Цинк

Эта статья о химическом элементе. Чтобы узнать о других значениях, см. Цинк (значения) .

Цинк, ₃₀ Zn

Цинк
Появление	серебристо-серый
Стандартный атомный вес А р °(Zn)
	65.38 ± 0.02 65,38 ± 0,02 ( сокращенно )
Цинк в таблице Менделеева
Водород Гелий Литий Бериллий Бор Углерод Азот Кислород Фтор Неон Натрий Магний Алюминий Кремний Фосфор сера хлор Аргон Калий Кальций Скандий Титан Ванадий Хром Марганец Железо Кобальт Никель Медь Цинк Галлий германий Мышьяк Селен Бром Криптон Рубидий Стронций Иттрий Цирконий Ниобий Молибден Технеций Рутений Родий Палладий Серебро Кадмий Индий Полагать Сурьма Теллур Йод Ксенон Цезий Барий Лантан Церий Празеодим Неодим Прометей Самарий европий Гадолиний Тербий Диспрозий Гольмий Эрбий Тулий Иттербий Париж Гафний Тантал вольфрам Рений Осмий Иридий Платина Золото Меркурий (стихия) Таллий Вести Висмут Полоний Астат Радон Франций Радий актиний Торий Протактиний Уран Нептун Плутоний Америций Суд Берклий Калифорния Эйнштейний Фермий Менделеев Благородный Лоуренс Резерфордий Дубниум Сиборгий борий Хассиус Мейтнерий Дармштадтий Рентгений Коперник нихоний Флеровий Московий Ливерморий Теннессин Оганессон – ↑ Зн ↓ компакт-диск медь ← цинк → галлий
Атомный номер ( Z )	30
Группа	группа 12
Период	период 4
Блокировать	d-блок
Электронная конфигурация	[ Ар ] 3d 10 4 с 2
Электроны на оболочку	2, 8, 18, 2
Физические свойства
Фаза в СТП	твердый
Температура плавления	692,68 К (419,53 ° С, 787,15 ° F)
Точка кипения	1180 К (907 °С, 1665 °F)
Плотность (при 20°С)	7,140 г/см 3
в жидком состоянии (при температуре плавления )	6,57 г/см 3
Теплота плавления	7,32 кДж/моль
Теплота испарения	115 кДж/моль
Молярная теплоемкость	25,470 Дж/(моль К)
Давление пара П   (Па) 1 10 100 1 тыс. 10 тысяч 100 тыс. при Т   (К) 610 670 750 852 990 1179
Атомные свойства
Стадии окисления	−2, 0, +1, +2 ( амфотерный оксид)
Электроотрицательность	Шкала Полинга: 1,65.
Энергии ионизации	1-й: 906,4 кДж/моль 2-й: 1733,3 кДж/моль 3-й: 3833 кДж/моль ( более )
Атомный радиус	эмпирический: 134 вечера
Ковалентный радиус	122±16:00
Радиус Ван-дер-Ваальса	139 вечера
Спектральные линии цинка
Другие объекты недвижимости
Естественное явление	первобытный
Кристаллическая структура	гексагональная плотноупакованная (ГПУ) ( hP2 )
Константы решетки	а = 266,46 вечера с = 494,55 вечера (при 20 ° C)
Тепловое расширение	30.08 × 10 −6 /К (при 20 °С)
Теплопроводность	116 Вт/(м⋅К)
Электрическое сопротивление	59,0 нОм⋅м (при 20 °C)
Магнитный заказ	диамагнитный
Молярная магнитная восприимчивость	−11.4 × 10 −6 см 3 /mol (298 K)
Модуль Юнга	108 ГПа
Модуль сдвига	43 ГПа
Объемный модуль	70 ГПа
Скорость звука тонкого стержня	3850 м/с (при комнатной температуре ) (в прокате)
коэффициент Пуассона	0.25
Твердость по шкале Мооса	2.5
Твердость по Бринеллю	327–412 МПа
Номер CAS	7440-66-6
История
Открытие	Индийские металлурги (до 1000 г. до н. э. )
Первая изоляция	Андреас Сигизмунд Маргграф (1746)
Признан уникальным металлом	Расаратна Самуккая (1300 г.)
Изотопы цинка
Основные изотопы Разлагаться abun­dance период полураспада ( т 1/2 ) режим pro­duct 64 Зн 49.2% стабильный 65 Зн синтезатор 244 д. б + 65 С 66 Зн 27.7% стабильный 67 Зн 4% стабильный 68 Зн 18.5% стабильный 69 Зн синтезатор 56 мин. б − 69 Здесь 69 м Зн синтезатор 13,8 ч. б − 69 Здесь 70 Зн 0.6% стабильный 71 Зн синтезатор 2,4 мин. б − 71 Здесь 71 м Зн синтезатор 4 часа б − 71 Здесь 72 Зн синтезатор 46,5 ч. б − 72 Здесь

Цинк — это химический элемент с символом Zn и атомным номером 30. Это слегка хрупкий металл при комнатной температуре , а после удаления окисления он имеет блестящий сероватый вид. Это первый элемент в группе 12 (IIB) таблицы Менделеева . В некоторых отношениях цинк химически подобен магнию : оба элемента имеют только одну нормальную степень окисления (+2), а Zn ²⁺ и мг ²⁺ ионы имеют одинаковый размер. Цинк является 24-м по распространенности элементом в земной коре и имеет пять стабильных изотопов . Наиболее распространенной цинковой рудой является сфалерит (цинковая обманка), минерал сульфид цинка . Крупнейшие работоспособные залежи находятся в Австралии, Азии и США. Цинк очищается путем пенной флотации руды, обжига и окончательной экстракции с использованием электричества ( электродобыча ).

Цинк является важным микроэлементом для человека, животные, растения и для микроорганизмов и необходим для пренатального и постнатального развития. Это второй по распространенности микроэлемент в организме человека после железа и единственный металл, который присутствует во всех классах ферментов . Цинк также является важным питательным элементом для роста кораллов, поскольку он является важным кофактором для многих ферментов.

Дефицит цинка затрагивает около двух миллиардов человек в развивающихся странах и связан со многими заболеваниями. У детей дефицит вызывает задержку роста, задержку полового созревания, восприимчивость к инфекциям и диарею . Ферменты с атомом цинка в реактивном центре широко распространены в биохимии, например алкогольдегидрогеназа человека. Потребление избытка цинка может вызвать атаксию , летаргию и дефицит меди . В морских биомах, особенно в полярных регионах, дефицит цинка может поставить под угрозу жизнеспособность первичных сообществ водорослей, потенциально дестабилизируя сложные морские трофические структуры и, следовательно, влияя на биоразнообразие.

Латунь , сплав меди и цинка в различных пропорциях, использовалась еще в третьем тысячелетии до нашей эры в Эгейском регионе и регионе, который в настоящее время включает Ирак , Объединенные Арабские Эмираты , Калмыкию , Туркменистан и Грузию . Во втором тысячелетии до нашей эры его использовали в таких регионах, как Западная Индия , Узбекистан , Иран , Сирия , Ирак и Израиль . цинк Металлический не производился в больших масштабах до XII века в Индии, хотя он был известен древним римлянам и грекам. Шахты Раджастана предоставили убедительные доказательства производства цинка еще в VI веке до нашей эры. Самые старые свидетельства наличия чистого цинка происходят из Завара в Раджастане еще в 9 веке нашей эры, когда для получения чистого цинка использовался процесс дистилляции. Алхимики сжигали цинк на воздухе, образуя то, что они называли « философской шерстью » или «белым снегом».

Элемент, вероятно, был назван алхимиком Парацельсом в честь немецкого слова Zinke (зубец, зуб). Немецкому химику Андреасу Сигизмунду Маргграфу приписывают открытие чистого металлического цинка в 1746 году. Работы Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта открыли электрохимические свойства цинка к 1800 году. цинкование Коррозионностойкое железа ( горячее цинкование ) является основным применением цинка. . Другие области применения — электрические батареи , небольшие неконструкционные отливки и сплавы, такие как латунь. Обычно используются различные соединения цинка, такие как карбонат и глюконат цинка (в качестве пищевых добавок), хлорид цинка (в дезодорантах), пиритион цинка (шампуни против перхоти ), сульфид цинка (в люминесцентных красках), а также диметилцинк или диэтилцинк. в органической лаборатории.

