锌

金属元素

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。

历史

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，化学式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，银白色略带蓝灰色的金属，在常温下密度为7.14 g/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266.48 nm，与另六个则相距较远，为291.29 nm，因此六方基面层的键，大大强于各层间的键，该特性可以解释锌在变形时的若干行为以及锌的同素异形体的行为。

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

注：摄氏度℃ = 5/9 × (华氏度℉ - 32)，05~23号的数据源于Aspen Plus V14的PURE-28物性数据库.

化学性质

锌的化学性质很活泼。在化学反应中以两个价电子参与成键，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，锌被迅速氧化。

（1）与空气反应

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。

4Zn + 2O2 + 3H2O + CO2 → ZnCO3·3Zn(OH)2

注：锌在潮湿空气中，表面会生成一层致密碱式碳酸盐从而起到保护作用，使得锌具有防腐的能力，因此铁制品表面常镀锌以防腐。

（2）与卤素单质反应

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。

（3）与酸反应

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16.7 kJ/mol，相当于受扩散控制过程的数量级。

Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2↑

Zn + H2SO4 → ZnSO4 + H2↑

Zn + 2H2SO4（浓）→ ZnSO4 + SO2↑+ 2H2O

Zn + 4H2SO4（浓）→ 3ZnSO4 + S↓+ 4H2O

Zn + 5H2SO4（浓）→ 4ZnSO4 + H2S↑+ 4H2O

4Zn + 5HNO3 + 5H2SO4 → NH4HSO4 + 4ZnSO4 + 3H2O

注：Zn与HNO3反应随着反应温度和HNO3浓度的不同而有不同的产物。原因是硝酸为强氧化性酸（N的化合价为最高价+5），与具有还原性的金属单质反应为氧化还原反应而非简单的置换反应，其氧化性的强弱一定程度上取决于温度和浓度，即温度和浓度越高，氧化性越强，则被还原的产物的N化合价相对较高，反之，硝酸氧化性越弱，则被还原的更彻底（N化合价更低）。

3Zn + 8HNO3（稀1:2）→ 3Zn(NO3)2 + 2NO↑+ 4H2O

4Zn + 9HNO3（很稀1:10）→ 4Zn(NO3)2 + NH3↑+ 3H2O

4Zn + 10HNO3（1:10）→ 4Zn(NO3)2 + NH4NO3 + NH4NO3 + 3H2O

4Zn + 10HNO3（稀）→ 4Zn(NO3)2 + N2O↑ + 5H2O

Zn + 4HNO3（浓）→ Zn(NO3)2 + 2NO2↑+ 2H2O

Zn + 2AgI + H2SO4 → ZnSO4 + 2Ag↓+ 2HI（加热）

（4）与碱反应

Zn因生成不溶于水且阻止反应进行的Zn(OH)2而不能和H2O(l)起反应，但有碱存在时，Zn(OH)2可溶于碱而促使Zn继续与H2O(l)反应，原因是锌与铝、铍类似均具有两性，既可溶于酸也可溶于碱。

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。

Zn + H2O → Zn(OH)2↓+ H2↑

Zn + 2NaOH + 2H2O → Na2[Zn(OH)4]（四羟基合锌酸钠）+ H2↑

Na2[Zn(OH)4] → Na2ZnO2（偏锌酸钠）+ 2H2O

Zn + NaOH + 2H2O → Na[Zn(OH)3] + H2↑

Zn + 2NaOH → Na2ZnO2 + H2↑

Zn + OH- → ZnO2- + H2↑

Zn + 2OH- + 2H2O → [Zn(OH)4]2- + H2↑

（5）电势

锌元素的常见化合价为0和+2，其中+2价的锌主要以锌离子（Zn2+）和氢氧化锌[Zn(OH)2]存在，即EAθ(Zn2+/Zn) = -0.7626 V和EBθ[Zn(OH)2/Zn] = -0.7626 V。

注：下标A和B分别代表酸性和碱性环境，即acid、base；上标θ代表标准态（25 ℃、100 kPa）。

（6）络合物

相较于铝不同的是，锌还可在氨水中形成配离子。

Zn + 4NH3 + 2H2O → [Zn(NH3)4]2- + H2↑

Zn(OH)2 + 2OH- → [Zn(OH)4]2-

Zn(OH)2 + 4NH3 → [Zn(NH3)4]2- + 2OH-

Zn2+ + 4NH3 → [Zn(NH3)4]2+ Kfθ = 2.88×109

Zn2+ + 4CN- → [Zn(CN)4]2- Kfθ = 5.01×1016

其中，[Zn(CN)4]2-离子可用于电镀工艺，例如与[Cu(CN)4]3-离子的混合液用于镀黄铜（Cu-Zn合金）。由于铜、锌配合物有关电对的标准电极电势相近，因此它们的混合液在电镀时，Zn和Cu在阴极同时析出。

[Cu(CN)4]3- + e- ⇌ Cu + 4CN- Eθ = -1.27 V

[Zn(CN)4]2- + 2e- ⇌ Zn + 4CN- Eθ = -1.26 V

（7）硫化物

Zn2+ + H2S → ZnS↓+ 2H+

往锌盐溶液中通入硫化氢可生成白色沉淀（ZnS），硫化锌时是常见难溶硫化物中唯一呈白色的，可用于白色颜料，与硫酸钡（BaSO4）共沉淀所形成的混合物晶体（ZnS·BaSO4）称为锌钡白（俗称“立德粉”），是一种优良的白色颜料。

