Цинк: свойства, применение и значение для жизни.

Введение

химический элементМеталлический элемент, символ Zn

Цинк — химический элемент с символом Zn и атомным номером 30. При комнатной температуре это слегка хрупкий металл с блестящим сероватым оттенком при удалении окислов. Он является первым элементом в 12-й группе (IIB) периодической таблицы. В некоторых отношениях цинк химически схож с магнием: оба элемента проявляют только одну нормальную степень окисления (+2), а ионы Zn2+ и Mg2+ имеют сопоставимые размеры. Цинк — 24-й по распространенности элемент в земной коре и имеет пять стабильных изотопов. Наиболее распространенной цинковой рудой является сфалерит (цинковая обманка), минерал – сульфид цинка. Крупнейшие разрабатываемые месторождения находятся в Австралии, Азии и Соединенных Штатах. Цинк получают путем флотации руды, обжига и последующей экстракции с использованием электролиза. Цинк является жизненно важным микроэлементом для человека, вторым по распространенности микроэлементом в организме человека после железа и единственным металлом, входящим в состав всех классов ферментов. Дефицит цинка затрагивает около двух миллиардов человек в развивающихся странах и связан со многими заболеваниями. Чрезмерное потребление цинка может вызывать атаксию, вялость и дефицит меди. В морских экосистемах, особенно в полярных регионах, недостаток цинка может снизить жизнеспособность первичных водорослевых сообществ, потенциально дестабилизируя сложные морские трофические структуры и, как следствие, влияя на биоразнообразие. Латунь, сплав меди и цинка в различных пропорциях, использовалась уже в третьем тысячелетии до нашей эры в Эгейском регионе и на территории, которая в настоящее время включает Ирак, Объединенные Арабские Эмираты, Калмыкию, Туркменистан и Грузию. Во втором тысячелетии до нашей эры она использовалась в регионах, которые сейчас включают Западную Индию, Узбекистан, Иран, Сирию, Ирак и Израиль. Шахты в Раджастане предоставили убедительные доказательства производства цинка, датируемые 6-м веком до нашей эры. На сегодняшний день самые ранние свидетельства существования чистого цинка обнаружены в Заваре (Раджастан), начиная с 9-го века нашей эры, когда для получения чистого цинка использовался процесс дистилляции. Алхимики сжигали цинк на воздухе, получая то, что они называли «философской шерстью» или «белым снегом». Вероятно, элемент был назван алхимиком Парацельсом по немецкому слову Zinke (острие, зуб). Немецкий химик Андреас Сигизмунд Маргграф считается открывателем чистого металлического цинка в 1746 году. Работы Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта раскрыли электрохимические свойства цинка к 1800 году. Основным применением цинка является коррозионностойкое цинкование железа (горячее цинкование). Другие области применения включают электрические батареи, небольшие не несущие нагрузку отливки и сплавы, такие как латунь. Широко используются различные соединения цинка, такие как карбонат цинка и глюконат цинка (в качестве биологически активных добавок), хлорид цинка (в дезодорантах), пиритион цинка (в шампунях против перхоти), сульфид цинка (в люминесцентных красках) и диметилцинк или диэтилцинк в органической лаборатории.

Zinc is a chemical element; it has symbol Zn and atomic number 30. It is a slightly brittle metal at room temperature and has a shiny greyish appearance when oxidation is removed. It is the first element in group 12 (IIB) of the periodic table. In some respects, it is chemically similar to magnesium: both elements exhibit only one normal oxidation state (+2), and the Zn2+ and Mg2+ ions are of similar size. Zinc is the 24th most abundant element in Earth's crust and has five stable isotopes. The most common zinc ore is sphalerite (zinc blende), a zinc sulfide mineral. The largest workable lodes are in Australia, Asia, and the United States. Zinc is refined by froth flotation of the ore, roasting, and final extraction using electricity (electrowinning). Zinc is an essential trace element for humans, It is the second most abundant trace metal in humans after iron, and the only metal which appears in all enzyme classes. Zinc deficiency affects about two billion people in the developing world and is associated with many diseases. Consumption of excess zinc may cause ataxia, lethargy, and copper deficiency. In marine biomes, notably within polar regions, a deficit of zinc can compromise the vitality of primary algal communities, potentially destabilizing the intricate marine trophic structures and consequently impacting biodiversity. Brass, an alloy of copper and zinc in various proportions, was used as early as the third millennium BC in the Aegean area and the region which currently includes Iraq, the United Arab Emirates, Kalmykia, Turkmenistan and Georgia. In the second millennium BC it was used in the regions currently including West India, Uzbekistan, Iran, Syria, Iraq, and Israel. The mines of Rajasthan have given definite evidence of zinc production going back to the 6th century BC. To date, the oldest evidence of pure zinc comes from Zawar, in Rajasthan, as early as the 9th century AD when a distillation process was employed to make pure zinc. Alchemists burned zinc in air to form what they called "philosopher's wool" or "white snow". The element was probably named by the alchemist Paracelsus after the German word Zinke (prong, tooth). German chemist Andreas Sigismund Marggraf is credited with discovering pure metallic zinc in 1746. Work by Luigi Galvani and Alessandro Volta uncovered the electrochemical properties of zinc by 1800. Corrosion resistant zinc plating of iron (hot dip galvanizing) is the major application for zinc. Other applications are in electrical batteries, small non structural castings, and alloys such as brass. A variety of zinc compounds are commonly used, such as zinc carbonate and zinc gluconate (as dietary supplements), zinc chloride (in deodorants), zinc pyrithione (anti dandruff shampoos), zinc sulfide (in luminescent paints), and dimethylzinc or diethylzinc in the organic laboratory.

