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鋅
一種有色金屬
鋅（英語：Zinc），是一種使用歷史悠久、用途極其廣泛的金屬。鋅元素位于門捷列夫元素周期表的第四周期第B族，化學元素符號為Zn，原子量65.39，原子序數為30，緊密堆積六方晶系，常見化合價為+2價，是一種銀白色的輕金屬，25 ℃時，密度為7.14 g·cm?3，高純熔點為419.58 ℃，沸點為907 ℃。鋅的化學性質比較活潑，絕大部分是以化合態(tài)的形式與其他礦物共生，主要有菱鋅礦、硅鋅礦、纖維鋅礦和水鋅礦等。
基本信息
中文名
鋅
英文名
Zinc
別名
鋅粉
元素符號
Zn
原子序數
30
原子質量
65.39
元素類別
過渡元素
族
IIB族
電子排布
[Ar]3d4s
CAS編號
7440-66-6
化學式
Zn
物理性質
外觀
銀白色略帶藍灰色
物態(tài)
固態(tài)
密度
7.14 g·cm?3（25℃）
熔點
419.58 ℃
沸點
907 ℃
水溶性
不溶于水
蒸氣壓
1 mm Hg ( 487 °C)
閃點
1°F
發(fā)現歷史
早期使用
人類對鋅的使用具有悠久的歷史。據研究，中國是世界上最早使用鋅制品以及制得鋅單質的國家。最早可以追溯到西漢以前，當時已經有使用黃銅（一種鋅銅合金）的記載。從漢代到宋代之間，逐漸掌握了使用爐甘石（含鋅的碳酸鋅礦石）生產黃銅的工藝，到明代期間，已經掌握了生產金屬鋅的方法。明代初期，中國的煉鋅技術就已日臻成熟，已能大量地煉制出單質鋅，并將金屬鋅與金屬銅合煉成黃銅，用來鑄造爐鼎、錢幣。到明代萬歷年間，中國已能煉制出純度高達98%的鋅了，一部分鋅還出口國外。明末科學家宋應星在他的巨著《天工開物》中，專門有一節(jié)關于倭鉛(即鋅)的記述，文中介紹了鋅的產地及煉制方法，還指出鋅的性質因“其似鉛而性猛，故名之日“倭’”。
印度也是世界上較早使用鋅的國家，早在公元前2000年左右，印度人就已經開始使用鋅了。他們在煉銅時注意到一些金屬物質會隨著銅礦一起被提煉出來，那些金屬物質后來就被確認為是鋅。在印度西北地區(qū)發(fā)現鋅的采礦和冶煉生產場所遺址，至今那里還保存著大量煉鋅用灰土蒸留罐的碎片。印度人使用鋅主要是為了生產黃銅合金。中印兩國古代的煉鋅術均采用了泥罐蒸餾法，其操作方法大致是，先用當地的泥土用手工按模具做成蒸餾罐體，然后裝含鋅礦物和焦煤，再用一個帶管封帽將罐密封，用來將鋅蒸氣導出罐外，冷凝收集金屬鋅，區(qū)別在于冷凝技術有所不同。
在西方，大約早在公元前 200 年，首先在塞浦路斯，后來在羅馬也已經生產黃銅，不過其方法是銅和鋅的氧化礦物與炭一起放在堆塌中加熱，此時氧化物被還原，生成的鋅立即被銅所捕集，而成為銅合金。在 17 和 18 世紀，歐洲使用的鋅主要從中國和印度進口。
近代發(fā)展
18世紀初期，歐洲才開始對鋅進行深入研究，當時人們對鋅的認識非常有限，很多人甚至無法區(qū)分鋅和鋁。直到1746年，德國化學家安德列亞斯·馬格努斯·豪普特曼(andreas Magnus hauptmann)利用硝酸和鋅制備出了鋅鹽，并發(fā)現了鋅的可鍛性和耐腐蝕性，從而奠定了鋅這種金屬在現代工業(yè)中的重要地位。1746年，歐洲第一座煉鋅廠在英國建成。隨著技術的發(fā)展，1798 年西里西亞地區(qū)（Silesia） 建成了第一座水平蒸留罐煉鋅廠。