Характеристики

Физические свойства

Цинк — голубовато-белый блестящий диамагнитный металл. хотя наиболее распространенные коммерческие сорта металла имеют матовую поверхность. Он несколько менее плотен, чем железо , и имеет гексагональную кристаллическую структуру с искаженной формой гексагональной плотной упаковки , в которой каждый атом имеет шесть ближайших соседей (на расстоянии 265,9 пм) в своей плоскости и шесть других на большем расстоянии 290,6 пм. . Металл твердый и хрупкий при большинстве температур, но становится податливым при температуре от 100 до 150 °C. При температуре выше 210 °C металл снова становится хрупким и его можно измельчить при избиении. Цинк является хорошим проводником электричества . Для металла цинк имеет относительно низкие температуры плавления (419,5 °С) и температуры кипения (907 °С). Температура плавления самая низкая из всех металлов d-блока, за исключением ртути и кадмия ; по этой причине, среди прочего, цинк, кадмий и ртуть часто не считаются переходными металлами, как остальные металлы d-блока.

Многие сплавы содержат цинк, в том числе латунь. Другими металлами, которые, как давно известно, образуют бинарные сплавы с цинком, являются алюминий , сурьма , висмут , золото , железо, свинец , ртуть, , олово серебро , магний , кобальт , никель , теллур и натрий . Хотя ни цинк, ни цирконий не являются ферромагнитными , их сплав ZrZn
₂ , демонстрирует ферромагнетизм ниже К. 35

возникновение

См. Также: Минералы цинка.

Цинк составляет около 75 ppm (0,0075%) земной коры , что делает его 24-м по распространенности элементом. Он также составляет 312 частей на миллион в Солнечной системе, где он является 22-м по распространенности элементом. Типичные фоновые концентрации цинка не превышают 1 мкг/м. ³ в атмосфере; 300 мг/кг в почве; 100 мг/кг в растительности; 20 мкг/л в пресной воде и 5 мкг/л в морской воде. Этот элемент обычно встречается в рудах в сочетании с другими , такими как медь и свинец недрагоценными металлами . Цинк является халькофилом , то есть этот элемент чаще всего встречается в минералах вместе с серой и другими тяжелыми халькогенами , а не с легким халькогенным кислородом или с нехалькогенными электроотрицательными элементами, такими как галогены . Сульфиды образовались в результате затвердевания коры в восстановительных условиях ранней атмосферы Земли. Сфалерит , представляющий собой форму сульфида цинка, является наиболее широко добываемой цинксодержащей рудой, поскольку его концентрат содержит 60–62% цинка.

Другие минералы-источники цинка включают смитсонит ( карбонат цинка ), гемиморфит ( силикат цинка ), вюрцит (еще один сульфид цинка) и иногда гидроцинцит (основной карбонат цинка ). За исключением вюрцита, все остальные минералы образовались в результате выветривания первичных сульфидов цинка.

Выявленные мировые ресурсы цинка составляют около 1,9–2,8 млрд тонн . Крупные месторождения находятся в Австралии, Канаде и США, крупнейшие запасы — в Иране . Самая последняя оценка базы запасов цинка (соответствующей установленным минимальным физическим критериям, связанным с текущей практикой добычи и производства) была сделана в 2009 году и составила примерно 480 млн тонн. Запасы цинка, с другой стороны, представляют собой геологически идентифицированные рудные тела, пригодность к извлечению которых экономически обоснована (местоположение, содержание, качество и количество) на момент определения. Поскольку разведка и разработка месторождений являются непрерывным процессом, объем запасов цинка не является фиксированным числом, и об устойчивости поставок цинковой руды нельзя судить, просто экстраполируя совокупный срок службы сегодняшних цинковых рудников. Эта концепция хорошо подтверждается данными Геологической службы США (USGS), которые показывают, что, хотя производство рафинированного цинка увеличилось на 80% в период с 1990 по 2010 год, срок службы запасов цинка остался неизменным. За всю историю до 2002 года было добыто около 346 миллионов тонн, а по оценкам ученых, используется около 109–305 миллионов тонн.

Сфалерит (ZnS)

изотопы

Основная статья: Изотопы цинка

В природе встречаются пять стабильных изотопов цинка. ⁶⁴ Zn является наиболее распространенным изотопом (49,17% естественного содержания ). Другие изотопы, встречающиеся в природе: ⁶⁶
Цинк (27,73%), ⁶⁷
Цинк (4,04%), ⁶⁸
Zn (18,45%) и ⁷⁰
Цинк (0,61%).

несколько десятков радиоизотопов . Охарактеризовано ⁶⁵
Zn , период полураспада которого составляет 243,66 дней, является наименее активным радиоизотопом, за ним следует ⁷²
Zn с периодом полураспада 46,5 часов. Цинк имеет 10 ядерных изомеров , из которых ^{69 м} Zn имеет самый длинный период полураспада — 13,76 часа. Верхний индекс m указывает на метастабильный изотоп. Ядро метастабильного изотопа находится в возбужденном состоянии и вернется в основное состояние, испуская фотон в виде гамма-излучения . ⁶¹
Zn имеет три возбужденных метастабильных состояния и ⁷³
У Зна их два. Изотопы ⁶⁵
Зн , ⁷¹
Зн , ⁷⁷
Цинк и ⁷⁸
Каждый Zn имеет только одно возбужденное метастабильное состояние.

Наиболее распространенным способом распада радиоизотопа массовым цинка с числом менее 66 является захват электрона . Продукт распада в результате захвата электронов представляет собой изотоп меди.

^н
₃₀ Зн
+
и ⁻
→ ^н
₂₉ у.е.

Наиболее распространенным типом распада радиоизотопа цинка с массовым числом более 66 является бета-распад (β ⁻ ), который производит изотоп галлия .

^н
₃₀ Зн
→ ^н
₃₁ млрд лет
+
и ⁻
+
н
_и

Соединения и химия

Основная статья: Соединения цинка

Реактивность

Смотрите также: сокращение Клемменсена

Цинк имеет электронную конфигурацию [Ar]3d. ¹⁰ 4 с ² и является членом 12 группы периодической таблицы . Это умеренно активный металл и сильный восстановитель . Поверхность чистого металла быстро тускнеет , со временем образуя защитный пассивирующий слой основного цинка карбоната Zn.
₅ (О)
₆ ( _СО3 )
₂ , по реакции с атмосферным углекислым газом .

Цинк горит на воздухе ярким голубовато-зеленым пламенем, выделяя пары оксида цинка . Цинк легко реагирует с кислотами , щелочами и другими неметаллами. очень медленно . Чрезвычайно чистый цинк при комнатной температуре реагирует с кислотами Сильные кислоты, такие как соляная или серная кислота , могут удалить пассивирующий слой, и в результате последующей реакции с кислотой выделяется газообразный водород.

В химии цинка преобладает степень окисления +2. При образовании соединений в этой степени окисления электроны внешней теряются оболочки , в результате чего образуется голый ион цинка с электронной конфигурацией [Ar]3d. ¹⁰ . В водном растворе октаэдрический комплекс [Zn(H
_2О ) ₆ ] ²⁺
является преобладающим видом. Испарение . цинка в сочетании с хлоридом цинка при температуре выше 285 °С указывает на образование Zn
₂ кл.
₂ , соединение цинка со степенью окисления +1. Никакие соединения цинка в положительных степенях окисления, кроме +1 или +2, не известны. Расчеты показывают, что соединение цинка со степенью окисления +4 маловероятно. Предполагается, что Zn(III) существует в присутствии сильно электроотрицательных трианионов; однако существуют некоторые сомнения относительно этой возможности. Но в 2021 году было сообщено о другом соединении с большим количеством доказательств, которое имело степень окисления +3 с формулой ZnBeB ₁₁ (CN) ₁₂ .

Химия цинка аналогична химии поздних переходных металлов первого ряда, никеля и меди, хотя он имеет заполненную d-оболочку, а соединения диамагнитны и в основном бесцветны. Ионные радиусы цинка и магния почти одинаковы. Из-за этого некоторые из эквивалентных солей имеют одинаковую кристаллическую структуру . а в других обстоятельствах, когда ионный радиус является определяющим фактором, химический состав цинка имеет много общего с химическим составом магния. В остальном сходства с поздними переходными металлами первого ряда мало. Цинк склонен образовывать связи с большей степенью ковалентности и гораздо более устойчивые комплексы с N- и S -донорами. Комплексы цинка преимущественно 4- или 6- координатные , хотя известны и 5-координатные.

Соединения цинка(I)

Соединения цинка(I) встречаются очень редко. [Zn ₂ ] ²⁺ Ион участвует в образовании желтого диамагнитного стекла при растворении металлического цинка в расплавленном ZnCl ₂ . [Zn ₂ ] ²⁺ ядро будет аналогично [Hg ₂ ] ²⁺ катион присутствует в соединениях ртути (I). Диамагнитная . природа иона подтверждает его димерную структуру Первое соединение цинка(I), содержащее связь Zn–Zn, (η ⁵ -C ₅ Me ₅ ) ₂ Zn ₂ .