Физические свойства

Цинк — это голубовато-белый, блестящий, диамагнитный металл, несколько менее плотный, чем железо, и обладающий гексагональной кристаллической структурой с искажённой 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 твёрдый и хрупкий при большинстве температур, но становится пластичным между 100 и 150 °C. Цинк является неплохим проводником электричества. Температура плавления — самая низкая среди всех металлов d-блока, за исключением ртути и кадмия; по этой и другим причинам цинк, кадмий и ртуть часто не рассматриваются как переходные металлы, как и остальные металлы d-блока. Хотя ни цинк, ни цирконий не являются ферромагнитными, их сплав проявляет ферромагнетизм ниже 35 К. Элемент обычно встречается в сочетании с другими неблагородными металлами, такими как медь и свинец, в рудах. Сфалерит, являющийся формой сульфида цинка, — наиболее интенсивно разрабатываемая руда, содержащая цинк, поскольку её концентрат содержит 60–62% цинка. Крупные месторождения находятся в Австралии, Канаде и Соединённых Штатах, а самые большие запасы — в Иране. Последняя оценка ресурсной базы цинка (соответствующая установленным минимальным физическим критериям, связанным с текущей добычей и производством) была сделана в 2009 году и составила примерно 480 млн тонн. Резервы цинка, с другой стороны, представляют собой геологически идентифицированные рудные тела, экономическая целесообразность извлечения которых определяется (местоположением, содержанием, качеством и количеством) на момент оценки. Поскольку геологоразведка и разработка месторождений — это непрерывный процесс, объём запасов цинка не является фиксированной величиной, и об устойчивости поставок цинковой руды нельзя судить, просто экстраполируя суммарный срок службы действующих 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 учёных, около 109–305 миллионов тонн находятся в использовании.

Zinc is a bluish white, lustrous, diamagnetic metal, It is somewhat less dense than iron and has a hexagonal crystal structure, with a distorted form of hexagonal close packing, in which each atom has six nearest neighbors (at 265.9 pm) in its own plane and six others at a greater distance of 290.6 pm. The metal is hard and brittle at most temperatures but becomes malleable between 100 and 150 °C. Zinc is a fair conductor of electricity. The melting point is the lowest of all the d block metals aside from mercury and cadmium; for this reason among others, zinc, cadmium, and mercury are often not considered to be transition metals like the rest of the d block metals. Although neither zinc nor zirconium is ferromagnetic, their alloy, , exhibits ferromagnetism below 35 K. The element is normally found in association with other base metals such as copper and lead in ores. Sphalerite, which is a form of zinc sulfide, is the most heavily mined zinc containing ore because its concentrate contains 60–62% zinc. Large deposits are in Australia, Canada and the United States, with the largest reserves in Iran. The most recent estimate of reserve base for zinc (meets specified minimum physical criteria related to current mining and production practices) was made in 2009 and calculated to be roughly 480 Mt. Zinc reserves, on the other hand, are geologically identified ore bodies whose suitability for recovery is economically based (location, grade, quality, and quantity) at the time of determination. Since exploration and mine development is an ongoing process, the amount of zinc reserves is not a fixed number and sustainability of zinc ore supplies cannot be judged by simply extrapolating the combined mine life of today's zinc mines. This concept is well supported by data from the United States Geological Survey (USGS), which illustrates that although refined zinc production increased 80% between 1990 and 2010, the reserve lifetime for zinc has remained unchanged. About 346 million tonnes have been extracted throughout history to 2002, and scholars have estimated that about 109–305 million tonnes are in use.

Изотопы

В природе встречается пять стабильных изотопов цинка, причем 64Zn является наиболее распространенным изотопом (49,17% естественного содержания). Другие изотопы, встречающиеся в природе, – 66Zn (27,73%), 67Zn (4,04%), 68Zn (18,45%) и 70Zn (0,61%). Было охарактеризовано несколько десятков радиоизотопов. 65Zn, с периодом полураспада 243,66 дня, является наименее активным радиоизотопом, за которым следует 69mZn с периодом полураспада 46,5 часов. Изотопы 67Zn, 69Zn и 71Zn каждый имеет только одно возбужденное метастабильное состояние. Поверхность чистого металла быстро тускнеет, в конечном итоге образуя защитный пассивирующий слой основного карбоната цинка, ZnCO3, в результате реакции с атмосферным углекислым газом. Цинк горит в воздухе ярким голубовато-зеленым пламенем, выделяя пары оксида цинка. Чрезвычайно чистый цинк медленно реагирует с кислотами при комнатной температуре. В водном растворе октаэдрический комплекс [Zn(H2O)6]2+ является преобладающим видом. Летучесть цинка в сочетании с хлоридом цинка при температуре выше 285 °C указывает на образование Zn2Cl2, соединения цинка с окислительным состоянием +1. Расчеты показывают, что соединение цинка с окислительным состоянием +4 вряд ли существует. Zn(III) может существовать в присутствии сильно электроотрицательных трианионов, но это является предметом споров. Химия цинка похожа на химию поздних переходных металлов первого ряда, никеля и меди, хотя он имеет заполненную d-оболочку, а соединения диамагнитны и в основном бесцветны. И в других обстоятельствах, когда ионный радиус является определяющим фактором, химия цинка имеет много общего с химией магния. В других отношениях сходство с переходными металлами первого ряда невелико. Цинк склонен образовывать связи с большей степенью ковалентности и гораздо более стабильные комплексы с N- и S-донорами. Комплексы цинка в основном имеют 4- или 6-координацию, хотя известны 5-координационные комплексы. Ядро [Zn2]2+ аналогично катиону [Hg2]2+ в соединениях ртути(I). Диамагнитная природа иона подтверждает его димерную структуру. Первое соединение цинка, содержащее связь Zn–Zn, – (η5-C5Me5)2Zn2.

