锌(Zinc),元素周期表第四周期12族(锌分族)的一种金属元素。元素符号Zn,原子序数30,相对原子质量65.39。锌是白色金属,属
六方晶系,比较脆。相对密度为7.14g/cm3,熔点419.53℃,沸点907℃。电阻率5.916x10-8Ω·m(20℃)。锌的化学性质活泼,在空气中表面生成致密氧化膜。单质锌有两性,易与酸、碱反应。和酸反应放出
氢气,生成
锌离子,和碱反应生成
锌酸盐。锌的氧化态为+2。重要化合物有氧化锌、
硫化锌、
氯化锌等。自然界中主要以闪锌矿存在(主要成分为ZnS),经高温煅烧被氧化为
氧化锌,再用
焦炭还原得到单质锌。
研究简史
13世纪,印度人用诸如木炭之类的无机物还原
菱锌矿(碳酸锌,ZnCO3)得到了金属锌。
明朝末年,
宋应星所著的《
天工开物》一书中有明确记载的冶锌场面。
1668年,佛兰德的冶金家P.Moras de Respour,从氧化锌中提取了金属锌,但欧洲认为锌是由德国化学家Andreas Marggraf在1746年发现的。
1738年,英国开始用下冷凝式炼锌。
1800年,意大利科学家
亚历山德罗·伏打以多层锌环和银环叠放,其间用浸湿食盐水的纸片隔开,制造了世界上最早的电池——
伏打电池。
1869年Raulin发现锌存在于生活机体中,并为生活机体所必需。1963年报告了人体的
锌缺乏病,于是锌开始列为
人体必需营养素。锌的生产过程非常简单,将
炉甘石(即菱锌矿石)装满在陶罐内密封,堆成锥形,罐与罐之间的空隙用木炭填充,将罐打破,就可以得到提取出来的金属锌锭。
理化性质
物理性质
锌为ⅡB族元素,原子序数为30,相对原子质量为65.38。金属锌是银白色略带蓝灰色的金属,在常温下密度为7.14g/cm3,熔点和沸点分别为419.53℃和907℃。
锌的晶体结构为密排六方晶格,有α、β、γ三种结晶状态,转化温度分别为170℃和330℃。锌在常温下延展性差,加热至100~150℃时延展性变好,当加热到250℃时则失去延展性而变脆。虽然晶体结构属密实六方柱系,但
晶轴比1.856比理论值1.633大得多。在晶体中,每个锌原子有十二个近邻,与其中六个相距266.48nm,与另六个则相距较远,为291.29nm,因此六方基面层的键,大大强于各层间的键。这种晶体特性可以用来解释锌在变形时的若干行为以及锌的同素异形体的行为。对锌单晶应力变形研究表明,当高于室温时,滑移可以沿着棱柱的[1010]面发生,而弯曲却容易沿着[1012]角锥面产生。锌的
临界剪切应力也很低,它与施加应力的速率和温度有关。
锌在熔点附近的蒸气压很小,液体锌蒸气压随温度的升高急剧增大,在熔点~沸点范围内,锌蒸气压(Pa)与温度的关系式如下:
lgp = -6620/T - 1.255lgT + 14.465
化学性质
锌的化学性质很活泼。在化学反应中,它以二个价电子参与成键,如ZnO,ZnCO3,Zn(NO3)2和ZnCl2等。室温下,锌在干燥空气中很稳定,但超过200℃时,锌即迅速发生氧化。在含CO2的潮湿空气中,锌表面会生成一层致密的含水
碱式碳酸锌,从而阻止反应的继续发生。
金属锌在潮湿的空气中会失去光泽。锌在空气中燃烧可以生成白色的
氧化锌(Ⅱ)。如果延长加热的时间,氧化锌会变成黄色。
二溴化锌(ZnBr2)和二碘化锌(ZnI2)可以通过金属锌和溴、碘单质的直接反应而生成。
金属锌可以缓慢溶于稀酸中,生成含有Zn(Ⅱ)离子的溶液和氢气。实际上Zn(Ⅱ)在溶液中是以配离子Zn(H2O)62+的形式存在的。
