Цинк -Zinc

Цинк,  30 цинк
Фрагмент цинка сублимированный и куб 1см3.jpg
Цинк
Появление серебристо-серый
Стандартный атомный вес A r °(Zn)
Цинк в периодической таблице
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 Банка Сурьма Теллур Йод ксенон
Цезий Барий Лантан Церий Празеодим неодим Прометий Самарий европий Гадолиний Тербий диспрозий гольмий Эрбий Тулий Иттербий Лютеций Гафний Тантал Вольфрам Рений Осмий Иридий Платина Золото Меркурий (элемент) Таллий Вести висмут Полоний Астатин Радон
Франций Радий Актиний Торий Протактиний Уран нептуний Плутоний Америций Куриум Берклиум Калифорния Эйнштейний Фермиум Менделевий Нобелий Лоуренсиум Резерфордиум Дубниум Сиборгиум борий Хассиум Мейтнериум Дармштадциум рентгений Коперниций Нихоний Флеровиум Московиум Ливермориум Теннесси Оганесон


Zn

Cd
медьцинкгаллий
Атомный номер ( Z ) 30
Группа группа 12
Период период 4
Блокировать   d-блок
Электронная конфигурация [ Ар ] 3д 102
Электроны на оболочку 2, 8, 18, 2
Физические свойства
Фаза на  СТП твердый
Температура плавления 692,68  К (419,53 ° С, 787,15 ° F)
Точка кипения 1180 К (907 ° С, 1665 ° F)
Плотность (около  rt ) 7,14 г/см 3
в жидком состоянии (при  т.пл. ) 6,57 г/см 3
Теплота плавления 7,32  кДж/моль
Теплота парообразования 115 кДж/моль
Молярная теплоемкость 25,470 Дж/(моль·К)
Давление газа
Р  (Па) 1 10 100 1 тыс. 10 тыс. 100 тыс.
при  Т  (К) 610 670 750 852 990 1179
Атомные свойства
Степени окисления −2, 0, +1, +2амфотерный оксид)
электроотрицательность Шкала Полинга: 1,65
Энергии ионизации
Радиус атома эмпирический: 134  часа
Ковалентный радиус 122±4 часа
Радиус Ван-дер-Ваальса 139 часов
Цветовые линии в спектральном диапазоне
Спектральные линии цинка
Другие свойства
Естественное явление изначальный
Кристальная структура ​шестиугольная плотноупакованная (ГПУ)
Гексагональная плотноупакованная кристаллическая структура цинка
Скорость звука тонкий стержень 3850 м/с (при  rt ) (прокат)
Тепловое расширение 30,2 мкм/(м⋅K) (при 25 °C)
Теплопроводность 116 Вт/(м⋅К)
Удельное электрическое сопротивление 59,0 нОм⋅м (при 20 °C)
Магнитный порядок диамагнитный
Молярная магнитная восприимчивость −11,4 · 10 −6  см 3 /моль (298 К)
Модуль для младших 108 ГПа
Модуль сдвига 43 ГПа
Объемный модуль 70 ГПа
коэффициент Пуассона 0,25
Твердость по шкале Мооса 2,5
твердость по Бринеллю 327–412 МПа
Количество CAS 7440-66-6
История
Открытие Индийские металлурги (до 1000 г. до н.э. )
Первая изоляция Андреас Сигизмунд Маргграф (1746 г.)
Признан уникальным металлом Расаратна Самуккая (1300 г.)
Основные изотопы цинка
Изотоп Разлагаться
избыток период полувыведения ( t1 /2 ) режим продукт
64 цинка 49,2% стабильный
65 цинка син 244 д ε 65 Cu
γ
66 цинк 27,7% стабильный
67 цинк 4,0% стабильный
68 цинк 18,5% стабильный
69 цинк син 56 мин β - 69 млрд лет
69 м цинка син 13,8 ч β - 69 млрд лет
70 Зн 0,6% стабильный
71 цинк син 2,4 мин β - 71 млрд лет
71м цинка син 4 часа β - 71 млрд лет
72 цинка син 46,5 ч β - 72 млрд лет
 Категория: Цинк
| Рекомендации

Цинк представляет собой химический элемент с символом Zn и атомным номером 30. Цинк представляет собой слегка хрупкий металл при комнатной температуре и имеет блестяще-сероватый вид после удаления окисления. Это первый элемент в группе 12 (IIB) периодической таблицы . В некоторых отношениях цинк химически подобен магнию : оба элемента проявляют только одну нормальную степень окисления (+2), а ионы Zn 2+ и Mg 2+ имеют схожий размер. Цинк является 24-м наиболее распространенным элементом в земной коре и имеет пять стабильных изотопов . Наиболее распространенной цинковой рудой является сфалерит (цинковая обманка), сульфидный минерал цинка. Крупнейшие рабочие залежи находятся в Австралии, Азии и США. Цинк очищают путем пенной флотации руды, обжига и окончательного извлечения с использованием электричества ( электровыделение ).

Цинк является важным микроэлементом для человека, животных, растений и микроорганизмов и необходим для внутриутробного и постнатального развития. Это второй по распространенности микроэлемент в организме человека после железа, и это 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 у человека. Потребление избыточного цинка может вызвать атаксию , вялость и дефицит меди .

Латунь , сплав меди и цинка в различных пропорциях, использовалась еще в третьем тысячелетии до нашей эры в районе Эгейского моря и в регионе, который в настоящее время включает Ирак , Объединенные Арабские Эмираты , Калмыкию , Туркменистан и Грузию . Во втором тысячелетии до нашей эры он использовался в регионах, в настоящее время включая Западную Индию , Узбекистан , Иран , Сирию , Ирак и Израиль . Металлический цинк не производился в больших масштабах до 12 века в Индии, хотя он был известен древним римлянам и грекам. Рудники Раджастхана дали определенные доказательства производства цинка, восходящего к 6 веку до нашей эры. На сегодняшний день самое старое свидетельство наличия чистого цинка происходит из Завара в Раджастане еще в 9 веке нашей эры, когда для получения чистого цинка использовался процесс дистилляции. Алхимики сжигали цинк на воздухе, чтобы образовать то, что они называли « философской шерстью » или «белым снегом».

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

Характеристики

Физические свойства

Цинк представляет собой голубовато-белый, блестящий диамагнитный металл, хотя наиболее распространенные коммерческие сорта металла имеют матовую поверхность. Он несколько менее плотный, чем железо , и имеет гексагональную кристаллическую структуру с искаженной формой гексагональной плотной упаковки , в которой каждый атом имеет шесть ближайших соседей (на 265,9 пм) в своей плоскости и шесть других на большем расстоянии 290,6 пм. . Металл твердый и хрупкий при большинстве температур, но становится ковким при температуре от 100 до 150 °C. При температуре выше 210 °C металл снова становится хрупким и может быть измельчен ударами. Цинк является хорошим проводником электричества . Для металла цинк имеет относительно низкую температуру плавления (419,5 ° C) и температуру кипения (907 ° C). Температура плавления самая низкая среди всех металлов d-блока, кроме 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. Давно известно, что другие металлы образуют бинарные сплавы с цинком: алюминий , сурьма , висмут , золото , железо, свинец , ртуть, серебро , олово , магний , кобальт , никель , теллур и натрий . Хотя ни цинк, ни цирконий не являются ферромагнитными , их сплав ZrZn
2
, проявляет ферромагнетизм ниже 35  K .

Вхождение

Цинк составляет около 75  частей на миллион  (0,0075%) земной коры , что делает его 24-м наиболее распространенным элементом. Типичные фоновые концентрации цинка в атмосфере не превышают 1 мкг/м 3 ; 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 неблагородными металлами , такими как медь и свинец . Цинк является халькофилом , а это означает, что этот элемент чаще 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 по мере затвердевания земной коры в восстановительных условиях атмосферы ранней Земли. Сфалерит , который представляет собой форму сульфида цинка, является наиболее интенсивно добываемой цинксодержащей рудой, поскольку его концентрат содержит 60–62% цинка.

Другие исходные минералы для цинка включают смитсонит ( карбонат цинка ), гемиморфит ( силикат цинка ), вюрцит (еще один сульфид цинка) и иногда гидроцинцит (основной карбонат цинка ). За исключением вюрцита, все эти другие 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, при этом самые большие запасы находятся в Иране . Самая последняя оценка базы запасов цинка (соответствует установленным минимальным физическим критериям, связанным с текущими методами добычи и производства) была сделана в 2009 г. и составляет примерно 480 млн т. Запасы цинка, с другой стороны, представляют собой геологически идентифицированные рудные тела, пригодность которых для извлечения является экономически обоснованным (местоположение, качество, качество и количество) на момент определения. Поскольку разведка и разработка месторождений являются непрерывным процессом, количество запасов цинка не является фиксированным числом, и об устойчивости поставок цинковой руды нельзя судить, просто экстраполируя совокупный срок эксплуатации 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, и, по оценкам ученых, используется около 109–305 миллионов тонн.

Изотопы

В природе встречаются пять стабильных изотопа цинка, из которых 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%) и70
Цинк
(0,61%).

Охарактеризовано несколько десятков радиоизотопов .65
Zn
с периодом полураспада 243,66 дня является наименее активным радиоизотопом, за ним следует72
Zn
с периодом полувыведения 46,5 часов. Цинк имеет 10 ядерных изомеров , из которых 69m Zn имеет самый длинный период полураспада, 13,76 ч. Верхний индекс m указывает на метастабильный изотоп. Ядро метастабильного изотопа находится в возбужденном состоянии и вернется в основное состояние , испустив фотон в виде гамма-излучения .61
Zn
имеет три возбужденных метастабильных состояния и73
Zn
имеет два. Изотопы65
цинк
,71
цинк
,77
Zn
и78
Каждый Zn
имеет только одно возбужденное метастабильное состояние.

Наиболее распространенным способом распада радиоизотопа цинка с массовым числом ниже 66 является электронный захват . Продуктом распада в результате захвата электронов является изотоп меди.

п
30
цинк
+
е

29
Cu

Наиболее распространенным способом распада радиоизотопа цинка с массовым числом выше 66 является бета-распад (β- ) , при котором образуется изотоп галлия .

п
30
цинк
п
31
Га
+
е
+
ν
е

Соединения и химия

Реактивность

Цинк имеет электронную конфигурацию [Ar]3d 10 4s 2 и является членом 12 группы периодической таблицы . Это умеренно реакционноспособный металл и сильный восстановитель . Поверхность чистого металла быстро тускнеет , в конечном итоге образуя защитный пассивирующий слой основного карбоната цинка Zn .
5
(ОЙ)
6
(СО 3 )
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. Чрезвычайно чистый цинк только медленно реагирует с кислотами при комнатной температуре . Сильные кислоты, такие как соляная или серная кислота , могут удалить пассивирующий слой, и последующая реакция с кислотой приводит к выделению газообразного водорода.

В химическом составе цинка преобладает степень окисления +2. Когда образуются соединения в этой степени окисления, электроны внешней оболочки теряются, образуя голый ион цинка с электронной конфигурацией [Ar] 3d 10 . В водном растворе октаэдрический комплекс [Zn (H
2
О) 6 ]2+
является преобладающим видом. Испарение цинка в сочетании с хлоридом цинка при температурах выше 285 °С свидетельствует об образовании Zn
2
Кл
2
, соединение цинка со степенью окисления +1. Соединения цинка в положительных степенях окисления, кроме +1 или +2, неизвестны. Расчеты показывают, что соединение цинка со степенью окисления +4 вряд ли существует. Предполагается, что Zn (III) существует в присутствии сильно электроотрицательных трианионов; однако есть некоторые сомнения в этой возможности. Но в 2021 году было сообщено о другом соединении с дополнительными доказательствами, которое имело степень окисления +3 с формулой ZnBeB 11 (CN) 12 .

Химия цинка похожа на химию поздних переходных металлов первого ряда, никеля и меди, хотя она 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 случаях, когда определяющим фактором является ионный радиус, химия цинка имеет много общего с химией магния. В остальном мало общего с поздними переходными металлами первого ряда. Цинк склонен к образованию связей с большей степенью ковалентности и гораздо более устойчивых комплексов с N- и S - донорами. Комплексы цинка в основном 4- или 6 - координационные , хотя известны и 5-координатные комплексы.

Соединения цинка (I)

Соединения цинка (I) встречаются очень редко. Ион [Zn 2 ] 2+ участвует в формировании желтого диамагнитного стекла при растворении металлического цинка в расплавленном ZnCl 2 . Ядро [Zn 2 ] 2+ было бы аналогично катиону [Hg 2 ] 2+ , присутствующему в соединениях ртути (I). Диамагнитная природа иона подтверждает его димерную структуру. Первое соединение цинка(I), содержащее связь Zn–Zn, 5 -C 5 Me 5 ) 2 Zn 2 .

Соединения цинка (II)

Листы ацетата цинка, образованные медленным испарением
ацетат цинка
Белый комковатый порошок на стеклянной пластине
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 сильных щелочных, так и в кислых растворах. Другие халькогениды ( ZnS , ZnSe и ZnTe ) имеют различные применения в электронике и оптике. Пниктогениды ( Zn
3
Н
2
, цинк
3
п
2
, цинк
3
Как
2
и цинк
3
Сб
2
), перекись ( ZnO
2
), гидрид ( ZnH
2
) и карбид ( ZnC
2
) также известны. Из четырех галогенидов ZnF
2
имеет наиболее ионный характер, а остальные ( ZnCl
2
, ZnBr
2
, и ZnI
2
) имеют относительно низкие температуры плавления и считаются более ковалентными.

В слабоосновных растворах, содержащих Zn2+
ионы, гидроксид Zn(OH)
2
выпадает в виде белого осадка . В более сильных щелочных 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 (AsO4 )
2
·8Ч
2
O
и хромат ZnCrO
4
(одно из немногих цветных соединений цинка) — несколько примеров других распространенных неорганических соединений цинка.

Цинкорганические соединения - это те, которые содержат ковалентные связи цинк-углерод. Диэтилцинк (
2
Н 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 Ринмана на Zn) 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 100°С. Одну каплю образца капают на сухую бумагу и нагревают. Зеленый диск указывает на присутствие цинка.

История

Древнее использование

Чарака - самхита , написанная предположительно между 300 и 500 годами нашей эры, упоминает металл, который при окислении образует пушпанджан , предположительно оксид цинка. Цинковые рудники в Заваре, недалеко от Удайпура в Индии, были активны с периода Маурьев ( ок.   322 и 187 г. до н.э.). Однако выплавка металлического цинка здесь, по-видимому, началась примерно в 12 веке нашей эры. По одной из оценок, в этом месте было произведено около миллиона тонн металлического цинка и оксида цинка с 12 по 16 века. По другой оценке, общий объем производства металлического цинка за этот период составляет 60 000 тонн. В « Расаратна самуккая» , написанной примерно в 13 веке нашей эры, упоминаются два типа цинксодержащих руд: один используется для извлечения металлов, а другой используется в лечебных целях.

Большое черное чашеобразное ведро на подставке.  Ведро имеет инкрустацию вокруг верхней части.
Позднеримское латунное ведро - Hemmoorer Eimer из Варштаде, Германия, второй-третий века нашей эры.

Были обнаружены различные отдельные примеры использования нечистого цинка в древние времена. Цинковые руды использовались для изготовления латуни из сплава цинка и меди за тысячи лет до открытия цинка как отдельного элемента. Иудейская латунь 14-10 веков до нашей эры содержит 23% цинка.

Знания о том, как производить латунь, распространились в Древней Греции к 7 веку до нашей эры, но было сделано несколько разновидностей. Найдены украшения из сплавов , содержащих 80—90 % цинка, а остальное — свинец, железо, сурьма и др. металлы, возраст которых 2500 лет. Возможно, доисторическая статуэтка, содержащая 87,5% цинка, была найдена на археологических раскопках даков .

Самые старые известные таблетки были сделаны из карбонатов цинка, гидроцинцита и смитсонита. Таблетки использовались от боли в глазах и были найдены на борту римского корабля Релитто дель Поццино , потерпевшего крушение в 140 г. до н.э.

Изготовление латуни было известно римлянам примерно к 30 г. до н.э. Они делали латунь, нагревая порошкообразный каламин ( силикат или карбонат цинка ), древесный уголь и медь вместе в тигле. Полученную каламиновую латунь затем отливали или придавали кованой форме для использования в оружии. Некоторые монеты, отчеканенные римлянами в христианскую эпоху, сделаны, вероятно, из каламиновой латуни.

Страбон , писавший в I веке до нашей эры (но цитирующий ныне утерянную работу историка Феопомпа , жившего в IV веке до нашей эры ), упоминает «капли фальшивого 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 выбрасывался, так как считался бесполезным.

Бернская цинковая табличка представляет собой вотивную табличку, датируемую Римской Галлией , сделанную из сплава, состоящего в основном из цинка.

Ранние исследования и наименование

Цинк был четко признан металлом под обозначением Ясада или Джасада в медицинском лексиконе, приписываемом индуистскому царю Маданапале (из династии Така) и написанном около 1374 года. Плавление и извлечение нечистого цинка путем восстановления каламина шерстью и другими органическими веществами. веществ было совершено в 13 веке в Индии. Китайцы не знали об этой технике до 17 века.

Различные алхимические символы элемента цинка

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

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

Немецкий металлург Андреас Либавиус получил некоторое количество того, что он назвал «калеем» 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 был очень дорогим.

Изоляция

Изображение головы старика (в профиль).  У мужчины длинное лицо, короткие волосы и высокий лоб.
Андреасу Сигизмунду Маргграфу приписывают первое выделение чистого цинка.

Металлический цинк был выделен в Индии к 1300 году нашей эры, намного раньше, чем на Западе. Прежде чем он был изолирован в Европе, он был завезен из Индии примерно в 1600 году нашей эры. Универсальный словарь Постлевайта , современный источник, предоставляющий технологическую информацию в Европе, не упоминал цинк до 1751 года, но этот элемент изучался до этого.

Фламандский металлург и алхимик П. М. де Респур сообщил, что он извлек металлический цинк из оксида цинка в 1668 году. К началу 18 века Этьен Франсуа Жоффруа описал, как оксид цинка конденсируется в виде желтых кристаллов на железных стержнях, помещенных над цинковой рудой. выплавленный. 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 Раджастане , но нет никаких доказательств того, что он посещал Восток. Процесс Чемпиона использовался до 1851 года.