Five stable isotopes of zinc occur in nature, with 64Zn being the most abundant isotope (49.17% natural abundance). The other isotopes found in nature are (27.73%), (4.04%), (18.45%), and (0.61%). Several dozen radioisotopes have been characterized. , which has a half life of 243.66 days, is the least active radioisotope, followed by with a half life of 46.5 hours. The isotopes , , and each have only one excited metastable state. The surface of the pure metal tarnishes quickly, eventually forming a protective passivating layer of the basic zinc carbonate, , by reaction with atmospheric carbon dioxide. Zinc burns in air with a bright bluish green flame, giving off fumes of zinc oxide. Extremely pure zinc reacts only slowly at room temperature with acids. In aqueous solution an octahedral complex, is the predominant species. The volatilization of zinc in combination with zinc chloride at temperatures above 285 °C indicates the formation of , a zinc compound with a +1 oxidation state. Calculations indicate that a zinc compound with the oxidation state of +4 is unlikely to exist. Zn(III) might exist in the presence of strongly electronegative trianions, but this is controversial. Zinc chemistry is similar to the chemistry of the late first row transition metals, nickel and copper, though it has a filled d shell and compounds are diamagnetic and mostly colorless. and in other circumstances where ionic radius is a determining factor, the chemistry of zinc has much in common with that of magnesium. In other respects, there is little similarity with the late first row transition metals. Zinc tends to form bonds with a greater degree of covalency and much more stable complexes with N and S donors. Complexes of zinc are mostly 4 or 6 coordinate, although 5 coordinate complexes are known. The [Zn2]2+ core would be analogous to the [Hg2]2+ cation present in mercury(I) compounds. The diamagnetic nature of the ion confirms its dimeric structure. The first zinc(I) compound containing the Zn–Zn bond, (η5 C5Me5)2Zn2.

Соединения цинка

Бинарные соединения цинка известны для большинства металлоидов и всех неметаллов, за исключением благородных газов. Оксид ZnO — это белый порошок, практически нерастворимый в нейтральных водных растворах, но амфотерный, растворяющийся как в сильных щелочных, так и в кислотных растворах. Также известны пниктиды (, , и ), пероксид , гидрид и карбид . Из четырех галогенидов, имеет наиболее выраженный ионный характер, в то время как остальные (, , и ) имеют относительно низкие температуры плавления и считаются обладающими большей ковалентной связью. В слабощелочных растворах, содержащих ионы, гидроксид образуется в виде белого осадка. В более концентрированных щелочных растворах этот гидроксид растворяется с образованием цинкатов. Органоцинковые соединения — это соединения, содержащие ковалентные связи цинк-углерод. Диэтилцинк — реагент в синтетической химии. Впервые он был получен в 1848 году в результате реакции цинка и этилиодида и стал первым известным соединением, содержащим сигма-связь металл-углерод.

Испытание на цинк

Кобальтицианидная бумага (тест Риннмана на Zn) может использоваться в качестве химического индикатора цинка. 4 г K3Co(CN)6 и 1 г KClO3 растворяют в 100 мл воды. Бумагу погружают в раствор и высушивают при 100 °C. На сухую бумагу наносят каплю образца и нагревают. Появление зеленого диска указывает на присутствие цинка.

Древнее использование

Были обнаружены различные изолированные примеры использования нечистого цинка в древние времена. Руды цинка использовались для изготовления латуни – сплава цинка с медью – за тысячи лет до открытия цинка как отдельного элемента. Иудейская латунь, датируемая 14–10 веками до н.э., содержит 23% цинка. Знания о производстве латуни распространились в Древней Греции к VII веку до н.э., однако было изготовлено немногое разновидностей. Найдены украшения из сплавов, содержащих 80–90% цинка, а остальное – свинец, железо, сурьма и другие металлы, возраст которых составляет 2500 лет. На дакийском археологическом участке обнаружена, возможно, доисторическая статуэтка, содержащая 87,5% цинка. Страбон, писавший в I веке до н.э. (но цитирующий утраченный труд историка Теопомпа IV века до н.э.), упоминает «капли ложного серебра», которые при смешивании с медью дают латунь. Это может относиться к небольшим количествам цинка, являющегося побочным продуктом плавки сульфидных руд. Цинк в таких остатках от плавки обычно выбрасывался, поскольку считался бесполезным. Римляне знали о производстве латуни примерно с 30 г. до н.э. Полученную латунь из каламина затем отливали или ковали для изготовления оружия. Некоторые монеты, чеканенные римлянами в христианскую эпоху, вероятно, сделаны из латуни, полученной из каламина. Самые старые известные пилюли были изготовлены из карбонатов цинка – гидроцинкита и смитсонита. Эти пилюли использовались для лечения глазных болезней и были найдены на римском корабле Relitto del Pozzino, потерпевшем крушение в 140 г. до н.э. Бернская цинковая табличка – это вотивный плакет, датируемый римской Галлией, изготовленный из сплава, состоящего в основном из цинка. В «Чарака Самхите», предположительно написанной между 300 и 500 гг. н.э., упоминается металл, который при окислении образует пушпанджан, предположительно оксид цинка. Зинковые рудники в Заваре, недалеко от Удайпура в Индии, были активны с периода Маурья (ок. 322–187 гг. до н.э.). Однако плавка металлического цинка здесь, по-видимому, началась около XII века н.э. По одной оценке, в период с XII по XVI век на этом месторождении было добыто около миллиона тонн металлического цинка и оксида цинка. Другая оценка указывает на общее производство 60 000 тонн металлического цинка за этот период. В Индии в XIII веке было достигнуто плавление и извлечение нечистого цинка путем восстановления каламина шерстью и другими органическими веществами. Китайцы узнали об этой технологии только в XVII веке. Название металла, вероятно, впервые задокументировал Парацельс, швейцарский немецкий алхимик, который в XVI веке в своей книге Liber Mineralium II упоминал металл как «zincum» или «zinken». Слово, вероятно, происходит от немецкого zinke и, предположительно, означало «зубчатый, заостренный или зубчатый» (металлические кристаллы цинка имеют игольчатый вид). Zink также могло означать «оловоподобный» из-за его связи с немецким zinn, означающим олово. Еще одна возможность заключается в том, что слово происходит от персидского слова سنگ seng, означающего камень. Металл также называли индийским оловом, тутанге, каламином и шпинтером. Либавий описал свойства образца, который мог быть цинком. В XVII и начале XVIII веков цинк регулярно импортировался в Европу с Востока. До его выделения в Европе он импортировался из Индии примерно в 1600 г. н.э. Фламандский металлург и алхимик П. М. де Респур сообщил, что в 1668 году извлек металлический цинк из оксида цинка. В 1738 году в Великобритании Уильям Чемпион запатентовал процесс извлечения цинка из каламина в вертикальной реторте. Его технология была похожа на ту, что использовалась на цинковых рудниках Завар в Раджастане, но нет доказательств того, что он посещал Восток. Процесс Чемпиона использовался до 1851 года.