Соединения цинка(II)

Ацетат цинка , Zn(CH
₃ СО
₂ )
₂

Хлорид цинка

Бинарные соединения цинка известны для большинства металлоидов и всех неметаллов , кроме благородных газов . Оксид ZnO представляет собой белый порошок, почти нерастворимый в нейтральных водных растворах, но амфотерный , растворяющийся как в сильноосновных, так и в кислых растворах. Другие халькогениды ( ZnS , ZnSe и ZnTe ) имеют разнообразное применение в электронике и оптике. Пниктогениды ( Zn
₃ Н
₂ , Цинк
₃3П
₂ , Цинк
₃ Как
₂ и цинк
₃3Сб
₂ ), перекись ( ZnO
₂ ), гидрид ( ZnH
₂ ) и карбид ( ZnC
₂ ) также известны. четырех галогенидов ZnF Из
₂ имеет наиболее ионный характер, а остальные ( ZnCl
₂ , ZnBr
₂ и ЗнИ
₂ ) имеют относительно низкие температуры плавления и считаются более ковалентными.

В слабых основных растворах, содержащих Zn ²⁺
ионы, гидроксид Zn(OH)
₂ образуется в виде белого осадка . В более сильнощелочных растворах этот гидроксид растворяется с образованием цинкатов ( [Zn(OH) ₄ ] ²⁻
). Нитрат Zn(NO ₃ )
₂ , хлорат Zn(ClO ₃ )
₂ , сульфат ZnSO
₄ , фосфат Zn
₃ (ПО ₄ )
₂ , молибдат ZnMoO
₄ , цианид Zn(CN)
₂ , арсенит Zn(AsO ₂ )
₂ , арсенат Zn(AsO ₄ )
₂ 8Ч
₂ O и хромат ZnCrO
₄ (одно из немногих цветных соединений цинка) являются несколькими примерами других распространенных неорганических соединений цинка.

Цинкорганические соединения – это соединения, содержащие цинк– углерод ковалентные связи . Диэтилцинк ( (C
₂ Ч ₅ )
₂ Zn ) — реагент в синтетической химии. Впервые о нем сообщили в 1848 году в результате реакции цинка и этилиодида , и это было первое известное соединение, содержащее сигма-связь металл-углерод .

Тест на цинк

Кобальтицианидная бумага (тест Риннмана на цинк) может использоваться в качестве химического индикатора цинка. 4 г K ₃ Co(CN) ₆ и 1 г KClO ₃ растворяют в 100 мл воды. Бумагу погружают в раствор и сушат при температуре 100°С. Одну каплю образца капают на сухую бумагу и нагревают. Зеленый диск указывает на наличие цинка.

История

Древнее использование

Были обнаружены различные единичные примеры использования нечистого цинка в древности. Цинковые руды использовались для изготовления латуни из сплава цинка и меди за тысячи лет до открытия цинка как отдельного элемента. Иудейская латунь XIV-X веков до нашей эры содержит 23% цинка.

Знания о том, как производить латунь, распространились в Древнюю Грецию к VII веку до нашей эры, но ее разновидностей было создано мало. украшения из сплавов , содержащих 80–90% цинка, остальную часть составляют свинец, железо, сурьма и другие металлы, возраст которых составляет 2500 лет. Были обнаружены Возможно, доисторическая статуэтка, содержащая 87,5% цинка, была найдена на археологическом участке Дака .

Страбон , писавший в I веке до нашей эры (но цитируя ныне утерянную работу историка Теопомпа, жившего в IV веке до нашей эры ), упоминает «капли ложного серебра», которые при смешивании с медью образуют латунь. Это может относиться к небольшим количествам цинка, который является побочным продуктом плавки сульфидных руд. Цинк в таких остатках в плавильных печах обычно выбрасывали, поскольку считали его бесполезным.

Производство латуни было известно римлянам примерно к 30 г. до н.э. Они изготавливали латунь, нагревая в тигле порошкообразный каламин ( силикат или карбонат цинка), древесный уголь и медь. Полученную каламиновую латунь затем отливали или заковывали в форму для использования в оружии. Некоторые монеты, отчеканенные римлянами в христианскую эпоху, изготовлены, вероятно, из каламиновой латуни.

Позднеримское латунное ведро - Хеммурер Эймер из Варстаде, Германия, второй-третий век нашей эры.

Самые старые известные таблетки были изготовлены из карбонатов цинка, гидроцинцита и смитсонита. Таблетки применялись от боли в глазах и были найдены на борту римского корабля «Релитто дель Поццино» , потерпевшего крушение в 140 году до нашей эры.

Бернская цинковая табличка — это вотивная табличка времен Римской Галлии, изготовленная из сплава, состоящего в основном из цинка.

Чарака -самхита , предположительно, была написана между 300 и 500 годами нашей эры. упоминается металл, который при окислении образует пушпанджан , предположительно оксид цинка. Цинковые рудники в Заваре, недалеко от Удайпура в Индии, действовали со времен Маурьев ( ок. 322 и 187 гг. до н. э.). Однако выплавка металлического цинка здесь, по-видимому, началась примерно в 12 веке нашей эры. По одной из оценок, в этом месте с XII по XVI века производилось около миллиона тонн металлического цинка и оксида цинка. По другой оценке, общий объем производства металлического цинка за этот период составит 60 000 тонн. В « Расаратна Самуккая» , написанной примерно в 13 веке нашей эры, упоминаются два типа цинксодержащих руд: один используется для добычи металлов, а другой — в лечебных целях.

Ранние исследования и именование

Цинк был четко признан как металл под обозначением Ясада или Джасада в медицинском лексиконе, приписываемом индуистскому королю Маданапале (из династии Така) и написанном около 1374 года. Плавка и извлечение нечистого цинка путем восстановления каламина шерстью и другими органическими веществами была осуществлена ​​в 13 веке в Индии. Китайцы узнали об этой технике только в 17 веке.

Алхимический символ элемента цинка.

Алхимики сжигали металлический цинк на воздухе и собирали полученный оксид цинка на конденсаторе . Некоторые алхимики называли этот оксид цинка lana philosophica , что по латыни означает «философская шерсть», потому что он собирался в шерстяные пучки, тогда как другие считали, что он похож на белый снег, и называли его nix album .

Название металла, вероятно, было впервые задокументировано Парацельсом , немецким алхимиком швейцарского происхождения, который называл этот металл «цинком» или «цинкеном» в своей книге « Liber Mineralium II » в 16 веке. Слово, вероятно, происходит от немецкого zinke и предположительно означает «зубчатый, заостренный или зазубренный» (металлические кристаллы цинка имеют игольчатый вид). Цинк также может означать «похожий на олово» из-за его родства с немецким zinn, означающим олово. Еще одна возможность заключается в том, что это слово происходит от персидского слова سنگ seng, что означает камень. Металл также называли индийским оловом , тутанего , каламином , прядильным .

Немецкий металлург Андреас Либавиус получил некоторое количество того, что он назвал «калай» (от малайского или хинди слова, обозначающего олово), происходящего из Малабара с грузового корабля, захваченного у португальцев в 1596 году. Либавиус описал свойства образца, которым мог быть цинк. Цинк регулярно импортировался в Европу с Востока в 17 и начале 18 веков. но иногда было очень дорого.

Изоляция

Андреасу Сигизмунду Маргграфу приписывают первое выделение чистого цинка.

Металлический цинк был выделен в Индии к 1300 году нашей эры. Прежде чем он был изолирован в Европе, он был импортирован из Индии примерно в 1600 году нашей эры. Постлуэйта В «Универсальном словаре» , современном источнике технологической информации в Европе, цинк не упоминался до 1751 года, но этот элемент изучался и раньше.

Фламандский металлург и алхимик П. М. де Респур сообщил, что в 1668 году он извлек металлический цинк из оксида цинка. К началу XVIII века Этьен Франсуа Жоффруа описал, как оксид цинка конденсируется в виде желтых кристаллов на железных слитках, помещенных над плавкой цинковой руды. Говорят , что в Великобритании Джон Лейн проводил эксперименты по выплавке цинка, вероятно, в Ландоре , до своего банкротства в 1726 году.

В 1738 году в Великобритании Уильям Чемпион запатентовал процесс извлечения цинка из каламина в плавильной печи с вертикальной ретортой . Его техника напоминала ту, что использовалась на цинковых рудниках Завар в Раджастхане , но нет никаких доказательств того, что он посещал Восток. Процесс Чемпиона использовался до 1851 года.