1808年比利時科學家丹尼（Dony）改進了此法，使出、裝料更高效，這種方法一度被被全世界大多數鋅冶煉廠采用。1916 年鋅的電解生產法被發(fā)明，經過幾十年的發(fā)展，成為全世界新建的煉鋅廠的常用技術。1929 年美國新澤西新公司（New Jersey） 將沿用多年的橫罐蒸餾煉鋅法升級為豎罐蒸留煉鋅法，推動了鋅工業(yè)的發(fā)展。1959 年，英國帝國熔煉公司（Emperial Smelting Company)成功研制了一種密閉鼓風爐法，該方法能高效處理鋅和鉛的硫化精礦，同時制備并分離金屬鋅和鉛。此法投產后，受到世界各國重視。曾紛紛相繼采用此法建廠。
早在1869年，人們已認識到鋅在第狀菌生長中的作用，1926年，科學家確認鋅對于高等植物生命活動進程是必需元素，1934年，證實了鋅對大鼠的生長發(fā)育是必需的，1939年首次在生物酶（碳酸酥酶）發(fā)現鋅元素后，相繼在多種酶中證實鋅的作用。隨后，科學家們對鋅的代謝和生物效應作了大量的研究，由宏觀進入分子生物學領域，由動物實驗進入臨床應用。
分布情況
鋅在自然界的豐度排在所有元素的第25位，鋅在地殼中約占75ppm（0.0075%），在土壤中的鋅含量為5-770ppm，平均為64ppm。海水中的鋅含量僅為30ppb，大氣中的鋅含量為0.1-4μg/m。鋅在地表各類巖石中均有分布，但含量有所差別。鋅通常與如銅和鉛共同賦存于礦石中，它們的電子排布相似，具有強烈的親硫性。閃鋅礦是硫化鋅的一種形式，是開采量最大的含鋅礦石，其精礦含鋅量高達60%。鋅的其他來源礦物包括菱鋅礦（碳酸鋅）、硅鋅礦（硅酸鋅）、纖維鋅礦（另一種硫化鋅），有時還有水鋅礦（堿式碳酸鋅）。 除了纖維鋅礦，其他類型礦物是由原始硫化鋅的風化形成的。
類別 | 超基性巖(純巖等) | 基性巖(玄武巖、輝長巖等) | 中性巖(閃長巖、安山巖等) | 酸性巖(花崗巖等) | 沉積巖(黏土巖和頁巖) |
含量（％） | 0.003 | 0.013 | 0.0072 | 0.006 | 0.008 |
鋅元素在地殼各類巖的含量，資料來源于： | |||||
礦物名稱 | 化學式 | 鋅含量/% |
閃鋅礦 | ZnS | 67.1 |
纖維鋅礦 | ZnS | 67.1 |
菱鋅礦 | ZnCO3 | 52.1 |
異極礦 | Zn4Si2O7(OH)?·H2O | 54.3 |
硅鋅礦 | ZnSiO4 | 58.6 |
水鋅礦 | Zn5[CO3]2·[OH]6 | 59.6 |
主要的含鋅礦物類型，資料來源于： | ||
根據2015年美國地質調查局（USGS）的統計數據顯示，全球已查明鋅資源量為 2 億噸，分布于各個區(qū)域，但集中度較高。澳大利亞（31.50%）、中國（19.00%）和秘魯（ 12.50%）為全世界鋅儲量排名前三的國家，三個國家的總儲量達到全球的63%。在產量方面，中國（490萬噸）、澳大利亞（158 萬噸）和秘魯（137萬噸）為全世界鋅精礦排名前三的國家，三個國家的總產量約占全球的60%。
原子結構
鋅是周期表中IIB族元素，原子序數為30，核外電子排布為[Ar]3d4s（1s2s2p3s3p3d4s），即第一層2個，第二層8個，第三層18個，第四層（最外層）2個。當原子軌道處于全空、半充滿、充滿的狀態(tài)下比較穩(wěn)定，所以鋅原子易失去2個電子而形成鋅離子（Zn），這也是鋅在自然界中的主要價態(tài)。鋅在自然界中有五種穩(wěn)定的同位素，分別為：Zn、Zn、Zn、Zn 和Zn。
