30 Zn 亜鉛 65.38
遷移金属 dブロック 4周期 12族

亜鉛

Zn · 元素 30 · 遷移金属

犠牲となる金属です。亜鉛が腐食することで、亜鉛で覆われた鋼鉄は腐食しません。

20°Cでの状態 固体
原子量 65.38 u
電子配置[Ar] 3d¹⁰ 4s²

構造

亜鉛の原子

リング上の点の図ではありません — 占有されている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

物性表

各バーは、その性質について亜鉛が118元素全体の中でどの位置にあるかを示しています。

物理的性質

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%

同一性

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化学・物理学ハンドブック・NIST。~が付いた値は測定値ではなく予測値です。

大きさ、実寸比

亜鉛の原子はどのくらいの大きさですか?

半径134 pmです。これは0.134 nmなので、約3.73百万個を横に並べると1ミリメートルになります。

熱範囲

固体、液体、気体—そしてそのとき

亜鉛は、693 Kから1180 Kまでの487 Kの範囲で液体です。

位置

表での位置

亜鉛は周期4、族12に位置します。 族12のすべての元素は最外殻電子数が同じであるため、非常によく似た性質を示します。

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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。

亜鉛の発見

現代的な名前を持つ古代の金属

亜鉛の発見の物語は数千年にわたり、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、亜鉛は職人の実用的な必要性と錬金術師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、亜鉛を含む真ちゅう製品が見つかっており、初期の人々が亜鉛を含む鉱石を知っていたことが示唆されます。しかし、古代の冶金技術者たちは、純粋な亜鉛を単離することなく、セメンテーション法によって、亜鉛に富む菱鉛鉱(炭酸亜鉛)と銅をるつぼで加熱し、真ちゅうを作っていました。

ローマの真ちゅう生産は紀元前20年頃に栄え、現在のベルギーと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「cadmia」と呼び、その価値を認めていましたが、本質を理解してはいませんでした。

アジアでの技術的発展

ヨーロッパ人が亜鉛の揮発性に苦労していた一方、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Zawar鉱山では、密閉した粘土容器内で亜鉛鉱石を加熱し、水で冷却した竹管で蒸気を凝縮する、画期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より500年も先進的なプロセスでした。

ヨーロッパでの認識

ドイツの医師兼錬金術師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、体系的な研究が行われるには、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りました。

1746年、Marggrafは亜鉛を独立した元素として確立する決定的な実験を行いました。私設のラボで、密閉したレトルト内の菱鉛鉱を木炭とともに慎重に加熱し、生成した銀色の凝縮物を集めました。彼の綿密な記録によって、亜鉛は従来考えられていたような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

真の突破口は、イングランドのブリストルでWilliam Championが1738年に取得した、大規模な亜鉛製錬に関する特許によってもたらされました。Championのプロセスでは、毎日200ポンドの亜鉛を生産できる巨大なレトルトを使用し、産業用亜鉛の時代を切り開きました。そして、19世紀の建設を変革する亜鉛めっき革命を可能にしました。

用途

亜鉛の用途

産業用途:腐食との戦い

亜鉛は産業界で最も用途の広い防護材の一つであり、その主な特性は亜鉛めっきです。これは、毎年インフラの損傷によって発生する数十億ドル規模の損失を防ぐプロセスです。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。このプロセスは、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、あらゆるものを保護します。

亜鉛めっき技術

現代の亜鉛めっきでは、いくつかの最先端技術が用いられています。連続亜鉛めっきラインは、毎分最大600メートルの速度で鋼板コイルを処理し、わずか7マイクロメートルの薄さの亜鉛皮膜で数十年にわたる保護を実現します。電気亜鉛めっきでは、硫酸亜鉛溶液と精密な電流制御を使って非常に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

亜鉛ダイカストは、身の回りに目立たず存在する複雑な部品を作り出します。このプロセスでは、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注入します。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インチの数千分の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アノードとして働き、無数の機器に電力を供給する安定した1.5Vを発生させます。補聴器用の先進的な空気亜鉛電池は、空気中の酸素をカソードとして使うことで、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で金属亜鉛を蒸発させる方法)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、メタノール合成における重要な触媒として、またゴムの加硫における主要成分として使われます。加硫では、酸化亜鉛が硫黄による架橋の活性剤として働き、タイヤに耐久性を与えます。

