鋅 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。 人類對鋅的使用始于 黃銅 ( 鋅銅合金 ),在中國, 西漢 時期已經有相關的記載。隨著冶金技術的發(fā)展,鋅被廣泛應用于汽車、航空航天、電子、電器、建筑和衛(wèi)生設備等行業(yè)。鋅也是生物體內重要的微量元素,參與多種生命活動。缺鋅會導致人體機能受損,產生病變。
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
ZnCO 3
52.1
異極礦
Zn 4 Si 2 O 7 (OH)?·H 2 O
54.3
硅鋅礦
ZnSiO 4
58.6
水鋅礦
Zn 5 [CO 3 ] 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(tǒng)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]3d 4s (1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s ),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。
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(ZnCO 3 3·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ZmSO 4 。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 ZnSO 4 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。火法精煉是利用鋅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 鋅的氧化物、 無機鹽 等用途非常廣泛,下表列舉了常見的幾種化合物及用途。 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: ZnCl 2 )
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:ZnSO 4 )
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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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。
2.促進糖代謝:人體內的糖代謝與胰島素密切相關,提供維持正常機體活動所需的能量。鋅是胰島素分子結構的組成元素之一,在體內 葡萄糖代謝 過程中具有重要的作用。 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。 4.抗過氧化作用:鋅在細胞內扮演著重要的抗氧化劑和保護劑的角色,可以通過與自由基反應,降低 自由基 的氧化作用,從而細胞膜免受氧化損傷。 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
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: