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今天我们要讨论一种非常有趣的金属,它的原子核中有 30 个质子。它的名字叫锌。这种化学元素有 5 种稳定同位素和几十种不稳定同位素。

金属是令人惊奇的化学元素。它们能够形成由数十亿个原子组成的网络,其中一些电子属于整个网络,并且能够在其中几乎自由地移动,携带热能和电流。这些网络虽然通常很坚固,但也很灵活,使得金属的用途非常广泛。

然而,并非所有金属都是相同的。

各种金属

最“金属”的金属,即元素周期表左侧前两组中的金属,例如钠、钾或钙,它们的活性非常高,以至于在自然界中几乎不可能找到它们的纯净形式。此外,即使将它们从连接中移除,用它们制造电缆、绞肉机或机器也是没有意义的。因为这些金属氧化得如此之快,以至于它们不可能以纯净的形式保存很长时间。

然而,如果你仔细观察元素周期表的中间区域,你会发现那里的金属的电子“事务”或多或少是温和的。它们不像碱金属那样积极地释放电子。尽管它们仍然具有金属特性。正是这些过渡金属让人类能够建造摩天大楼、飞机和电动火车。

然而,过渡金属也不完全相同。

您可能知道,除了氢之外,几乎所有化学元素都是由于热核聚变而在恒星内部形成的。但是,当然,并非所有恒星都能够合成所有元素。而他们却不可能一辈子都这样做。原子拥有的质子越多,它在热核恒星“熔炉”中“诞生”的频率就越低。

超新星内部

正如我们从最近关于铁的文章中了解到的那样,任何比该元素重的元素在大多数情况下都是在超新星爆炸期间通过聚变形成的。

总结以上所有内容,我们可以得出以下结论:只有少数化学元素具有使其能够在冶金工业中广泛使用的必要特性。这些元素一定是过渡金属,因为只有这样的性质才能让它们以金属形式长期存在。而且这些金属也必须相对较轻,才能使其储量较大。

这就是为什么人类使用最广泛的化学元素中有如此多的过渡金属,例如铜、铁和我们今天要讨论的金属:锌。

这种化学元素具有多种其特殊的特性。

锌与铜

尽管锌在自然界中的含量不如铁或铜,但在地壳中的含量却相当丰富:七千五百万分之一。它通常存在于与铅等其他金属混合的矿物中。或者,更常见的是,使用铜。

当然,考虑到其反应性,地球上找不到纯锌。其电子特性与镁非常相似。但同时稍微不那么活跃。与镁一样,锌最常见的氧化态是+2,这意味着锌必须失去两个电子才能实现电子稳定性。

对于经验丰富的化学家来说,列出的特征应该足以了解一个人已经使用锌很长时间了,甚至不知道。

从这个意义上说,锌很有趣,因为它代表了自古以来已知的元素与 18 世纪和 19 世纪化学科学“突破”期间发现的元素之间的中间情况。

事实上,现在很难确定这件事到底发生在什么时候。

由于锌与其他更常见的“贱”金属一起存在于岩石中,因此它作为合金生产已有数千年的历史。几乎总是用铜。在许多情况下,它的存在是未知的。

如果锌含量非常少,该合金甚至无法与普通铜区分开来。如果它很大,那么人们相信它是某种特殊的铜。但还是铜。由于古代不存在化学元素的现代概念,因此很难理解为什么会发生这种情况。

如果合金中锌含量低于12%,则不易区分黄铜和铜。但如果锌的比例较高,合金的颜色就会从红铜色变为易于识别的金色色调。它甚至可能与黄金混淆。

黄铜比普通铜更有价值。由于这种合金更具延展性,因此更容易加工并且氧化速度更慢。

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谁发现了锌?

但人们到底是什么时候了解到锌的呢?显然,这发生在公元前一千年。亚述文献提到了山里的铜,这与普通的铜不同。而这铜质,似乎有着金色的颜色。也许它是天然黄铜或铜和金的合金;这一点现在无法确定。

希腊人将金铜称为“oreichalkos”(来自山中的铜),罗马人将这个词改编成他们的语言,并且开始听起来像“aurichalkos”。

尽管一开始并不清楚 aurihalk 到底是什么——琥珀、金铜合金、锌铜合金等,但随着时间的推移,这个术语逐渐意味着天然或人造黄铜。

在古罗马,黄铜的价值几乎与黄金一样。并用它铸造了小硬币。

只有一件事已得到可靠证实:在公元前第一个千年的某个时刻,锌含量相当高的黄铜开始从中东的某些地区出口。人们坚信这不是自然的。

你说:不先获得锌就不可能获得人造黄铜!能。线索在于铜和锌之间的一个主要区别:每种金属的熔点和沸点。

隐形组件

铜的熔化温度略高于 1000°C。锌在更低的温度(约 420°C)下就能实现这一点。这是除汞和镉之外的所有过渡金属中最低的熔点。

但这并不是有趣的地方。事实上,锌的沸点约为 910°C。这意味着锌在铜熔化之前就沸腾了!

