亜鉛：歴史、特性、構造、リスク、用途 - 化学 - 2025

亜鉛は、周期表の12族に属する遷移金属であり、化学記号のZnで表されます。閃亜鉛鉱などの硫黄鉱物やスミソナイトなどの炭酸塩に含まれる、地殻の豊富な24番目の元素です。

それは大衆文化で非常に知られている金属です。男性ホルモンを調節するサプリメントと同様に、亜鉛屋根がその例です。多くの食品に含まれており、無数の代謝プロセスに不可欠な要素です。体内での過剰摂取による悪影響と比較して、適度な摂取にはいくつかの利点があります。

リバーサイド博物館の亜鉛合金屋根。ソース：エオイン

亜鉛は、銀色の亜鉛メッキ鋼やその他の金属よりもずっと以前から知られていました。銅と亜鉛のさまざまな組成の合金である真鍮は、何千年もの間、歴史的建造物の一部となっています。今日、その黄金色はいくつかの楽器でよく見られます。

同様に、その還元力と電子の寄付のしやすさがアノード材料としての良い選択肢であるため、それはアルカリ電池が作られる金属です。その主な用途は、鋼を亜鉛メッキすることです。亜鉛の層でコーティングし、酸化または犠牲にして、下の鉄が後で腐食するのを防ぎます。

その誘導体化合物では、ほとんどの場合、酸化数または酸化状態は+2です。したがって、Zn ²⁺イオンは、分子またはイオン環境に包まれていると考えられます。Zn ²⁺は細胞内で問題を引き起こす可能性のあるルイス酸ですが、他の分子と協調して酵素やDNAと積極的に相互作用します。

したがって、亜鉛は多くの金属酵素にとって重要な補因子です。その非常に重要な生化学、および燃焼時のその緑がかったフラッシュと炎の輝きにもかかわらず、科学の世界では、それは「退屈な」金属と見なされます。なぜなら、その特性は他の金属の魅力に欠けているだけでなく、その融点はそれらの金属よりもかなり低いからです。

歴史

古代

亜鉛は何千年もの間操作されてきました。しかし、気づかれない方法で、ペルシア人、ローマ人、トランシルバニア人、ギリシャ人を含む古代文明から、すでにオブジェクト、コイン、真鍮製の武器が作られていました。

したがって、黄銅は最も古い合金の1つです。彼らはミネラルカラミン、Zn ₄ Si ₂ O ₇（OH）₂・H ₂ O からそれを調製し、羊毛と銅の存在下で粉砕して加熱した。

プロセス中に、形成された可能性のある少量の金属亜鉛が蒸気として逃げました。これは、化学元素としての特定を何年も遅らせたという事実です。数世紀が経過するにつれて、黄銅およびその他の合金は亜鉛含有量を増やし、より灰色がかったように見えました。

14世紀のインドでは、彼らはすでに金属亜鉛を生産しており、これをJasadaと呼び、その後中国と取引していました。

そして、錬金術師は彼らの実験を実行するためにそれを獲得することができました。おそらく亜鉛結晶と歯の類似から、それを「ジンクム」と名付けたのは有名な歴史上の人物パラセルサスでした。少しずつ、他の名前やさまざまな文化の中で、「亜鉛」という名前はこの金属を凝らしてしまいました。

隔離

インドは1300年代以来金属亜鉛をすでに生産していたが、これは羊毛にカラミンを使用する方法から来た。したがって、それはかなりの純度の金属サンプルではありませんでした。ウィリアムチャンピオンは、垂直レトルト炉を使用して、イギリスの1738年にこの方法を改善しました。

1746年、ドイツの化学者Andreas Sigismund Marggrafは、銅の入った容器内で木炭（羊毛よりも優れた還元剤）の存在下でカラミンを加熱して、純粋な亜鉛のサンプルを「初めて」入手しました。亜鉛を製造するこの方法は、Championと並行して商業的に開発されました。

その後、最終的にカラミンから独立したプロセスが開発され、代わりに酸化亜鉛を使用しました。言い換えれば、現在の乾式冶金プロセスと非常に似ています。炉も改善され、亜鉛の量を増やすことができました。