Немецкому химику Андреасу Маргграфу обычно приписывают открытие чистого металлического цинка, хотя шведский химик Антон фон Шваб четыре года назад выделил цинк из каламина. В своем эксперименте 1746 года Маргграф нагревал смесь каламина и древесного угля в закрытом сосуде без меди, чтобы получить металл. Эта процедура стала коммерчески применимой к 1752 году.

Более поздние работы

Картина с изображением мужчины средних лет, сидящего за столом в парике, черной куртке, белой рубашке и белом шарфе.
Гальванизация была названа в честь Луиджи Гальвани .

Брат Уильяма Чемпиона, Джон, в 1758 году запатентовал процесс прокаливания сульфида цинка в оксид, пригодный для использования в ретортном процессе. До этого для производства цинка можно было использовать только каламин. В 1798 году Иоганн Кристиан Руберг усовершенствовал процесс плавки, построив первую плавильню с горизонтальной ретортной печью. Жан-Жак Даниэль Дони построил в Бельгии другой тип горизонтального плавильного завода, который перерабатывал еще больше цинка. Итальянский врач Луиджи Гальвани в 1780 году обнаружил, что соединение спинного мозга только что вскрытой лягушки с железной рейкой, 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, а его открытия проложили путь к электрическим батареям , гальванизации и катодной защите .

Друг Гальвани, Алессандро Вольта , продолжил исследование эффекта и изобрел вольтов столб в 1800 году. Стопка Вольта состояла из набора упрощенных гальванических элементов , каждый из которых представлял собой одну пластину из меди и одну из цинка, соединенных электролитом . При последовательном соединении этих блоков вольтова столб (или «батарея») в целом имел более высокое напряжение, которое можно было использовать легче, чем отдельные элементы. Электричество производится потому, что потенциал Вольта между двумя металлическими пластинами заставляет электроны течь от цинка к меди и разъедать цинк.

Немагнитный характер цинка и отсутствие у него цвета в растворе задержали открытие его важности для биохимии и питания. Ситуация изменилась в 1940 году, когда было показано, что карбоангидраза , фермент, удаляющий углекислый газ из крови, содержит цинк в своем активном центре . Пищеварительный фермент карбоксипептидаза стал вторым известным цинксодержащим ферментом в 1955 году.

Производство

Добыча и переработка

Крупнейший объем производства цинкового рудника (по странам) 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
Цена цинка
Карта мира, показывающая, что около 40% цинка производится в Китае, 20% в Австралии, 20% в Перу и по 5% в США, Канаде и Казахстане.
Процент производства цинка в 2006 г. по странам
Тенденция мирового производства
Цинковый рудник Рош-Пина, Намибия
27°57′17″ю.ш. 016°46′00″в.д. / 27,95472°ю.ш. 16,76667°в.д. / -27,95472; 16.76667 ( Рош Пина )

Цинк является четвертым по распространенности используемым металлом, уступая только железу , алюминию и меди с годовым объемом производства около 13 миллионов тонн. Крупнейшим в мире производителем цинка является Nyrstar , результат слияния австралийской OZ Minerals и бельгийской Umicore . Около 70 % цинка в мире поступает из горнодобывающей промышленности, а остальные 30 % — из 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, основными районами являются Китай, Австралия и Перу. Китай произвел 38% мирового производства цинка в 2014 году.

Металлический цинк производится с использованием экстрактивной металлургии . Руду тонко измельчают, затем подвергают пенной флотации для отделения минералов от пустой породы (по свойству гидрофобности ) с получением концентрата сульфидно-цинковой руды, состоящего примерно из 50 % цинка, 32 % серы, 13 % железа и 5 % SiO.
2
.

Обжиг превращает концентрат сульфида цинка в оксид цинка:

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

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

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

Наконец, цинк восстанавливают электролизом .

Серную кислоту регенерируют и возвращают 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 паров кадмия . Плавильный шлак и другие остатки содержат значительное количество металлов. Около 1,1 миллиона тонн металлического цинка и 130 тысяч тонн свинца было добыто и выплавлено в бельгийских городах Ла-Каламин и Пломбьер в период с 1806 по 1882 год. Отвалы прошлых горных работ выщелачивают цинк и кадмий, а отложения реки Гюль содержат нетривиальное количество металлов. Около двух тысяч лет назад выбросы цинка при добыче и плавке 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 снижение. Техногенные и природные 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 уменьшает это; обработка вдоль Рейна , например, снизила уровень цинка до 50 частей на миллиард. Концентрация цинка всего 2 ppm неблагоприятно влияет на количество кислорода, которое рыбы могут переносить в своей крови.

Крупный промышленный завод на берегу моря, на фоне гор – общ., ПНР.
Исторически ответственный за высокий уровень содержания металлов в реке Дервент , цинковый завод в Лутане является крупнейшим экспортером в Тасмании, производя 2,5% ВВП штата и производя более 250 000 тонн цинка в год.

Почвы, загрязненные цинком в результате добычи полезных ископаемых, переработки или удобрения цинкосодержащим шламом, могут содержать несколько граммов цинка на килограмм сухой почвы. Уровни цинка, превышающие 500 ppm в почве, мешают растениям поглощать другие важные металлы , такие как железо и марганец . Уровни цинка от 2000 до 180 000 частей на миллион (18%) были зарегистрированы в некоторых образцах почвы.

