ZN是什麼元素？
ZN，即元素週期表中的鋅（Zinc）。它是一個金屬元素，符號為 Zn，原子序數是 30。鋅位於元素週期表的第 12 族（Group 12），第四週期（Period 4）。它被歸類為過渡金屬，儘管其全滿的 d 軌域使其在某些方面與典型的過渡金屬有所區別。
在常溫常壓下，鋅是一種略帶藍白色的金屬，外觀具有光澤。它的質地相對較脆，容易斷裂，但如果在 100°C 到 150°C 之間加熱，會變得具有延展性，可以被壓成薄片或拉成細絲。當溫度超過 210°C 時，它的脆性又會恢復。
ZN元素的物理與化學性質是什麼？
鋅具有一系列獨特的物理和化學性質，使其在工業和生物領域都具有重要價值：
物理性質：
- 顏色與光澤： 新鮮斷面呈藍白色，有金屬光澤。在空氣中會逐漸失去光澤，形成保護性的氧化層。
- 狀態： 常溫下是固體。
- 密度： 約 7.14 克/立方厘米。
- 熔點： 相對較低，約為 419.5 °C。
- 沸點： 約為 907 °C。
- 硬度： 莫氏硬度約為 2.5，相對較軟。
- 延展性： 常溫下脆，100-150°C 時延展性好。
- 導電性與導熱性： 具有良好的導電性和導熱性，但不如銅或鋁。
化學性質：
- 氧化態： 主要表現為 +2 氧化態。
- 反應活性： 是一種中等活性的金屬。
- 與氧氣反應： 在乾燥空氣中相對穩定，但在潮濕空氣中表面會生成一層鹼式碳酸鋅，阻止進一步氧化。加熱時，鋅會與空氣中的氧反應，生成氧化鋅 (ZnO)。
- 與酸反應： 鋅可以與非氧化性酸（如稀鹽酸、稀硫酸）反應，生成相應的鋅鹽並釋放氫氣。反應式：Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂。
- 與鹼反應： 鋅是一種兩性金屬，可以與強鹼溶液反應，生成鋅酸鹽和氫氣。反應式：Zn + 2NaOH + 2H₂O → Na₂[Zn(OH)₄] + H₂ 或 Zn + 2NaOH → Na₂ZnO₂ + H₂ (加熱濃溶液)。
- 與水反應： 在常溫下與水反應非常緩慢，但在高溫下可以與水蒸氣反應生成氧化鋅和氫氣。
- 電化學性質： 具有較低的標準電極電勢 (-0.76 V)，使其在電化學電池中常用作負極（如乾電池、鹼性電池），也是犧牲陽極保護法中常用的材料。
ZN元素在自然界中哪裡可以找到？
鋅在自然界中不以單質形式存在，而是主要以化合物的形式分佈在地殼中。它是地殼中含量比較豐富的元素之一，按質量計約佔地殼總質量的 0.0075% 至 0.008%。
鋅主要存在於礦物中。最重要的鋅礦物包括：
- 閃鋅礦 (Sphalerite, ZnS)： 這是最常見也是最重要的鋅礦石，主要成分是硫化鋅。閃鋅礦通常與鉛、銅、鐵等元素的硫化物共生。
- 菱鋅礦 (Smithsonite, ZnCO₃)： 主要成分是碳酸鋅，通常由閃鋅礦氧化形成。
- 異極礦 (Hemimorphite, Zn₄(Si₂O₇)(OH)₂·H₂O)： 一種含水的矽酸鋅礦物。
- 鋅礦 (Zincite, ZnO)： 氧化鋅礦物，相對較少見。
- 矽鋅礦 (Willemite, Zn₂SiO₄)： 一種矽酸鋅礦物。
這些礦藏分佈在全球各地，主要的鋅礦產區包括中國、澳大利亞、秘魯、美國、墨西哥、加拿大和歐洲部分地區。
ZN是如何從礦石中提取和生產的？
鋅的提取主要涉及從其礦石中分離和提煉。由於閃鋅礦（ZnS）是最主要的礦石，提取過程通常從處理硫化鋅開始，主要有兩種工業生產方法：
1. 火法煉鋅 (Pyrometallurgy)：
這個方法歷史較久，步驟通常如下：
- 焙燒： 將閃鋅礦（ZnS）在空氣中加熱，使其與氧反應轉化為氧化鋅（ZnO）。反應式：2ZnS + 3O₂ → 2ZnO + 2SO₂。同時，可能存在的伴生硫化物也會被氧化。
- 還原： 將焙燒得到的氧化鋅與煤或焦炭（碳源）混合，在高溫下（通常在 1200-1300°C 的豎爐或反射爐中）進行還原反應。反應式：ZnO + C → Zn + CO。由於鋅的沸點（907°C）較低，在這個高溫下，鋅會以蒸氣的形式產出。
