30 Zn 65.38
过渡金属 d-block Period 4 Group 12

Zn · Element 30 · Zinc group

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

20°C时的状态 固态
原子量 65.38 u
ELECTRON CONFIGURATION [Ar] 3d¹⁰ 4s²

结构

锌 原子

这不是环上点阵的示意图,而是对每个已占据子层实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样的结果。拖动即可旋转。蓝色和紫色表示波函数的相反符号,这正是成键成为可能的原因。

轨道云

测量值

性质表

每个条形图都显示锌在全部118种元素中该性质的排名位置。

物理

密度 7.134 g/cm³ 43%
熔点 692.9 K 35%
沸点 1180 K 29%
比热容 0.388 J/g·K
热导率 116 W/m·K 84%

原子

原子半径 134 pm 21%
共价半径 122 pm
范德华半径 139 pm

电子

电负性 1.65 54%
电离能 906 kJ/mol 82%
电子亲和能

存在

地壳中的丰度 70 mg/kg 80%

身份

符号Zn
原子序数30
原子量65.38 u
类别过渡金属
d
晶体结构六方密排
氧化态-2, +1, +2
发现时间1746
发现者Andreas Marggraf

来源:IUPAC 2021 标准原子量 ·《CRC 化学与物理手册》· NIST。标有 ~ 的数值是预测值,而非测量值。

按比例显示的大小

How big is a 锌 atom?

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

热范围

Solid, liquid, gas — and when

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

所在位置

在表中的位置

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

OTHER 过渡金属

All 过渡金属

故事

锌 是什么,以及我们如何发现它

蓝白色金属。人体必需的营养元素,并能保护钢材免受锈蚀。

The discovery of 锌

拥有现代名称的古老金属

锌的发现史跨越数千年,连接了古代冶金学与现代化学。与在实验室烧瓶中发现的元素不同,锌源于工匠的实际需求和炼金术士的好奇心。

古代起源

来自印度河流域文明(公元前2500年)的考古证据显示,当时已有含锌黄铜制品,说明人们很早就认识含锌矿石。然而,这些古代冶金师并不知道,他们通过渗析法制出了锌——在坩埚中将铜与富含锌的炉甘石(碳酸锌)一起加热,制成黄铜,却从未分离出纯锌。

公元前20年前后,罗马黄铜生产蓬勃发展。位于今天比利时和德国的作坊完善了相关技术,并在数百年间影响了欧洲冶金业。罗马人将含锌矿石称为“cadmia”,认识到它的价值,却从未理解其真正性质。

亚洲的掌握

欧洲人苦于锌的挥发性时,印度冶金师在12世纪前已经实现了纯锌生产。在拉贾斯坦邦的Zawar矿,他们开发出革命性的蒸馏罐蒸馏技术:在密封的黏土容器中加热锌矿石,再将蒸气在用水冷却的竹管中冷凝——这一工艺领先欧洲方法500年。

欧洲的认识

德国医生和炼金术士Andreas Libavius于1597年首次在欧洲文献中描述金属锌,并称其为“印度锡”。然而,对锌的系统研究要等到Andreas Sigismund Marggraf(1709-1782)之后才展开。他是一位柏林药剂师之子,后来成为化学先驱之一。

1746年,Marggraf进行了确立锌为独立元素的决定性实验。他在私人实验室中,将炉甘石与木炭放入密封蒸馏罐中仔细加热,收集形成的银色冷凝物。他细致的记录证明,锌并不像人们此前认为的那样,只是锡或铅的不纯形式。

工业革命

真正的突破来自William Champion于1738年在英国布里斯托尔取得的大规模炼锌专利。Champion的工艺使用能够每天生产200磅锌的大型蒸馏罐,开启了工业锌时代,并推动了镀锌革命,最终改变了19世纪的建筑业。

应用

锌的用途

工业应用:抗腐蚀卫士

锌是工业领域用途最广泛的防护材料之一,其主要优势是镀锌——这项工艺每年可避免数十亿美元的基础设施损失。钢材进行热浸镀锌时,会在450°C的熔融锌中浸渍,形成冶金结合,并生成多层锌铁合金层。这一工艺保护着从高速公路护栏到埃菲尔铁塔近期翻修部分的各种设施。

镀锌技术

现代镀锌采用多种先进技术。连续镀锌生产线每分钟处理钢卷的速度最高可达600米,能够施加薄至7微米的锌涂层,同时提供数十年的防护。电镀锌使用硫酸锌溶液和精确的电流控制,为汽车车身面板沉积超光滑涂层,确保汽车外观持久亮洁。

压铸革命

锌压铸制造出许多隐藏在日常用品中的精密部件。该工艺在超过1,000 psi的压力下,将熔融锌合金(通常为Zamak 3、5或7)注入精密钢模具。这一工艺可生产从笔记本电脑铰链和智能手机框架,到汽车变速箱壳体和装饰五金件等各种部件,其公差可精确到千分之一英寸。

电池技术

在碱性电池中,锌粉在氢氧化钾电解质中充当阳极,提供可靠的1.5V电压,为无数设备供电。用于助听器的先进锌空气电池以大气中的氧气作为阴极,能量密度可与锂电池系统媲美,因此重量极轻且续航持久。