Немецкому химику Андреасу Маргграфу обычно приписывают выделение чистого металлического цинка на Западе, хотя шведский химик Антон фон Сваб четыре года назад перегнал цинк из каламина. В своем эксперименте 1746 года Маргграф нагрел смесь каламина и древесного угля в закрытом сосуде без меди, чтобы получить металл. Эта процедура стала коммерчески практичной к 1752 году.

Более поздняя работа

Гальванизация была названа в честь Луиджи Гальвани .

Брат Уильяма Чемпиона, Джон, в 1758 году запатентовал процесс обжига сульфида цинка до оксида, пригодного для использования в автоклаве. До этого для производства цинка можно было использовать только каламин. В 1798 году Иоганн Кристиан Руберг усовершенствовал процесс плавки, построив первую горизонтальную ретортную печь. Жан-Жак Даниэль Дони построил в Бельгии горизонтальный цинковый завод другого типа, который перерабатывал еще больше цинка. В 1780 году итальянский врач Луиджи Гальвани обнаружил, что соединение спинного мозга только что препарированной лягушки с железной перекладиной, прикрепленной латунным крючком, вызывает подергивание лапки лягушки. Он ошибочно полагал, что открыл способность нервов и мышц создавать электричество , и назвал этот эффект « животным электричеством ». Гальванический элемент и процесс гальванизации были названы в честь Луиджи Гальвани, и его открытия проложили путь к электрическим батареям , гальванизации и катодной защите .

Друг Гальвани, Алессандро Вольта , продолжил исследование этого эффекта и в 1800 году изобрел Вольтов столб . Кучка Вольты состояла из стопки упрощенных гальванических элементов , каждая из которых представляла собой одну пластину из меди и одну из цинка, соединенных электролитом . При последовательном соединении этих блоков гальваническая батарея (или «батарея») в целом имела более высокое напряжение, и ее можно было использовать легче, чем отдельные элементы. Электричество вырабатывается потому, что потенциал Вольта между двумя металлическими пластинами заставляет электроны течь из цинка в медь и разъедать цинк.

Немагнитный характер цинка и отсутствие цвета в растворе задержали открытие его важности для биохимии и питания. Ситуация изменилась в 1940 году, когда было обнаружено, что карбоангидраза , фермент, очищающий кровь от углекислого газа, содержит цинк в активном центре . Пищеварительный фермент карбоксипептидаза стал вторым известным цинксодержащим ферментом в 1955 году.

Производство

Добыча и переработка

Объемы производства цинка на рудниках (по странам) в 2019 г.

Классифицировать	Страна	Тонны
1	Китай	4,210,000
2	Перу	1,400,000
3	Австралия	1,330,000
5	Соединенные Штаты	753,000
4	Индия	720,000
6	Мексика	677,000

Основные статьи: Добыча цинка и выплавка цинка

См. Также: Список стран по производству цинка.

Цена цинка

Процент производства цинка в 2006 г. по странам

Тенденция мирового производства

Цинковый рудник Рош-Пина, Намибия
27 ° 57'17 "N 016 ° 46'00" E

Цинковая шахта Скорпион, Намибия
27°49′09″S 016°36′28″E

Цинк является четвертым по распространенности используемым металлом, уступая только железу , алюминию и меди , годовой объем производства которого составляет около 13 миллионов тонн. Крупнейшим в мире производителем цинка является компания Nyrstar , образовавшаяся в результате слияния австралийской OZ Minerals и бельгийской Umicore . Около 70% цинка в мире производится в результате добычи полезных ископаемых, а остальные 30% — в результате переработки вторичного цинка.

Коммерчески чистый цинк известен как Special High Grade, часто сокращенно SHG , и имеет чистоту 99,995%.

Во всем мире 95% нового цинка добывается из месторождений сульфидных руд, в которых сфалерит (ZnS) почти всегда смешан с сульфидами меди, свинца и железа. Цинковые рудники разбросаны по всему миру, основные районы — Китай, Австралия и Перу. В 2014 году Китай произвел 38% мирового производства цинка.

Цинк металлический производят с помощью добывающей металлургии . Руду тонко измельчают, затем подвергают пенной флотации для отделения минералов от пустой породы (по свойству гидрофобности ) и получения концентрата сульфидной цинковой руды. состоит примерно из 50% цинка, 32% серы, 13% железа и 5% SiO.
₂ .

Обжиг превращает концентрат сульфида цинка в оксид цинка:

${\ce {2ZnS + 3O2 ->[t^o] 2ZnO + 2SO2}}$

Диоксид серы используется для производства серной кислоты, необходимой для процесса выщелачивания. месторождения карбоната цинка , силиката цинка или цинк-шпинелида (например, месторождение Скорпион в Намибии ), то обжиг можно не проводить. Если для производства цинка используются

Для дальнейшей переработки используются два основных метода: пирометаллургия или электролиз . Пирометаллургия восстанавливает оксид цинка углеродом или монооксидом углерода при 950 ° C (1740 ° F) до металла, который перегоняется в виде паров цинка, чтобы отделить его от других металлов, которые не летучие при этих температурах. Пары цинка собираются в конденсаторе. Уравнения ниже описывают этот процесс:

${\ce {ZnO + C ->[950^oC] Zn + CO}}$

${\ce {ZnO + CO ->[950^oC] Zn + CO2}}$

При электролизе цинк выщелачивается из рудного концентрата серной кислотой и осаждаются примеси:

${\ce {ZnO + H2SO4 -> ZnSO4 + H2O}}$

Наконец, цинк восстанавливается электролизом .

${\ce {2ZnSO4 + 2H2O -> 2Zn + O2 + 2H2SO4}}$

Серная кислота регенерируется и возвращается на стадию выщелачивания.

Когда оцинкованное сырье подается в электродуговую печь , цинк извлекается из пыли с помощью ряда процессов, преимущественно вельц-процесса (90% по состоянию на 2014 год).

Воздействие на окружающую среду

При переработке сульфидных цинковых руд образуются большие объемы диоксида серы и кадмия паров . Металлургический шлак и другие отходы содержат значительное количество металлов. в бельгийских городах Ла-Каламин и Пломбьер было добыто и выплавлено около 1,1 миллиона тонн металлического цинка и 130 тысяч тонн свинца. С 1806 по 1882 год Отвалы прошлых горных работ выщелачивают цинк и кадмий, а отложения реки Гёль содержат нетривиальные количества металлов. Около двух тысяч лет назад выбросы цинка при добыче и плавке металла составляли 10 тысяч тонн в год. После увеличения в 10 раз по сравнению с 1850 годом выбросы цинка достигли пика в 3,4 миллиона тонн в год в 1980-х годах и снизились до 2,7 миллиона тонн в 1990-х годах, хотя исследование арктической тропосферы в 2005 году показало, что концентрации там не отражают снижения. Техногенные и естественные выбросы происходят в соотношении 20 к 1.

Содержание цинка в реках, протекающих через промышленные и горнодобывающие районы, может достигать 20 частей на миллион. Эффективная очистка сточных вод значительно снижает это явление; обработка вдоль Рейна , например, привела к снижению уровня цинка до 50 частей на миллиард. Концентрация цинка всего в 2 ppm отрицательно влияет на количество кислорода, которое рыбы могут переносить в крови.

Исторически ответственен за высокий уровень металлов в реке Дервент . цинковый завод в Лутане штата является крупнейшим экспортером в Тасмании, производя 2,5% ВВП и производя более 250 000 тонн цинка в год.

Почвы, загрязненные цинком в результате добычи, переработки или внесения цинксодержащих осадков, могут содержать несколько граммов цинка на килограмм сухой почвы. Уровни цинка, превышающие 500 частей на миллион в почве, мешают растениям поглощать другие важные металлы , такие как железо и марганец . В некоторых образцах почвы были зафиксированы уровни цинка от 2000 до 180 000 частей на миллион (18%).

Приложения

Основные области применения цинка включают, с процентами, указанными для США.

1. Цинкование (55%)
2. Латунь и бронза (16%)
3. Другие сплавы (21%)
4. Разное (8%)

Антикоррозия и аккумуляторы

горячей Перила с оцинковкой и кристаллической поверхностью

Цинк жертвенный анод

Цинк чаще всего используется в качестве антикоррозионного агента . и гальванизация (покрытие железа или стали ) является наиболее распространенной формой. В 2009 году в США для гальванизации было использовано 55% или 893 000 тонн металлического цинка.

