锌
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黄铜为依各种比例混合的铜及锌的合金,早在西元三千年前的爱琴海、伊拉克、阿拉伯联合酋长国、卡尔梅克、土库曼斯坦及格鲁吉亚,和西元两千年前的印度西部、乌兹别克斯坦、伊朗、叙利亚、伊拉克及以色列/巴勒斯坦就已经被人们利用[2] [3] [4]。尽管人们在古代罗马跟希腊时就知道锌金属,但直到十二世纪时才在印度被大规模生产[5]。借由拉贾斯坦邦的矿物我们获得确切的证据,将锌的生产回溯至西元前六世纪[6]。迄今,最古老的纯锌来自拉贾斯坦邦的扎瓦尔,早在西元九世纪时便利用蒸馏法来生产纯锌了[7]。炼金术士在空气中燃烧锌,用来产生氧化锌,他们称之为“白雪”。
此元素可能是由炼金术士帕拉塞尔苏斯经德语:Zinke(叉、牙齿之意)所命名。纯金属锌在1746年被德国化学家马格拉夫发现。1800年时,路易吉·伽伐尼和亚历山德罗·伏打揭示了锌的电化学性质。锌最主要的应用为抗腐蚀的铁镀锌(热浸镀锌),在现代工业中对于碳锌电池制造上有不可磨灭的地位,最具代表性之用途为“镀锌铁板”,该技术被广泛用于汽车、电力、电子及建筑等各种产业中。其他应用在电池、小型非结构铸件及合金像是黄铜等。人们在生活中普遍的使用各种锌化合物,例如碳酸锌和葡萄糖酸锌(膳食补充剂)、氯化锌(除臭剂)、吡硫𬭩锌(去屑洗发精)、硫化锌(萤光涂料),及有机实验室的二甲基锌或二乙基锌。
锌为必需矿物质,包含产前生长及产后发育[8]。发展中国家约有二十亿的人受到缺锌症的影响,及其连带的疾病[9]。若孩童缺乏锌,将导致生长迟缓、性晚熟、免疫力下降及腹泻[8]。在生物化学中,锌为酶中广泛存在的辅因子,例如人体的醇脱氢酶[10]。
性质
[编辑]物理性质
[编辑]锌是一种青白色、光亮、具有反磁性的金属,虽然一般用作商品的锌都经过加工,这些特性已不再鲜明[11]。其密度比铁略小,呈六边形晶体结构[12]。
在常温下锌是硬而易碎的,但在100至150°C下会变得有韧性[11]。当温度超过210℃时,锌又重新变脆,可以用敲打来粉碎它。[13]锌的电导率居中。在所有金属中,它的熔点(420℃)和沸点(900℃)相对较低[14]。它的熔点是所有过渡金属中第三低的,仅次于镉和汞[14]。
化学性质
[编辑]与非金属反应
[编辑]锌加热至225℃后氧化激烈,燃烧时呈绿色火焰,与氧气反应生成氧化锌:
- 2 Zn + O2 → 2 ZnO
与卤素反应生成卤化锌:
- Zn + X2 → ZnX2(X=F、Cl、Br、I)
与硫反应生成硫化锌:
- Zn + S → ZnS
与水反应
[编辑]锌与水蒸气反应生成氧化锌:
- Zn + H2O(g)→ ZnO + H2
两性金属
[编辑]与铝类似,锌也具有两性。锌能和强碱溶液生成四羟基合锌酸盐及氢气。
- Zn+2NaOH+2H2O→ Na2[Zn(OH)4]+H2↑
化合物
[编辑]在锌化合物中,锌最常见的化合价是+2。
锌(II)
[编辑]锌可以和所有阴离子形成化合物。如常见的ZnSO4、ZnCl2、Zn(NO3)2等,可溶性大的锌化合物都有很强的潮解性,如氯化锌、高氯酸锌等。锌的一些二元化合物(ZnSe、ZnTe等)在光电方面有着引人注目的特性。
在锌的化合物中,ZnO、Zn(OH)2和ZnCO3是难溶于水的。
锌(II)可以形成配合物,如[Zn(NH3)4]2+、[Zn(OH)4]2-、[Zn(CN)4]2-等。
锌(II)也有不少有机化合物,如二乙基锌。
历史
[编辑]过去,锌每磅(约454克)的价格约一美元,属于价格较低廉的金属。故美国政府用以铸造1美分硬币(1 cent),但随著锌的价格飞涨,反而出现造价超过钱币面值的现象。
1美分硬币含有97.5%的锌,表面再镀上铜。然因锌的价格飙涨,一枚硬币的造价已达至1.79美分,超过币值许多,更因亚洲的经济崛起,铜及锌等需求大幅增加,价格持续上扬,情况严重至有人提议废除1美分硬币。[15]
用途
[编辑]锌合金
[编辑]加入其他元素组成的一种合金。根据加入的元素不同而分出不同的种类,可以形成不同种类的低温锌合金。许多合金都包含锌元素,比如黄铜就是锌和铜的合金。其它可与锌组成二元合金的金属包括铝、锑、银、锡、镁、钴、镍、碲、镉、铅、钛和钠。[16]虽然锌和锆均非铁磁材料,它们的合金ZrZn