同位素 | 天然豐度 | 質量 |
Zn | 48.63 | 63.929145 |
Zn | 27.90 | 65.926034 |
Zn | 4.10 | 66.927129 |
Zn | 4.10 | 67.924846 |
Zn | 0.62 | 69.925325 |
元素鋅的穩(wěn)定同位素，資料來源于： | ||
理化性質
物理性質
鋅是銀白色略帶藍灰色的金屬，未被氧化時有金屬光澤。鋅的熔點(419.5℃)和沸點(908℃)都比較低。鋅的質地較軟，當未制成合金時，鋅的強度和硬度僅高于錫和鉛，明顯地低于鋁和銅。鋅在室溫下呈脆性，加熱到 100一150℃時延展性得到較大提升，能壓成薄板或拉成絲，容易加工。在210℃以上，金屬又變得很脆，可以通過敲打而粉碎。鋅單質的晶胞呈六方柱形結構，呈緊密堆積形式，如圖所示，每個鋅原子有十二個近鄰，在同一平面內，鋅原子之間相距265.9pm，與不同平面的原子距離為290.6pm，品軸比為1.856。鋅元素能與許多金屬形成二元合金，例如鋁、銻、鉍、金、鐵、鉛、汞、銀、錫、鎂、鈷、鎳、碲和鈉等。
鋅的六面體晶胞結構
英文名稱 | Zinc |
分子式 | Zn |
原子序數 | 30 |
相對原子質量 | 65.39 |
密度 g/cm | 7.14 |
熔點/℃ | 419.58 |
佛點/℃ | 906.97 |
化合價 | +2 |
資料來源于： | |
化學性質
- 鋅在常溫下不被干燥的空氣氧化，但在潮濕空氣中表面生成一層薄而致密的堿式碳酸鋅膜（ZnCO33·Zn(OH)2），可阻止進一步氧化，保護內部不受侵蝕。
3.與單質鋅類似，鋅的部分化合物也能溶于酸和堿，生成對應的鹽。
4.鋅與硝酸反應的生成物與硝酸的濃度密切相關。
5.鋅與氧氣在高溫下生成氧化鋅，發(fā)出藍綠色火焰。
6.鋅與水蒸氣在高溫下生成氧化鋅并釋放氫氣。
7.鋅的還原性較強，能夠從溶液中置換出銅等金屬。
制備方法
鋅的生產主要從含鋅的礦石中提取，主要分為火法和濕法兩種方法。
濕法煉鋅(又稱電解法煉鋅)最早于 1916 年投入工業(yè)生產，因具有生產能力大、能耗較低、勞動條件較好、易于實現機械化和自動化等優(yōu)點而得到迅速發(fā)展。濕法煉鋅中，焙燒、浸出、凈化和電解是生產上的主要工藝過程。硫化鋅精礦一般要預先進行焙燒(硫酸化焙燒)，使 ZnS 變成易于被酸解的ZnO及少量的ZmSO4。浸出是整個濕法流程中的最重要環(huán)節(jié)，濕法煉鋅廠的主要技術經濟指標取決于所選擇的浸出工藝及操作條件，在浸出過程中，與氧化鋅一道溶解進入溶液的還有雜質金屬，這些雜質將嚴重影響下一步的電積過程，因此必須對溶液進行凈化。凈化過程得到的含雜質金屬的濾渣送去回收有價金屬(鉆、銅等)，凈化后的 ZnSO4溶液經電解沉積后，陰極析出鋅最終熔化鑄錠，產出電鋅。