Приложения

Основные области применения цинка включают (цифры указаны для США)

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

Антикоррозийное покрытие и аккумуляторы

Слившиеся удлиненные кристаллы различных оттенков серого.
Кристаллическая поверхность поручня, оцинкованная горячим способом

Цинк чаще всего используется в качестве антикоррозионного агента, а гальванизация (покрытие железа или стали ) является наиболее известной 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 полностью не разъестся. Защитный поверхностный слой оксида и карбоната ( Zn
5
(ОЙ)
6
(СО
3
)
2
)
образуется при коррозии цинка. Эта защита сохраняется даже после того, как цинковый слой поцарапан, но со временем ухудшается по мере коррозии цинка. Цинк наносится электрохимически или в виде расплавленного цинка путем горячего цинкования или распыления. Оцинковка используется для ограждений из сетки-рабицы, 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 расходуемым анодом в катодной защите (CP). Например, катодная защита подземного трубопровода может быть обеспечена за счет присоединения к трубе анодов из цинка. Цинк действует как анод (отрицательный вывод), медленно подвергаясь коррозии при пропускании электрического тока к стальному трубопроводу. Цинк также используется для катодной защиты металлов, подвергающихся воздействию морской воды. Цинковый диск, прикрепленный к железному рулю корабля, будет медленно подвергаться коррозии, в то время как руль останется неповрежденным. Точно так же цинковая заглушка, прикрепленная к гребному винту, или металлический защитный кожух киля корабля обеспечивают временную защиту.

При стандартном электродном потенциале (SEP) -0,76 вольт цинк используется в качестве анодного материала для аккумуляторов. (Более реактивный литий (SEP -3,04 В) используется для анодов в литиевых батареях ). Таким образом, порошкообразный цинк используется в щелочных батареях , а корпус (который также служит анодом) цинково-угольных батарей изготавливается из листового цинка. Цинк используется в качестве анода или топлива воздушно- цинковой батареи /топливного элемента. Проточная цинк-цериевая окислительно-восстановительная батарея также использует отрицательный полуэлемент на основе цинка.

сплавы

Широко используемый цинковый сплав — это латунь, в которой медь сплавляется с цинком в количестве от 3% до 45%, 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, аппаратных средствах, музыкальных инструментах и ​​водяных клапанах.

Мозаичный узор, состоящий из компонентов, имеющих различные формы и оттенки коричневого цвета.
Литая латунная микроструктура при увеличении в 400 раз

Другие широко используемые цинковые сплавы включают нейзильбер , металл для пишущих машинок, мягкий и алюминиевый припой и техническую бронзу . Цинк также используется в современных трубных органах в качестве замены традиционного сплава свинца и олова в трубах. Сплавы, содержащие 85–88 % цинка, 4–10 % меди и 2–8 % алюминия, находят ограниченное применение в некоторых типах подшипников машин. Цинк является основным металлом в американских одноцентовых монетах (пенни) с 1982 года. Цинковый сердечник покрыт тонким слоем меди, чтобы придать ему вид медной монеты. В 1994 году 33 200 тонн (36 600 коротких тонн) цинка были использованы для производства 13,6 миллиардов пенни в Соединенных Штатах.

Сплавы цинка с небольшими количествами меди, алюминия и магния используются при литье под давлением , а также при центробежном литье , особенно в автомобильной, электротехнической и метизной промышленности. Эти сплавы продаются под маркой Zamak . Примером этого является алюминий цинка . Низкая температура плавления в сочетании с низкой вязкостью сплава позволяет изготавливать мелкие и сложные формы. Низкая рабочая температура приводит к быстрому охлаждению литых изделий и быстрой подготовке к сборке. Другой сплав, продаваемый под торговой маркой Prestal, содержит 78% цинка и 22% алюминия, и, как сообщается, он почти такой же прочный, как сталь, но такой же ковкий, как пластик. Такая сверхпластичность сплава позволяет формовать его с помощью отливок из керамики и цемента.

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

Как плотный, недорогой, легко обрабатываемый материал цинк используется в качестве заменителя свинца . Из-за проблем со свинцом цинк появляется в гирях для различных применений, от рыбалки до балансировки шин и маховиков.

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

Другое промышленное использование

Белый порошок на стеклянной пластине
Оксид цинка используется в качестве белого пигмента в красках .

Примерно четверть всего производства цинка в США в 2009 г. потреблялась в виде соединений цинка; многие из которых 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 каучуковых полимеров и пластмасс от ультрафиолетового излучения (УФ). Полупроводниковые свойства оксида цинка позволяют использовать его в варисторах и фотокопировальных устройствах. Цикл оксида цинка — это двухстадийный 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 древесины . Он используется в производстве других химических веществ. Метил цинка ( Zn (CH3 )
2
) используется в ряде органических синтезов . Сульфид цинка (ZnS) используется в люминесцентных пигментах, таких как стрелки часов, рентгеновские и телевизионные экраны, а также люминесцентные краски . Кристаллы ZnS используются в лазерах , работающих в средней инфракрасной части спектра. Сульфат цинка входит в состав красителей и пигментов. Пиритион цинка используется в необрастающих красках.

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

Цинковый лист используется в качестве прочного покрытия для крыш, стен и столешниц, последнее часто можно увидеть в бистро и устричных барах , и известен своим деревенским видом, придаваемым окислением его поверхности до серо-голубой патины при использовании, и восприимчивостью к царапины.

64
Zn
, наиболее распространенный изотоп цинка, очень чувствителен к нейтронной активации , превращаясь в высокорадиоактивный65
Zn
, который имеет период полураспада 244 дня и производит интенсивное гамма-излучение . Из-за этого оксид цинка, используемый в ядерных реакторах в качестве антикоррозионного агента, истощается.64
Zn
перед использованием, это называется обедненный оксид цинка . По той же причине цинк был предложен в качестве посолочного материала для ядерного оружия ( другой, более известный посолочный материал — кобальт ). Куртка из изотопно-обогащенного 64
Zn
будет облучаться интенсивным потоком высокоэнергетических нейтронов от взрывающегося термоядерного оружия, образуя большое количество65
Zn
значительно увеличивает радиоактивность радиоактивных осадков оружия . Неизвестно, чтобы такое оружие когда-либо было построено, испытано или использовано.

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

Комплексы дитиокарбамата цинка используются как сельскохозяйственные фунгициды ; к ним относятся Зинеб , Метирам, Пропинеб и Зирам. Нафтенат цинка используется в качестве консерванта древесины. Цинк в форме ZDDP используется в качестве противоизносной присадки для металлических деталей в моторном масле.