- 冷凝： 將鋅蒸氣迅速導入特殊的冷凝器中冷卻，使其凝結成液態鋅，然後鑄成固體鋅錠。這個過程需要快速冷卻，以避免鋅蒸氣被一氧化碳或二氧化碳再次氧化。
火法煉鋅相對簡單，但能耗較高，且回收率可能不如濕法。
2. 濕法煉鋅 (Hydrometallurgy)：
這是目前更為普遍和高效的方法，特別適用於低品位或複雜的鋅礦。步驟通常如下：
- 焙燒： 與火法類似，將 ZnS 轉化為 ZnO。
- 浸出： 將焙燒後的氧化鋅用稀硫酸溶液浸泡，使氧化鋅溶解生成硫酸鋅溶液。反應式：ZnO + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂O。過程中會加入一些物質去除雜質離子。
- 淨化： 浸出液中含有多種雜質金屬離子。通過加入鋅粉或其他化學試劑，選擇性地將雜質金屬（如銅、鎘、鈷、鎳等）置換或沉澱出來，得到較純淨的硫酸鋅溶液。
- 電解： 將淨化後的硫酸鋅溶液送入電解槽中，以不溶性陽極（如鉛銀合金）和鋁陰極進行電解。在陰極上，鋅離子得到電子析出成為金屬鋅；在陽極上，水分子失去電子生成氧氣和硫酸。陰極反應：Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn。陽極反應：2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻。
- 剝離與熔鑄： 電解一段時間後，將沉積在鋁陰極上的固體鋅層剝離下來，熔化後鑄成高純度的鋅錠。電解過程得到的稀硫酸可以循環用於浸出。
濕法煉鋅能耗相對較低，產品純度高，對環境污染（特別是二氧化硫）控制也相對更好。
此外，鋅的回收利用也非常重要。廢棄的鋅製品（如鍍鋅鋼材、鋅合金、鋅電池等）可以通過分類、拆解、熔煉或浸出電解等工藝進行回收，節省資源並減少環境負荷。
ZN元素主要應用在哪些方面？為什麼使用它？
鋅因其獨特的物理和化學性質而被廣泛應用於各個工業領域。其主要用途及其原因包括：
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鍍鋅 (Galvanizing)：
這是鋅最主要的用途，約佔鋅總消費量的一半。將鋼鐵製品浸入熔融的鋅液中或通過電鍍等方法，使其表面覆蓋一層鋅層。為什麼？因為鋅比鐵活潑。當鍍鋅鋼材暴露在空氣或潮濕環境中時，鋅會優先被腐蝕，作為「犧牲陽極」來保護內部的鋼鐵不生鏽（電化學保護作用）。同時，鋅表面形成的緻密氧化層也能提供物理屏障。
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製造合金 (Alloy Manufacturing)：
鋅是許多重要合金的組分。
- 黃銅 (Brass)： 鋅與銅的合金，是歷史悠久且用途廣泛的合金。添加鋅可以顯著提高銅的強度、硬度和切削性能，同時降低熔點，使其更易於鑄造和加工。廣泛用於製造閥門、管道配件、樂器、裝飾品等。
- 鋅合金 (Zinc Alloys)： 例如鋅鋁合金（Zamak 系列）、鋅銅鈦合金等。這些合金具有良好的鑄造性能（特別是壓鑄）、相對低的熔點、良好的強度和韌性，以及較好的耐腐蝕性。廣泛用於製造汽車零件、家電外殼、拉鍊、玩具、建築五金等。
- 青銅 (Bronze)： 雖然傳統青銅是銅錫合金，但有些現代青銅合金也會加入少量鋅。
為什麼使用鋅製造合金？它可以改變主體金屬的熔點、強度、硬度、延展性、耐腐蝕性、鑄造性能等，滿足特定用途的需求。
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電池製造 (Battery Manufacturing)：
鋅因其相對較低的電極電勢，是多種電池中重要的負極材料。
- 鋅碳電池 (Leclanché cell)： 最早的乾電池類型，負極是鋅殼。
- 鹼性電池 (Alkaline battery)： 鋅粉是負極活性物質。
- 鋅空氣電池 (Zinc-air battery)： 具有較高的能量密度，常用於助聽器等設備。
為什麼使用鋅？它在電化學反應中能夠穩定地提供電子，作為電流的來源，且成本相對較低。