制造黄铜的秘诀是将含有锌和铜的岩石放入熔炉中,并将温度提高到 1000°C 以上。与此同时,锌沸腾变成蒸汽,铜熔化变成液体。然后将整个物质冷却,气态锌沉积到液态铜中。之后将混合物进一步冷却并获得黄铜。根据所用岩石的类型和比例,可以生产出锌浓度较高或较低的黄铜。

罗马、印度——公元一千年的所有文明都以几乎相同的方式生产黄铜。

这非常奇怪,因为整个过程都是在炉内进行的,而且没有人见过锌。该金属在不知道其存在的情况下被用来形成合金。只是曾经有人用一块含有铜的岩石做了类似的操作,他得到了黄铜。但如何、什么、为什么并不那么重要。

历史上有提到某种“假银”,当它添加到铜中时,会产生黄铜。希腊历史学家狄奥庞波斯在四世纪写到了这一点。而这种假银很可能是锌与其他东西的合金。

然而,锌作为一种单独的金属的认可需要等待几个世纪。

锌的名字是谁给的?

一千多年来最常用于以上述方式生产锌的岩石被称为炉甘石。后来,现代化学诞生后,人们发现炉甘石这个名字是用来指代两种化学成分不同的矿物,尽管它们都含有锌。它们分别是菱锌矿 和异极矿 、碳酸锌和硅酸锌。

据信金属锌的发现者是德国化学家安德烈亚斯·马格拉夫。他在 1746 年就这么做了。然而,有证据表明,印度冶金学家在几个世纪前,即 14 世纪左右,就成功地从炉甘石中获得了这种金属,因为几个世纪以来欧洲使用的所有锌主要来自印度,这是不争的事实。在欧洲文艺复兴时期,锌被称为“印度锡”。

为锌赋予现代名称的人是我们的老朋友菲利普·奥雷鲁斯·泰奥弗拉斯托斯·邦巴斯图斯·冯·霍恩海姆,他更广为人知的名字是帕拉塞尔苏斯。在他的著作《Liber Mineralium》中,他将这种金属称为“锌”。没有人确切知道原因。也许这个词来源于德语中锡的名字“zinn”。或者可能来自锌金属晶体的针状形状,因为在德语中 zinke 的意思是“荆棘”。

是的,在帕拉塞尔苏斯时代以及随后的两个世纪里,人们已经知道锌,并且可以从炉甘石中获取锌。但其生产量小且纯度低。毫无疑问,不同的 18 世纪化学家在不同的时间获得了锌,因此将发现这种金属的权利赋予第一个分离出纯锌的人是荒谬的。

然而,人们普遍认为这样的人就是前面提到的安德烈亚斯·马格拉夫。很可能是因为他提出了一种获取纯金属的工业方法,随后纯金属的价格大幅下降。

锌是如何使用的?

当然,在早期阶段,锌的主要用途之一是生产黄铜。然而,随着时间的推移,情况发生了变化。

之所以发生这种情况,一方面是因为马格拉夫工艺和其他更高效的后来的锌开采方法为人类以合理的价格提供了大量的锌。但是,另一方面,通过对金属进行实验,人们发现了它的新特性。这使得锌非常有用。

与镁一样,锌在与空气接触时氧化速度非常快:比铁等氧化程度要强得多。然而,一块锌需要很长时间才能完全氧化。原因是空气中存在的三种气体(氧气、水和二氧化碳)发生了一系列化学反应,从而产生了碳酸锌,而碳酸锌具有很好的耐腐蚀性。这种化合物具有高度不渗透性,可形成良好的“保护”层,防止下面的锌氧化。

如果这种“保护”的一部分被破坏,但下面仍然有锌,金属就会经历相同的过程并形成碳酸锌保护层。当然,这种情况不可能永远持续下去。最终,同样的命运降临在整块锌上。

但这需要很多时间。

锌的这种非常有益的特性,加上 Marggraf 工艺发展后金属价格暴跌,导致世界锌产量从 19 世纪初开始急剧增加。

随后,利用我们在文章开头提到的锌的特性:低熔点,开发了一种将锌大量应用于钢或铁的方法。

镀锌

尽管确切的熔点取决于钢的成分,但这种合金通常从 1300°C 开始熔化。但正如我们之前了解到的,锌的熔化温度约为 420°C。因此,您可以将一块钢放入熔融锌浴中,而不必担心钢软化。当这件零件从浴中取出并冷却时,锌再次硬化并在钢上形成保护层。

另一种流行的技术是用锌对金属产品进行镀锌。目前开采的金属总量的一半以上用于此目的。

剩余量中,几乎一半用于制造钢的合金。

如今,锌用于生产黄铜的原始用途已所剩无几:如今,只有六分之一的锌最终制成了黄铜和青铜。

生物化学

但锌的用途不仅限于工业应用。这种金属对于生化过程极其重要。当然,我们的身体最需要的就是铁。但紧随其后的是锌。每个普通公民的锌含量最多为三克。

锌是大约一百种不同酶以及许多其他蛋白质的组成部分。如果没有这种金属,人就根本无法生存。缺锌会导致许多慢性疾病。而且缺得越多,病情就越严重。但幸运的是,锌对于其他生物来说是必需的,因此通过均衡饮食很容易获得:几乎人吃的所有食物都含有少量的锌。

然而,过量的锌是危险的:这种金属会干扰铁或铜等其他重要元素的吸收。此外,如果锌被摄入,它会在胃中溶解并与盐酸反应形成氯化锌(ZnCl2)。这种化合物的腐蚀性很强,会损坏胃壁。

因为有些硬币含有锌,所以不建议摄入,尤其是一些美国硬币,它们几乎是由纯锌制成的。

2022年,全球纯锌开采量超过1200万吨。