Цинк более реакционноспособен, чем железо или сталь, и поэтому будет притягивать почти все местные окисления, пока не полностью корродирует. Защитный поверхностный слой из оксида и карбоната ( Zn
₅ (О)
₆ (КО
₃ )
₂ ) образуется при коррозии цинка. Эта защита сохраняется даже после того, как слой цинка поцарапается, но со временем ухудшается по мере коррозии цинка. Цинк наносится электрохимически или в виде расплавленного цинка путем горячего цинкования или распыления. Гальванизация применяется при изготовлении сетчатых ограждений, ограждений, подвесных мостов, фонарных столбов, металлических крыш, теплообменников и кузовов автомобилей.

Относительная реакционная способность цинка и его способность притягивать к себе окисление делают его эффективным жертвенным анодом в катодной защите (CP). Например, катодную защиту заглубленного трубопровода можно обеспечить, подключив к трубе аноды из цинка. Цинк действует как анод (отрицательный конец), медленно разъедая при прохождении электрического тока по стальному трубопроводу. Цинк также используется для катодной защиты металлов, подвергающихся воздействию морской воды. Цинковый диск, прикрепленный к железному рулю корабля, будет медленно корродировать, пока руль останется целым. Аналогичным образом временную защиту обеспечивает цинковая заглушка, прикрепленная к гребному винту, или металлическое защитное ограждение киля корабля.

При стандартном электродном потенциале (SEP) -0,76 В цинк используется в качестве анодного материала для батарей. (Более реактивный литий (SEP -3,04 В) используется для анодов в литиевых батареях ). Порошок цинка используется таким образом в щелочных батареях , а корпус (который также служит анодом) цинк-угольных батарей изготавливается из листового цинка. Цинк используется в качестве анода или топлива воздушно-цинковой батареи /топливного элемента. окислительно-восстановительной батарее цинк-цериевой В проточной также используется отрицательный полуэлемент на основе цинка.

Сплавы

Широко используемым цинковым сплавом является латунь, в которой медь легирована от 3% до 45% цинка, в зависимости от типа латуни. Латунь, как правило, более пластична и прочна, чем медь, и обладает превосходной коррозионной стойкостью . Эти свойства делают его полезным в коммуникационном оборудовании, оборудовании, музыкальных инструментах и ​​водяных клапанах.

Микроструктура из литой латуни при увеличении в 400 раз.

Другие широко используемые сплавы цинка включают нейзильбер , металл пишущей машинки, мягкий и алюминиевый припой , а также техническую бронзу . Цинк также используется в современных органах в качестве заменителя традиционного сплава свинца и олова в трубках. Сплавы 85–88 % цинка, 4–10 % меди и 2–8 % алюминия находят ограниченное применение в некоторых типах машинных подшипников. Цинк является основным металлом в американских одноцентовых монетах (пенни) с 1982 года. Цинковая сердцевина покрыта тонким слоем меди, что придает ей вид медной монеты. В 1994 году 33 200 тонн (36 600 коротких тонн) цинка было использовано для производства 13,6 миллиардов пенни в Соединенных Штатах.

Сплавы цинка с небольшим количеством меди, алюминия и магния полезны при литье под давлением, а также центробежном литье , особенно в автомобильной, электротехнической и аппаратной промышленности. Эти сплавы продаются под названием Zamak . Примером этого является цинк-алюминий . Низкая температура плавления в сочетании с низкой вязкостью сплава делает возможным производство небольших и сложных форм. Низкая рабочая температура приводит к быстрому охлаждению отлитых изделий и быстрой подготовке к сборке. Другой сплав, продаваемый под торговой маркой Prestal, содержит 78% цинка и 22% алюминия. Сообщается, что он почти такой же прочный, как сталь, но такой же податливый, как пластик. Такая сверхпластичность сплава позволяет формовать его с помощью литья под давлением из керамики и цемента.

Подобные сплавы с добавлением небольшого количества свинца можно подвергать холодной прокатке в листы. Сплав, состоящий из 96% цинка и 4% алюминия, используется для изготовления штампов для мелкосерийного производства, для которых штампы из черных металлов были бы слишком дорогими. Для фасадов зданий, кровли и других применений листового металла, полученного методом глубокой вытяжки , профилирования или гибки сплавы цинка с титаном и медью. , используются Нелегированный цинк слишком хрупок для этих производственных процессов.

Как плотный, недорогой и легко обрабатываемый материал, цинк используется в качестве заменителя свинца . В связи с проблемой свинца цинк появляется в гирях для различных применений, начиная от рыбалки и заканчивая рыбной ловлей. для балансировки шин и маховиков.

Теллурид кадмия-цинка (CZT) представляет собой полупроводниковый сплав, который можно разделить на множество небольших сенсорных устройств. Эти устройства похожи на интегральную схему и могут определять энергию входящих гамма- фотонов. Находясь за поглощающей маской, массив датчиков CZT может определять направление лучей.

Другое промышленное использование

Оксид цинка используется в качестве белого пигмента в красках .

Примерно четверть всего производства цинка в США в 2009 году потреблялась в виде соединений цинка; многие из них используются в промышленности. Оксид цинка широко используется в качестве белого пигмента в красках и в качестве катализатора при производстве резины для рассеивания тепла. Оксид цинка используется для защиты резиновых полимеров и пластмасс от ультрафиолетового излучения (УФ). Полупроводниковые варисторах свойства оксида цинка делают его полезным в и фотокопировальных устройствах. Цикл цинк-оксид цинка представляет собой двухэтапный термохимический процесс, основанный на использовании цинка и оксида цинка для производства водорода .

Хлорид цинка часто добавляют в пиломатериалы в качестве антипирена. а иногда и в качестве консерванта для древесины . Его используют при производстве других химикатов. Цинк метил ( Zn(CH ₃ )
₂ ) используется в ряде органических синтезов . Сульфид цинка (ZnS) используется в люминесцентных пигментах, таких как стрелки часов, рентгеновские и телевизионные экраны, а также в светящихся красках . Кристаллы ZnS используются в лазерах , работающих в средней инфракрасной части спектра. Сульфат цинка входит в состав красителей и пигментов. Цинк-пиритион используется в необрастающих красках.

Цинковый порошок иногда используется в качестве топлива в моделях ракет . При воспламенении сжатой смеси порошка из 70% цинка и 30% серы происходит бурная химическая реакция. При этом образуется сульфид цинка вместе с большим количеством горячего газа, тепла и света.

Листовой цинк используется в качестве прочного покрытия для крыш, стен и столешниц, последнее часто встречается в бистро и устричных барах , и известен своим деревенским видом, придаваемым окислением его поверхности при использовании до сине-серой патины и восприимчивостью к царапая.

⁶⁴
Zn , наиболее распространенный изотоп цинка, очень восприимчив к нейтронной активации , превращаясь в высокорадиоактивный элемент. ⁶⁵
Zn , который имеет период полураспада 244 дня и производит интенсивное гамма-излучение . Из-за этого оксид цинка, используемый в ядерных реакторах в качестве антикоррозионного средства, обеднен ⁶⁴
Zn перед использованием называется обедненным оксидом цинка . По той же причине цинк был предложен в качестве посола для ядерного оружия ( кобальт – еще один, более известный посол). Куртка из изотопно-обогащенного ⁶⁴
Zn будет облучен интенсивным потоком нейтронов высокой энергии от взрыва термоядерного оружия, образуя большое количество ⁶⁵
Zn оружия значительно увеличивает радиоактивность осадков . Неизвестно, было ли когда-либо создано, испытано или использовано такое оружие.

⁶⁵
Zn используется в качестве индикатора для изучения того, как изнашиваются сплавы, содержащие цинк, или пути и роли цинка в организмах.

Комплексы дитиокарбамата цинка применяют в качестве сельскохозяйственных фунгицидов ; к ним относятся Зинеб , Метирам, Пропинеб и Зирам. Нафтенат цинка используется в качестве консерванта древесины. Цинк в форме ZDDP используется в качестве противоизносной присадки металлических деталей в моторном масле.

Органическая химия

Энантиоселективное присоединение дифенилцинка к альдегиду

Цинкорганическая химия — это наука о соединениях, содержащих связи углерод-цинк, описывающая физические свойства, синтез и химические реакции. Многие цинкорганические соединения имеют коммерческое значение. Среди важных приложений:

• Реакция Франкланда-Дуппы, в которой оксалата эфир (ROCOCOOR) реагирует с алкилгалогенидом R'X, цинком и соляной кислотой с образованием сложных эфиров α-гидроксикарбоновых кислот RR'COHCOOR.
• Цинкорганические соединения обладают такой же реакционной способностью, что и реактивы Гриньяра , но гораздо менее нуклеофильны, дороги и сложны в обращении. Цинкорганические соединения обычно осуществляют нуклеофильное присоединение к электрофилам, таким как альдегиды , которые затем восстанавливаются до спиртов . Коммерчески доступные диорганоцинковые соединения включают диметилцинк , диэтилцинк и дифенилцинк. Как и реактивы Гриньяра, цинкорганические соединения обычно производятся из броморганических предшественников.