2 却能在35 K时表现出铁磁性。
特性
[编辑]- 熔点低,在385℃熔化;
- 流动性好;
- 在大气中耐腐蚀;
- 蠕变强度低,尺寸容易在自然时效下发生变化
- 黄铜:机械性能和耐磨性能都很好;敲起来声音独特;
- 锌镉合金:流动性好、光面好,容易进行抛光、焊接等加工;
- 2号锌合金:机械性能最好;硬度要求达标;尺寸精度一般;
- 3号锌合金:流动性良好;机械性能良好;适合做玩具、灯具、装饰品等;应用最为广泛;
- 5号合金:流动性良好;机械性能良好;适合做汽车配件、机电配件等;
- 8号合金:良好的机械性;尺寸稳定性好;流动性较差;适合做元器件;
- Superloy:流动性最好;一般用作压铸薄壁;适合做电器元件以及盒体。
对人体的影响
[编辑]人体含量和分布
[编辑]人体含锌的总量约占体重的0.003%,相当于成人体内约有2公克锌。90%的锌都存在肌肉与骨骼中,其馀10%在血中扮演举足轻重的角色[17]。
建议摄取量与食物来源
[编辑]含锌丰富的食物包括蚵与红蟳等海鲜、鹅肝与猪肝等内脏、牛腱等肉类、牛乳与乳酪等乳制品、洋菜、火麻仁、麦芽、南瓜籽、啤酒、栗子、蛋、芝麻、芥末、腰果、豆类等。在豆科植物和全谷类植物来源中发现的锌吸收效率较低,因为其他植物化合物抑制吸收。[18]
年龄性别 | 美国(mg/day)[19] | 台湾(mg/day)[20] |
0-6个月 | 2 | 5 |
7-12个月 | 3 | 5 |
1-3岁 | 3 | 10 |
4-8岁 | 5 | 10 |
9-13岁 | 8 | 10 |
14-18岁 | 男11女9 | 男15女12 |
19-50岁 | 男11女8 | 男15女12 |
51岁以上 | 男11女8 | 男15女12 |
孕妇14-18岁 | 12 | 15 |
孕妇19-50岁 | 11 | 15 |
乳妇14-18岁 | 13 | 15 |
乳妇19-50岁 | 12 | 15 |
生理功能
[编辑]- 维持免疫功能:人体锌不足会出现淋巴球数量低落、血中免疫球蛋白降低、自然杀手细胞功能减弱、皮肤免疫测试反应降低等状况,临床的结果就是肺炎、念珠球菌感染,甚至伤风感冒。
- 生长与发育:促进生长、性器官的发育、伤口愈合、毛发、指甲,以及口腔黏膜等多处位置的修补作用。
- 运用在保养品:为控油类型的典型的成份。
- 调节基因表现:许多蛋白质转录因子的分子中含有锌指结构,负责与DNA结合,而改变基因的表现功能,是很重要的调控机制。
- 酵素组成分:已知的含锌酵素超过300多种,锌位于催化中心,或稳定酶蛋白质的立体结构,失去锌会使酵素失去活性。
- 维持味觉功能与促进食欲。
- 促进胰岛素分泌。
- 增强记忆力。
吸收与排泄
[编辑]锌的最佳吸收部位是十二指肠。基本排泄途径是经消化道由粪便排出。肾脏具有调节功能,会将锌离子进行再吸收。
锌的吸收通道
[编辑]hZTL1/ZnT5的结构、活性
[编辑]SLC30A5可分成两个部分,较低分子量的hZTL1,以及重量较大的ZnT5。(ZnT-like transporter 1)
hZTL1在人体组织中较为含量较多,转译出的蛋白质有523个胺基酸,和老鼠的ZnT1有34%是相同的。 以拓朴学来预测其结构,在其序列上的N端到C端有十二个跨膜结构区。在C端的myc转译出的蛋白质可标定在极化的Caco-2(结肠上皮细胞)上,会回到原先的皮膜表层。
利用Xenopus laevis的卵母细胞进行表现实验时,hZTL1会调节Zn的吸收,而hZTL1调控对Zn的吸收在pH 5.5不如pH 7.6.时来得好。
早期的资料显示DMT1在Zn吸收中扮演重要的角色,可是这些资讯已在将Caco-2上的DMT1消去之后,却不影响Zn吸收的实验中得到充分的反例,Zn不会跟Fe竞争DMT1,并且其活性与细胞膜电位无关。
人类小肠细胞中ZTL1的位置证实
[编辑]在肠细胞Zn运输蛋白的相似细胞中,可区分为属于两大类别,SLC30跟SLC39,其中有两种蛋白质hZTL1(h;human)和hZIP4在小肠细胞摄取Zn的过程中扮演相当重要的角色。在ZTL1发现前,并没有人在哺乳类细胞中看到有Zn通道的表现。