それまでは、大量の亜鉛を必要とするアプリケーションはまだありませんでした。しかし、それは、亜鉛メッキの概念に道を譲ったルイージ・ガルヴァーニとアレッサンドロ・ボルタの貢献によって変わりました。ボルタはまた、いわゆるガルバニ電池を考案し、すぐに亜鉛は乾電池の設計の一部になりました。

物理的及び化学的性質

外見

それは灰色がかった金属で、通常は顆粒または粉末の形で入手できます。物理的に弱いため、重いオブジェクトをサポートする必要があるアプリケーションには適していません。

同様に、それはもろいですが、100 aboveCを超える温度で加熱すると、展性があり延性になります。250 upCまで、それが再びもろくなり噴霧可能になる温度。

モル質量

65.38 g / mol

原子番号（Z）

30

融点

419.53°C この低い融点は、その弱い金属結合を示しています。溶解すると、液体アルミニウムに似た外観になります。

沸点

907ºC

自己発火温度

460ºC

密度

室温で-7.14 g / mL

-6.57 g / mLの融点、つまり溶融または溶融時

融合熱

7.32 kJ / mol

気化熱

115 kJ / mol

モル熱容量

25,470 J /（mol K）

電気陰性

ポーリングスケールで1.65

イオン化エネルギー

-最初：906.4 kJ / mol（Zn ⁺ガス）

-2番目：1733.3 kJ / mol（Zn ²⁺ガス状）

-3番目：3833 kJ / mol（Zn ³⁺ガス）

原子ラジオ

経験値134 pm

共有結合半径

122±4 pm

モース硬度

2.5。この値は、他の遷移金属、つまりタングステンの硬度に比べてかなり低くなっています。

磁気秩序

反磁性

熱伝導率

116 W /（m K）

電気抵抗率

20°Cで59nΩm

溶解度

その酸化物層がそれを保護する限り、それは水に不溶性です。酸または塩基の攻撃により除去されると、亜鉛は最終的に水と反応して複雑な水性Zn（OH ₂）₆ ²⁺を形成し、限られた八面体の中心にZn ²⁺を配置します。水分子による。

分解

燃焼すると、有毒なZnO粒子を空気中に放出する可能性があります。その過程で、緑がかった炎と輝く光が観察されます。

化学反応

炎の緑がかった青色が認められるるつぼ内の亜鉛と硫黄の反応。ソース：エオイン

亜鉛は反応性金属です。室温では、酸化物層だけでなく、塩基性炭酸塩、Zn ₅（OH）₆（CO ₃）₂、または硫黄、ZnS で覆うこともできます。さまざまな組成のこの層が酸の攻撃によって破壊されると、金属が反応します。

Zn（s）+ H ₂ SO ₄（aq）→Zn ²⁺（aq）+ SO ₄ ²⁻（aq）+ H ₂（g）

硫酸との反応に対応する化学式と：

Zn（s）+ 4 HNO ₃（aq）→Zn（NO ₃）₂（aq）+ 2 NO ₂（g）+ 2 H ₂ O（l）

塩酸入り。どちらの場合も、書かれていませんが、複合水性Zn（OH ₂）₆ ^{2+が存在し}ます。培地が塩基性である場合を除いて、それは水酸化亜鉛、Zn（OH）₂として沈殿するため：

Zn ²⁺（水溶液）+ 2OH ^- （水溶液）→のZn（OH）₂（S）

これはより多くのOHと反応し続けることが可能な、白色アモルファスおよび両性水酸化物である^-イオン：

Zn（OH）₂（S） + 2OH ^- （水溶液）→のZn（OH）₄ ^2-（AQ）

Zn（OH）₄ ^2-はジンケートアニオンです。実際、亜鉛が濃いNaOHなどの強塩基と反応すると、亜鉛酸ナトリウム錯体Na ₂が直接生成されます。

Zn（s）+ 2NaOH（aq）+ 2H ₂ O（l）→Na ₂（aq）+ H ₂（g）

同様に、亜鉛は、気体状態のハロゲンや硫黄などの非金属元素と反応する可能性があります。

Zn（s）+ I ₂（g）→ZnI ₂（s）

Zn（s）+ S（s）→ZnS（s）（上の画像）

同位体

亜鉛は、5つの同位体として天然に存在する⁶⁴のZn（49.2パーセント）、⁶⁶のZn（27.7％）、⁶⁸のZn（18.5％）、⁶⁷のZn（4％）及び⁷⁰のZn（0.62 ％）。他のものは合成と放射性です。