Цинк нашел множество применений в катализе органического синтеза, включая энантиоселективный синтез , будучи дешевой и легкодоступной альтернативой комплексам драгоценных металлов. Количественные результаты (выход и энантиомерный избыток ), полученные с использованием хиральных цинковых катализаторов, могут быть сопоставимы с результатами, полученными с палладием, рутением, иридием и другими.

Пищевая добавка

с глюконатом цинка Таблетки

Глюконат цинка – это соединение, используемое для доставки цинка в качестве пищевой добавки .

Смотрите также: Сульфат цинка (медицинское применение) и глюконат цинка.

добавок, отпускаемых без рецепта В большинстве витаминных и минеральных , цинк содержится в таких формах, как оксид цинка , ацетат цинка , глюконат цинка или хелат аминокислоты цинка.

Как правило, добавки цинка рекомендуются там, где существует высокий риск дефицита цинка (например, в странах с низким и средним уровнем дохода) в качестве профилактической меры. Хотя сульфат цинка является широко используемой формой цинка, цитрат, глюконат и пиколинат цинка также могут быть приемлемыми вариантами. Эти формы усваиваются лучше, чем оксид цинка.

Гастроэнтерит

Цинк является недорогим и эффективным средством лечения диареи у детей в развивающихся странах. Цинк в организме истощается во время диареи, и пополнение запасов цинка в течение 10–14-дневного курса лечения может уменьшить продолжительность и тяжесть эпизодов диареи, а также предотвратить будущие эпизоды на срок до трех месяцев. Гастроэнтерит сильно ослабляется при приеме внутрь цинка, возможно, за счет прямого антимикробного действия ионов в желудочно-кишечном тракте , или за счет абсорбции цинка и его повторного высвобождения из иммунных клеток (все гранулоциты секретируют цинк), или того и другого.

Простуда

Этот раздел представляет собой отрывок из книги «Цинк и простуда» . [ редактировать ]

Добавки цинка (часто ацетата цинка или глюконата цинка таблетки для рассасывания ) представляют собой группу пищевых добавок , которые обычно используются при лечении простуды . Доказательства какой-либо пользы слабы, но кажется, что цинк не может предотвратить простуду, но, возможно, сократит ее продолжительность, не уменьшая при этом тяжесть симптомов. приема добавок цинка Побочные эффекты перорального включают неприятный привкус и тошноту . Интраназальное применение цинксодержащих назальных спреев было связано с потерей обоняния ; следовательно, в июне 2009 года Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (USFDA) предупредило потребителей прекратить использование интраназального цинка.

Риновирус человека – наиболее распространенный вирусный патоген у человека – является основной причиной простуды. Предполагаемый механизм действия, посредством которого цинк снижает тяжесть и/или продолжительность симптомов простуды, заключается в подавлении воспаления носа и прямом ингибировании связывания риновирусных рецепторов и репликации риновируса в слизистой оболочке носа .

Увеличение веса

Смотрите также: Дефицит цинка § Аппетит.

Дефицит цинка может привести к потере аппетита. Использование цинка в лечении анорексии пропагандируется с 1979 года. По крайней мере, 15 клинических исследований показали, что цинк способствует увеличению веса при анорексии. Исследование 1994 года показало, что цинк удвоил скорость увеличения массы тела при лечении нервной анорексии. Дефицит других питательных веществ, таких как тирозин, триптофан и тиамин, может способствовать этому явлению «недоедания, вызванного недоеданием». Метаанализ 33 проспективных интервенционных исследований, посвященных добавкам цинка и его влиянию на рост детей во многих странах, показал, что добавки цинка сами по себе оказывали статистически значимое влияние на линейный рост и прибавку массы тела, указывая на то, что другие недостатки, которые могли присутствовать не были ответственны за задержку роста.

Другой

Кокрейновский обзор показал, что у людей, принимающих добавки цинка, вероятность развития возрастной дегенерации желтого пятна может быть меньше . Добавки цинка являются эффективным средством лечения энтеропатического акродерматита , генетического заболевания, влияющего на всасывание цинка, которое ранее было смертельным для больных младенцев. Дефицит цинка связан с большим депрессивным расстройством (БДР), и добавки цинка могут быть эффективным средством лечения. Цинк может помочь людям больше спать.

Местное использование

Дополнительная информация: Оксид цинка § Медицина.

К препаратам цинка для местного применения относятся препараты, наносимые на кожу, часто в форме оксида цинка . Оксид цинка обычно признается FDA безопасным и эффективным. и считается очень фотостабильным. Оксид цинка является одним из наиболее распространенных активных ингредиентов, входящих в состав солнцезащитных кремов для смягчения солнечных ожогов . Наносится тонким слоем на область подгузника ребенка ( промежность ) при каждой смене подгузника и защищает от опрелостей .

Хелатный цинк используется в зубных пастах и ​​средствах для полоскания рта для предотвращения неприятного запаха изо рта ; Цитрат цинка помогает уменьшить образование зубного камня (зубного камня).

Цинк-пиритион широко включается в шампуни для предотвращения перхоти.

Также было показано, что местное применение цинка эффективно лечит и продлевает ремиссию генитального герпеса .

Биологическая роль

Основная статья: Цинк в биологии

Цинк является важным микроэлементом для человека. и другие животные, для растений и для микроорганизмов . Цинк необходим для функционирования более 300 ферментов и 1000 факторов транскрипции . и хранится и переносится в металлотионеинах . Это второй по распространенности микроэлемент в организме человека после железа и единственный металл, который присутствует во всех классах ферментов .

В белках ионы цинка часто координируются с боковыми цепями аминокислот аспарагиновой кислоты , глутаминовой кислоты , цистеина и гистидина . Теоретическое и вычислительное описание связывания цинка в белках (а также других переходных металлов) затруднено.

Примерно 2–4 грамма цинка. распределяются по всему телу человека. Больше всего цинка содержится в мозге, мышцах, костях, почках и печени, при этом самые высокие концентрации наблюдаются в предстательной железе и частях глаз. Сперма особенно богата цинком, ключевым фактором функционирования предстательной железы и роста репродуктивных органов .

Гомеостаз цинка в организме в основном контролируется кишечником. Здесь ZIP4 и особенно TRPM7 были связаны с поглощением цинка в кишечнике, необходимым для постнатального выживания.

У людей биологическая роль цинка повсеместна. Он взаимодействует с «широким спектром органических лигандов ». и играет роль в метаболизме РНК и ДНК, передаче сигналов и экспрессии генов . Он также регулирует апоптоз . Обзор 2015 года показал, что около 10% белков человека (~3000) связывают цинк. в дополнение к сотням других, которые перевозят и перевозят цинк; аналогичное исследование in silico на растении Arabidopsis thaliana обнаружило 2367 белков, связанных с цинком.

В мозге цинк хранится в специфических пузырьках нейронов глутаматергических синаптических и может модулировать возбудимость нейронов. Он играет ключевую роль в синаптической пластичности и, следовательно, в обучении. цинка Гомеостаз также играет решающую роль в функциональной регуляции центральной нервной системы . Считается, что нарушение регуляции гомеостаза цинка в центральной нервной системе, приводящее к чрезмерным синаптическим концентрациям цинка, вызывает нейротоксичность вследствие митохондриального окислительного стресса (например, путем разрушения определенных ферментов, участвующих в цепи переноса электронов , включая комплекс I , комплекс III и α-кетоглутарат) . дегидрогеназа ), нарушение регуляции гомеостаза кальция, глутаматергическая нейрональная эксайтотоксичность и вмешательство в передачу внутринейрональных сигналов . L- и D-гистидин способствуют усвоению цинка мозгом. SLC30A3 является основным переносчиком цинка , участвующим в гомеостазе цинка в мозге.

Ферменты

Ленточная диаграмма II человека карбоангидразы , в центре виден атом цинка.

Цинковые пальцы помогают читать последовательности ДНК.

Цинк является эффективной кислотой Льюиса , что делает его полезным каталитическим агентом в гидроксилировании и других ферментативных реакциях. Металл также имеет гибкую координационную геометрию , которая позволяет белкам, использующим его, быстро менять конформации для выполнения биологических реакций. Двумя примерами цинксодержащих ферментов являются карбоангидраза и карбоксипептидаза , которые жизненно важны для процессов выделения углекислого газа ( CO
₂ ) регуляция и переваривание белков соответственно.

