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锌   30Zn
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-



外观
银灰色
概况
名称·符号·序数 锌(zinc)·Zn·30
元素类别 过渡金属
或者被认为是贫金属
·周期· 12 ·4·d
标准原子质量 65.38(2)
电子排布

[] 3d10 4s2
2, 8, 18, 2

历史
发现 古印度冶金学家(约公元前1000年)
分离 马格拉夫(1746年)
物理性质
物态 固态
密度 (接近室温
7.14 g·cm−3
熔点时液体密度 6.57 g·cm−3
熔点 692.68 K,419.53 °C,787.15 °F
沸点 1180 K,907 °C,1665 °F
熔化热 7.32 kJ·mol−1
汽化热 123.6 kJ·mol−1
比热容 25.470 J·mol−1·K−1

蒸气压

压/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
温/K 610 670 750 852 990 1179
原子性质
氧化态 +2, +1, 0
两性氧化物)
电负性 1.65(鲍林标度)
电离能

第一:906.4 kJ·mol−1
第二:1733.3 kJ·mol−1
第三:3833 kJ·mol−1

更多
原子半径 134 pm
共价半径 122±4 pm
范德华半径 139 pm
杂项
晶体结构 六方密堆积
磁序 抗磁性
电阻率 (20 °C)59.0 n Ω·m
热导率 116 W·m−1·K−1
膨胀系数 (25 °C)30.2 µm·m−1·K−1
声速(细棒) (室温)(细棒) 3850 m·s−1
杨氏模量 108 GPa
剪切模量 43 GPa
体积模量 70 GPa
泊松比 0.25
莫氏硬度 2.5
布氏硬度 412 MPa
CAS号7440-66-6
最稳定同位素

主条目:锌的同位素

同位素 丰度 半衰期 (t1/2) 衰变
方式 能量MeV 产物
64Zn 48.6% >2.3×1018 β+β+ 1.096 64Ni
65Zn 人造 243.8 ε 1.3519 65Cu
γ 1.1155 -
66Zn 27.9% 稳定,带36个中子
67Zn 4.1% 稳定,带37个中子
68Zn 18.8% 稳定,带38个中子
69Zn 人造 56 β 0.906 69Ga
69mZn 人造 13.76 小时 β 0.906 69Ga
70Zn 0.6% >1.3×1016 ββ 0.998 70Ge
71Zn 人造 2.4 β 2.82 71Ga
71mZn 人造 3.97 β 2.82 71Ga
72Zn 人造 46.5 小时 β 0.458 72Ga

锌(英语:zinc)是一种化学化学元素,它的化学符号是Zn,它的原子序数是30,相对原子质量是65.39,是一种 过渡金属;锌由于形、色类似,故也称为亚铅,古称倭铅。锌在常温下为硬脆物质,且带有蓝银色光泽。锌为元素周期表第十二族中的第一个元素。在某些方面,锌的化学性质与相似:两者皆呈现单一氧化态 (+2),且Zn2+和Mg2+离子大小相似。锌为地壳中含量第二十四多的元素,有五个稳定的同位素。最常见的含锌矿石闪锌矿,是锌硫化物。最大可开采的矿脉位于澳洲、亚洲及美国。锌矿物利用泡沫浮选英语Froth flotation法精炼,并经过焙烧英语Roasting (metallurgy)电(解提)炼英语Extractive metallurgy

黄铜为依各种比例混合的铜及锌的合金,早在西元三千年前的爱琴海伊拉克阿拉伯联合酋长国卡尔梅克共和国土库曼斯坦格鲁吉亚,和西元两千年前的印度西部乌兹别克斯坦伊朗叙利亚伊拉克及以色列/巴勒斯坦就已经被人们利用. [1] [2] [3]。尽管人们在古代罗马跟希腊时就知道锌金属,但直到十二世纪时才在印度被大规模生产[4]。借由拉贾斯坦邦的矿物我们获得确切的证据,将锌的生产回溯至公元前六世纪[5]。迄今,最古老的纯锌来自拉贾斯坦邦的扎瓦尔,早在西元九世纪时便利用蒸馏法来生产纯锌了[6]炼金术士在空气中燃烧锌,用来产生氧化锌,他们称之为“白雪”。