（8）鉴定反应

锌离子与二苯硫腙可形成稳定的粉红色螯合物沉淀，可用于鉴定Zn2+。

（9）其他

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。

2Zn + O2 → 2ZnO（1000 ℃）

3Zn + 2P → Zn3P2（600 ℃）

3Zn + 2NH3 → Zn3N2（灰色）+ 3H2（600 ℃）

Zn（红热）+ CO2 → ZnO + CO

Zn（水混悬液） + 2SO2 → ZnS2O4

Zn（红热）+ H2O(g) → ZnO + H2

Zn + H2O2 → Zn(OH)2

Zn + KNO3 → KNO2 + ZnO（中性溶液）

Zn + NH4NO3 + 2HNO3 → Zn(NO3)2 + N2↑+ 3H2O

4Zn（粉）+ NO3- + 7OH- + 6H2O → 4[Zn(OH)4]2- + NH3↑

Zn + NO3- + 2CH3COOH → 2CH3COO- + NO2- + Zn2+ + H2O

5Zn + 2MnO4- + 16H+ → 2Mn2+ + 5Zn2+ + 8H2O（Fe3+催化）

Zn → Zn2+ + 2e-（锌锰干电池的负极反应）

2NH4+ + 2e- → 2NH3 + H2（锌锰干电池的正极反应）

H2 + MnO2 → MnO + H2O（锌锰干电池的正极反应）

2NH4+ + MnO2 + 2e- → MnO + 2NH3↑+ H2O（锌锰干电池的正极总反应）

Zn + 2MnO2 + 2NH4Cl(l) → 2MnO(OH)(s) + [Zn(NH3)2]Cl2(l)（总反应）

Zn + Ag2O + H2O ⇌ Zn(OH)2 + 2Ag

Zn + 2OH- ⇌ Zn(OH)2 + 2e-

Zn + HgO + H2O → Zn(OH)2 + Hg（罗宾-马洛瑞电池的总反应）

制备

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。

另一种生产方法是电解，将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。以铝做阴极、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借粗锌得到高纯锌，制得99.9999%的单晶锌。

此外，若闪锌矿（ZnS）为原料，经浮选法得含ZnS 40%~60%得精矿，经焙烧得ZnO，用焦炭在1200 ℃~1300 ℃下还原并蒸出单质锌。

2ZnS + 3O2 → 2ZnO + 2SO2↑

2C + O2 → 2CO

ZnO + CO → Zn + CO2↑

现如今较为先进得湿法是20世纪80年代提出得，即直接将精矿加压浸出的“全湿法”工艺。

2ZnS + 2H2SO4 + O2 → 2ZnSO4 + 2H2O + 2S↓

应用

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。

金属锌可用于制备锌铁板（白铁皮）和干电池，锌与铜可形成的合金（黄铜）；在冶金工业中，锌粉可作为还原剂被应用于金属镉、金和金等的冶炼；在化工制药、染料、电池等行业，超细的锌粉可作为富锌涂料和其他防腐、环保等高性能涂料的关键原料，被广泛应用于大型钢铁构建、船舶、集装箱等行业。

防腐材料

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年~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年~10年。同时，钢带热浸镀锌量有显著增长。

锌合金

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（氦气氛围）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。

锌电池

锌是负电性金属，标准电位为-0.76 V；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1350 W·h/kg，最新的电池比能量已达到了230 W·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，Zn-MnO2电池正是利用锌的这个特点。

有机合成

在HCl和锌汞齐（Zn-Hg）的作用下，乙醛的醛基可被还原为甲基，即乙醛在强酸性条件下被还原为乙烷，该反应适用于对碱敏感的羰基化合物的还原。

Hg并不参与Clemmensen还原反应，而是扮演催化剂的角色，与锌形成汞齐（Zn-Hg）合金后，锌的活性因合金中电偶的形成而提高，从而促进反应进行。

锌汞齐可用锌粉/锌粒与汞盐（HgCl2）在稀盐酸溶液中反应制得。单质锌可将Ⅱ价汞离子还原为单质汞，然后水银在锌表面形成汞齐，而还原反应即在活化后的锌表面进行。

注：Clemmensen还原反应由丹麦化学家Erik Christian Clemmensen（1876-1941）于1913年发现。

生理功能

不少人面临锌摄入不足的问题，其中半数人的摄入量未达到推荐膳食摄入量（RDA）的一半，饮食难以满足锌的充足需求。缺锌的表现多样，如指甲白斑、食欲异常、面色苍白、生育障碍、免疫力下降、发育不良（含发质）、皮肤问题（如粉刺、皮炎及皱纹）及精神状态不佳。

锌的缺乏与多种重大疾病，如糖尿病和癌症，均有关联。它在胰岛素及抗氧化酶SOD的合成中扮演关键角色，同时也参与必需脂肪酸转化为前列腺素的过程，后者有助于调节激素平衡、控制炎症及维持血液正常流动性。

锌在DNA保护与修复中至关重要，动物因DNA含量高而体内锌水平高于植物，故素食者锌摄入量可能偏低。压力、吸烟、饮酒等行为会增加锌的消耗。频繁性生活因精液含锌量高，也可能导致男性缺锌。牡蛎富含锌（每只约含15 mg），不仅能提升性欲，也是食物中锌的最佳来源之一。总之，锌对维持男性和女性的生育能力均极为重要。

存在形式

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（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

危害

锌会导致植物发育迟缓和衰老。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。

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。

储运

储存

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

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。

标准法规

（01）GB 5009.14-2017 食品安全国家标准食品中锌的测定

（02）GB/T 8738-2006 铸造用锌合金锭（代替GB/T 8738-2006）

（03）YS/T 920-2013 高纯锌

（04）GB/T 470-2008 锌锭（代替GB/T 470-1997）

（05）GB 1903.35-2018 食品安全国家标准食品营养强化剂乙酸锌