身近な亜鉛:見えないところで活躍

  • パーソナルケア製品
    • 日焼け止め(酸化亜鉛が広い範囲の紫外線から保護します)
    • 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)
  • 建設材料
    • 亜鉛めっき屋根材および外壁材(50年以上もちます)
    • 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
    • くぎ、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系統
    • 装飾トリムおよびエンブレム
  • 電子機器・技術
    • 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・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)
    • 傷の治癒用軟膏
    • 亜鉛強化シリアルおよび食品

起源

自然界での存在

地殻に70 mg/kg存在し、80%の元素より存在度が高い

亜鉛の宇宙の旅

亜鉛の物語は、大質量星の核融合炉から始まります。星が崩壊する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、やがて私たちの惑星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。亜鉛の中程度の原子量によって、鉄-ニッケル核へ沈むのではなく、ケイ酸塩マントルにとどまったためです。

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%に相当します。この立方晶系の鉱物は、鉄やカドミウムの置換によって、蜂蜜色から濃い赤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)と異極鉱(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壮観な結晶形成が生じることがあります。

世界での分布

世界最大の亜鉛鉱床は、古代のプレート境界付近に集中しています。オーストラリアのBroken Hill地域には、地球上でも特に豊富な亜鉛・鉛・銀鉱石があり、17億年前に形成されました。ペルーのAntamina mineでは、石灰岩と貫入マグマが接触して亜鉛の濃集に適した条件が生じた、大規模なスカルン鉱床が採掘されています。

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組織に濃縮します。そして死後、亜鉛は最終的に堆積物へ戻ります。

取り扱い

安全性

亜鉛の安全性:必須ですが適量が重要

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、過剰になると有毒になる可能性があります。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維持に重要です。

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、毎日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。毎日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:酸化亜鉛ヒュームについて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、吸入可能量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性です。溶接や製錬中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、熱を伴う作業には給気式
  • 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

緊急時の手順

吸入:直ちに曝露場所から移動させ、必要に応じて新鮮な空気と酸素を与えます。皮膚への接触:15分間水で洗い流し、汚染された衣服を脱がせます。眼への接触:15分間きれいな水で洗眼し、医師の診察を受けます。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機関を受診します。

簡単な回答

亜鉛:よくある質問

亜鉛とは何ですか?

亜鉛(記号Zn)は周期表の元素30で、4周期、12族の遷移金属です。 犠牲となる金属です。亜鉛が腐食することで、亜鉛で覆われた鋼鉄は腐食しません。 室温では固体です。

亜鉛の電子配置はどのようなものですか?

亜鉛の基底状態の電子配置は[Ar] 3d¹⁰ 4s²で、2, 8, 18, 2という分布の電子殻が4個あります。

亜鉛の融点と沸点は何ですか?

亜鉛の融点は692.9 K(419.7 °C)、沸点は1180 K(906.9 °C)です。

亜鉛の原子量は何ですか?

亜鉛の標準原子量は65.38 uです。これは天然に存在する同位体の加重平均であるため、整数になることはほとんどありません。

亜鉛の密度はどのくらいですか?

亜鉛の密度は7.134 g/cm³です。水は1.0 g/cm³なので、亜鉛の塊は約7.1倍重いです。

亜鉛の電気陰性度はどのくらいですか?

亜鉛のポーリング電気陰性度は1.65です。この尺度は、電子を最も引きつけにくいフランシウムの0.70から、最も引きつけやすいフッ素の3.98までです。 この中間の範囲の値では、強いイオン結合よりも共有結合を形成する傾向があります。

亜鉛を発見したのは誰で、いつですか?

亜鉛は1746年にAndreas Marggrafによって発見されました。 ドイツ語のZinke、「突起」にちなんで名付けられました。

地球上で亜鉛はどのくらい一般的ですか?

地球の地殻における亜鉛の割合は約70 mg/kgで、珍しいものの希少ではありません。