此元素可能是由炼金术士帕拉塞尔苏斯经德语:Zinke(叉、牙齿之意)所命名。纯金属锌在1746年被德国化学家马格拉夫发现。1800年时,路易吉·伽伐尼亚历山德罗·伏打揭示了锌的电化学性质。锌最主要的应用为抗腐蚀的铁镀锌热浸镀锌),在现代工业中对于碳锌电池制造上有不可磨灭的地位,最具代表性之用途为“镀锌铁板”,该技术被广泛用于汽车、电力、电子及建筑等各种产业中。其他应用在电池、小型非结构铸件及合金像是黄铜等。人们在生活中普遍的使用各种锌化合物,例如碳酸锌葡萄糖酸锌英语Zinc gluconate(膳食补充剂)、氯化锌(除臭剂)、吡硫𬭩锌(去洗发精)、硫化锌(萤光涂料),及有机实验室的二甲基锌或二乙基锌

锌为必需矿物质,包含产前生长及产后发育[7]。发展中国家约有二十亿的人受到缺锌症的影响,及其连带的疾病[8]。若孩童缺乏锌英语Zinc deficiency,将导致生长迟缓、性晚熟、免疫力下降及下痢[7]。在生物化学中,锌为酵素中广泛存在的辅酶,例如人体的乙醇脱氢酶[9]

食用过量锌可能造成运动失调精神萎靡英语Lethargy缺铜症英语Copper deficiency


性质

物理性质

锌是一种青白色、光亮、具有反磁性的金属,虽然一般用作商品的锌都经过加工,这些特性已不再鲜明[10]。其密度比略小,呈六边形晶体结构[11]

在常温下锌是硬而易碎的,但在100至150°C下会变得有韧性[10]。当温度超过210 °C时,锌又重新变脆,可以用敲打来粉碎它。[12]锌的电导率居中。在所有金属中,它的熔点(420 °C)和沸点(900 °C)相对较低[13]。除了汞和镉以外,它的熔点是所有过渡金属里最低的[13]

化学性质

与非金属反应

锌加热至225℃后氧化激烈,燃烧时呈绿色火焰,与氧气反应生成氧化锌

2 Zn + O2 → 2 ZnO

与卤素反应生成卤化锌:

Zn + X2 → ZnX2(X=F、Cl、Br、I)

与硫反应生成硫化锌

Zn + S → ZnS

与水反应

锌与水蒸气反应生成氧化锌:

Zn + H2O(g)→ ZnO + H2

两性金属

类似,锌也具有两性。锌能和强碱溶液生成四羟基合锌酸盐及氢气

例如与氢氧化钠反应生成四羟基合锌酸钠

Zn+2NaOH+2H2O→ Na2[Zn(OH)4]+H2↑

化合物

在锌化合物中,锌最常见的化合价是+2。

锌(II)

锌可以和所有阴离子形成化合物。如常见的ZnSO4、ZnCl2、Zn(NO3)2等,可溶性大的锌化合物都有很强的潮解性,如氯化锌高氯酸锌等。锌的一些二元化合物(ZnSe、ZnTe等)在光电方面有着引人注目的特性。

在锌的化合物中,ZnO、Zn(OH)2和ZnCO3是难溶于水的。

锌(II)可以形成配合物,如[Zn(NH3)4]2+、[Zn(OH)4]2-、[Zn(CN)4]2-等。

锌(II)也有不少有机化合物,如二乙基锌

历史

过去,锌每磅(约454克)的价格约一美元,属于价格较低廉的金属。故美国政府用以铸造1分钱(1 pence)美元硬币,但随着锌的价格飞涨,反而出现造价超过钱币面值的的现象。

1分钱硬币含有97.5%的锌,表面再镀上铜。然因锌的价格飙涨,1分钱的造价已超过币值许多,更因亚洲的经济崛起,铜及锌等需求大幅增加,价格持续上扬,情况严重至有人提议废除1分钱硬币。[14]

用途

锌合金

加入其他元素组成的一种合金。根据加入的元素不同而分出不同的种类,可以形成不同种类的低温锌合金。许多合金都包含锌元素,比如黄铜就是锌和的合金。其它可与锌组成二元合金的金属包括[15]虽然锌和均非铁磁材料,它们的合金ZrZn2 却能在35 K时表现出铁磁性。

