30 Zn 亜鉛 65.38
遷移金属 d-block Period 4 Group 12

亜鉛

Zn · Element 30 · Zinc group

The sacrificial metal: zinc corrodes so that the steel it coats does not.

20°Cでの状態 固体
原子量 65.38 u
ELECTRON CONFIGURATION [Ar] 3d¹⁰ 4s²

構造

亜鉛原子

環の上の点を示す図ではありません。占有された各副殻の実際の確率密度|ψ|²をモンテカルロ法でサンプリングしたものです。ドラッグして回転できます。青と紫は波動関数の反対の符号を示しており、それによって結合が可能になります。

軌道雲

測定値

性質一覧

各バーは、その性質について亜鉛が118元素の中でどこに位置するかを示しています。

物理的

密度 7.134 g/cm³ 43%
融点 692.9 K 35%
沸点 1180 K 29%
比熱 0.388 J/g·K
熱伝導率 116 W/m·K 84%

原子

原子半径 134 pm 21%
共有結合半径 122 pm
ファンデルワールス半径 139 pm

電子

電気陰性度 1.65 54%
イオン化エネルギー 906 kJ/mol 82%
電子親和力

存在

地殻中の存在度 70 mg/kg 80%

同定

元素記号Zn
原子番号30
原子量65.38 u
分類遷移金属
ブロックd
結晶構造六方最密充填構造
酸化数-2, +1, +2
発見年1746
発見者Andreas Marggraf

出典:IUPAC 2021標準原子量 · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST。~が付いた値は、測定値ではなく予測値です。

縮尺どおりの大きさ

How big is a 亜鉛 atom?

Radius 134 pm — that is 0.134 nm, so about 3731 million of them side by side would span a millimetre.

熱範囲

Solid, liquid, gas — and when

亜鉛 is liquid over a 487 K window, from 693 K to 1180 K.

位置

表での位置

亜鉛 sits in period 4, group 12. Everything in group 12 shares the same outer-electron count, which is why they behave so similarly.

OTHER 遷移金属

All 遷移金属

物語

亜鉛とは何か、そしてどのように発見されたか

青みがかった白色の金属です。必須栄養素であり、鋼をさびから守ります。

The discovery of 亜鉛

現代的な名前を持つ古代の金属

亜鉛の発見の歴史は数千年にわたり、古代の冶金術と現代化学をつないでいます。実験室のフラスコで発見された元素とは異なり、亜鉛は職人たちの実用的な必要性と錬金術師たちの好奇心から生まれました。

古代の始まり

インダス文明(紀元前2500年)の考古学的証拠から、亜鉛を含む真鍮製品が見つかっており、亜鉛を含む鉱石について初期の知識があったことが示されています。しかし、これらの古代の冶金技術者は、セメンテーション法によって亜鉛を知らず知らずのうちに製造していました。これは、るつぼの中で銅を亜鉛に富むカラミン(炭酸亜鉛)とともに加熱し、純粋な亜鉛を分離することなく真鍮を作る方法です。

ローマの真鍮生産は紀元前20年頃に盛んになり、現在のベルギーやドイツにあたる地域の工房が、何世紀にもわたってヨーロッパの冶金術に影響を与える技術を完成させました。ローマ人は亜鉛を含む鉱石を「カドミア」と呼び、その価値を認めていましたが、その本質を理解してはいませんでした。

アジアでの技術の確立

ヨーロッパ人が亜鉛の揮発性に苦労していた一方で、インドの冶金技術者たちは12世紀までに純粋な亜鉛の製造を達成しました。ラージャスターン州のザワール鉱山では、密閉した粘土容器で亜鉛鉱石を加熱し、水で冷却した竹管内で蒸気を凝縮させるという、革新的なレトルト蒸留技術を開発しました。これはヨーロッパの方法に500年先行する工程でした。

ヨーロッパでの認識

ドイツの医師で錬金術師のAndreas Libaviusは、1597年にヨーロッパの文献で初めて金属亜鉛を記述し、「インドのスズ」と呼びました。しかし、体系的な研究には、Andreas Sigismund Marggraf(1709~1782)の登場を待つ必要がありました。彼はベルリンの薬剤師の息子で、化学の先駆者の一人となった人物です。

1746年、Marggrafは亜鉛が独立した元素であることを確立する決定的な実験を行いました。自宅のラボで、彼は密閉したレトルト内で木炭とともにカラミンを慎重に加熱し、形成された銀色の凝縮物を集めました。彼の綿密な記録により、亜鉛は、それまで考えられていたような単なる不純なスズや鉛ではないことが証明されました。