Various isolated examples of the use of impure zinc in ancient times have been discovered. Zinc ores were used to make the zinc–copper alloy brass thousands of years prior to the discovery of zinc as a separate element. Judean brass from the 14th to 10th centuries BC contains 23% zinc. Knowledge of how to produce brass spread to Ancient Greece by the 7th century BC, but few varieties were made. Ornaments made of alloys containing 80–90% zinc, with lead, iron, antimony, and other metals making up the remainder, have been found that are 2,500 years old. A possibly prehistoric statuette containing 87.5% zinc was found in a Dacian archaeological site. Strabo writing in the 1st century BC (but quoting a now lost work of the 4th century BC historian Theopompus) mentions "drops of false silver" which when mixed with copper make brass. This may refer to small quantities of zinc that is a by product of smelting sulfide ores. Zinc in such remnants in smelting ovens was usually discarded as it was thought to be worthless. The manufacture of brass was known to the Romans by about 30 BC. The resulting calamine brass was then either cast or hammered into shape for use in weaponry. Some coins struck by Romans in the Christian era are made of what is probably calamine brass. The oldest known pills were made of the zinc carbonates hydrozincite and smithsonite. The pills were used for sore eyes and were found aboard the Roman ship Relitto del Pozzino, wrecked in 140 BC. The Berne zinc tablet is a votive plaque dating to Roman Gaul made of an alloy that is mostly zinc. The Charaka Samhita, thought to have been written between 300 and 500 AD, mentions a metal which, when oxidized, produces pushpanjan, thought to be zinc oxide. Zinc mines at Zawar, near Udaipur in India, have been active since the Mauryan period (c. 322 and 187 BC). The smelting of metallic zinc here, however, appears to have begun around the 12th century AD. One estimate is that this location produced an estimated million tonnes of metallic zinc and zinc oxide from the 12th to 16th centuries. Another estimate gives a total production of 60,000 tonnes of metallic zinc over this period. Smelting and extraction of impure zinc by reducing calamine with wool and other organic substances was accomplished in the 13th century in India. The Chinese did not learn of the technique until the 17th century. The name of the metal was probably first documented by Paracelsus, a Swiss born German alchemist, who referred to the metal as "zincum" or "zinken" in his book Liber Mineralium II, in the 16th century. The word is probably derived from the German zinke, and supposedly meant "tooth like, pointed or jagged" (metallic zinc crystals have a needle like appearance). Zink could also imply "tin like" because of its relation to German zinn meaning tin. Yet another possibility is that the word is derived from the Persian word سنگ seng meaning stone. The metal was also called Indian tin, tutanego, calamine, and spinter. Libavius described the properties of the sample, which may have been zinc. Zinc was regularly imported to Europe from the Orient in the 17th and early 18th centuries, Before it was isolated in Europe, it was imported from India in about 1600 AD. Flemish metallurgist and alchemist P. M. de Respour reported that he had extracted metallic zinc from zinc oxide in 1668. In 1738 in Great Britain, William Champion patented a process to extract zinc from calamine in a vertical retort style smelter. His technique resembled that used at Zawar zinc mines in Rajasthan, but no evidence suggests he visited the Orient. Champion's process was used through 1851.