特性

  1. 熔点低,在385℃熔化;
  2. 流动性好;
  3. 在大气中耐腐蚀;
  4. 蠕变强度低,尺寸容易在自然时效下发生变化

合金类别

  • 黄铜:机械性能和耐磨性能都很好;敲起来声音独特;
  • 锌镉合金:流动性好、光面好,容易进行抛光、焊接等加工;
  • 2号锌合金:机械性能最好;硬度要求达标;尺寸精度一般;
  • 3号锌合金:流动性良好;机械性能良好;适合做玩具、灯具、装饰品等;应用最为广泛;
  • 5号合金:流动性良好;机械性能良好;适合做汽车配件、机电配件等;
  • 8号合金:良好的机械性;尺寸稳定性好;流动性较差;适合做元器件;
  • Superloy:流动性最好;一般用作压铸薄壁;适合做电器元件以及盒体。

对人体的影响

人体含量和分布

人体含锌的总量约占体重的0.003%,相当于成人体内约有2公克锌。90%的锌都存在肌肉与骨骼中,其余10%在血中扮演举足轻重的角色[16]

建议摄取量与食物来源

含锌丰富的食物包括肉类海鲜啤酒南瓜子、栗子、乳品、芝麻芥末、乳制品、腰果、大麻籽、全麦、豆类等。在豆科植物和全谷类植物来源中发现的锌吸收效率较低,因为其他植物化合物抑制吸收。[17]

锌的参考摄取量(DRI)
年龄性别 美国(mg/day)[18] 台湾(mg/day)[19]
0-6个月 2 5
7-12个月 3 5
1-3岁 3 10
4-8岁 5 10
9-13岁 8 10
14-18岁 男11女9 男15女12
19-50岁 男11女8 男15女12
51岁以上 男11女8 男15女12
孕妇14-18岁 12 15
孕妇19-50岁 11 15
乳妇14-18岁 13 15
乳妇19-50岁 12 15

生理功能

  1. 维持免疫功能:人体锌不足会出现淋巴球数量低落、血中免疫球蛋白降低、自然杀手细胞功能减弱、皮肤免疫测试反应降低等状况,临床的结果就是肺炎、念珠球菌感染,甚至伤风感冒。
  2. 生长与发育:促进生长、性器官的发育、伤口愈合、毛发、指甲,以及口腔黏膜等多处位置的修补作用。
  3. 运用在保养品:为控油类型的典型的成分。
  4. 调节基因表现:许多蛋白质转录因子的分子中含有锌指结构,负责与DNA结合,而改变基因的表现功能,是很重要的调控机制。
  5. 酵素组成分:已知的含锌酵素超过300多种,锌位于催化中心,或稳定酶蛋白质的立体结构,失去锌会使酵素失去活性。
  6. 维持味觉功能与促进食欲。
  7. 促进胰岛素分泌。
  8. 增强记忆力。

吸收与排泄

锌的最佳吸收部位是十二指肠。基本排泄途径是经消化道由粪便排出。肾脏具有调节功能,会将锌离子进行再吸收。

锌的吸收通道

hZTL1/ZnT5的结构、活性

SLC30A5可分成两个部分,较低分子量的hZTL1,以及重量较大的ZnT5。(ZnT-like transporter 1)

hZTL1在人体组织中较为含量较多,转译出的蛋白质有523个氨基酸,和老鼠的ZnT1有34%是相同的。 以拓朴学来预测其结构,在其序列上的N端到C端有十二个跨膜结构区。在C端的myc转译出的蛋白质可标定在极化的Caco-2(结肠上皮细胞)上,会回到原先的皮膜表层。

利用Xenopus laevis的卵母细胞进行表现实验时,hZTL1会调节Zn的吸收,而hZTL1调控对Zn的吸收在pH 5.5不如pH 7.6.时来得好。

早期的资料显示DMT1在Zn吸收中扮演重要的角色,可是这些资讯已在将Caco-2上的DMT1消去之后,却不影响Zn吸收的实验中得到充分的反例,Zn不会跟Fe竞争DMT1,并且其活性与细胞膜电位无关。

人类小肠细胞中ZTL1的位置证实

在肠细胞Zn运输蛋白的相似细胞中,可区分为属于两大类别,SLC30跟SLC39,其中有两种蛋白质hZTL1(h;human)和hZIP4在小肠细胞摄取Zn的过程中扮演相当重要的角色。在ZTL1发现前,并没有人在哺乳类细胞中看到有Zn通道的表现。

ZnT1透过免疫沉淀的方式在大鼠肠细胞边侧的细胞膜上发现,并在人类小肠细胞Caso-2中获得证实。

ZIP1一开始被认为是用来吸收小肠内Zn的transporter,K562 cell细胞膜定位的实验推翻了这点,绿色萤光跟FLAG标定的hZIP1位在许多皮质细胞的内质网上,包括了Caco-2,更近一步透过在PC-3前列腺细胞操作hZIP1抗体可以更精确的证明这件事。

