锌（一种有色金属）
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更新时间：2023-05-22
锌
一种有色金属
锌（英语：Zinc），是一种使用历史悠久、用途极其广泛的金属。锌元素位于门捷列夫元素周期表的第四周期第B族，化学元素符号为Zn，原子量65.39，原子序数为30，紧密堆积六方晶系，常见化合价为+2价，是一种银白色的轻金属，25 ℃时，密度为7.14 g·cm⁻³，高纯熔点为419.58 ℃，沸点为907 ℃。锌的化学性质比较活泼，绝大部分是以化合态的形式与其他矿物共生，主要有菱锌矿、硅锌矿、纤维锌矿和水锌矿等。
基本信息
中文名
锌
英文名
Zinc
别名
锌粉
元素符号
Zn
原子序数
30
原子质量
65.39
元素类别
过渡元素
族
IIB族
电子排布
[Ar]3d4s
CAS编号
7440-66-6
化学式
Zn
物理性质
外观
银白色略带蓝灰色
物态
固态
密度
7.14 g·cm⁻³（25℃）
熔点
419.58 ℃
沸点
907 ℃
水溶性
不溶于水
蒸气压
1 mm Hg ( 487 °C)
闪点
1°F
发现历史
早期使用
人类对锌的使用具有悠久的历史。据研究，中国是世界上最早使用锌制品以及制得锌单质的国家。最早可以追溯到西汉以前，当时已经有使用黄铜（一种锌铜合金）的记载。从汉代到宋代之间，逐渐掌握了使用炉甘石（含锌的碳酸锌矿石）生产黄铜的工艺，到明代期间，已经掌握了生产金属锌的方法。明代初期，中国的炼锌技术就已日臻成熟，已能大量地炼制出单质锌，并将金属锌与金属铜合炼成黄铜，用来铸造炉鼎、钱币。到明代万历年间，中国已能炼制出纯度高达98%的锌了，一部分锌还出口国外。明末科学家宋应星在他的巨著《天工开物》中，专门有一节关于倭铅(即锌)的记述，文中介绍了锌的产地及炼制方法，还指出锌的性质因“其似铅而性猛，故名之日“倭’”。
印度也是世界上较早使用锌的国家，早在公元前2000年左右，印度人就已经开始使用锌了。他们在炼铜时注意到一些金属物质会随着铜矿一起被提炼出来，那些金属物质后来就被确认为是锌。在印度西北地区发现锌的采矿和冶炼生产场所遗址，至今那里还保存着大量炼锌用灰土蒸留罐的碎片。印度人使用锌主要是为了生产黄铜合金。中印两国古代的炼锌术均采用了泥罐蒸馏法，其操作方法大致是，先用当地的泥土用手工按模具做成蒸馏罐体，然后装含锌矿物和焦煤，再用一个带管封帽将罐密封，用来将锌蒸气导出罐外，冷凝收集金属锌，区别在于冷凝技术有所不同。
在西方，大约早在公元前 200 年，首先在塞浦路斯，后来在罗马也已经生产黄铜，不过其方法是铜和锌的氧化矿物与炭一起放在堆塌中加热，此时氧化物被还原，生成的锌立即被铜所捕集，而成为铜合金。在 17 和 18 世纪，欧洲使用的锌主要从中国和印度进口。
近代发展
18世纪初期，欧洲才开始对锌进行深入研究，当时人们对锌的认识非常有限，很多人甚至无法区分锌和铝。直到1746年，德国化学家安德列亚斯·马格努斯·豪普特曼(andreas Magnus hauptmann)利用硝酸和锌制备出了锌盐，并发现了锌的可锻性和耐腐蚀性，从而奠定了锌这种金属在现代工业中的重要地位。1746年，欧洲第一座炼锌厂在英国建成。随着技术的发展，1798 年西里西亚地区（Silesia） 建成了第一座水平蒸留罐炼锌厂。1808年比利时科学家丹尼（Dony）改进了此法，使出、装料更高效，这种方法一度被被全世界大多数锌冶炼厂采用。1916 年锌的电解生产法被发明，经过几十年的发展，成为全世界新建的炼锌厂的常用技术。1929 年美国新泽西新公司（New Jersey） 将沿用多年的横罐蒸馏炼锌法升级为竖罐蒸留炼锌法，推动了锌工业的发展。1959 年，英国帝国熔炼公司（Emperial Smelting Company)成功研制了一种密闭鼓风炉法，该方法能高效处理锌和铅的硫化精矿，同时制备并分离金属锌和铅。此法投产后，受到世界各国重视。曾纷纷相继采用此法建厂。