Влияние на окружающую среду

Рафинирование сульфидных цинковых руд приводит к образованию больших объемов диоксида серы и паров кадмия. Шлаки от плавильных процессов и другие отходы содержат значительное количество металлов. В период с 1806 по 1882 год в бельгийских городах Ла-Каламин и Пломбиер было добыто и переплавлено около 1,1 миллиона тонн металлического цинка и 130 тысяч тонн свинца. Хвостохранилища прошлых горных работ выщелачивают цинк и кадмий, а донные отложения реки Гёль содержат заметное количество металлов. Эффективная очистка сточных вод значительно уменьшает эту проблему; например, очистка вдоль Рейна привела к снижению концентрации цинка до 50 ппб. Почвы, загрязненные цинком в результате добычи, переработки или внесения цинксодержащего ила в качестве удобрения, могут содержать несколько граммов цинка на килограмм сухой почвы. Содержание цинка в почве, превышающее 500 ppm, препятствует усвоению растениями других необходимых металлов, таких как железо и марганец. В некоторых образцах почвы зарегистрировано содержание цинка от 2000 до 180 000 ppm (18%).

Приложения

Основные области применения цинка включают, с указанием процентного соотношения для США, и наиболее распространенной формой является оцинковка (покрытие железа или стали). В 2009 году в Соединенных Штатах 55%, или 893 000 тонн цинкового металла, были использованы для оцинковки. Цинк более реакционноспособен, чем железо или сталь, и поэтому притягивает почти всю локальную окисление, пока сам полностью не корродирует. При коррозии цинка образуется защитный поверхностный слой оксида и карбоната. Эта защита сохраняется даже после повреждения цинкового слоя, но со временем ухудшается по мере коррозии цинка. Относительная реакционная способность цинка и его способность притягивать окисление делают его эффективным жертвенным анодом в катодной защите (CP). Например, катодная защита подземного трубопровода может быть достигнута путем подключения к трубе анодов, изготовленных из цинка. Цинковый диск, прикрепленный к железному рулю судна, будет медленно корродировать, в то время как руль останется неповрежденным. Цинк используется в качестве анода или топлива в цинк-воздушной батарее/топливном элементе. Цинково-цериевая проточная батарея также использует отрицательный полуэлемент на основе цинка.

Сплавы

Широко используемым сплавом цинка является латунь, в которой медь сплавляется с цинком в диапазоне от 3% до 45%, в зависимости от типа латуни. Сплавы, содержащие 85–88% цинка, 4–10% меди и 2–8% алюминия, находят ограниченное применение в определенных типах подшипников. Цинк является основным металлом в американских монетах достоинством в один цент (пенни) с 1982 года. Сердцевина из цинка покрыта тонким слоем меди для придания внешнего вида медной монеты. В 1994 году в Соединенных Штатах для производства 13,6 миллиарда пенни было использовано определенное количество цинка. Сплавы цинка с небольшим количеством меди, алюминия и магния полезны при литье под давлением, а также при центробежном литье, особенно в автомобильной, электротехнической и аппаратной промышленности. Примером такого сплава является цинк-алюминиевый сплав. Низкая температура плавления в сочетании с низкой вязкостью сплава позволяет производить небольшие и сложные детали. Низкая температура обработки приводит к быстрому охлаждению отливок и ускоряет производство для сборки. Другой сплав, продаваемый под торговой маркой Prestal, содержит 78% цинка и 22% алюминия и, как сообщается, почти такой же прочный, как сталь, но такой же пластичный, как пластик. Эта сверхпластичность сплава позволяет формовать его с использованием литьевых форм из керамики и цемента. Для изготовления фасадных панелей зданий, кровельных покрытий и других применений листового металла, получаемого глубокой вытяжкой, вальцовкой или гибкой, используются сплавы цинка с титаном и медью. Чистый цинк слишком хрупок для этих производственных процессов. для балансировочных грузов и маховиков. Теллурид кадмия-цинка (CZT) — полупроводниковый сплав, который можно разделить на множество небольших датчиков.

Прочие промышленные применения

Примерно четверть всего производства цинка в Соединенных Штатах в 2009 году потреблялась в соединениях цинка. Цинковый цикл оксида цинка – это двухступенчатый термохимический процесс, основанный на цинке и оксиде цинка, для производства водорода. Хлорид цинка часто добавляют в древесину в качестве антипирена, а иногда и как консервант. Он используется в производстве других химических веществ. Сульфид цинка (ZnS) используется в люминесцентных пигментах, таких как светящиеся стрелки часов, рентгеновские и телевизионные экраны, а также в светящихся красках. Кристаллы ZnS используются в лазерах, работающих в среднеинфракрасной части спектра. Сульфат цинка является компонентом красителей и пигментов. Порошок цинка иногда используется в качестве топлива в моделях ракет. Листовой цинк используется в качестве долговечного покрытия для крыш, стен и столешниц, которые часто встречаются в бистро и устричных барах, и известен своим рустикальным видом, обусловленным поверхностным окислением, приводящим к образованию сине-серой патины и подверженности царапинам. , наиболее распространенный изотоп цинка, очень чувствителен к нейтронной активации, превращаясь в высокорадиоактивный с периодом полураспада 244 дня, который испускает интенсивное гамма-излучение. Из-за этого оксид цинка, используемый в ядерных реакторах в качестве антикоррозионного агента, очищается от перед использованием, что называется обедненным оксидом цинка. По той же причине цинк был предложен в качестве материала для "соления" ядерного оружия (кобальт – другой, более известный материал для "соления"). используется в качестве трассера для изучения износа сплавов, содержащих цинк, или пути и роли цинка в организмах. Комплексы дитиокарбамата цинка используются в качестве сельскохозяйственных фунгицидов, включая Зинеб, Метирам, Пропинеб и Зирам. Нафтенат цинка используется в качестве консерванта для древесины. Цинк в форме ZDDP используется в качестве противоизносной присадки для металлических деталей в моторном масле.