Органическая химия

Присоединение дифенилцинка к альдегиду

Цинкорганическая химия - это наука о соединениях, содержащих углеродно-цинковые связи, описывающая физические свойства, синтез и химические реакции. Большое значение имеют многие цинкорганические соединения. Среди важных приложений

  • Реакция Франкленда-Дуппа, в которой сложный эфир оксалата (ROCOCOOR) реагирует с алкилгалогенидом R'X, цинком и соляной кислотой с образованием сложных эфиров α-гидроксикарбоновых кислот RR'COHCOOR.
  • С другой стороны, цинкорганические соединения гораздо менее нуклеофильны, чем Гриньяры, они дороги и с ними трудно обращаться. Коммерчески доступными диорганоцинковыми соединениями являются диметилцинк , диэтилцинк и дифенилцинк. В одном исследовании активное цинкорганическое соединение получают из гораздо более дешевых предшественников броморганических соединений .

Цинк нашел множество применений в качестве катализатора в органическом синтезе, включая асимметричный синтез, будучи дешевой и легкодоступной альтернативой комплексам драгоценных металлов. Результаты (выход и энантиомерный избыток ), полученные с хиральными цинковыми катализаторами, сравнимы с результатами, полученными с палладием, рутением, иридием и другими, и цинк становится предпочтительным металлическим катализатором.

Биологически активная добавка

Таблетки цинка GNC 50 мг. Количество превышает то, что считается безопасным верхним пределом в США (40 мг) и Европейском Союзе (25 мг).
Скелетная химическая формула плоского соединения с атомом Zn в центре, симметрично связанным с четырьмя атомами кислорода.  Эти атомы кислорода дополнительно связаны с линейными цепями COH.
Глюконат цинка является одним из соединений, используемых для доставки цинка в качестве пищевой добавки .

В большинстве однотаблеточных, безрецептурных, ежедневных витаминных и минеральных добавок цинк включен в такие формы, как оксид цинка , ацетат цинка , глюконат цинка или хелат аминокислоты цинка.

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

Гастроэнтерит

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

Простуда

Добавки цинка (часто пастилки с ацетатом цинка или глюконатом цинка ) представляют собой группу пищевых добавок , которые обычно используются для лечения простуды . Использование добавок цинка в дозах, превышающих 75 мг/день, в течение 24 часов после появления симптомов, как было показано, сокращает продолжительность симптомов простуды примерно на 1 день у взрослых. Побочные эффекты добавок цинка внутрь включают неприятный вкус и тошноту . Интраназальное использование назальных спреев , содержащих цинк , связано с потерей обоняния ; следовательно, в июне 2009 года Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (USFDA) предупредило потребителей, чтобы они прекратили использование интраназального цинка.

Человеческий риновирус  — наиболее распространенный вирусный патоген у людей — является преобладающей причиной простуды. Предполагаемый механизм действия , с помощью которого цинк снижает тяжесть и/или продолжительность симптомов простуды, заключается в подавлении воспаления носа и прямом ингибировании связывания риновирусных рецепторов и репликации риновирусов в слизистой оболочке носа .

Увеличение веса

Дефицит цинка может привести к потере аппетита. Использование цинка для лечения анорексии пропагандируется с 1979 года. Как минимум 15 клинических испытаний показали, что цинк улучшает набор веса при анорексии. Исследование 1994 года показало, что цинк вдвое увеличивает 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, касающихся добавок цинка и их влияния 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 дефициты, которые могли присутствовать не были ответственны за отставание в росте.

Другой

В Кокрановском обзоре говорится, что у людей, принимающих добавки с цинком, может быть меньше шансов прогрессировать до возрастной дегенерации желтого пятна . Добавка цинка является эффективным средством лечения энтеропатического акродерматита , генетического заболевания, влияющего на всасывание цинка, которое ранее было фатальным для пораженных младенцев. Дефицит цинка был связан с большим депрессивным расстройством (БДР), и добавки цинка могут быть эффективным лечением. Цинк может помочь людям спать больше.

Местное использование

Препараты цинка для местного применения включают те, которые наносятся на кожу, часто в форме оксида цинка . Оксид цинка в целом признан FDA безопасным и эффективным и считается очень фотостабильным. Оксид цинка является одним из наиболее распространенных активных ингредиентов, входящих в состав солнцезащитных средств для смягчения солнечных ожогов . Нанесенный тонким слоем на область подгузника ребенка ( промежность ) при каждой смене подгузника, он может защитить от опрелостей .

Хелатированный цинк используется в зубных пастах и ​​ополаскивателях для предотвращения неприятного запаха изо рта ; цитрат цинка помогает уменьшить образование зубного камня (зубного камня).

Пиритион цинка широко входит в состав шампуней для предотвращения перхоти.

Также было показано, что цинк для местного применения эффективно лечит и продлевает ремиссию генитального герпеса .

Биологическая роль

Цинк является важным микроэлементом для человека и других животных, растений и микроорганизмов . Цинк необходим для работы более 300 ферментов и 1000 факторов транскрипции , он хранится и переносится в металлотионеинах . Это второй по распространенности микроэлемент в организме человека после железа, и это 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 численное описание этого связывания цинка с белками (а также других переходных металлов) затруднено.

Примерно 2–4  грамма цинка распределены по всему телу человека. Больше всего цинка содержится в головном мозге, мышцах, костях, почках и печени, с самыми высокими концентрациями в предстательной железе и частях глаза. Сперма особенно богата цинком, который играет ключевую роль в функционировании предстательной железы и росте репродуктивных органов .

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

У людей биологические роли цинка вездесущи. 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 транспортируют и транспортируют цинк; аналогичное исследование in silico на растении Arabidopsis thaliana обнаружило 2367 связанных с цинком белков.

В головном мозге цинк хранится в специфических синаптических пузырьках глутаматергическими нейронами и может модулировать возбудимость нейронов. Он играет ключевую роль в синаптической пластичности и, следовательно, в обучении. Гомеостаз цинка также играет важную роль в функциональной регуляции центральной нервной системы . Считается, что нарушение регуляции гомеостаза цинка в центральной нервной системе, которое приводит к чрезмерной концентрации цинка в синапсе, вызывает нейротоксичность из- за митохондриального окислительного стресса (например, путем разрушения определенных ферментов, участвующих в цепи переноса электронов , включая комплекс I , комплекс III и α-кетоглутарат ). дегидрогеназы ), нарушение регуляции гомеостаза кальция, глутаматергическая нейрональная эксайтотоксичность и вмешательство в передачу внутринейронного сигнала . L- и D-гистидин способствуют усвоению цинка мозгом. SLC30A3 является основным переносчиком цинка , участвующим в церебральном гомеостазе цинка.