火法煉鋅首先將鋅精礦進行焙燒(氧化焙燒)或燒結焙燒，使精礦中的 ZnS 變?yōu)閆nO，以便為碳質還原劑所還原。由于鋅的沸點較低，在高于其沸點溫度下還原出來的鋅將呈蒸氣狀態(tài)從爐料中揮發(fā)出來，這樣，鋅便與爐料中的其它組分分離。鋅蒸汽隨爐氣一道進入冷凝器，在冷凝器內冷凝成液體鋅。與鋅一道呈蒸氣狀態(tài)進入氣相的還有其它易揮發(fā)的雜質金屬，如鍋和鉛，這些元素會影響鋅的純度，須將冷凝所得的粗鋅進行精煉?；鸱ň珶捠抢娩\和雜質金屬沸點的不同，采用蒸餾的方法來提純的，稱為鋅精餡。精餾后鋅經澆鑄可獲得 99.99%以上的精鋅。
作用
單質
與其它金屬相比，鋅的熔點和強度都比較低，一般不用作工程上承重材料。鋅的主要作用在于其良好的耐腐蝕性質，在電化學領域得到廣泛運用。鋅很容易被制成片狀，用于制作干電池的外殼，例如，常見的鋅-空氣電池和銀-鋅電池的電極。鋅也是一種防銹漆的組分，鋅鍍層是鋅的重要應用。與鋼鐵相比，鋅具有更低的電極電勢，在電解液（海水、土壤等）中會先被溶解，從而保護鋼鐵等重要零部件的銹蝕，例如緩解海水對于船體的腐蝕，潮濕土壤對地下線纜、管道的腐蝕等。鋅鍍層優(yōu)于銅、錫、塑料或油漆對鋼鐵的保護作用。鋅具有較強的還原性，鋅粉是冶金和化工反應過程中重要的還原劑，可制備銅等其他金屬。
合金
鋅鋁合金是一種使用廣泛的鑄造合金，由鋅和鋁的混合物組成。其主要特性包括低膨脹系數、高成形性、優(yōu)異的機械性能和抗腐蝕性能。溫度較高時能實現高塑性和低變形阻抗，易于加工生產出各種形狀復雜、尺寸精細的零部件；溫度降至室溫后，它又立即恢復其優(yōu)良的機械性能，表現出像鋼一樣高的強度。鋅鋁合金的應用范圍較廣，涵蓋了汽車、航空航天、電子、電器、建筑和衛(wèi)生設備等行業(yè)。 在實際應用中，鋅鋁合金通常用于生產各種機械配件、汽車零部件、建筑材料、電器、通訊設備和衛(wèi)生設備等。例如，鋅鋁合金可用于制造氣門、水泵、進氣管、電接頭、鑄造變速器、摩擦片、打火機、合金鑄件等。
鋅銅合金(黃銅)是最古老和最重要的合金材料之一，由鋅和銅組成，通常鋅的含量在10%到40%之間，剩余部分為銅。不同銅鋅含量比的黃銅可以獲得各種不同性能。鋅銅合金的主要特點包括高的強度、良好的耐腐蝕性、較高的電導率和導熱性，且色澤美觀。這些特性使鋅銅合金被廣泛用于制造各種器具、工具和裝飾品等。
化合物
硫化鋅 （分子式： ZnS） | 自然界中硫化礦以閃鋅礦的礦物狀態(tài)存在，是煉鋅的主要原料。硫化鋅為白色粉末，在微量銀離子等的激活下，光照后可發(fā)出多種顏色的熒光，常用于制作熒光屏、夜光儀表和電視熒光粉等，硫化鋅在油漆涂料、橡膠塑料、玻璃等領域也有應用 |
氧化鋅 （分子式： ZnO） | 氧化鋅是一種白色粉末狀固體，是一種重要的無機化合物，具有廣泛的應用領域。氧化鋅是一種半導體材料，具有良好的光電性能和熱穩(wěn)定性，因此被廣泛用作太陽能電池、發(fā)光二極管、藍寶石激光器等電子元器件的制備材料。此外，氧化鋅還常用于防曬霜、化妝品、涂料、橡膠、塑料等產品中，作為防曬劑、增白劑、抗菌劑等。氧化鋅還可以用于制備陶瓷、玻璃、水泥等材料，以及作為催化劑、吸附劑等 |
氯化鋅 （分子式： ZnCl2） | 氯化鋅的用途很廣泛，氯化鋅是一種優(yōu)良的防腐劑，可用于木材、鋼鐵等材料的防腐處理；氯化鋅可以用于有機合成（烯烴的聚合、烷基化、異構化以及醇和烷基的脂化等）中的溶劑、催化劑、氯化劑、脫水劑；在醫(yī)藥上氯化鋅還具有消炎作用；此外，氯化鋅還可以用于制備染料、香料、橡膠、塑料等化工產品 |