Диетическая добавка

Цинк, жизненно важный микроэлемент, не накапливается в организме в значительных количествах, что требует регулярного поступления с пищей для поддержания оптимального здоровья. Регулярное потребление особенно важно, учитывая широкое участие цинка в поддержании здоровья человека, включая его роль в клеточном метаболизме (цинк необходим для функционирования более 300 ферментов в организме человека), иммунной функции, синтезе белков, синтезе ДНК и делении клеток. В большинстве витаминно-минеральных комплексов в таблетках, отпускаемых без рецепта для ежедневного приема, цинк представлен в виде оксида цинка, ацетата цинка, глюконата цинка или хелата цинка с аминокислотами. Обычно прием добавок цинка рекомендуется в качестве профилактической меры в регионах с высоким риском дефицита цинка (например, в странах с низким и средним уровнем дохода). Хотя сульфат цинка является распространенной формой, цитрат цинка, глюконат и пиколинат также могут быть подходящими вариантами. Эти формы лучше усваиваются, чем оксид цинка.

Гастроэнтерит

Цинк – это недорогое и эффективное средство лечения диареи у детей в развивающихся странах. Уровень цинка в организме снижается во время диареи, и восполнение его запасов курсом лечения продолжительностью 10–14 дней может сократить продолжительность и тяжесть эпизодов диареи, а также предотвратить их повторение в течение до трех месяцев. Гастроэнтерит значительно ослабляется при приеме цинка, возможно, благодаря прямому антимикробному действию ионов в желудочно-кишечном тракте, либо в результате всасывания цинка и его последующего высвобождения из иммунных клеток (все гранулоциты выделяют цинк), либо благодаря обоим этим механизмам.

Прибавка в весе

Дефицит цинка может приводить к потере аппетита. Применение цинка для лечения анорексии рекомендовалось начиная с 1979 года. По крайней мере, 15 клинических исследований показали, что цинк способствует увеличению веса у пациентов с анорексией. Исследование 1994 года продемонстрировало, что цинк удваивает скорость набора массы тела при лечении нервной анорексии. Дефицит других питательных веществ, таких как тирозин, триптофан и тиамин, может усугублять это явление "недоедание, индуцированное недоеданием". Мета-анализ 33 проспективных интервенционных исследований, посвященных добавкам цинка и их влиянию на рост детей в различных странах, показал, что прием цинка в качестве монотерапии оказывает статистически значимое влияние на линейный рост и увеличение массы тела, что свидетельствует о том, что другие возможные дефициты не были ответственны за задержку роста.

Другое

В обзоре Кокрана 2023 года отмечается, что люди, принимающие добавки цинка, могут реже прогрессировать до возрастной макулярной дегенерации. Добавки цинка являются эффективным средством лечения энтеропатического акродерматита – генетического заболевания, влияющего на всасывание цинка, которое ранее было смертельным для пораженных младенцев. Цинк может способствовать более крепкому сну и считается очень фотостабильным. Оксид цинка – один из наиболее распространенных активных ингредиентов в солнцезащитных кремах, используемых для предотвращения солнечных ожогов. Пиритион цинка широко добавляют в шампуни для профилактики перхоти. Местное применение цинка также эффективно в лечении генитального герпеса и продлении периода ремиссии.

Биологическая роль

Цинк является важным микроэлементом для человека, растений и микроорганизмов. Цинк необходим для функционирования более 300 ферментов и 1000 факторов транскрипции и хранится и транспортируется в металлотионеинах. Это второй по распространенности микроэлемент в организме человека после железа и единственный металл, который встречается во всех классах ферментов. В организме человека содержится примерно 2–4 грамма цинка, который распределен по мозгу, мышцам, костям, почкам и печени, при этом наибольшая концентрация наблюдается в предстательной железе и некоторых частях глаза. Сперма особенно богата цинком, который является ключевым фактором в функционировании предстательной железы и росте репродуктивных органов. Цинковый гомеостаз организма в основном контролируется кишечником, где ZIP4 и особенно TRPM7 связаны с кишечным всасыванием цинка, необходимым для выживания после рождения. У людей биологические функции цинка разнообразны, помимо сотен других белков, участвующих в транспорте и перемещении цинка; аналогичное компьютерное моделирование на растении Arabidopsis thaliana выявило 2367 белков, связанных с цинком. Он играет ключевую роль в синаптической пластичности и, следовательно, в обучении. Гомеостаз цинка также играет важную роль в функциональной регуляции центральной нервной системы. L- и D-гистидин облегчают всасывание цинка в мозге. SLC30A3 является основным транспортером цинка, участвующим в поддержании гомеостаза цинка в мозге.

Ферменты

Цинк является эффективной кислотой Льюиса, что делает его полезным каталитическим агентом в гидроксилировании и других ферментативных реакциях. Два примера ферментов, содержащих цинк, – это карбоангидраза и карбоксипептидаза, которые жизненно важны для процессов регуляции углекислого газа и переваривания белков соответственно. В крови позвоночных карбоангидраза превращает углекислый газ в бикарбонат, и тот же фермент преобразует бикарбонат обратно в углекислый газ для выдыхания через легкие. Без этого фермента эта трансформация происходила бы примерно в миллион раз медленнее при нормальном pH крови 7 или потребовала бы pH 10 или выше. Неродственная β-карбоангидраза необходима растениям для формирования листьев, синтеза индолуксусной кислоты (ауксина) и спиртового брожения. Карбоксипептидаза расщепляет пептидные связи в процессе переваривания белков. Координационно-ковалентная связь образуется между концевым пептидом и группой C=O, присоединенной к цинку, что придает углероду положительный заряд. Это помогает создать гидрофобный карман на ферменте вблизи цинка, который привлекает неполярную часть перевариваемого белка.

