30 Zn 锌 65.38
过渡金属 d区 第4周期 第12族

锌

Zn · 元素30 · 过渡金属

牺牲性金属:锌发生腐蚀,从而保护它所覆盖的钢材。

20°C时的状态 固态
原子量 65.38 u
电子排布[Ar] 3d¹⁰ 4s²

结构

锌原子

这不是环上点阵图,而是对每个已占据亚层的实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样。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

属性表

每个条形图显示锌在全部118种元素中该属性所处的位置。

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 —

存在情况

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
区d
晶体结构六方密堆积
氧化态-2, +1, +2
发现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~的数值为预测值,而非测量值。

尺寸,按比例显示

锌的原子有多大?

半径134 pm——即0.134 nm,因此大约3.73百万个这样的原子并排起来才有一毫米长。

温度范围

固态、液态、气态——以及转变时机

锌在487 K的范围内呈液态,温度从693 K到1180 K。

所在位置

在表中的位置

锌位于第4周期、第12族。 第12族中的所有元素具有相同的最外层电子数,因此它们的性质非常相似。

其他过渡金属

所有过渡金属

背后的故事

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,可保护钢材免受锈蚀。

锌的发现

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,存在含锌黄铜制品,这表明当时的人们已经了解含锌矿石。然而,这些古代冶金师并不知道,他们通过渗 cementation process生产出了锌——在坩埚中将铜与富锌炉甘石(碳酸锌)一起加热,制成黄铜,却从未分离出纯锌。

罗马黄铜生产在公元前20年左右蓬勃发展,位于今比利时和德国的作坊不断完善相关技术,并影响了欧洲冶金学数百年。罗马人将含锌矿石称为“cadmia”,认识到它的价值,却始终不了解其真正性质。

亚洲技术

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矿区,他们开发出革命性的蒸馏技术:将锌矿石置于密封黏土容器中加热,并在用水冷却的竹管中冷凝蒸气——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,系统研究要等到Andreas Sigismund Marggraf(1709-1782)之后才展开。他是柏林一位药剂师的儿子,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,将炉甘石与木炭置于密封蒸馏器中小心加热,收集形成的银色凝聚物。他细致的记录证明,锌并非此前人们所认为的仅仅是不纯的锡或铅。

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的工艺使用大型蒸馏器,每天可生产200磅锌,开启了工业锌时代,并推动了镀锌革命,改变了19世纪的建筑业。

用途

锌的用途

工业用途:腐蚀防护者

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——这种工艺每年可避免数十亿美元的基础设施损坏。当钢材采用热浸镀锌时,会浸入450°C的熔融锌中,形成冶金结合,并生成多层锌铁合金层。这一工艺可保护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

现代镀锌采用多种尖端技术。连续镀锌生产线的钢卷处理速度最高可达每分钟600米,可施加薄至7微米的锌涂层,同时提供数十年的保护。电镀锌使用硫酸锌溶液和精确的电流控制,为汽车车身板沉积超光滑涂层,确保汽车外观始终光洁如新。

压铸革命

锌压铸可制造出隐藏在你身边、却随处可见的复杂部件。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。这种工艺可制造从笔记本电脑铰链、智能手机框架,到汽车变速箱壳体和装饰五金件等各种产品,其尺寸公差以千分之一英寸计。

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,其能量密度可与锂电池系统相媲美,同时重量极轻且续航持久。

化学生产

氧化锌的生产可采用法国法(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;在橡胶硫化过程中,它充当硫交联反应的活化剂,使轮胎具有耐久性。

日常生活中的锌:随处可见却常被忽视

  • 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(抗菌性质)
  • 建筑材料
    • 镀锌屋顶和墙板(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
  • 汽车工业
    • 车身板和车架(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
    • 装饰条和徽标
  • 电子产品和技术
    • 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)
    • 用于治疗感冒的含锌含片(Cold-Eeze、Zicam)
    • 伤口愈合软膏
    • 锌强化谷物和食品

来源

自然存在

地壳中含量为70 mg/kg · 比80%的元素更丰富

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太阳系这样的新行星系统。

地球上的丰度

地壳中约含有70 ppm的锌,使其成为丰度排名第24位的元素。这一浓度源于早期行星分异过程:锌的原子量适中,使其留在硅酸盐地幔中,而不是沉入铁镍核心。

主要锌矿物

闪锌矿(ZnS)占据全球锌产量的主导地位,占所有锌矿石的95%。这种立方晶系矿物常呈现绚丽色彩——从蜜黄色到深红色——这是由于铁和镉的类质同象替代所致。主要矿床通过热液过程形成,富锌流体在石灰岩环境中沉淀。

菱锌矿(ZnCO₃)和异极矿(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,深受矿物收藏家珍视。

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地区拥有地球上一些最富集的锌铅银矿石,形成于17亿年前。秘鲁的Antamina mine开采一处巨大的矽卡岩矿床,该矿床由石灰岩与侵入岩浆接触形成,为锌的富集创造了理想条件。

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。海水中约含有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:必需但需适度

锌呈现出一个有趣的矛盾:它对生命不可或缺,但过量时也可能具有毒性。了解这种微妙的平衡,对于安全操作和维持生物健康至关重要。

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。每天长期摄入超过40 mg可能妨碍铜的吸收,导致贫血和免疫功能障碍。

职业接触限值

  • OSHA PEL:锌氧化物烟雾为5 mg/m³(8小时TWA)
  • NIOSH REL:5 mg/m³(10小时TWA),上限为10 mg/m³
  • ACGIH TLV:可吸入肺部部分为2 mg/m³,可吸入部分为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,会导致类似流感的症状,并在接触后4-12小时出现: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:锌尘作业至少使用N95口罩;高温作业使用供气式呼吸器
  • 眼部防护:使用带侧护板的安全眼镜;打磨时使用护目镜
  • 皮肤防护:使用丁腈手套;处理锌化合物时穿长袖衣物
  • 通风:焊接时使用局部排风;储存时使用一般通风

应急处理程序

吸入:立即脱离接触环境;提供新鲜空气,必要时给予氧气。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;就医。摄入:不要催吐;提供饮水,若摄入量超过营养剂量,应立即就医。

快速解答

锌:常见问题

锌是什么?

锌(符号Zn)是元素周期表中的第30号元素,属于4周期12族的过渡金属。 牺牲性金属:锌发生腐蚀,从而保护它所覆盖的钢材。 在室温下为固态。

锌的电子排布是什么?

锌的基态电子排布为[Ar] 3d¹⁰ 4s²,共有4个已占据的电子层,电子分布为2, 8, 18, 2。

锌的熔点和沸点是多少?

锌在692.9 K(419.7 °C)熔化,在1180 K(906.9 °C)沸腾。

锌的原子量是多少?

锌的标准原子量为65.38 u。这是其自然存在的同位素的加权平均值,因此通常不是整数。

锌的密度是多少?

锌的密度为7.134 g/cm³。水的密度为1.0 g/cm³,因此锌块约重7.1倍。

锌的电负性是多少?

锌的鲍林电负性为1.65。该标度范围为0.70(钫,吸引电子能力最弱)至3.98(氟,吸引电子能力最强)。 处于这一中间范围的数值通常对应共价键,而不是强离子键。

谁发现了锌,是在什么时候?

锌由Andreas Marggraf于1746年发现。 它以德语 Zinke,“尖齿”命名。

锌在地球上有多常见?

锌约占地壳的70 mg/kg——不常见,但并不稀有。