化学品制造

氧化锌的生产采用法国法(在950°C下使金属锌汽化)或美国法(在受控气氛中燃烧锌蒸气)。所得氧化锌是甲醇合成中的重要催化剂,也是橡胶硫化的关键成分,可作为硫交联的活化剂,使轮胎具备耐久性。

日常生活中的锌:随处可见却不易察觉

  • 个人护理产品
    • 防晒霜(氧化锌提供广谱紫外线防护)
    • 尿布疹霜(Desitin、A+D、Boudreaux's Butt Paste)
    • 去屑洗发水(Head & Shoulders、Selsun Blue)
    • 除臭剂和止汗剂(具有抗菌性质)
  • 建筑材料
    • 镀锌屋面和外墙板(使用寿命超过50年)
    • 链式围栏和护栏
    • 暖通空调管道和排水槽
    • 钉子、螺钉和紧固件
  • 汽车行业
    • 车身面板和车架(耐腐蚀)
    • 压铸发动机部件和变速箱零件
    • 制动管路和燃油系统
    • 装饰饰条和徽标
  • 电子产品与技术
    • 电池外壳和电极(Duracell、Energizer)
    • 智能手机和笔记本电脑框架
    • 电视和显示器边框
    • 游戏机外壳
  • 健康与营养
    • 膳食补充剂(支持免疫系统)
    • 用于治疗感冒的锌含片(Cold-Eeze、Zicam)
    • 伤口愈合软膏
    • 强化锌的谷物和食品

来源

自然存在

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

锌的宇宙之旅

锌的故事始于大质量恒星的核熔炉。在恒星坍缩前的最后时刻,硅燃烧和中子俘获过程锻造出这种必需元素。当这些恒星以超新星形式爆炸时,它们将锌散播到宇宙各处,最终使其融入像我们所在的太阳系这样的新行星系统。

地球上的丰度

地壳中约含70 ppm的锌,使其成为丰度第24高的元素。这种浓度源于早期的行星分异过程:锌的原子量适中,使其留在硅酸盐地幔中,而没有沉入铁镍核心。

主要锌矿物

闪锌矿(ZnS)主导全球锌的生产,占全部锌矿石的95%。这种立方晶系矿物常呈现绚丽色彩——从蜜黄色到深红色——这是由于铁和镉的置换所致。主要矿床形成于热液过程中,富锌流体在石灰岩环境中沉淀。

菱锌矿(ZnCO₃)异极矿(Zn₄Si₂O₇(OH)₂·H₂O)是重要的次生矿物,由原生硫化物矿床风化形成。这些氧化带常形成壮观的晶体构造,深受矿物收藏家青睐。

全球分布

世界上最大的锌矿床集中在古老的构造边界附近。澳大利亚的Broken Hill地区蕴藏着地球上一些最丰富的锌铅银矿石,形成于17亿年前。秘鲁的Antamina mine开采一处巨大的矽卡岩矿床,石灰岩与侵入岩浆接触后形成了锌富集的理想条件。

生物循环

锌通过风化、植物吸收和海洋沉淀参与地球的生物地球化学循环。海水中约含0.5 ppb的锌,而海洋生物会将其富集在组织中,最终在死亡后将其返回沉积物。

处理

安全

锌的安全性:必需但需保持平衡

锌呈现出一个引人关注的悖论——它既是生命所必需的,也可能在过量时产生毒性。理解这种微妙的平衡,对于安全操作和生物健康至关重要。

生物学重要性与毒性

人体每天需要8-11 mg的锌,以支持超过300种酶的功能、免疫系统运作和伤口愈合。然而,急性中毒通常从225-450 mg左右开始,可引起恶心、呕吐和腹泻。长期每天摄入超过40 mg会妨碍铜的吸收,导致贫血和免疫功能障碍。

职业接触限值

  • OSHA PEL:5 mg/m³(8小时TWA),适用于氧化锌烟雾
  • NIOSH REL:5 mg/m³(10小时TWA),上限为10 mg/m³
  • ACGIH TLV:可吸入颗粒组分2 mg/m³,可吸入组分10 mg/m³

金属烟热

金属烟热是锌最重要的职业危害。在焊接或冶炼过程中吸入氧化锌烟雾,会在接触后4-12小时出现类似流感的症状:发热、寒战、恶心和疲劳。虽然很少严重,但通过适当的通风和呼吸防护可以完全预防。

个人防护装备

  • 呼吸防护:锌尘作业最低使用N95;高温作业使用供气式呼吸器
  • 眼部防护:带侧护板的安全眼镜;打磨时使用护目镜
  • 皮肤防护:丁腈手套;处理锌化合物时穿长袖衣物
  • 通风:焊接时采用局部排风;储存时采用一般通风

应急处理程序

吸入:立即脱离接触环境;必要时提供新鲜空气和氧气。皮肤接触:用水冲洗15分钟;脱去受污染的衣物。眼睛接触:用清水冲洗15分钟;寻求医疗救助。摄入:不要催吐;提供饮水,对于超过营养摄入量的摄入应立即就医。

快速回答

锌:常见问题

What is 锌?

锌 (symbol Zn) is element 30 on the periodic table, a 过渡金属 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 锌?

锌'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 锌?

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

What is the atomic mass of 锌?

The standard atomic weight of 锌 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 锌?

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

What is the electronegativity of 锌?

锌 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 锌, and when?

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

How common is 锌 on Earth?

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