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氧化鋅 (Zinc Oxide, ZnO) 的應用：
氧化鋅是鋅最重要的化合物之一，具有多種特性，應用極其廣泛。
- 橡膠工業： 用作硫化活化劑和補強劑，提高橡膠製品的性能。
- 陶瓷和玻璃： 改善釉料和玻璃的性能。
- 顏料： 作為白色顏料（鋅白），無毒，但遮蓋力不如二氧化鈦。
- 醫藥和化妝品： 具有收斂和防腐作用，用於製造軟膏、洗劑；也作為物理防曬劑，能阻擋紫外線。
- 電子工業： 作為半導體材料，用於製造壓敏電阻、熱敏電阻等。
- 農業： 作為微量元素肥料補充劑。
為什麼使用氧化鋅？它具有良好的熱穩定性、化學穩定性、紫外光吸收能力、催化活性等。
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硫化鋅 (Zinc Sulfide, ZnS) 的應用：
硫化鋅是一種重要的無機化合物，具有熒光和磷光特性。
- 螢光屏： 用作陰極射線管 (CRT) 螢光屏、X 射線探測器等中的螢光粉。
- 光學材料： 作為紅外窗口材料。
為什麼使用硫化鋅？它在受到激發（如電子束、X射線）後能夠發出可見光（或其他波長的光）。
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其他鋅化合物的應用：
- 硫酸鋅 (ZnSO₄)： 用於人造絲生產、醫藥、電鍍、催化劑、農業（肥料）等。
- 氯化鋅 (ZnCl₂)： 用作焊接助焊劑、木材防腐劑、催化劑、紡織工業中的脫水劑等。
- 鉻酸鋅 (ZnCrO₄)： 作為黃色顏料和防腐蝕塗料。
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農業和食品：
鋅是植物和動物必需的微量元素，因此鋅化合物（如硫酸鋅）被用作肥料和飼料添加劑。
ZN元素在生物體內有什麼重要作用？人體需要多少ZN？
鋅是所有已知生命形式都必需的微量元素，包括人體。它在生物體內扮演著極其關鍵的多功能角色。
ZN在生物體內的作用：
鋅不是儲能物質，也不是構成身體結構的主要成分（如鈣之於骨骼）。它的作用主要體現在以下方面：
- 酶的組成和活化： 鋅是超過 300 種不同酶的催化中心或結構組分，參與了體內幾乎所有主要的代謝過程。這些酶參與蛋白質合成、核酸（DNA 和 RNA）合成、細胞分裂、碳水化合物代謝、脂肪代謝等。例如，碳酸酐酶需要鋅來催化二氧化碳和水之間的反應；超氧化物歧化酶 (SOD) 包含鋅，是一種重要的抗氧化酶。
- 蛋白質結構和功能： 鋅離子能夠與蛋白質中的某些氨基酸（如組氨酸、半胱氨酸）結合，形成所謂的「鋅指」結構。這種結構在許多轉錄因子和核酸結合蛋白中發現，它們可以識別和結合 DNA 或 RNA，從而調節基因表達。因此，鋅對基因的正常讀取、複製和修復至關重要。
- 免疫功能： 鋅對免疫系統的發育和正常功能至關重要。它參與 T 細胞和 B 細胞的成熟和功能，影響細胞介導免疫和體液免疫。缺鋅會顯著削弱免疫功能，增加感染風險。
- 生長發育： 鋅參與細胞分裂、蛋白質和核酸合成，對嬰幼兒、兒童和青少年的正常生長發育至關重要。懷孕期間充足的鋅攝入對胎兒發育也非常重要。
- 傷口癒合： 鋅在細胞生長、組織修復和炎症反應中發揮作用，因此對傷口癒合至關重要。
- 神經功能： 鋅參與神經遞質的合成、釋放和代謝，對大腦功能、認知能力和神經信號傳導有影響。
- 感官功能： 鋅對於維持正常的味覺和嗅覺功能是必需的。它也是眼睛中維生素 A 代謝和視紫質形成所必需的，對維持正常視力有幫助。
- 抗氧化作用： 除了作為抗氧化酶 SOD 的成分，鋅本身也可能具有抗氧化作用，保護細胞免受自由基損傷。
- 內分泌功能： 鋅對胰島素的合成、儲存和釋放有影響，與血糖調節有關。它也參與性激素（如睾酮）的代謝。
ZN在人體內哪裡？
儘管是微量元素，但人體內總共有約 2-3 克鋅。鋅分佈在全身各處，沒有專門的儲存器官，但以下部位濃度較高：
- 肌肉和骨骼（約佔總量的 90%）