ZnT1透过免疫沉淀的方式在大鼠肠细胞边侧的细胞膜上发现,并在人类小肠细胞Caso-2中获得证实。
ZIP1一开始被认为是用来吸收小肠内Zn的transporter,K562 cell细胞膜定位的实验推翻了这点,绿色萤光跟FLAG标定的hZIP1位在许多皮质细胞的内质网上,包括了Caco-2,更近一步透过在PC-3前列腺细胞操作hZIP1抗体可以更精确的证明这件事。
其他可能存在的Zinc transporter
[编辑]关于其他Zn transporter,有一种ZNT1蛋白质在肠道扮演很重要的角色,研究显示,ZNT1会携带从饮食中获得的Zn离子在肠壁细胞吸收后携带进入肝门静脉,但在SLC30蛋白质中没有其他蛋白质被发现跟ZNT1一样有完全相同的功能。
在人体的胰岛ß细胞中,ZnT5和一个富含胰岛素的分泌细粒结合,Zn对于将胰岛素以晶体的方式储存扮演重要的角色。
ZNT6,ZNT7两蛋白质虽然在肠道也能发现,但其两在其他器官都有发现到他们的踪迹,所以其功能和ZNT1并不相似。
在人体方面,hZIP1、hZIP2、hZIP4都有携带Zn离子的功能,但这些蛋白质也被发现在子宫和摄护腺中,所以其功能并不是完全清楚,另外ZIP6,ZIP8两蛋白质功能不明,还有在老鼠内质网中发现的ZIP7也是一样。
在胎盘中锌的传导
[编辑]锌在胎盘中的传输过程大致上和在肠中类似,由SLC30中的ZnT1,2,5来负责,至于ZnT6,7的功能则仍在实验当中。 在免疫组织化学中,以人类和老鼠为实验对象,hZTL1/ZnT5被探测到在胎盘上层细胞中扮演著重要角色,负责传送Zn给胎儿。而ZnT1则有著类似的功能,拥有负责传输营养物质给胎儿的功能,但作用机制仍未完全了解。在人体中, hZTP1均在肠和胎盘中表现出来,但是没有任何证据显示hZIP2的表现。
此外,ZTP4虽然都有在人类和老鼠的肠中被表现,但是基因却没有在人类的胎盘中被表现出来,反而老鼠的卵黄囊中会进行表现。后来才发现原来hZIP4对人体饮食中锌在肠的吸收扮演著重要角色,hZTL1/ZnT5在Zn的传输中,对胎儿的影响远大于对成人的影响。
在小肠和胎盘中锌通道的调节
[编辑]小肠中锌的吸收调节被认为是维持体内锌衡定很重要的部分,在一份大鼠的研究中已经论证当可吸收的锌浓度增加,在小肠里有一个位置会调节ZnT1的上游mRNA,但在同一份研究中也显示当可吸收的锌浓度下降ZnT1的mRNA并不会受影响,而另一个锌的传送蛋白ZnT2在提供充足地锌的情况下ZnT2 mRNA会加强表现,如果是缺乏锌的情况下则会降低ZnT2 mRNA的表现。
老鼠的ZIP4 mRNA在缺乏锌的时候会增加表现量。在人类肠道细胞Caco-2中,增加培养基里的锌浓度会引起锌的传送蛋白hZTL1/ZnT5、ZnT1、ZnT4和hZIP1 mRNA表现量的增加,同样,在蛋白质的表现量上也是有增加的情形;但是在胎盘细胞中就有不同的表现,当增加锌的浓度后,并没有任何锌的传送蛋白mRNA有改变表现量,更甚至于发现ZnT1和hZTL1/ZnT5蛋白的表现量有减少的现象,但是现在对于Zn如何调节这些蛋白质并没有完整地知识去描述它的机制。
锌缺乏后果
[编辑]锌缺乏会导致免疫力低下、食欲不振、生长减缓、下痢、掉发、夜盲、前列腺肥大、男性生殖功能减退、动脉硬化、贫血等问题。锌缺乏导致腹泻的过程包括:肠细胞绒毛结构破坏、含锌消化酵素减少、发炎造成肠壁水肿、消化道免疫力变差。缺锌与腹泻容易形成恶性循环,腹泻更减少锌吸收,增加锌的流失,造成双重的缺锌原因,常发生在老人[21]、婴幼儿、胰脏功能不全、肠病变或肠手术者的身上。
此外有肾脏病变者很容易有高尿锌症与低血锌症。糖尿病、肝病或慢性发炎性疾病,如风湿性关节炎患者,都会因肾病变导致体内锌慢性缺乏,免疫力会变差,形成了一个恶性循环。
支端皮肤炎
[编辑]hZIP4(SLC39A4)是一在肠膜上端的二次基因表现产物,它被发现和遗传的Zn-deficiency disease acrodermatitis enteropathica(缺乏Zn的支端皮肤炎)有关,此病和第八染色体有密切关系,会减低肠道吸收Zn的效率。
经过研究证实,突变的hZIP4蛋白质也会降低肠道吸收Zn的效率,最近有另外的实验结果指出,在老鼠身上的HEK293蛋白质会增加肠道Zn的吸收效率.