早在1869年，人们已认识到锌在第状菌生长中的作用，1926年，科学家确认锌对于高等植物生命活动进程是必需元素，1934年，证实了锌对大鼠的生长发育是必需的，1939年首次在生物酶（碳酸酥酶）发现锌元素后，相继在多种酶中证实锌的作用。随后，科学家们对锌的代谢和生物效应作了大量的研究，由宏观进入分子生物学领域，由动物实验进入临床应用。
分布情况
锌在自然界的丰度排在所有元素的第25位，锌在地壳中约占75ppm（0.0075%），在土壤中的锌含量为5-770ppm，平均为64ppm。海水中的锌含量仅为30ppb，大气中的锌含量为0.1-4µg/m。锌在地表各类岩石中均有分布，但含量有所差别。锌通常与如铜和铅共同赋存于矿石中，它们的电子排布相似，具有强烈的亲硫性。闪锌矿是硫化锌的一种形式，是开采量最大的含锌矿石，其精矿含锌量高达60%。锌的其他来源矿物包括菱锌矿（碳酸锌）、硅锌矿（硅酸锌）、纤维锌矿（另一种硫化锌），有时还有水锌矿（碱式碳酸锌）。 除了纤维锌矿，其他类型矿物是由原始硫化锌的风化形成的。
类别 | 超基性岩(纯岩等) | 基性岩(玄武岩、辉长岩等) | 中性岩(闪长岩、安山岩等) | 酸性岩(花岗岩等) | 沉积岩(黏土岩和页岩) |
含量（％） | 0.003 | 0.013 | 0.0072 | 0.006 | 0.008 |
锌元素在地壳各类岩的含量，资料来源于： | |||||
矿物名称 | 化学式 | 锌含量/% |
闪锌矿 | ZnS | 67.1 |
纤维锌矿 | ZnS | 67.1 |
菱锌矿 | ZnCO3 | 52.1 |
异极矿 | Zn4Si2O7(OH)₂·H2O | 54.3 |
硅锌矿 | ZnSiO4 | 58.6 |
水锌矿 | Zn5[CO3]2·[OH]6 | 59.6 |
主要的含锌矿物类型，资料来源于： | ||
根据2015年美国地质调查局（USGS）的统计数据显示，全球已查明锌资源量为 2 亿吨，分布于各个区域，但集中度较高。澳大利亚（31.50%）、中国（19.00%）和秘鲁（ 12.50%）为全世界锌储量排名前三的国家，三个国家的总储量达到全球的63%。在产量方面，中国（490万吨）、澳大利亚（158 万吨）和秘鲁（137万吨）为全世界锌精矿排名前三的国家，三个国家的总产量约占全球的60%。
原子结构
锌是周期表中IIB族元素，原子序数为30，核外电子排布为[Ar]3d4s（1s2s2p3s3p3d4s），即第一层2个，第二层8个，第三层18个，第四层（最外层）2个。当原子轨道处于全空、半充满、充满的状态下比较稳定，所以锌原子易失去2个电子而形成锌离子（Zn），这也是锌在自然界中的主要价态。锌在自然界中有五种稳定的同位素，分别为：Zn、Zn、Zn、Zn 和Zn。
同位素 | 天然丰度 | 质量 |
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 |
元素锌的稳定同位素，资料来源于： | ||
理化性质
物理性质
锌是银白色略带蓝灰色的金属，未被氧化时有金属光泽。锌的熔点(419.5℃)和沸点(908℃)都比较低。锌的质地较软，当未制成合金时，锌的强度和硬度仅高于锡和铅，明显地低于铝和铜。锌在室温下呈脆性，加热到 100一150℃时延展性得到较大提升，能压成薄板或拉成丝，容易加工。在210℃以上，金属又变得很脆，可以通过敲打而粉碎。锌单质的晶胞呈六方柱形结构，呈紧密堆积形式，如图所示，每个锌原子有十二个近邻，在同一平面内，锌原子之间相距265.9pm，与不同平面的原子距离为290.6pm，品轴比为1.856。锌元素能与许多金属形成二元合金，例如铝、锑、铋、金、铁、铅、汞、银、锡、镁、钴、镍、碲和钠等。