В крови позвоночных карбоангидраза превращает CO
₂ в бикарбонат, и тот же фермент превращает бикарбонат обратно в CO.
₂ для выдоха через легкие. Без этого фермента это преобразование происходило бы примерно в миллион раз медленнее. при нормальном pH крови 7 или потребуется pH 10 или более. Неродственная β-карбоангидраза необходима растениям для формирования листьев, синтеза индолуксусной кислоты (ауксина) и спиртового брожения .

Карбоксипептидаза расщепляет пептидные связи во время переваривания белков. Между концевым пептидом и группой C=O, присоединенной к цинку, образуется координационная ковалентная связь , которая придает углероду положительный заряд. Это помогает создать гидрофобный карман на ферменте рядом с цинком, который притягивает неполярную часть перевариваемого белка.

Сигнализация

Цинк признан посланником, способным активировать сигнальные пути. Многие из этих путей являются движущей силой аберрантного роста рака. Их можно атаковать через ZIP-транспортеры .

Другие белки

Цинк выполняет чисто структурную роль в цинковых пальцах , скрутках и группах. Цинковые пальцы образуют части некоторых факторов транскрипции , которые представляют собой белки, распознающие последовательности оснований ДНК во время репликации и транскрипции ДНК . Каждый из девяти или десяти Zn ²⁺
Ионы цинкового пальца помогают поддерживать структуру пальца, координируя связывание с четырьмя аминокислотами в факторе транскрипции.

В плазме крови цинк связывается и транспортируется альбумином (60%, низкоаффинное) и трансферрином (10%). Поскольку трансферрин также транспортирует железо, избыток железа снижает абсорбцию цинка, и наоборот. Аналогичный антагонизм существует и с медью. Концентрация цинка в плазме крови остается относительно постоянной независимо от приема цинка. Клетки слюнной железы, предстательной железы, иммунной системы и кишечника используют передачу сигналов цинка для связи с другими клетками.

Цинк может содержаться в запасах металлотионеина внутри микроорганизмов, кишечника или печени животных. Металлотионеин в клетках кишечника способен регулировать всасывание цинка на 15–40%. Однако недостаточное или чрезмерное потребление цинка может быть вредным; избыток цинка особенно ухудшает абсорбцию меди, поскольку металлотионеин абсорбирует оба металла.

человека Транспортер дофамина содержит высокоаффинный цинка внеклеточный сайт связывания , который при связывании цинка ингибирует обратный захват дофамина и усиливает амфетамином индуцированный отток дофамина in vitro . человека Транспортер серотонина и транспортер норадреналина не содержат сайтов связывания цинка. Некоторые EF-hand, кальцийсвязывающие белки такие как S100 или NCS-1, также способны связывать ионы цинка.

Питание

Диетические рекомендации

Институт медицины США (МОМ) обновил расчетные средние потребности (EAR) и рекомендуемые диетические нормы (RDA) для цинка в 2001 году. Текущие EAR для цинка для женщин и мужчин в возрасте от 14 лет и старше составляют 6,8 и 9,4 мг/день соответственно. Рекомендуемые дозы составляют 8 и 11 мг/день. RDA выше, чем EAR, чтобы определить суммы, которые покроют людей с потребностями выше среднего. Рекомендуемая суточная доза для беременных составляет 11 мг/день. Рекомендуемая суточная доза для лактации составляет 12 мг/день. Для младенцев до 12 месяцев рекомендованная суточная доза составляет 3 мг/день. Для детей в возрасте 1–13 лет рекомендуемая суточная норма увеличивается с возрастом от 3 до 8 мг/день. Что касается безопасности, МОМ устанавливает допустимые верхние уровни потребления (UL) для витаминов и минералов, когда есть достаточные доказательства. В случае цинка допустимая норма для взрослых составляет 40 мг/день, включая пищу и добавки (ниже для детей). В совокупности EAR, RDA, AI и UL называются эталонными диетическими нормами потребления (DRI).

Европейское управление по безопасности пищевых продуктов (EFSA) называет совокупный набор информации эталонными диетическими значениями, с эталонным потреблением для населения (PRI) вместо RDA и средней потребностью вместо EAR. AI и UL определяются так же, как и в США. Для людей в возрасте 18 лет и старше расчеты PRI сложны, поскольку EFSA устанавливает все более высокие значения по мере увеличения содержания фитатов в рационе. Для женщин доза ИПП увеличивается с 7,5 до 12,7 мг/день по мере увеличения потребления фитатов с 300 до 1200 мг/день; для мужчин диапазон составляет от 9,4 до 16,3 мг/день. Эти PRI выше, чем RDA в США. EFSA рассмотрело тот же вопрос безопасности и установило UL на уровне 25 мг/день, что намного ниже значения в США.

Для целей маркировки пищевых продуктов и пищевых добавок в США количество в порции выражается в процентах от дневной нормы (% ДВ). Для целей маркировки цинка 100% дневной нормы составляло 15 мг, но 27 мая 2016 г. она была пересмотрена до 11 мг. Таблица старых и новых дневных норм для взрослых представлена ​​в разделе «Справочная суточная норма» .

Диетический рацион

Продукты и приправы, содержащие цинк

Продукты животного происхождения, такие как мясо, рыба, моллюски, птица, яйца и молочные продукты, содержат цинк. Концентрация цинка в растениях зависит от его уровня в почве. При достаточном количестве цинка в почве пищевыми растениями, которые содержат больше всего цинка, являются пшеница (зародыши и отруби) и различные семена, включая кунжут , мак , люцерну , сельдерей и горчицу . Цинк также содержится в фасоли , орехах , миндале , цельнозерновых продуктах , семенах тыквы , семечках подсолнечника и черной смородине .

Другие источники включают обогащенные продукты питания и пищевые добавки в различных формах. Обзор 1998 года пришел к выводу, что оксид цинка, одна из наиболее распространенных добавок в Соединенных Штатах, и карбонат цинка практически нерастворимы и плохо усваиваются в организме. В этом обзоре приводятся исследования, которые обнаружили более низкие концентрации цинка в плазме у субъектов, которые потребляли оксид цинка и карбонат цинка, чем у тех, кто принимал ацетат и сульфат цинка. Однако для обогащения в обзоре 2003 года рекомендовались злаки (содержащие оксид цинка) как дешевый и стабильный источник, который так же легко усваивается, как и более дорогие формы. Исследование 2005 года показало, что различные соединения цинка, включая оксид и сульфат, не показали статистически значимых различий в усвоении при добавлении в качестве обогатителей в кукурузные лепешки.

Дефицит

Основная статья: Дефицит цинка

Почти два миллиарда человек в развивающихся странах испытывают дефицит цинка. В группы риска входят дети из развивающихся стран и пожилые люди с хроническими заболеваниями. У детей он вызывает рост инфекций и диареи и способствует смерти около 800 000 детей во всем мире в год. Всемирная организация здравоохранения рекомендует принимать добавки цинка при тяжелом недоедании и диарее. Добавки цинка помогают предотвратить заболевания и снизить смертность, особенно среди детей с низким весом при рождении или задержкой роста. Однако добавки цинка не следует принимать отдельно, поскольку многие жители развивающихся стран имеют некоторые недостатки, а цинк взаимодействует с другими микроэлементами. Хотя дефицит цинка обычно возникает из-за недостаточного поступления с пищей, он может быть связан с нарушением всасывания , энтеропатическим акродерматитом , хроническими заболеваниями печени, хроническими заболеваниями почек, серповидно-клеточной анемией , диабетом , злокачественными новообразованиями и другими хроническими заболеваниями.

В Соединенных Штатах федеральное исследование потребления продуктов питания показало, что для женщин и мужчин старше 19 лет среднее потребление составляло 9,7 и 14,2 мг/день соответственно. У женщин 17% потребляли меньше EAR, у мужчин - 11%. Процент ниже EAR увеличивался с возрастом. В самом последнем опубликованном обновлении исследования (NHANES 2013–2014) сообщается о более низких средних показателях – 9,3 и 13,2 мг/день – опять же, при этом потребление снижается с возрастом.

Симптомы легкого дефицита цинка разнообразны. Клинические исходы включают задержку роста, диарею, импотенцию и задержку полового созревания, алопецию , поражения глаз и кожи, нарушение аппетита, изменение когнитивных функций, нарушение иммунных функций, дефекты в использовании углеводов и репродуктивный тератогенез . Дефицит цинка угнетает иммунитет, но избыток цинка тоже влияет.