硫酸鋅 （分子式：ZnSO4） | 硫酸鋅是一種白色結晶體，也稱皓磯或鋅磯，具有廣泛的應用領域。 硫酸鋅可以用作農業(yè)上的肥料，提供植物所需的鋅元素。此外，硫酸鋅也可用于養(yǎng)殖業(yè)中，作為水產養(yǎng)殖中的添加劑，促進水產養(yǎng)殖的生長發(fā)育，還能作為動物缺鋅時的營養(yǎng)劑；在醫(yī)藥上，硫酸鋅常用于配制治療沙眼的滴眼溶液；在紡織業(yè)總，硫酸鋅常作為染色劑以及布料的防火劑 |
生理功能
植物體
鋅的營養(yǎng)作用鋅在植物體內主要是作為酶的金屬活化劑。對碳水化合物的代謝和生長素的合成有著重要作用。缺鋅會降低植物體內酶的活性，從而導致生命活動（如光合作用、糖和生長素的合成、生物膜的生長）等受影響，植物病害加重。最早發(fā)現的含鋅生物酶是酸酐酶，這種酶在植物體內分布很廣，主要存在于葉綠體中。
1. 降低生長素的含量：鋅是植物生長素合成所必需的微量元素之一。它對于植物發(fā)育、生長和分化有著重要的作用，可以刺激植物根和莖的生長，缺鋅會導致植物體內生長素分解速率加快，影響植物發(fā)育。
2. 促進糖的合成：農作物在生長發(fā)育的過程中，需要大量的鋅元素來促進其形成。如果土壤中鋅元素缺乏，就會影響作物的生長和發(fā)育，降低農作物的產量。
3. 促進光合作用：在部分植物（如菠菜）中，鋅元素直接參與植物的光合作用，鋅也是植物碳酸酶(CA)的組成成分，這種生物酶是植物光合作用的活化劑，缺鋅時碳酸酶 的活性明顯降低，從而影響植物光合作用效率。
4.維持生物膜的功能：鋅對生物膜的功能和結構起關鍵的作用，能夠阻止了植物細胞膜成分（膜脂和膜蛋白）的過氧化，避免營養(yǎng)物質從根細胞滲漏。
5. 提高植物的抗病性：鋅元素可以增強植物體內的免疫能力和抗病能力，從而提高植物的抗病能力和耐病性。
動物體
鋅是動物必須的微量元素之一，對動物生長發(fā)育、新陳代謝、繁殖機能和免疫功能等方面具有重大的影響。1934年的小白鼠實驗首次證實了鋅對于動物生命活動的重要性。
1.保護眼部結構：鋅是組成動物肝臟和視網膜內維生素A還原酶的必需元素，組成和功能的發(fā)揮。維生素A還原酶可以幫助動物眼部合成視覺色素，同時有利于保護眼部結構和預防眼病，缺鋅會影響維生素A還原酶功能的發(fā)揮，導致酶與視黃醛的合成與變構受影響，最終影響動物的正常視力。
2.維持神經系統正常工作：鋅在海馬結構和大腦皮層含量最高，對腦中多種生物酶（如乙醇脫氫酶、谷氨酸脫氫酶、堿性磷酸酶）等有明顯的影響，此外還會影響多種功能蛋白的活性和結構，缺鋅會導致神經系統正常功能受損，影響到動物行為。
3.維持生命活動必需的代謝功能：糖類提供了動物機體活動所需的大部分能量，而動物體內糖類的代謝需要有含鋅金屬酶的參與才能完成。含鋅酶在動物體內會影響胰島素、胰高血糖素、前列腺素等的功能和活性。此外，鋅是許多功能蛋白如金屬硫蛋白、核蛋白、受體等的組成部分。
4.維持正常的免疫功能：鋅是免疫系統中必需的微量元素之一，它可以促進白細胞生長和分化，增強免疫細胞的活性。如果缺鋅是淋巴源性細胞和髓樣細胞源性細胞的死亡的重要原因，導致動物體內發(fā)生病變。
人體
鋅在人體生命活動的作用
鋅是人體必需的微量元素，普通成人全身含鋅2-3g，其含量僅次于鐵，廣泛分布于人體的各個器官組織，在人體生理功能方面發(fā)揮重要的作用，具有極高的營養(yǎng)價值，被譽為“生命之花”。鋅在體內最主要的生物功能是參與組成多種鋅酶和鋅激活酶。