金属锌和硝酸等氧化性酸的反应非常复杂,反应产物取决于反应时的条件。锌易溶于大多数无机酸中,但稀盐酸和稀硫酸与纯锌的作用较慢,随着酸的浓度和温度的提高,反应加剧。加入氧化剂或金属离子(如Cu2+,Ni2+,Co2+)能大大地促进反应,不过某些其它离子如Mg2+,Cd2+的存在,也可使反应减缓。溶解反应的活化能约为16.7kJ/mol,相当于受扩散控制过程的数量级。
金属锌可以溶解于
氢氧化钾(KOH)等
碱性溶液中,生成
锌酸盐,如Zn(OH)42-。所得的溶液中也许还会含有其他含锌化合物。虽然通常把锌酸根写成ZnO22-,但实际上是一种水合配位阴离子[Zn(H2O)m(OH)n]2-n、锌也易溶于氨水或铵盐水溶液中。在液氨体系中,锌溶于强碱KNH2的反应与水溶液中的反应相一致。
锌不与氢气反应,和水蒸气低于400℃不反应或非常慢,高于400℃反应剧烈,生成氧化锌和氢气,和液态水缓慢反应生成氧化锌和β-
氢氧化锌膜。即使在熔化状态,与过量
硫的反应也很缓慢,因为生成保护性的ZnS膜,但温热粉状锌和硫的混合物会爆炸。和
硫化氢也反应生成ZnS膜。
制备方法
金属锌可以实现工业化生产,因此通常无需在实验室中制备它。大部分的锌都是从其硫化物中提炼的。在工厂中烘烤
硫化锌,可生成氧化锌(ZnO)。再用碳还原之,可生成金属锌。但在实际生产中,需要精妙的技术以确保产品中不含有其他氧化物杂质。
还有一种生产方法,就是电解。把粗制氧化锌溶于硫酸中,生成
硫酸锌(ZnSO4)的溶液,其中的主要杂质是
镉。通过加入锌粉,可把
镉沉淀为金属镉而互相分离。用铝做阴极、
铅银合金做阳极电解硫酸锌溶液,可以生成镀在铝表面的纯锌,在阳极会放出氧气。
用区域精炼法可以以粗锌得到高纯锌,可以制得99.9999%的单晶锌。
应用领域
工业用途
锌是十分重要的有色金属原料之一,有良好的金属性能(压延性、耐磨性和抗腐蚀性),能与多种金属制成物理与化学性能更加优良的合金,被广泛应用于汽车、建筑、
船舶、轻工搪瓷、医药、印刷、纤维等多个领域;同时具有优良的电化学性能,在腐蚀防护、电池制造等领域有着极为广泛的应用。金属锌的消费量在有色金属中仅次于铜和铝,是国家经济和社会发展的重要物质基础。
在钢材和钢材制品的表面形成镀锌层。镀锌有优良的抗大气腐蚀性能,在常温下表面易生成一层保护膜,因此锌最大的用途是用于镀锌工业,用于钢材和钢结构件的表面镀层(如镀锌板),广泛用于汽车、建筑、船舶和轻工等行业。
21世纪后,西方国家开始尝试直接用锌合金板做屋顶覆盖材料,其使用年限可长达120—140年,而且可回收再用,而用镀锌铁板作屋顶材料的使用寿命一般为5—10年。同时,钢带热浸镀锌量有显著增长。
锌能与许多金属形成性质优良的合金材料。黄铜是铜与锌的合金,青铜是铜、锡、锌形成的合金,而铜、锡、铅、锌则形成耐磨合金。这些合金在机械工业、国防工业和交通运输业中被广泛应用。高纯锌制造的Ag-Zn电池,体积小而能量高,多用于飞机和航天的仪表上。
锌自身的强度和硬度并不高,但加入铝、铜和钛等合金元素后,其强度和硬度大大提高。锌合金的加工性比较优良,道次加工率可达60%~80%。中压性能优越,可进行深拉延,并具有自润滑性,延长了模具寿命,可用钎焊或电阻焊或电弧焊(需在氦气中)进行焊接,表面可进行电镀、涂漆处理,切削加工性能良好。在一定条件下具有优越的超塑性能。
锌与铜、锡、铅组成的黄铜,用于机械制造业。含少量铅镉等元素的锌板可制成锌锰干电池负极、印花锌板、有粉腐蚀照相制板和胶印印刷板等。