其他可能存在的Zinc transporter

关于其他Zn transporter,有一种ZNT1蛋白质在肠道扮演很重要的角色,研究显示,ZNT1会携带从饮食中获得的Zn离子在肠壁细胞吸收后携带进入肝门静脉,但在SLC30蛋白质中没有其他蛋白质被发现跟ZNT1一样有完全相同的功能。

在人体的胰岛ß细胞中,ZnT5和一个富含胰岛素的分泌细粒结合,Zn对于将胰岛素以晶体的方式储存扮演重要的角色。

ZNT6,ZNT7两蛋白质虽然在肠道也能发现,但其两在其他器官都有发现到他们的踪迹,所以其功能和ZNT1并不相似。

在人体方面,hZIP1、hZIP2、hZIP4都有携带Zn离子的功能,但这些蛋白质也被发现在子宫和摄护腺中,所以其功能并不是完全清楚,另外ZIP6,ZIP8两蛋白质功能不明,还有在老鼠内质网中发现的ZIP7也是一样。

在胎盘中锌的传导

锌在胎盘中的传输过程大致上和在肠中类似,由SLC30中的ZnT1,2,5来负责,至于ZnT6,7的功能则仍在实验当中。 在免疫组织化学中,以人类和老鼠为实验对象,hZTL1/ZnT5被探测到在胎盘上层细胞中扮演着重要角色,负责传送Zn给胎儿。而ZnT1则有着类似的功能,拥有负责传输营养物质给胎儿的功能,但作用机制仍未完全了解。在人体中, hZTP1均在肠和胎盘中表现出来,但是没有任何证据显示hZIP2的表现。

此外,ZTP4虽然都有在人类和老鼠的肠中被表现,但是基因却没有在人类的胎盘中被表现出来,反而老鼠的卵黄囊中会进行表现。后来才发现原来hZIP4对人体饮食中锌在肠的吸收扮演着重要角色,hZTL1/ZnT5在Zn的传输中,对胎儿的影响远大于对成人的影响。

在小肠和胎盘中锌通道的调节

小肠中锌的吸收调节被认为是维持体内锌衡定很重要的部分,在一份大鼠的研究中已经论证当可吸收的锌浓度增加,在小肠里有一个位置会调节ZnT1的上游mRNA,但在同一份研究中也显示当可吸收的锌浓度下降ZnT1的mRNA并不会受影响,而另一个锌的传送蛋白ZnT2在提供充足地锌的情况下ZnT2 mRNA会加强表现,如果是缺乏锌的情况下则会降低ZnT2 mRNA的表现。

老鼠的ZIP4 mRNA在缺乏锌的时候会增加表现量。在人类肠道细胞Caco-2中,增加培养基里的锌浓度会引起锌的传送蛋白hZTL1/ZnT5、ZnT1、ZnT4和hZIP1 mRNA表现量的增加,同样,在蛋白质的表现量上也是有增加的情形;但是在胎盘细胞中就有不同的表现,当增加锌的浓度后,并没有任何锌的传送蛋白mRNA有改变表现量,更甚至于发现ZnT1和hZTL1/ZnT5蛋白的表现量有减少的现象,但是现在对于Zn如何调节这些蛋白质并没有完整地知识去描述它的机制。

锌缺乏后果

锌缺乏会导致免疫力低下、食欲不振、生长减缓、下痢、掉发、夜盲前列腺肥大、男性生殖功能减退、动脉硬化贫血等问题。锌缺乏导致腹泻的过程包括:肠细胞绒毛结构破坏、含锌消化酵素减少、发炎造成肠壁水肿、消化道免疫力变差。缺锌与腹泻容易形成恶性循环,腹泻更减少锌吸收,增加锌的流失,造成双重的缺锌原因,常发生在老人[20]、婴幼儿、胰脏功能不全、肠病变或肠手术者的身上。

此外有肾脏病变者很容易有高尿锌症与低血锌症。糖尿病、肝病或慢性发炎性疾病,如风湿性关节炎患者,都会因肾病变导致体内锌慢性缺乏,免疫力会变差,形成了一个恶性循环。

支端皮肤炎

hZIP4(SLC39A4)是一在肠膜上端的二次基因表现产物,它被发现和遗传的Zn-deficiency disease acrodermatitis enteropathica(缺乏Zn的支端皮肤炎)有关,此病和第八染色体有密切关系,会减低肠道吸收Zn的效率。

经过研究证实,突变的hZIP4蛋白质也会降低肠道吸收Zn的效率,最近有另外的实验结果指出,在老鼠身上的HEK293蛋白质会增加肠道Zn的吸收效率.