- 皮膚
- 眼睛
- 前列腺
- 某些器官如肝臟、腎臟、胰腺、脾臟。
- 血液中也有少量，主要與蛋白質（如白蛋白）結合運輸。
人體需要多少ZN？（推薦攝入量）
人體無法自行合成鋅，必須從飲食中獲取。每日鋅的推薦膳食攝入量 (RDA) 因年齡、性別和生理狀態（如懷孕、哺乳）而異。不同國家和組織的推薦量可能略有差異，但大致範圍如下：
- 嬰幼兒： 2-3 毫克/天
- 兒童（1-8 歲）： 3-5 毫克/天
- 青少年（9-13 歲）： 8 毫克/天
- 青少年（14-18 歲）： 男性 11 毫克/天，女性 9 毫克/天
- 成年男性： 11 毫克/天
- 成年女性： 8 毫克/天
- 懷孕女性： 11-12 毫克/天
- 哺乳期女性： 12-13 毫克/天
這些是為了滿足大多數健康人群需求的平均量。實際需求可能受飲食結構（如素食者需要更多鋅，因為植物性食物中的植酸會影響鋅的吸收）和健康狀況影響。
食物中的ZN來源：
鋅主要存在於：
- 動物性食物：牡蠣、牛肉、豬肉、羊肉、禽肉、魚類等。
- 植物性食物：豆類（如扁豆、鷹嘴豆）、堅果（如杏仁、腰果）、種子（如南瓜子、芝麻）、全穀物、乳製品。
動物性食物中的鋅更容易被人體吸收。
ZN缺乏與過量：
鋅攝入不足會導致缺鋅，症狀包括生長發育遲緩、免疫功能下降、食慾不振、味覺和嗅覺減退、皮膚問題、傷口癒合緩慢等。嚴重缺鋅在發展中國家較為常見。
攝入過量的鋅也可能有害，但通過食物攝入達到毒性水平比較困難，通常是過量補充鋅補充劑引起。急性鋅中毒症狀包括噁心、嘔吐、腹瀉、腹痛等。長期過量攝入可能干擾其他礦物質（如銅、鐵）的吸收和代謝，導致相應元素的缺乏。因此，補充鋅應謹遵醫囑或參考安全上限。
ZN有哪些常見的化合物形式？
鋅能形成多種化合物，其中一些具有重要的工業和商業價值：
- 氧化鋅 (ZnO)： 白色固體，不溶於水。是用途最廣泛的鋅化合物，用於橡膠、陶瓷、顏料、醫藥（收斂、防腐）、化妝品（防曬）、電子工業等。
- 硫化鋅 (ZnS)： 白色或淡黃色固體，不溶於水。天然存在於閃鋅礦中。具有熒光或磷光特性，用於製造螢光粉、螢光屏、X 射線屏、光學材料等。
- 硫酸鋅 (ZnSO₄)： 通常以水合物形式存在（如七水硫酸鋅 ZnSO₄·7H₂O，俗稱皓礬），白色晶體，易溶於水。用於印染、醫藥、電鍍、農業（微量元素肥料）、製革、木材防腐等。
- 氯化鋅 (ZnCl₂)： 白色晶體，極易吸濕，易溶於水。具有腐蝕性。用作焊接助焊劑（能溶解金屬氧化物）、木材防腐劑、催化劑、電池（乾電池電解質組分）、紡織工業等。
- 碳酸鋅 (ZnCO₃)： 白色固體，不溶於水。天然存在於菱鋅礦中。用作顏料、陶瓷、醫藥（收斂劑）、橡膠補強劑等。
- 硬脂酸鋅 (Zinc Stearate)： 白色細粉，不溶於水。作為脫模劑、潤滑劑、防水劑，用於橡膠、塑料、塗料、化妝品等。
如何安全處理和儲存ZN？
雖然金屬鋅本身的毒性相對較低，但工業生產和使用過程中仍需注意安全：
- 金屬鋅： 大塊的固體金屬鋅相對穩定，儲存於乾燥環境即可。粉狀鋅（鋅粉）具有較高的表面積，更易燃，與氧化劑或酸反應可能釋放氫氣（易燃易爆）。應遠離火源和氧化性物質，儲存於陰涼乾燥、通風良好的地方。
- 氧化鋅煙塵： 在高溫下熔煉或加工鋅時，可能產生氧化鋅煙塵。吸入大量氧化鋅煙塵可能導致「金屬煙霧熱」（Metal Fume Fever），症狀類似流感。工作場所應保持良好通風，必要時佩戴呼吸防護裝置。
- 鋅化合物： 不同的鋅化合物毒性不同。可溶性鋅鹽（如硫酸鋅、氯化鋅）具有刺激性或腐蝕性，攝入過量可能引起消化道不適甚至中毒。操作時應避免接觸皮膚和眼睛，防止誤食或吸入粉塵。
- 廢物處理： 含有鋅的廢水或廢物可能對環境（特別是水生生物）有毒性。應按照環保法規進行妥善處理，避免直接排放。回收利用是處理含鋅廢物的重要途徑。
總體而言，在實驗室或工業環境中處理鋅及鋅化合物時，應遵循化學品安全操作規範，佩戴個人防護設備（手套、護目鏡、工作服），確保工作場所通風，並了解所處理特定化合物的危險性。對於日常接觸的鍍鋅物品或食物中的鋅，通常是安全的。
