，干预神经递质谷氨酸盐释放的调节和神经元兴奋性。

有证据表明，神经递质谷氨酸的过度释放可能具有神经毒性作用。因此，存在调节其释放的机制。因此，锌稳态在神经系统的功能调节中起着重要作用。

参考文献

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