锌—铜—钛合金的综合机械性能已接近或达到铝合金、黄铜和灰铸铁的水平,其抗蠕变性能大幅度被提高。锌铜钛合金已广泛应用于汽车、建筑、电气设备、家用电器及玩具等的零部件生产。
锌是负电性金属,标准电位为-0.76V;由于锌价廉易得,在化学电源中锌是应用最多的一种负极材料,如锌-二氧化锰干电池、
锌-空气电池、锌-银蓄电池等。
锌锰电池中锌作为负极活性物质,兼作电池的容器和负极引电体,是决定电池贮存性能的主要材料。锌-空气电池又称锌氧电池,是金属空气电池的一种,锌空气电池比能理论值是1350W·h/kg,最新的电池比能量已达到了230W·h/kg,几乎是铅酸电池的8倍;锌可与NH4CI发生作用,放出H+正离子,锌-MnO2电池正是利用锌的这个特点。
医疗用途
氧化锌还可用于医药、橡胶、油漆等工业。
分布情况
在自然界中不存在锌的单质,但是有很多种重要的锌矿,如
闪锌矿(硫化锌,ZnS)、
菱锌矿(碳酸锌,ZnCO3)、
晶石(也是碳酸锌,ZnCO3)和
铁闪锌矿(含有
硫化亚铁的硫化锌,ZnS/FeS)。锌广泛分布于全世界,在
北美洲和
大洋洲有重要的锌沉积层。
据美国地质调查局2006年统计,世界已查明的锌资源量约为19亿吨。按2000年世界锌矿山产量868.86万吨计,现有锌储量和储量基础静态保证年限分别为20多年和40多年。
中国锌矿储量居世界第一位,已探明保有储量为9278万吨。锌保有储量主要集中在云南(2500万吨)、内蒙古(1272.50万吨)、甘肃(783.94万吨)、广西(680.78万吨)、湖南(650.69万吨)、广东(634.37万吨)和四川(502.05万吨)七省区,占全国总保有储量的71%。
计算化学数据
数据:
1.疏水参数计算参考值(XlogP):无
2.氢键供体数量:0
3.氢键受体数量:0
4.可旋转化学键数量:0
5.互变异构体数量:无
6.拓扑分子极性表面积0
7.重原子数量:1
8.表面电荷:0
9.复杂度:0
10.同位素原子数量:0
11.确定原子立构中心数量:0
12.不确定原子立构中心数量:0
13.确定化学键立构中心数量:0
14.不确定化学键立构中心数量:0
15.共价键单元数量:1
安全措施
环境危害
锌会导致植物发育迟缓和衰老。
健康危害
重金属锌的危害常表现于过量引起的急性中毒表现为呕吐、腹泻、头痛和肌肉收缩失调。慢性中毒主要表现于与其他矿物质元素的相互拮抗所产生的后果,如影响钙的吸收和铜的代谢。有关疾病包括癌症、贫血、肾脏病、急性心肌梗死、类风湿关节炎、
痤疮、动脉硬化、血栓性脉管炎、冠心病、视觉减退、脱发、皮肤干燥无光、易生粉刺、白内障、儿童多动症、牙周病、克山病、口腔溃疡和肝脾肿等。锌会导致人体免疫力降低、动脉硬化、影响骨骼生长发育。
毒理资料
金属锌无毒,但是会刺激人的皮肤,并且非常容易引起火灾。绝大多数种类的普通锌盐没有显著的毒性,但是少数锌盐会致癌。有些锌化合物可用于生产食品。工业废气中排放的锌会导致肺癌。
储存运输
储存方法
储存于阴凉、干燥、通风良好的专用库房内,远离火种、热源。库温不超过32℃,相对湿度不超过75%。包装密封。应与氧化剂、酸类、碱类、胺类、氯代烃等分开存放,切忌混储。采用防爆型照明、通风设施。禁止使用易产生火花的机械设备和工具。储区应备有合适的材料收容泄漏物。
运输方法
锌锭起运时包装要完整,装载应保险。运送过程中要保证容器不走漏、不坍毁、不掉落、不损坏。禁止与氧化剂、食用化学品等混装混运。运送途中应防曝晒、雨淋,防高温。