Другие белки

Цинк выполняет исключительно структурную роль в цинковых пальцах, спиралях и кластерах. Цинковые пальцы входят в состав некоторых факторов транскрипции – белков, распознающих последовательности оснований ДНК при репликации и транскрипции ДНК. Каждый из девяти или десяти ионов в цинковом пальце способствует поддержанию структуры пальца, координированно связываясь с четырьмя аминокислотами в факторе транскрипции. Концентрация цинка в плазме крови остается относительно постоянной, независимо от его поступления с пищей. Цинк может накапливаться в резервах металлотионеина у микроорганизмов или в кишечнике и печени животных. Металлотионеин в клетках кишечника способен регулировать всасывание цинка на 15–40%. Однако недостаток или избыток цинка может быть вреден; избыток цинка особенно ухудшает всасывание меди, поскольку металлотионеин связывает оба этих металла. Человеческие транспортеры серотонина и норадреналина не содержат участков связывания цинка.

Диетические рекомендации

Институт медицины США (IOM) обновил оценочные средние потребности (EAR) и рекомендуемые диетические нормы (RDA) для цинка в 2001 году. Текущие значения EAR для цинка для женщин и мужчин в возрасте 14 лет и старше составляют 6,8 и 9,4 мг/день соответственно. RDA составляют 8 и 11 мг/день. RDA выше, чем EAR, чтобы определить количество, которое покроет потребности людей с более высокими, чем средние, требованиями. RDA для беременных составляет 11 мг/день. RDA для лактации составляет 12 мг/день. Для младенцев до 12 месяцев RDA составляет 3 мг/день. Для детей в возрасте от 1 до 13 лет RDA увеличивается с возрастом от 3 до 8 мг/день. Что касается безопасности, IOM устанавливает переносимые верхние уровни потребления (UL) для витаминов и минералов, когда доказательств достаточно. В случае цинка, UL для взрослых составляет 40 мг/день, включая пищу и добавки вместе (ниже для детей). В совокупности EAR, RDA, AI и UL называются диетическими эталонными потребностями (DRI). Европейское агентство по безопасности пищевых продуктов (EFSA) называет этот комплекс информации диетическими эталонными значениями, используя эталонный прием населения (PRI) вместо RDA и среднюю потребность вместо EAR. AI и UL определяются так же, как и в Соединенных Штатах. Для людей в возрасте 18 лет и старше расчеты PRI сложны, поскольку EFSA установил более высокие значения по мере увеличения содержания фитатов в рационе. Для женщин PRI увеличивается от 7,5 до 12,7 мг/день при увеличении потребления фитатов от 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 рассмотрел тот же вопрос безопасности и установил свой UL на уровне 25 мг/день, что значительно ниже значения для США. Для целей маркировки пищевых продуктов и диетических добавок в США количество в порции выражается в процентах от суточной нормы (% DV). Для маркировки цинка 100% суточной нормы составляло 15 мг, но 27 мая 2016 года было пересмотрено до 11 мг. Таблица старых и новых суточных норм для взрослых приведена в разделе «Эталонная суточная потребность».

Прием пищевым рационом

В продуктах животного происхождения, таких как мясо, рыба, морепродукты, птица, яйца и молочные продукты, содержится цинк. Концентрация цинка в растениях зависит от его содержания в почве. При достаточном содержании цинка в почве, наибольшим количеством цинка обладают пшеница (зародыши и отруби) и различные семена, включая кунжут, мак, люцерну, сельдерей и горчицу. Цинк также содержится в бобовых, орехах, миндале, цельнозерновых продуктах, семенах тыквы, семенах подсолнечника и черной смородине. Другими источниками являются обогащенные продукты питания и диетические добавки в различных формах. Обзор 1998 года показал, что оксид цинка, одна из наиболее распространенных добавок в США, и карбонат цинка практически нерастворимы и плохо усваиваются организмом. Однако обзор 2003 года рекомендовал использовать зерновые продукты (содержащие оксид цинка) в качестве недорогого и стабильного источника, который усваивается так же легко, как и более дорогие формы. Исследование 2005 года выявило, что различные соединения цинка, включая оксид и сульфат, не демонстрируют статистически значимых различий в усвоении при добавлении в кукурузные тортильи в качестве обогатителей.

Недостаток

В развивающихся странах почти два миллиарда человек испытывают дефицит цинка. К группам риска относятся дети в развивающихся странах и пожилые люди, страдающие хроническими заболеваниями. У детей это приводит к увеличению числа инфекций и диареи, а также способствует смерти около 800 000 детей во всем мире ежегодно. Прием добавок цинка помогает предотвратить заболевания и снизить смертность, особенно у детей с низким весом при рождении или задержкой роста. Хотя дефицит цинка обычно связан с недостаточным потреблением цинка с пищей, он также может быть обусловлен мальабсорбцией, энтеропатическим акродерматитом, хроническими заболеваниями печени и почек, серповидноклеточной анемией, диабетом, онкологическими заболеваниями и другими хроническими болезнями. Последнее опубликованное обновление обследования (NHANES 2013–2014) показало более низкие средние показатели – 9,3 и 13,2 мг/день, при этом потребление снижается с возрастом. Симптомы легкого дефицита цинка разнообразны, как и симптомы избытка цинка. Западные вегетарианцы и веганы не страдают от явного дефицита цинка в большей степени, чем мясоеды. Основными растительными источниками цинка являются приготовленные сушеные бобы, морские водоросли, обогащенные злаки, соевые продукты, орехи, горох и семена.