産業革命

本当の進展は、イングランドのブリストルでWilliam Championが1738年に取得した、大規模な亜鉛精錬に関する特許によってもたらされました。Championの工程では、毎日200ポンドの亜鉛を生産できる巨大なレトルトが使われ、産業用亜鉛の時代が始まりました。そして、19世紀の建築を一変させることになる、めっき革命が可能になりました。

用途

亜鉛の用途

産業用途:腐食と戦う金属

亜鉛は産業界で最も用途の広い防護材の一つです。その最大の強みはめっき、つまり毎年、インフラの損傷による数十億ドルの損失を防いでいる工程です。鋼材を溶融亜鉛めっきすると、450°Cの溶融亜鉛に浸され、複数の亜鉛-鉄合金層を形成する冶金的結合が生じます。この工程により、高速道路のガードレールから近年改修されたエッフェル塔まで、あらゆるものが保護されます。

めっき技術

現代のめっきでは、最先端の技術がいくつも使われています。連続めっきラインでは、毎分600メートルもの速度で鋼帯を処理し、わずか7マイクロメートルの薄さの亜鉛皮膜を施しながら、数十年にわたる保護を実現できます。電気亜鉛めっきでは、硫酸亜鉛溶液と精密な電流制御を用いて極めて滑らかな皮膜を自動車の車体パネルに析出させ、新車のような美しい仕上がりを保ちます。

ダイカスト革命

亜鉛ダイカストによって、身の回りに自然に存在する精巧な部品が作られます。この工程では、溶融亜鉛合金(通常はZamak 3、5、または7)を、1,000 psiを超える圧力で精密な鋼製金型に射出します。これにより、ノートパソコンのヒンジやスマートフォンのフレームから、自動車のトランスミッションケースや装飾金具まで、1インチの1000分の1単位の公差で製造できます。

電池技術

アルカリ電池では、亜鉛粉末が水酸化カリウム電解質中の負極として働き、数え切れないほどの機器に電力を供給する安定した1.5Vを生み出します。補聴器用の先進的な空気亜鉛電池は、大気中の酸素を正極として利用することで、リチウム電池に匹敵するエネルギー密度を実現し、非常に軽量で長寿命です。

化学製造

酸化亜鉛の製造には、フランス法(950°Cで金属亜鉛を気化させる方法)またはアメリカ法(制御された雰囲気中で亜鉛蒸気を燃焼させる方法)が用いられます。生成した酸化亜鉛は、メタノール合成に不可欠な触媒として、またゴムの加硫における重要な成分として働きます。加硫では、酸化亜鉛が硫黄による架橋の活性剤となり、タイヤに耐久性を与えます。

身近な亜鉛:目立たないところで活躍

  • パーソナルケア製品
    • 日焼け止め(酸化亜鉛が広範囲の紫外線から保護)
    • おむつかぶれ用クリーム(Desitin、A+D、Boudreaux's Butt Paste)
    • フケ防止シャンプー(Head & Shoulders、Selsun Blue)
    • デオドラントおよび制汗剤(抗菌性)
  • 建築材料
    • 亜鉛めっき屋根材および外壁材(50年以上使用可能)
    • 金網フェンスおよびガードレール
    • 空調ダクトおよび雨どい
    • 釘、ねじ、締結具
  • 自動車産業
    • 車体パネルおよびフレーム(耐食性)
    • ダイカスト製エンジン部品およびトランスミッション部品
    • ブレーキ配管および燃料システム
    • 装飾トリムおよびエンブレム
  • 電子機器およびテクノロジー
    • 電池ケースおよび電極(Duracell、Energizer)
    • スマートフォンおよびノートパソコンのフレーム
    • テレビおよびモニターのベゼル
    • ゲーム機の筐体
  • 健康および栄養
    • 栄養補助食品(免疫系のサポート)
    • 風邪の治療用亜鉛トローチ(Cold-Eeze、Zicam)
    • 傷の治療用軟膏
    • 亜鉛強化シリアルおよび食品

由来

天然での存在

70 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 80% of elements

亜鉛の宇宙の旅

亜鉛の物語は、巨大な恒星の核融合炉から始まります。そこで、恒星崩壊の直前の最後の瞬間に、ケイ素燃焼と中性子捕獲の過程によって、この必須元素が作られます。これらの恒星が超新星として爆発すると、亜鉛が宇宙全体にまき散らされ、やがて私たちの太陽系のような新しい惑星系に取り込まれます。

地球上での存在度

地球の地殻には約70 ppmの亜鉛が含まれており、存在度が24番目に高い元素です。この濃度は、初期の惑星分化過程によって生じました。亜鉛は原子量が中程度であるため、鉄-ニッケル核に沈み込まず、ケイ酸塩マントルにとどまりました。