構造と電子構成

亜鉛原子は、金属結合の産物である、コンパクトではあるが歪んだ六角形構造（hcp）に結晶化します。そのような相互作用を支配する価電子は、電子構成によれば、3dおよび4s軌道に属するものです。

3d ¹⁰ 4s ²

両方の軌道は電子で完全に満たされているため、亜鉛の原子核がそれらに引力を及ぼす場合でも、それらの重なりはあまり効果的ではありません。

その結果、Zn原子はあまり凝集性ではなく、他の遷移金属と比較して融点が低い（419.53ºC）ことに反映されています。実際、これは（水銀やカドミウムとともに）グループ12の金属の特性であるため、ブロックdの元素と本当に見なすべきかどうかを疑問視することがあります。

3dと4sの軌道がいっぱいであるにもかかわらず、亜鉛は電気の良導体です。したがって、その価電子は伝導帯に「ジャンプ」できます。

酸化数

Zn ¹²⁺陽イオンの存在を仮定すると、亜鉛が12の価電子を失うか、酸化数または状態が+12になることは不可能です。代わりに、電子を2つだけ失います。具体的には、4 s軌道のもので、アルカリ土類金属と同様に動作します（Becambara氏）。

これが発生すると、亜鉛は酸化数または状態が+2の化合物に関与すると言われています。つまり、Zn ²⁺カチオンの存在を想定しています。たとえば、その酸化物であるZnOでは、亜鉛にこの酸化数があります（Zn ²⁺ O ^2-）。同じことが他の多くの化合物にも当てはまり、Zn（II）のみが存在すると考えられるようになります。

ただし、4s軌道から1つだけ電子を失ったZn（I）またはZn ⁺もあります。亜鉛のもう1つの可能な酸化数は0（Zn ⁰）で、その中性原子は気体または有機分子と相互作用します。したがって、Zn ²⁺、Zn ⁺またはZn ⁰として表すことができます。

入手方法

原材料

ルーマニア産の閃亜鉛鉱鉱物サンプル。出典：James St. John

亜鉛は、地球の地殻で最も豊富な元素の24番目の位置にあります。それは一般に、地球全体に分布している硫黄鉱物に含まれています。

金属を純粋な形で得るには、まず地下トンネルにある岩を収集し、真の原料である亜鉛が豊富な鉱物を濃縮する必要があります。

これらの鉱物には、閃亜鉛鉱またはウルツ鉱（ZnS）、ジンケート（ZnO）、ウィレマイト（Zn ₂ SiO ₄）、スミトナイト（ZnCO ₃）、およびガーナイト（ZnAl ₂ O ₄）が含まれます。閃亜鉛鉱は断然亜鉛の主な供給源です。

か焼

浮選と岩石の浄化のプロセスの後に鉱物が濃縮されたら、硫化物をそれぞれの硫化物に変換するために焼成する必要があります。このステップでは、酸素の存在下で鉱物が単純に加熱され、次の化学反応が発生します。

2 ZnS（s）+ 3 O ₂（g）→2 ZnO（s）+ 2 SO ₂（g）

また、SO ₂は酸素と反応して、硫酸の合成を目的とした化合物であるSO ₃を生成します。

ZnOが得られると、乾式冶金プロセスまたは電気分解のいずれかを行うことができ、最終的に金属亜鉛が形成されます。

乾式冶金プロセス

ZnOは、石炭（ミネラルまたはコークス）または一酸化炭素を使用して還元されます。

2 ZnO（s）+ C（s）→2 ZnO（g）+ CO ₂（g）

ZnO（s）+ CO（g）→Zn（g）+ CO ₂（g）

このプロセスが直面する問題は、沸点が低いためにガス状の亜鉛が生成されることであり、これは炉の高温によって克服されます。そのため、亜鉛蒸気を蒸留して他のガスから分離する必要があり、その一方で、結晶は溶融鉛に凝縮します。