Реабилитация почв

Виды Calluna, Erica и Vaccinium способны расти на почвах, содержащих цинк, поскольку эрикоидные микоризные грибы препятствуют перемещению токсичных ионов.

Сельское хозяйство

Дефицит цинка представляется наиболее распространенным дефицитом микроэлементов у сельскохозяйственных растений; он особенно часто встречается в почвах с высоким pH. Почвы с дефицитом цинка культивируются на сельскохозяйственных землях примерно половины Турции и Индии, трети Китая и большей части Западной Австралии. В этих регионах наблюдается существенный отклик на внесение цинка в качестве удобрения. Модель активности свободных ионов хорошо изучена и показывает, что даже микромолярные концентрации свободных ионов способны убивать некоторые организмы. Недавний пример продемонстрировал, что 6 микромолей убивают 93% всех дафний в воде. Свободный ион цинка является сильной кислотой Льюиса, вплоть до проявления коррозионных свойств. Желудочный сок содержит соляную кислоту, в которой металлический цинк легко растворяется с образованием коррозионного хлорида цинка. Проглатывание американской монеты в один цент после 1982 года (содержащей 97,5% цинка) может вызвать повреждение слизистой оболочки желудка из-за высокой растворимости иона цинка в кислой среде желудка. Имеются данные, свидетельствующие о том, что люди, принимающие 100–300 мг цинка ежедневно, могут страдать от индуцированного дефицита меди. Исследование 2007 года показало, что пожилые мужчины, принимавшие 80 мг в день, чаще госпитализировались с осложнениями мочевыводящих путей, чем те, кто принимал плацебо. Дозы в 100–300 мг могут нарушать усвоение меди и железа или негативно влиять на уровень холестерина. Цинк в концентрации более 500 ppm в почве препятствует поглощению растениями других необходимых металлов, таких как железо и марганец. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) утверждает, что цинк повреждает нервные рецепторы в носу, вызывая аносмию. Случаи аносмии также наблюдались в 1930-х годах, когда препараты цинка использовались в безуспешной попытке предотвратить заражение полиомиелитом. 16 июня 2009 года FDA распорядилось изъять с продажи интраназальные средства от простуды на основе цинка. FDA заявило, 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 пища, прежде чем ее съесть. Недавние исследования показывают, что местный антимикробный препарат цинк пиритион является мощным индуктором теплового шока, который может нарушить целостность генома, вызывая энергетический кризис, зависящий от PARP, в культивируемых кератиноцитах и меланоцитах человека.

Zinc deficiency appears to be the most common micronutrient deficiency in crop plants; it is particularly common in high pH soils. Zinc deficient soil is cultivated in the cropland of about half of Turkey and India, a third of China, and most of Western Australia. Substantial responses to zinc fertilization have been reported in these areas. The Free Ion Activity Model is well established in the literature, and shows that just micromolar amounts of the free ion kills some organisms. A recent example showed 6 micromolar killing 93% of all Daphnia in water. The free zinc ion is a powerful Lewis acid up to the point of being corrosive. Stomach acid contains hydrochloric acid, in which metallic zinc dissolves readily to give corrosive zinc chloride. Swallowing a post 1982 American one cent piece (97.5% zinc) can cause damage to the stomach lining through the high solubility of the zinc ion in the acidic stomach. Evidence shows that people taking 100–300 mg of zinc daily may suffer induced copper deficiency. A 2007 trial observed that elderly men taking 80 mg daily were hospitalized for urinary complications more often than those taking a placebo. Levels of 100–300 mg may interfere with the use of copper and iron or adversely affect cholesterol. Zinc in excess of 500 ppm in soil interferes with the plant absorption of other essential metals, such as iron and manganese. The U. S. Food and Drug Administration (FDA) states that zinc damages nerve receptors in the nose, causing anosmia. Reports of anosmia were also observed in the 1930s when zinc preparations were used in a failed attempt to prevent polio infections. On June 16, 2009, the FDA ordered removal of zinc based intranasal cold products from store shelves. The FDA said the loss of smell can be life threatening because people with impaired smell cannot detect leaking gas or smoke, and cannot tell if food has spoiled before they eat it. Recent research suggests that the topical antimicrobial zinc pyrithione is a potent heat shock response inducer that may impair genomic integrity with induction of PARP dependent energy crisis in cultured human keratinocytes and melanocytes.

Отравление

В 1982 году Монетный двор США начал чеканить пенни с медным покрытием, но содержащие в основном цинк. Цинковые пенни представляют риск цинковой токсикозы, которая может привести к летальному исходу. Один задокументированный случай хронического проглатывания 425 пенни (более 1 кг цинка) закончился смертью из-за бактериального и грибкового сепсиса желудочно-кишечного тракта. У другого пациента, проглотившего 12 граммов цинка, наблюдались лишь вялость и атаксия (выраженная неспособность координировать движения). Сообщалось о нескольких других случаях отравления цинком у людей, проглотивших цинковые монеты. Собаки иногда проглатывают пенни и другие мелкие монеты, что требует их удаления ветеринаром. Содержание цинка в некоторых монетах может вызвать токсичность цинка, которая часто смертельна для собак из-за тяжелой гемолитической анемии и повреждения печени или почек; возможные симптомы включают рвоту и диарею. Цинк крайне токсичен для попугаев, и отравление часто бывает смертельным. Употребление фруктовых соков, хранившихся в оцинкованных банках, приводило к массовым отравлениям попугаев цинком.