锌的六面体晶胞结构
英文名称 | Zinc |
分子式 | Zn |
原子序数 | 30 |
相对原子质量 | 65.39 |
密度 g/cm | 7.14 |
熔点/℃ | 419.58 |
佛点/℃ | 906.97 |
化合价 | +2 |
资料来源于： | |
化学性质
- 锌在常温下不被干燥的空气氧化，但在潮湿空气中表面生成一层薄而致密的碱式碳酸锌膜（ZnCO33·Zn(OH)2），可阻止进一步氧化，保护内部不受侵蚀。
3.与单质锌类似，锌的部分化合物也能溶于酸和碱，生成对应的盐。
4.锌与硝酸反应的生成物与硝酸的浓度密切相关。
5.锌与氧气在高温下生成氧化锌，发出蓝绿色火焰。
6.锌与水蒸气在高温下生成氧化锌并释放氢气。
7.锌的还原性较强，能够从溶液中置换出铜等金属。
制备方法
锌的生产主要从含锌的矿石中提取，主要分为火法和湿法两种方法。
湿法炼锌(又称电解法炼锌)最早于 1916 年投入工业生产，因具有生产能力大、能耗较低、劳动条件较好、易于实现机械化和自动化等优点而得到迅速发展。湿法炼锌中，焙烧、浸出、净化和电解是生产上的主要工艺过程。硫化锌精矿一般要预先进行焙烧(硫酸化焙烧)，使 ZnS 变成易于被酸解的ZnO及少量的ZmSO4。浸出是整个湿法流程中的最重要环节，湿法炼锌厂的主要技术经济指标取决于所选择的浸出工艺及操作条件，在浸出过程中，与氧化锌一道溶解进入溶液的还有杂质金属，这些杂质将严重影响下一步的电积过程，因此必须对溶液进行净化。净化过程得到的含杂质金属的滤渣送去回收有价金属(钻、铜等)，净化后的 ZnSO4溶液经电解沉积后，阴极析出锌最终熔化铸锭，产出电锌。
火法炼锌首先将锌精矿进行焙烧(氧化焙烧)或烧结焙烧，使精矿中的 ZnS 变为ZnO，以便为碳质还原剂所还原。由于锌的沸点较低，在高于其沸点温度下还原出来的锌将呈蒸气状态从炉料中挥发出来，这样，锌便与炉料中的其它组分分离。锌蒸汽随炉气一道进入冷凝器，在冷凝器内冷凝成液体锌。与锌一道呈蒸气状态进入气相的还有其它易挥发的杂质金属，如锅和铅，这些元素会影响锌的纯度，须将冷凝所得的粗锌进行精炼。火法精炼是利用锌和杂质金属沸点的不同，采用蒸馏的方法来提纯的，称为锌精馅。精馏后锌经浇铸可获得 99.99%以上的精锌。
作用
单质
与其它金属相比，锌的熔点和强度都比较低，一般不用作工程上承重材料。锌的主要作用在于其良好的耐腐蚀性质，在电化学领域得到广泛运用。锌很容易被制成片状，用于制作干电池的外壳，例如，常见的锌-空气电池和银-锌电池的电极。锌也是一种防锈漆的组分，锌镀层是锌的重要应用。与钢铁相比，锌具有更低的电极电势，在电解液（海水、土壤等）中会先被溶解，从而保护钢铁等重要零部件的锈蚀，例如缓解海水对于船体的腐蚀，潮湿土壤对地下线缆、管道的腐蚀等。锌镀层优于铜、锡、塑料或油漆对钢铁的保护作用。锌具有较强的还原性，锌粉是冶金和化工反应过程中重要的还原剂，可制备铜等其他金属。
合金
锌铝合金是一种使用广泛的铸造合金，由锌和铝的混合物组成。其主要特性包括低膨胀系数、高成形性、优异的机械性能和抗腐蚀性能。温度较高时能实现高塑性和低变形阻抗，易于加工生产出各种形状复杂、尺寸精细的零部件；温度降至室温后，它又立即恢复其优良的机械性能，表现出像钢一样高的强度。锌铝合金的应用范围较广，涵盖了汽车、航空航天、电子、电器、建筑和卫生设备等行业。 在实际应用中，锌铝合金通常用于生产各种机械配件、汽车零部件、建筑材料、电器、通讯设备和卫生设备等。例如，锌铝合金可用于制造气门、水泵、进气管、电接头、铸造变速器、摩擦片、打火机、合金铸件等。