Несмотря на некоторые опасения, Западные вегетарианцы и веганы страдают от явного дефицита цинка не больше, чем мясоеды. Основные растительные источники цинка включают вареные сушеные бобы, морские овощи, обогащенные крупы, соевые продукты, орехи, горох и семена. Однако фитаты во многих цельнозерновых продуктах и ​​клетчатке могут препятствовать усвоению цинка, а влияние незначительного потребления цинка плохо изучено. цинка хелатор Фитат, , содержащийся в семенах и зерновых отрубях , может способствовать мальабсорбции цинка. Некоторые данные свидетельствуют о том, что тем, чья диета богата фитатами, например, некоторым вегетарианцам, может потребоваться больше рекомендуемой дозы, чем рекомендованная в США (8 мг/день для взрослых женщин; 11 мг/день для взрослых мужчин). Рекомендации Европейского агентства по безопасности пищевых продуктов (EFSA) пытаются компенсировать это, рекомендуя более высокое потребление цинка при большем потреблении фитатов с пищей. Эти соображения должны быть сбалансированы с учетом нехватки адекватных биомаркеров цинка , а наиболее широко используемый индикатор, цинк в плазме, имеет низкую чувствительность и специфичность .

Рекультивация почвы

Виды Calluna , Erica и Vaccinium могут расти на цинк-металлоносных почвах, поскольку транслокация токсичных ионов предотвращается действием эрикоидных микоризных грибов .

Сельское хозяйство

Дефицит цинка, по-видимому, является наиболее распространенным дефицитом микроэлементов у сельскохозяйственных растений; это особенно распространено в почвах с высоким pH. с дефицитом цинка Почвы возделываются на пахотных землях примерно половины Турции и Индии , трети Китая и большей части Западной Австралии. В этих областях сообщалось о существенной реакции на внесение цинковых удобрений. Растения, произрастающие на почвах с дефицитом цинка, более восприимчивы к болезням. Цинк добавляется в почву в основном в результате выветривания горных пород, но люди добавляют цинк в результате сжигания ископаемого топлива, отходов шахт, фосфатных удобрений, пестицидов ( фосфида цинка ), известняка, навоза, осадка сточных вод и частиц с гальванизированных поверхностей. Избыток цинка токсичен для растений, хотя токсичность цинка распространена гораздо менее широко.

Меры предосторожности

Основная статья: Токсичность цинка

Токсичность

Хотя цинк является важным требованием для хорошего здоровья, избыток цинка может быть вредным. Чрезмерное всасывание цинка подавляет всасывание меди и железа. Свободный ион цинка в растворе очень токсичен для растений, беспозвоночных и даже позвоночных рыб. Модель активности свободных ионов хорошо известна в литературе и показывает, что даже микромолярные количества свободных ионов убивают некоторые организмы. Недавний пример показал, что 6 микромолярей убивают 93% всех дафний в воде.

Свободный ион цинка является мощной кислотой Льюиса, вплоть до коррозионной активности . Желудочная кислота содержит соляную кислоту , в которой металлический цинк легко растворяется с образованием едкого хлорида цинка. выпуска после 1982 года Проглатывание американской монеты в один цент (97,5% цинка) может привести к повреждению слизистой оболочки желудка из-за высокой растворимости ионов цинка в кислой среде желудка.

Фактические данные показывают, что люди, принимающие 100–300 мг цинка в день, могут страдать от дефицита меди . Исследование 2007 года показало, что пожилые мужчины, принимавшие 80 мг ежедневно, чаще госпитализировались из-за осложнений со стороны мочевыделительной системы, чем те, кто принимал плацебо. Уровни 100–300 мг могут мешать использованию меди и железа или отрицательно влиять на уровень холестерина. Цинк, содержание которого в почве превышает 500 ppm, препятствует усвоению растениями других важных металлов, таких как железо и марганец. Состояние, называемое «цинковым сотрясением » или «цинковым ознобом», может быть вызвано вдыханием паров цинка во время пайки или сварки оцинкованных материалов. Цинк является распространенным ингредиентом крема для зубных протезов , который может содержать от 17 до 38 мг цинка на грамм. Сообщалось об инвалидности и даже смерти в результате чрезмерного употребления этих продуктов.

США Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) заявляет, что цинк повреждает нервные рецепторы в носу, вызывая аносмию . Сообщения об аносмии наблюдались также в 1930-х годах, когда препараты цинка использовались в неудачной попытке предотвратить инфекцию полиомиелита . 16 июня 2009 г. FDA распорядилось убрать с полок магазинов средства для интраназальной простуды на основе цинка. В FDA заявили, что потеря обоняния может быть опасной для жизни, поскольку люди с нарушенным обонянием не могут обнаружить утечку газа или дыма и не могут определить, испортилась ли еда, прежде чем съесть ее.

Недавние исследования показывают, что местный противомикробный пиритион цинка является мощным индуктором реакции на тепловой шок , который может нарушать целостность генома, вызывая PARP -зависимый энергетический кризис в культивируемых кератиноцитах и ​​меланоцитах человека .

Отравление

В 1982 году Монетный двор США начал чеканить монеты, покрытые медью, но содержащие в основном цинк. Цинковые монеты создают риск цинкового токсикоза, который может привести к летальному исходу. Один зарегистрированный случай хронического проглатывания 425 монет (более 1 кг цинка) привел к смерти из-за желудочно-кишечного бактериального и грибкового сепсиса . У другого пациента, принявшего 12 граммов цинка, наблюдались только летаргия и атаксия (выраженное отсутствие координации мышечных движений). Сообщалось о нескольких других случаях, когда люди страдали от интоксикации цинком в результате проглатывания цинковых монет.

Пенни и другие мелкие монеты иногда проглатываются собаками, что требует ветеринарного удаления посторонних предметов. Содержание цинка в некоторых монетах может вызвать токсичность цинка, которая обычно приводит к летальному исходу у собак из-за тяжелой гемолитической анемии и повреждения печени или почек; возможные симптомы – рвота и диарея. Цинк очень токсичен для попугаев , и отравление часто может привести к летальному исходу. Употребление фруктовых соков, хранящихся в оцинкованных банках, привело к массовым отравлениям попугаев цинком.

См. также

• Список стран по производству цинка
• пишется
• Пятно от влажного хранения
• Гальваника цинкового сплава
• Металлическая лихорадка
• Петр Штайнкеллер

Ссылки

Библиография

• Чемберс, Уильям и Роберт (1901). Энциклопедия Чемберса: Словарь универсальных знаний (пересмотренная редакция). Лондон и Эдинбург: Компания JB Lippincott.
• Коттон, Ф. Альберт; Уилкинсон, Джеффри; Мурильо, Карлос А.; Бохманн, Манфред (1999). Продвинутая неорганическая химия (6-е изд.). John Wiley & Sons, Inc. Нью-Йорк: ISBN  978-0-471-19957-1 .
• Дэвид Р. Лиде, изд. (2006). Справочник по химии и физике (87-е изд.). Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, Taylor & Francisco Group. ISBN  978-0-8493-0487-3 .
• Эмсли, Джон (2001). «Цинк» . Строительные блоки природы: Путеводитель по элементам от Аризоны . Оксфорд, Англия, Великобритания: Издательство Оксфордского университета. стр. 499–505 . ISBN  978-0-19-850340-8 .
• Гринвуд, штат Нью-Йорк; Эрншоу, А. (1997). Химия элементов (2-е изд.). Оксфорд: Баттерворт-Хайнеманн. ISBN  978-0-7506-3365-9 .
• Хейзерман, Дэвид Л. (1992). «Элемент 30: Цинк» . Изучение химических элементов и их соединений . Нью-Йорк: TAB Books. ISBN  978-0-8306-3018-9 .
• Лехто, РС (1968). «Цинк» . В Клиффорде А. Хэмпеле (ред.). Энциклопедия химических элементов . Нью-Йорк: Книжная корпорация Рейнхолда. стр. 822–830 . ISBN  978-0-442-15598-8 . LCCN   68-29938 .
• Ствертка, Альберт (1998). «Цинк» . Путеводитель по элементам (пересмотренная ред.). Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-0-19-508083-4 .
• Уикс, Мария Эльвира (1933). «III. Некоторые металлы восемнадцатого века». Открытие элементов . Истон, Пенсильвания: Журнал химического образования. ISBN  978-0-7661-3872-8 .

Внешние ссылки

• Информационный бюллетень по цинку США. от Национальных институтов здравоохранения
• История и этимология цинка
• Статистика и информация Геологической службы США.
• Восстановители > Цинк
• Американская цинковая ассоциация Информация об использовании и свойствах цинка.
• ISZB Международное общество биологии цинка, основанное в 2008 году. Международная некоммерческая организация, объединяющая ученых, изучающих биологическое действие цинка.
• Zinc-UK Основана в 2010 году для объединения ученых Соединенного Королевства, работающих над цинком.
• Цинк в Периодической таблице видео (Ноттингемский университет)
• ZincBind – база данных биологических сайтов связывания цинка.