Ферменты

Соединяющиеся между собой полосы, большей частью желтого и синего цвета с несколькими красными сегментами.
Ленточная диаграмма карбоангидразы II человека с атомом цинка, видимым в центре
Скрученная полоса, одна сторона которой окрашена в синий цвет, а другая - в серый.  Два его конца соединены через некоторые химические соединения с зеленым атомом (цинком).
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 изменять конформацию для выполнения биологических реакций. Двумя примерами цинксодержащих ферментов являются карбоангидраза и карбоксипептидаза , которые жизненно важны для процессов диоксида углерода ( 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 превращение происходило бы примерно в миллион раз медленнее при нормальном рН крови 7 или потребовало бы рН 10 или более. Неродственная β-карбоангидраза необходима растениям для образования листьев, синтеза индолуксусной кислоты (ауксина) и спиртового брожения .

Карбоксипептидаза расщепляет пептидные связи при переваривании белков. Координационная ковалентная связь образуется между концевым пептидом и группой С=О, присоединенной к цинку, что придает углероду положительный заряд. Это помогает создать гидрофобный карман на ферменте рядом с цинком, который притягивает неполярную часть перевариваемого белка.

Сигнализация

Цинк был признан мессенджером, способным активировать сигнальные пути. Многие из этих путей обеспечивают движущую силу аберрантного роста рака. На них можно нацеливаться через ZIP-транспортеры .

Другие белки

Цинк играет чисто структурную роль в цинковых пальцах , завитках и кластерах. Цинковые пальцы входят в состав некоторых факторов транскрипции , которые представляют собой белки, распознающие последовательности оснований ДНК во время репликации и транскрипции ДНК . Каждый из девяти или десяти Zn2+
ионы в цинковом пальце помогают поддерживать структуру пальца за счет координированного связывания с четырьмя аминокислотами в факторе транскрипции.

В плазме крови цинк связывается и транспортируется альбумином (60%, низкоаффинный) 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 сигнализацию цинка для связи с другими клетками.

Цинк может находиться в запасах металлотионеина в микроорганизмах или в кишечнике 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, потому что металлотионеин абсорбирует оба металла.

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

Питание

Диетические рекомендации

Институт медицины США (IOM) обновил оценочные средние потребности (EARs) и рекомендуемые пищевые нормы (RDA) для цинка в 2001 году. Текущие EARs для цинка для женщин и мужчин в возрасте 14 лет и старше составляют 6,8 и 9,4 мг / день соответственно. RDA составляет 8 и 11 мг/день. RDA выше, чем EAR, чтобы определить суммы, которые покроют людей с потребностями выше среднего. RDA для беременных составляет 11 мг/день. RDA для кормления грудью составляет 12 мг/день. Для младенцев до 12 месяцев RDA составляет 3 мг/день. Для детей в возрасте 1–13 лет RDA увеличивается с возрастом с 3 до 8 мг/сут. Что касается безопасности, IOM устанавливает допустимые верхние уровни потребления (UL) для витаминов и минералов, когда доказательств достаточно. В случае цинка UL для взрослых составляет 40 мг/день (ниже для детей). В совокупности EAR, RDA, AI и UL называются эталонными нормами потребления пищи (DRI).

Европейское агентство по безопасности пищевых продуктов (EFSA) называет совокупный набор данных референтными значениями рациона питания, 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 PRI увеличиваются 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 США. EFSA рассмотрело тот же вопрос безопасности и установило UL на уровне 25 мг/день, что намного ниже значения, принятого в США.

Для целей маркировки пищевых продуктов и пищевых добавок в США количество в порции выражается в процентах от дневной нормы (%DV). Для целей маркировки цинка 100% дневной нормы составляло 15 мг, но 27 мая 2016 года она была пересмотрена до 11 мг. Таблица старых и новых суточных значений для взрослых представлена ​​в разделе « Справочное суточное потребление» .

Диетическое потребление

На столе несколько тарелок с различными хлопьями, фруктами и овощами.
Продукты и специи , содержащие цинк

Продукты животного происхождения, такие как мясо, рыба, моллюски, птица, яйца и молочные продукты, содержат цинк. Концентрация цинка в растениях зависит от 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 , цельных зернах , тыквенных семечках , семечках подсолнуха 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 почти нерастворимы и плохо усваиваются организмом. В этом обзоре цитируются исследования, которые обнаружили более низкие концентрации цинка в плазме у субъектов, которые потребляли оксид цинка и карбонат цинка, чем у тех, кто принимал ацетат цинка и соли сульфата. Однако для обогащения в обзоре 2003 года рекомендовались злаки (содержащие оксид цинка) как дешевый, 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 показывают статистически значимых различий в абсорбции при добавлении в качестве фортификантов в кукурузные лепешки.

Дефицит

Почти два миллиарда человек в развивающихся странах испытывают дефицит цинка. В группы риска входят дети в развивающихся странах и пожилые люди с хроническими заболеваниями. У детей он вызывает рост инфекций и диареи и ежегодно приводит к смерти около 800 000 детей во всем мире. Всемирная организация здравоохранения выступает за 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. Тем не менее, добавки цинка не следует вводить отдельно, потому что многие в развивающихся странах имеют несколько дефицитов, а цинк взаимодействует с другими микроэлементами. Хотя дефицит цинка обычно возникает из-за недостаточного потребления с пищей, он может быть связан с мальабсорбцией , 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 составляет 9,7 и 14,2 мг / день соответственно. Для женщин 17% потребляли меньше, чем EAR, для мужчин 11%. Проценты ниже EAR увеличивались с возрастом. В самом последнем опубликованном обновлении исследования (NHANES 2013–2014) сообщалось о более низких средних значениях — 9,3 и 13,2 мг/день — опять же с уменьшением потребления с возрастом.

Симптомы умеренного дефицита цинка разнообразны. Клинические исходы включают угнетение роста, диарею, импотенцию и задержку полового созревания, алопецию , поражения глаз и кожи, нарушение аппетита, изменение когнитивных функций, нарушение иммунных функций, дефекты утилизации углеводов и репродуктивный тератогенез . Дефицит цинка снижает иммунитет, но и избыток цинка тоже.