锌铜合金(黄铜)是最古老和最重要的合金材料之一，由锌和铜组成，通常锌的含量在10%到40%之间，剩余部分为铜。不同铜锌含量比的黄铜可以获得各种不同性能。锌铜合金的主要特点包括高的强度、良好的耐腐蚀性、较高的电导率和导热性，且色泽美观。这些特性使锌铜合金被广泛用于制造各种器具、工具和装饰品等。
化合物
硫化锌 （分子式： ZnS） | 自然界中硫化矿以闪锌矿的矿物状态存在，是炼锌的主要原料。硫化锌为白色粉末，在微量银离子等的激活下，光照后可发出多种颜色的荧光，常用于制作荧光屏、夜光仪表和电视荧光粉等，硫化锌在油漆涂料、橡胶塑料、玻璃等领域也有应用 |
氧化锌 （分子式： ZnO） | 氧化锌是一种白色粉末状固体，是一种重要的无机化合物，具有广泛的应用领域。氧化锌是一种半导体材料，具有良好的光电性能和热稳定性，因此被广泛用作太阳能电池、发光二极管、蓝宝石激光器等电子元器件的制备材料。此外，氧化锌还常用于防晒霜、化妆品、涂料、橡胶、塑料等产品中，作为防晒剂、增白剂、抗菌剂等。氧化锌还可以用于制备陶瓷、玻璃、水泥等材料，以及作为催化剂、吸附剂等 |
氯化锌 （分子式： ZnCl2） | 氯化锌的用途很广泛，氯化锌是一种优良的防腐剂，可用于木材、钢铁等材料的防腐处理；氯化锌可以用于有机合成（烯烃的聚合、烷基化、异构化以及醇和烷基的脂化等）中的溶剂、催化剂、氯化剂、脱水剂；在医药上氯化锌还具有消炎作用；此外，氯化锌还可以用于制备染料、香料、橡胶、塑料等化工产品 |
硫酸锌 （分子式：ZnSO4） | 硫酸锌是一种白色结晶体，也称皓矶或锌矶，具有广泛的应用领域。 硫酸锌可以用作农业上的肥料，提供植物所需的锌元素。此外，硫酸锌也可用于养殖业中，作为水产养殖中的添加剂，促进水产养殖的生长发育，还能作为动物缺锌时的营养剂；在医药上，硫酸锌常用于配制治疗沙眼的滴眼溶液；在纺织业总，硫酸锌常作为染色剂以及布料的防火剂 |
生理功能
植物体
锌的营养作用锌在植物体内主要是作为酶的金属活化剂。对碳水化合物的代谢和生长素的合成有着重要作用。缺锌会降低植物体内酶的活性，从而导致生命活动（如光合作用、糖和生长素的合成、生物膜的生长）等受影响，植物病害加重。最早发现的含锌生物酶是酸酐酶，这种酶在植物体内分布很广，主要存在于叶绿体中。
1. 降低生长素的含量：锌是植物生长素合成所必需的微量元素之一。它对于植物发育、生长和分化有着重要的作用，可以刺激植物根和茎的生长，缺锌会导致植物体内生长素分解速率加快，影响植物发育。
2. 促进糖的合成：农作物在生长发育的过程中，需要大量的锌元素来促进其形成。如果土壤中锌元素缺乏，就会影响作物的生长和发育，降低农作物的产量。
3. 促进光合作用：在部分植物（如菠菜）中，锌元素直接参与植物的光合作用，锌也是植物碳酸酶(CA)的组成成分，这种生物酶是植物光合作用的活化剂，缺锌时碳酸酶 的活性明显降低，从而影响植物光合作用效率。
4.维持生物膜的功能：锌对生物膜的功能和结构起关键的作用，能够阻止了植物细胞膜成分（膜脂和膜蛋白）的过氧化，避免营养物质从根细胞渗漏。
5. 提高植物的抗病性：锌元素可以增强植物体内的免疫能力和抗病能力，从而提高植物的抗病能力和耐病性。
动物体
锌是动物必须的微量元素之一，对动物生长发育、新陈代谢、繁殖机能和免疫功能等方面具有重大的影响。1934年的小白鼠实验首次证实了锌对于动物生命活动的重要性。
1.保护眼部结构：锌是组成动物肝脏和视网膜内维生素A还原酶的必需元素，组成和功能的发挥。维生素A还原酶可以帮助动物眼部合成视觉色素，同时有利于保护眼部结构和预防眼病，缺锌会影响维生素A还原酶功能的发挥，导致酶与视黄醛的合成与变构受影响，最终影响动物的正常视力。
2.维持神经系统正常工作：锌在海马结构和大脑皮层含量最高，对脑中多种生物酶（如乙醇脱氢酶、谷氨酸脱氢酶、碱性磷酸酶）等有明显的影响，此外还会影响多种功能蛋白的活性和结构，缺锌会导致神经系统正常功能受损，影响到动物行为。