1.生物酶的重要組成部分：經鑒定，人體內的含鋅酶有70余種，包含約18 種含鋅金屬酶和 14 種鋅激活酶，例如，RNA聚合酶，DNA聚合酶等在DNA 合成過程中具有重要的作用，鋅是組成相關生物酶的必需元素。
3.維持正常的蛋白質代謝：鋅與蛋白質代謝關系非常密切。鋅對蛋白質代謝的影響主要體現在兩個方面：一是蛋白質代謝所需酶（含鋅酶酶蛋白）的組成成分含有鋅；二是鋅本身也是某些蛋白氨基酸的組成部分。兒童缺鋅會導致營養(yǎng)不良，影響生長發(fā)育，這是由于缺鋅影響膠原蛋白等營養(yǎng)物質的合成。
5.保護夜視能力：鋅與維生素A及視色素代謝有關，鋅是醇脫氫酶的組份之一，后者對視黃醛的再生過程起活化作用， 而夜視依賴維生素A和視黃醛的不斷供應，因此，缺鋅是患夜盲癥和暗適應障礙的重要原因。
6.促進傷口愈合：鋅有促進創(chuàng)傷愈合作用，原因在于鋅是DNA聚合酶組成的必需元素，后者促進細胞分裂加速創(chuàng)口修復。因此，對于胃潰瘍、燒傷、小腿潰瘍、褥瘡、外傷等服用鋅鹽是有益的。
鋅對人體健康的影響
兒童缺鋅會導致免疫力、智力、身高和體重的發(fā)育受阻，使得兒童成長速度緩慢；缺鋅還會導致兒童食欲減退，味覺與嗅覺缺陷甚至喪失。成人缺鋅主要表現是食欲減退、味覺、嗅覺能力下降。此外，缺鋅會影響肝細胞的功能（排毒）的發(fā)揮，更容易導致肝硬化等疾病。缺鋅還會影響男性的生殖器官發(fā)育，造成睪丸萎縮性功能減退，婦女則有繼發(fā)閉經等。鋅與男性精子的活力密切相關，缺鋅是精子活力降低從而導致不孕的原因之一。
鋅是人體必需的微量元素之一。然而，鋅不是沒有毒性的，人體內鋅含量過大可能反而會損害身心健康。研究發(fā)現，大量的鋅能抑制吞噬細胞的活性和殺菌力，反而降低人體的免疫功能。因此，在用較大劑量或長期補鋅時要特別慎重。
安全事項
鋅粉的部分中文MSDS說明，資料來源于： | |
國標編號 | 43014 |
CAS | 7440-66-6 |
GHS危險標記 |  遇濕易燃物品  自燃物品 |
危險特性
鋅具有強還原性。與水、酸類或堿金屬氫氧化物接觸能放出易燃的氫氣。與氧化劑、硫黃反應會引起燃燒或爆炸。粉末與空氣能形成爆炸性混合物，易被明火點燃引起爆炸，潮濕粉塵在空氣中易自行發(fā)熱燃燒。當加熱分解時，會釋放出有毒煙霧。
儲存
鋅粉應該單獨存放，存放于干燥處，存放于密閉的容器中，不宜密實擺放，應該留有間隙。
應急處理
情況 | 處置 |
泄漏應急處理 | 隔離泄漏污染區(qū)，限制出入。切斷火源。建議應急處理人員戴自吸過濾式防塵口罩，穿消防防護服。不要直接接觸泄漏物 小量泄漏：避免揚塵，使用無火花工具收集于干燥、潔凈、有蓋的容器中，轉移回收 大量泄漏：用塑料布、帆布覆蓋，減少飛散。在專家指導下清除 |
防護措施 | 皮膚接觸：脫去被污染的衣著，用肥皂水和清水徹底沖洗皮膚 眼睛接觸：提起眼瞼，用流動清水或生理鹽水沖洗，就醫(yī) 吸入：脫離現場至空氣新鮮處。保持呼吸道通暢。如呼吸困難，給輸氧。如呼吸停止，立即進行人工呼吸。就醫(yī) 食入：飲足量溫水，催吐，就醫(yī) |
燃燒 | 滅火方法：滅火劑：干粉、干砂。禁止用水、泡沫滅火 |
資料來源于： | |
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