锌过量后果

大量锌会引发恶心、呕吐、发烧、血液中高密度脂蛋白减少,进而提高心血管疾病发生几率。

参考文献

  1. ^ Thornton, C. P. Of brass and bronze in prehistoric Southwest Asia (PDF). Papers and Lectures Online (Archetype Publications). 2007. ISBN 978-1-904982-19-7. (原始内容存档 (PDF)于September 24, 2015). 
  2. ^ Greenwood 1997,第1201页
  3. ^ Craddock, Paul T. The composition of copper alloys used by the Greek, Etruscan and Roman civilizations. The origins and early use of brass. Journal of Archaeological Science. 1978, 5 (1): 1–16. doi:10.1016/0305-4403(78)90015-8. 
  4. ^ Royal Society Of Chemistry. (原始内容存档于July 11, 2017). 
  5. ^ India Was the First to Smelt Zinc by Distillation Process. Infinityfoundation.com. [April 25, 2014]. (原始内容存档于May 16, 2016). 
  6. ^ Kharakwal, J. S. & Gurjar, L. K. Zinc and Brass in Archaeological Perspective. Ancient Asia. December 1, 2006, 1: 139–159. doi:10.5334/aa.06112. 
  7. ^ 7.0 7.1 Hambidge, K. M. & Krebs, N. F. Zinc deficiency: a special challenge. J. Nutr. 2007, 137 (4): 1101–5. PMID 17374687. doi:10.1093/jn/137.4.1101. 
  8. ^ Prasad, AS. Zinc deficiency : Has been known of for 40 years but ignored by global health organisations. British Medical Journal. 2003, 326 (7386): 409–410. PMC 1125304. PMID 12595353. doi:10.1136/bmj.326.7386.409. 
  9. ^ Maret, Wolfgang. Chapter 14 Zinc and the Zinc Proteome. (编) Banci, Lucia. Metallomics and the Cell. Metal Ions in Life Sciences 12. Springer. 2013: 479–501. ISBN 978-94-007-5561-1. PMID 23595681. doi:10.1007/978-94-007-5561-1_14. 
  10. ^ 10.0 10.1 Heiserman 1992,第123页
  11. ^ Lehto 1968,第826页
  12. ^ Scoffern, John, The Useful Metals and Their Alloys, Houlston and Wright: 591–603, 1861 [2009-04-06] 
  13. ^ 13.0 13.1 Zinc Metal Properties, American Galvanizers Association, 2008 [2009-02-15], (原始内容存档于2009-02-21) 
  14. ^ 世界资源真相和你想的不一样;作者:资源问题研究会
  15. ^ Ingalls, Walter Renton, Production and Properties of Zinc: A Treatise on the Occurrence and Distribution of Zinc Ore, the Commercial and Technical Conditions Affecting the Production of the Spelter, Its Chemical and Physical Properties and Uses in the Arts, Together with a Historical and Statistical Review of the Industry, The Engineering and Mining Journal: 142–6, 1902 
  16. ^ 锌是辅助身体生长的矿物质
  17. ^ 锌对人体的作用,锌的作用及缺乏表现,含锌高的食物有哪些(二). WebMD. [2018-11-14] (中文(中国大陆)‎). 
  18. ^ Institute of Medicine (2001) Dietary Reference Intakes for Vitamin A, Vitamin K, Arsenic, Boron, Chrominum, Copper, Iodine, Iron, Manganese, Molybdenum, Nickel, Silicon, Vanadium, and Zinc. pp. 442-501. National Academy Press, ISBN 0-309-07279-4
  19. ^ 行政院卫生署(2003)国人膳食营养素参考摄取量及其说明,修订第六版,pp. 448-455。台湾行政院卫生署,ISBN 957-01-4677-X
  20. ^ 《男性荷尔蒙不足》多吃含锌食物. 台湾新生报. 2013-07-31. 更年期常见男性荷尔蒙减少……医师建议,可多吃含锌食物……补肾可多吃些山药南瓜等。 

延伸阅读

外部链接

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