3.维持生命活动必需的代谢功能：糖类提供了动物机体活动所需的大部分能量，而动物体内糖类的代谢需要有含锌金属酶的参与才能完成。含锌酶在动物体内会影响胰岛素、胰高血糖素、前列腺素等的功能和活性。此外，锌是许多功能蛋白如金属硫蛋白、核蛋白、受体等的组成部分。
4.维持正常的免疫功能：锌是免疫系统中必需的微量元素之一，它可以促进白细胞生长和分化，增强免疫细胞的活性。如果缺锌是淋巴源性细胞和髓样细胞源性细胞的死亡的重要原因，导致动物体内发生病变。
人体
锌在人体生命活动的作用
锌是人体必需的微量元素，普通成人全身含锌2-3g，其含量仅次于铁，广泛分布于人体的各个器官组织，在人体生理功能方面发挥重要的作用，具有极高的营养价值，被誉为“生命之花”。锌在体内最主要的生物功能是参与组成多种锌酶和锌激活酶。
1.生物酶的重要组成部分：经鉴定，人体内的含锌酶有70余种，包含约18 种含锌金属酶和 14 种锌激活酶，例如，RNA聚合酶，DNA聚合酶等在DNA 合成过程中具有重要的作用，锌是组成相关生物酶的必需元素。
3.维持正常的蛋白质代谢：锌与蛋白质代谢关系非常密切。锌对蛋白质代谢的影响主要体现在两个方面：一是蛋白质代谢所需酶（含锌酶酶蛋白）的组成成分含有锌；二是锌本身也是某些蛋白氨基酸的组成部分。儿童缺锌会导致营养不良，影响生长发育，这是由于缺锌影响胶原蛋白等营养物质的合成。
5.保护夜视能力：锌与维生素A及视色素代谢有关，锌是醇脱氢酶的组份之一，后者对视黄醛的再生过程起活化作用， 而夜视依赖维生素A和视黄醛的不断供应，因此，缺锌是患夜盲症和暗适应障碍的重要原因。
锌对人体健康的影响
儿童缺锌会导致免疫力、智力、身高和体重的发育受阻，使得儿童成长速度缓慢；缺锌还会导致儿童食欲减退，味觉与嗅觉缺陷甚至丧失。成人缺锌主要表现是食欲减退、味觉、嗅觉能力下降。此外，缺锌会影响肝细胞的功能（排毒）的发挥，更容易导致肝硬化等疾病。缺锌还会影响男性的生殖器官发育，造成睾丸萎缩性功能减退，妇女则有继发闭经等。锌与男性精子的活力密切相关，缺锌是精子活力降低从而导致不孕的原因之一。
锌是人体必需的微量元素之一。然而，锌不是没有毒性的，人体内锌含量过大可能反而会损害身心健康。研究发现，大量的锌能抑制吞噬细胞的活性和杀菌力，反而降低人体的免疫功能。因此，在用较大剂量或长期补锌时要特别慎重。
安全事项
锌粉的部分中文MSDS说明，资料来源于： | |
国标编号 | 43014 |
CAS | 7440-66-6 |
GHS危险标记 |  遇湿易燃物品  自燃物品 |
危险特性
锌具有强还原性。与水、酸类或碱金属氢氧化物接触能放出易燃的氢气。与氧化剂、硫黄反应会引起燃烧或爆炸。粉末与空气能形成爆炸性混合物，易被明火点燃引起爆炸，潮湿粉尘在空气中易自行发热燃烧。当加热分解时，会释放出有毒烟雾。
储存
锌粉应该单独存放，存放于干燥处，存放于密闭的容器中，不宜密实摆放，应该留有间隙。
应急处理
情况 | 处置 |
泄漏应急处理 | 隔离泄漏污染区，限制出入。切断火源。建议应急处理人员戴自吸过滤式防尘口罩，穿消防防护服。不要直接接触泄漏物 小量泄漏：避免扬尘，使用无火花工具收集于干燥、洁净、有盖的容器中，转移回收 大量泄漏：用塑料布、帆布覆盖，减少飞散。在专家指导下清除 |
防护措施 | 皮肤接触：脱去被污染的衣着，用肥皂水和清水彻底冲洗皮肤 眼睛接触：提起眼睑，用流动清水或生理盐水冲洗，就医 吸入：脱离现场至空气新鲜处。保持呼吸道通畅。如呼吸困难，给输氧。如呼吸停止，立即进行人工呼吸。就医 食入：饮足量温水，催吐，就医 |
燃烧 | 灭火方法：灭火剂：干粉、干砂。禁止用水、泡沫灭火 |
资料来源于： | |