電解プロセス

これを取得する2つの方法のうち、これは世界で最も広く使用されています。ZnOは希硫酸と反応して、硫酸塩として亜鉛イオンを浸出させます。

ZnO（s）+ H ₂ SO ₄（aq）→ZnSO ₄（aq）+ H ₂ O（l）

最後に、この溶液を電気分解して金属亜鉛を生成します。

2 ZnSO ₄（aq）+ 2 H ₂ O（l）→2 Zn（s）+ 2 H ₂ SO ₄（aq）+ O ₂（g）

リスク

化学反応のサブセクションでは、亜鉛が水と反応するとき、水素ガスが主要な生成物の1つであると述べました。そのため、金属状態では、適切に保管し、酸、塩基、水、硫黄、その他の熱源の手の届かない場所に保管する必要があります。守らないと、火災のおそれがあります。

亜鉛を細かく分割すればするほど、火災や爆発の危険性が高まります。

それ以外の場合は、温度が500 closeCに近くない限り、その固体または粒状の形態は危険を表しません。酸化物の層で覆われている場合、湿度と反応しないため、素手で扱うことができます。しかし、他の固形物と同様に、目や気道を刺激します。

亜鉛は健康に不可欠ですが、過剰摂取は以下の症状や副作用を引き起こす可能性があります：

-吐き気、嘔吐、消化不良、頭痛、胃または下痢。

-腸での吸収中に銅と鉄を置換します。これは、四肢の衰弱の増加に反映されます。

- 腎臓結石。

-嗅覚の喪失。

用途

- 金属

合金

多くの楽器は真鍮、銅と亜鉛の合金で作られています。出典：Pxhere。

おそらく亜鉛は銅と並んで最も人気のある合金である真鍮と亜鉛めっき鉄を形成する金属の1つです。楽器の黄金色の輝きは、この銅亜鉛合金が原因の1つであるため、音楽のオーケストラ中に何度も真鍮が演奏されています。

金属亜鉛自体は多くの用途はありませんが、丸められたものは乾電池のアノードとして機能し、粉末の形態では還元剤として使用されます。この金属の層が別の層に電着されると、前者は後者を酸化しやすくするため、後者を腐食から保護します。つまり、亜鉛は鉄より先に酸化します。

これが、鋼に亜鉛メッキ（亜鉛コーティング）を施して耐久性を高めている理由です。これらの亜鉛メッキ鋼の例は、無限の「亜鉛」屋根にもあり、その一部には緑色の塗装が施されており、バス本体、家庭用品、吊り橋にもあります。

土木建築で使用されるアルミ亜鉛合金であるアルジンクもあります。

還元剤

亜鉛は良い還元剤なので、他の種が得るために電子を失います。特に金属カチオン。粉末状の場合、その還元作用は固体顆粒の場合よりもさらに速くなります。

鉱物から金属を得るプロセスで使用されます。ロジウム、銀、カドミウム、金、銅など。

同様に、その還元作用は、ベンゼンやガソリンなどの石油産業や製薬産業に関与している可能性のある有機種を還元するために使用されます。一方、亜鉛ダストは、アルカリ性亜鉛マンガン二酸化電池にも用途があります。

雑多

その反応性とより精力的な燃焼のために、亜鉛ダストはマッチヘッド、爆発物、花火（それらは白い閃光と緑がかった炎を与える）の添加剤として使用されます。

-化合物

硫化物

手と時間に蓄光塗料が付いた時計。出典：フランシス・フリンチ

硫化亜鉛は蓄光性および発光性の特性を持っているため、蓄光塗料の製造に使用されています。

酸化物

酸化物の白色、半導電性および光導電性は、セラミックや紙の顔料として使用されます。さらに、タルク、化粧品、ゴム、プラスチック、布地、医薬品、インク、エナメルにも含まれます。