锌过量后果
[编辑]大量锌会引发恶心、呕吐、发烧、血液中高密度脂蛋白减少,进而提高心血管疾病发生机率。
参考文献
[编辑]- ^ Prohaska, Thomas; Irrgeher, Johanna; Benefield, Jacqueline; Böhlke, John K.; Chesson, Lesley A.; Coplen, Tyler B.; Ding, Tiping; Dunn, Philip J. H.; Gröning, Manfred; Holden, Norman E.; Meijer, Harro A. J. Standard atomic weights of the elements 2021 (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry. 2022-05-04. ISSN 1365-3075. doi:10.1515/pac-2019-0603 (英语).
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更年期常见男性荷尔蒙减少……医师建议,可多吃含锌食物……补肾可多吃些山药、南瓜等。
延伸阅读
[编辑]- 刘广定:〈中国用锌史研究:五代已知“倭铅”说重考 (页面存档备份,存于互联网档案馆)〉。
外部链接
[编辑]- 元素锌在洛斯阿拉莫斯国家实验室的介绍(英文)
- EnvironmentalChemistry.com —— 锌(英文)
- 元素锌在The Periodic Table of Videos(诺丁汉大学)的介绍(英文)
- 元素锌在Peter van der Krogt elements site的介绍(英文)
- WebElements.com – 锌(英文)
IA 1 |
IIA 2 |
IIIB 3 |
IVB 4 |
VB 5 |
VIB 6 |
VIIB 7 |
VIIIB 8 |
VIIIB 9 |
VIIIB 10 |
IB 11 |
IIB 12 |
IIIA 13 |
IVA 14 |
VA 15 |
VIA 16 |
VIIA 17 |
VIIIA 18 | ||||||||||||||||||||
1 | H | He | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
2 | Li | Be | B | C | N | O | F | Ne | |||||||||||||||||||||||||||||
3 | Na | Mg | Al | Si | P | S | Cl | Ar | |||||||||||||||||||||||||||||
4 | K | Ca | Sc | Ti | V | Cr | Mn | Fe | Co | Ni | Cu | Zn | Ga | Ge | As | Se | Br | Kr | |||||||||||||||||||
5 | Rb | Sr | Y | Zr | Nb | Mo | Tc | Ru | Rh | Pd | Ag | Cd | In | Sn | Sb | Te | I | Xe | |||||||||||||||||||
6 | Cs | Ba | La | Ce | Pr | Nd | Pm | Sm | Eu | Gd | Tb | Dy | Ho | Er | Tm | Yb | Lu | Hf | Ta | W | Re | Os | Ir | Pt | Au | Hg | Tl | Pb | Bi | Po | At | Rn | |||||
7 | Fr | Ra | Ac | Th | Pa | U | Np | Pu | Am | Cm | Bk | Cf | Es | Fm | Md | No | Lr | Rf | Db | Sg | Bh | Hs | Mt | Ds | Rg | Cn | Nh | Fl | Mc | Lv | Ts | Og | |||||
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