主な亜鉛鉱物

閃亜鉛鉱(ZnS)は世界の亜鉛生産の大部分を占め、すべての亜鉛鉱石の95%を占めます。この立方晶系の鉱物は、鉄やカドミウムの置換によって、蜂蜜色から深紅色まで鮮やかな色を示すことがあります。主要な鉱床は、亜鉛に富む流体が石灰岩の環境で沈殿した熱水過程によって形成されました。

菱亜鉛鉱(ZnCO₃)異極鉱(Zn₄Si₂O₇(OH)₂·H₂O)は、一次硫化物鉱床の風化によって形成される重要な二次鉱物です。これらの酸化帯では、鉱物収集家に高く評価される見事な結晶が形成されることがあります。

世界的な分布

世界最大の亜鉛鉱床は、古代のプレート境界周辺に集中しています。オーストラリアのブロークンヒル地域には、地球上でも特に亜鉛、鉛、銀に富む鉱石があり、17億年前に形成されました。ペルーのアンタミナ鉱山では、石灰岩と貫入マグマが接した場所に形成された巨大なスカルン鉱床が採掘され、亜鉛が濃集する理想的な条件が生まれました。

生物地球化学的循環

亜鉛は、風化、植物による吸収、海洋での沈殿を通じて、地球の生物地球化学的循環に関与しています。海水には約0.5 ppbの亜鉛が含まれ、海洋生物はそれを体内に濃縮し、死ぬと最終的に堆積物へ戻します。

取り扱い

安全性

亜鉛の安全性:必須ですが、適量が重要です

亜鉛には興味深い二面性があります。生命に不可欠である一方、過剰になると毒性を示す可能性があります。この微妙なバランスを理解することは、安全な取り扱いと健康のために重要です。

生物学的重要性と毒性

人体は、300種類を超える酵素の働き、免疫系の機能、傷の治癒のために、1日8~11 mgの亜鉛を必要とします。しかし、急性毒性は約225~450 mgで始まり、吐き気、嘔吐、下痢を引き起こします。1日40 mgを超える慢性的な曝露は銅の吸収を妨げ、貧血や免疫機能障害につながる可能性があります。

職業上の曝露限界

  • OSHA PEL:亜鉛酸化物ヒュームに対して5 mg/m³(8時間TWA)
  • NIOSH REL:5 mg/m³(10時間TWA)、上限10 mg/m³
  • ACGIH TLV:吸入性画分2 mg/m³、吸入可能画分10 mg/m³

金属ヒューム熱

金属ヒューム熱は、亜鉛に関する最も重大な職業上の危険です。溶接や精錬の際に酸化亜鉛のヒュームを吸入すると、曝露後4~12時間で、発熱、悪寒、吐き気、疲労などのインフルエンザ様症状が現れます。重症化することはまれですが、適切な換気と呼吸用保護具によって完全に予防できます。

個人用保護具

  • 呼吸用保護具:亜鉛粉じんには最低でもN95マスク、高温作業には送気式呼吸用保護具
  • 目の保護:サイドシールド付き保護メガネ、研削作業にはゴーグル
  • 皮膚の保護:ニトリル手袋、亜鉛化合物の取り扱いには長袖
  • 換気:溶接には局所排気、保管には全体換気

緊急時の対応

吸入:直ちに曝露場所から離し、新鮮な空気を与え、必要に応じて酸素を供給します。皮膚への付着:15分間水で洗い流し、汚染された衣服を脱がせます。眼への付着:15分間きれいな水で洗眼し、医療機関を受診します。飲み込んだ場合:無理に吐かせず、水を与え、栄養摂取量を超える量であれば直ちに医療処置を受けます。

簡単な回答

亜鉛:よくある質問

What is 亜鉛?

亜鉛 (symbol Zn) is element 30 on the periodic table, a 遷移金属 in period 4, group 12. The sacrificial metal: zinc corrodes so that the steel it coats does not. At room temperature it is a solid.

What is the electron configuration of 亜鉛?

亜鉛's ground-state electron configuration is [Ar] 3d¹⁰ 4s², giving 4 occupied shells holding 2, 8, 18, 2 electrons respectively.

What are the melting and boiling points of 亜鉛?

亜鉛 melts at 692.9 K (419.7 °C) and boils at 1180 K (906.9 °C).

What is the atomic mass of 亜鉛?

The standard atomic weight of 亜鉛 is 65.38 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.

How dense is 亜鉛?

亜鉛 has a density of 7.134 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of 亜鉛 is about 7.1× heavier.

What is the electronegativity of 亜鉛?

亜鉛 has a Pauling electronegativity of 1.65. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.

Who discovered 亜鉛, and when?

亜鉛 was discovered in 1746 by Andreas Marggraf. It is named after german Zinke, "prong".

How common is 亜鉛 on Earth?

亜鉛 makes up about 70 mg/kg of the Earth's crust — uncommon, but not rare.