Несмотря на некоторые опасения, западные вегетарианцы и веганы страдают от явного дефицита цинка не больше, чем мясоеды. Основные растительные источники цинка включают приготовленные сушеные бобы, морские овощи, обогащенные злаки, соевые продукты, орехи, горох и семена. Однако фитаты во многих цельнозерновых продуктах и ​​волокнах могут препятствовать усвоению цинка, а незначительное потребление цинка имеет плохо изученные эффекты. Фитат - хелатор цинка , содержащийся в семенах и отрубях злаков , может способствовать нарушению всасывания цинка. Некоторые данные свидетельствуют о том, что тем, чья диета богата фитатами, например, некоторым вегетарианцам, может потребоваться больше рекомендуемой суточной нормы США (8 мг/день для взрослых женщин; 11 мг/день для взрослых мужчин). Руководство Европейского агентства по безопасности пищевых продуктов (EFSA) пытается компенсировать это, рекомендуя более высокое потребление цинка при большем пищевом потреблении фитатов. Эти соображения должны быть сбалансированы с нехваткой адекватных биомаркеров цинка , а наиболее широко используемый индикатор, цинк плазмы, имеет низкую чувствительность и специфичность .

Рекультивация почвы

Виды Calluna , Erica и Vaccinium могут расти на цинково-металлоносных почвах, так как перемещение токсичных ионов предотвращается действием эрикоидных микоризных грибов .

сельское хозяйство

Дефицит цинка, по-видимому, является наиболее распространенным недостатком питательных микроэлементов у сельскохозяйственных культур; это особенно распространено в почвах с высоким pH. Почва с дефицитом цинка возделывается на пахотных землях примерно половины территории Турции и Индии, трети Китая и большей части Западной Австралии. Сообщалось о значительном ответе на внесение цинковых удобрений в этих районах. Растения, произрастающие на почвах с дефицитом цинка, более восприимчивы к болезням. Цинк добавляется в почву главным образом в результате выветривания горных пород, но люди добавили цинк в результате сжигания ископаемого топлива, шахтных отходов, фосфатных удобрений, пестицидов ( фосфид цинка ), известняка, навоза, осадка сточных вод и частиц с гальванизированных поверхностей. Избыток цинка токсичен для растений, хотя токсичность цинка гораздо менее распространена.

Меры предосторожности

Токсичность

Хотя цинк необходим для хорошего здоровья, избыток цинка может быть вредным. Чрезмерное поглощение цинка подавляет поглощение 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 микромолей убивают 93% всех дафний в воде.

Свободный ион цинка представляет собой мощную кислоту Льюиса , вплоть до коррозионного действия . Желудочная кислота содержит соляную кислоту , в которой металлический цинк легко растворяется с образованием агрессивного хлорида цинка. Проглатывание одного американского цента после 1982 года (97,5% цинка) может вызвать повреждение слизистой оболочки желудка из-за высокой растворимости ионов цинка в кислой среде желудка.

Имеющиеся данные показывают, что люди, принимающие 100–300 мг цинка в день, могут страдать индуцированным дефицитом меди . Исследование 2007 года показало, что пожилые мужчины, принимавшие 80 мг в день, чаще госпитализировались из-за осложнений со стороны мочевыводящих путей, чем те, кто принимал плацебо. Уровни 100–300 мг могут препятствовать использованию меди и железа или отрицательно влиять на уровень холестерина. Цинк, превышающий 500 частей на миллион в почве, препятствует усвоению растениями других необходимых металлов, таких как железо и марганец. Состояние, называемое цинковой дрожью или «цинковым ознобом», может быть вызвано вдыханием паров цинка при пайке или сварке оцинкованных материалов. Цинк является распространенным ингредиентом крема для зубных протезов , который может содержать от 17 до 38 мг цинка на грамм. Заявлены об инвалидности и даже смерти от чрезмерного употребления этих продуктов.

Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) утверждает, что цинк повреждает нервные рецепторы в носу, вызывая аносмию . Сообщения об аносмии также наблюдались в 1930-х годах, когда препараты цинка использовались в неудачной попытке предотвратить инфекции полиомиелита . 16 июня 2009 г. FDA приказало убрать с полок магазинов интраназальные средства от простуды на основе цинка. FDA заявило, что потеря обоняния может быть опасной для жизни, потому что люди с ослабленным обонянием не могут обнаружить утечку газа или дыма и не могут определить, испортилась ли пища, прежде чем они ее съедят.

Недавние исследования показывают, что местный антимикробный пиритион цинка является мощным индуктором реакции на тепловой шок , который может нарушать целостность генома с индукцией PARP - зависимого энергетического кризиса в культивируемых кератиноцитах и ​​меланоцитах человека .

Отравление

В 1982 году Монетный двор США начал чеканить пенни , покрытые медью, но содержащие в основном цинк. Цинковые монетки представляют опасность цинкового токсикоза, который может привести к летальному исходу. Один зарегистрированный случай хронического приема внутрь 425 пенни (более 1 кг цинка) привел к смерти из-за желудочно-кишечного бактериального и грибкового сепсиса . У другого пациента, принявшего 12 граммов цинка, наблюдались только вялость и атаксия (грубое нарушение координации мышечных движений). Сообщалось о нескольких других случаях, когда люди страдали отравлением цинком при приеме внутрь 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, обычно смертельную для собак из-за тяжелой гемолитической анемии и повреждения печени или почек; рвота и диарея являются возможными симптомами. 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.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Элементы из разных групп металлов. См. периодическую таблицу.
  2. Корабль Ост-Индской компании , перевозивший с Востока груз почти чистого металлического цинка, затонул у береговШвеции в 1745 году ( Эмсли 2001 , стр. 502).
  3. ^ Электрический ток будет естественным образом протекать между цинком и сталью, но в некоторых случаях используются инертные аноды с внешним источником постоянного тока.

Цитаты

Библиография

Внешние ссылки

Прослушать эту статью ( 1 час 3 минуты )
Разговорный значок Википедии
Этот аудиофайл был создан на основе редакции этой статьи от 25 января 2012 г. и не отражает последующих правок. ( 2012-01-25 )