栄養補助食品

私たちの体は、その重要な機能の多くを果たすために亜鉛を必要とします。それを得るために、それは酸化物、グルコン酸塩または酢酸塩の形でいくつかの栄養補助食品に組み込まれています。また、やけどや皮膚の炎症を和らげるクリームやシャンプーにも含まれています。

既知の、または亜鉛摂取に関連するいくつかの利点は次のとおりです。

-免疫システムを改善します。

-それは良い抗炎症剤です。

-風邪の煩わしい症状を軽減します。

-網膜の細胞損傷を防ぐため、視覚に推奨されます。

-テストステロンのレベルを調整するのに役立ち、男性の生殖能力、精子の質、筋肉組織の発達にも関連しています。

-脳のニューロン間の相互作用を調節します。これが、記憶と学習の改善にリンクされている理由です。

・また、下痢の治療にも効果があります。

これらの亜鉛サプリメントは、カプセル、錠剤、またはシロップとして市販されています。

生物学的役割

炭酸脱水酵素とカルボキシペプチダーゼ

亜鉛は人体の総酵素の10％、約300酵素の一部であると考えられています。中でも、炭酸脱水酵素、カルボキシペプチダーゼが挙げられる。

亜鉛依存性酵素である炭酸脱水酵素は、二酸化炭素と水との反応を触媒して重炭酸塩を形成することにより、組織レベルで作用します。重炭酸塩が肺に到達すると、酵素が反応を逆転させ、二酸化炭素が形成され、呼気中に外部に排出されます。

カルボキシペプチダーゼは、タンパク質を消化してアミノ酸を放出するエキソペプチダーゼです。亜鉛は、酵素と消化しているタンパク質との相互作用を促進する正電荷を供給することによって機能します。

前立腺が機能している

亜鉛は人体のさまざまな器官に存在しますが、前立腺と精液に最も高い濃度を持っています。亜鉛は、前立腺の適切な機能と男性の生殖器官の発達に関与しています。

亜鉛指

亜鉛はRNAとDNAの代謝に関与しています。ジンクフィンガー（Znフィンガー）は、タンパク質間の結合ブリッジとして機能する亜鉛原子で構成され、さまざまな機能に関与しています。

ジンクフィンガーは、DNAの読み取り、書き込み、および転写に役立ちます。さらに、全身の成長の恒常性に関連する機能でそれらを使用するホルモンがあります。

グルタミン酸の調節において

グルタミン酸は、大脳皮質と脳幹の主要な興奮性神経伝達物質です。亜鉛はグルタミン作動性シナプス前小胞に蓄積し、神経伝達物質グルタミン酸の放出の調節とニューロンの興奮性に介入します。

神経伝達物質グルタミン酸の誇張された放出には神経毒性作用があるかもしれないという証拠があります。したがって、その放出を調節するメカニズムがあります。したがって、亜鉛の恒常性は神経系の機能的調節において重要な役割を果たしています。

参考文献

1. 震えとアトキンス。（2008）。無機化学。（第4版）。Mc Graw Hill。
2. ウィキペディア。（2019）。亜鉛。から回復：en.wikipedia.org
3. マイケル・ピルガード。（2016年7月16日）。亜鉛：化学反応。回収元​​：pilgaardelements.com
4. 国立バイオテクノロジー情報センター。（2019）。亜鉛。PubChemデータベース。CID = 23994。リカバリー元：pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. ウォジェス・ライアン。（2019年6月25日）。亜鉛金属の特性と用途 回収元​​：thebalance.com
6. ケビン・A・ブドー氏。（sf）。亜鉛+硫黄。から回復：angelo.edu
7. アランW.リチャーズ。（2019年4月12日）。亜鉛処理。百科事典ブリタニカ。リカバリー元：britannica.com
8. 純度亜鉛金属。（2015）。業界のアプリケーション。回収元​​：purityzinc.com
9. Nordqvist、J.（2017年12月5日）。亜鉛の健康上の利点は何ですか？今日の医療ニュース。から回復：medicalnewstoday.com