아연 : 역사, 속성, 구조, 위험, 용도 - 화학 - 2025

아연은 주기율표 제 12 족에 속하는 전이 금속이며, 화학 기호 아연에 의해 표현된다. 이것은 지구 지각에서 24 번째 원소로, sphalerite와 같은 유황 광물이나 smitsonite와 같은 탄산염에서 발견됩니다.

대중 문화에서 널리 알려진 금속이다. 남성 호르몬을 조절하는 보충제와 마찬가지로 아연 지붕이 그 예입니다. 그것은 많은 음식에서 발견되며 수많은 대사 과정에 필수적인 요소입니다. 체내 과잉의 부정적인 영향과 비교하여 적당한 섭취의 몇 가지 이점이 있습니다.

리버 사이드 박물관의 아연 합금 지붕. 출처 : Eoin

아연은 은색 아연 도금 강철 및 기타 금속보다 오래 전에 알려졌습니다. 구리와 아연의 다양한 구성의 합금 인 황동은 수천 년 동안 역사적인 대상의 일부였습니다. 오늘날 황금색은 일부 악기에서 종종 볼 수 있습니다.

마찬가지로 알카라인 배터리를 만드는 금속으로 전력이 감소하고 전자를 쉽게 기부 할 수있어 양극 물질로 좋은 선택이 될 수 있습니다. 주요 용도는 강철을 아연 도금하고 산화하거나 희생하는 아연 층으로 코팅하여 나중에 부식되는 것을 방지하는 것입니다.

유도체 화합물에서 거의 항상 산화 수 또는 상태가 +2입니다. 따라서 Zn ²⁺ 이온은 분자 또는 이온 환경에 둘러싸여 있는 것으로 간주됩니다 . Zn ²⁺ 는 세포 내에서 문제를 일으킬 수있는 루이스 산 이지만 다른 분자와 조정되어 효소 및 DNA와 긍정적으로 상호 작용합니다.

따라서 아연은 많은 금속 효소의 중요한 보조 인자입니다. 그것의 엄청나게 중요한 생화학에도 불구하고 그것의 녹색 섬광과 불꽃의 광채에도 불구하고 과학 세계에서는 "지루한"금속으로 간주됩니다. 그 특성은 다른 금속의 매력이 부족할뿐만 아니라 융점이 상당히 낮기 때문입니다.

역사

유물

아연은 수천 년 동안 조작되어 왔습니다. 그러나 페르시아인, 로마인, 트란실바니아 인 및 그리스인을 포함한 고대 문명은 이미 물건, 동전 및 황동 무기를 만들었 기 때문에 눈에 띄지 않는 방식으로.

따라서 황동은 알려진 가장 오래된 합금 중 하나입니다. 그들은 광물 칼라 민 Zn ₄ Si ₂ O ₇ (OH) ₂ · H ₂ O에서 그것을 준비했으며, 양모와 구리의 존재하에 갈아서 가열했습니다.

이 과정에서 생성되었을 수있는 소량의 금속 아연이 증기로 빠져 나갔고, 이로 인해 화학 원소로서의 식별이 수년 동안 지연되었습니다. 수세기가지나면서 황동 및 기타 합금은 아연 함량을 증가시켜 더 칙칙해 보입니다.

14 세기 인도에서는 이미 금속 아연을 생산할 수 있었는데,이를 Jasada라고 부르고 중국과 거래했습니다.

그래서 연금술사들은 실험을 수행하기 위해 그것을 얻을 수있었습니다. 아연 결정과 치아 사이의 유사성에서 '진쿰'이라고 명명 한 것은 유명한 역사적 인물 인 파라 셀 수스였습니다. 조금씩 다른 이름과 다양한 문화 속에서 '아연'이라는 이름은 결국이 금속에 응고되었습니다.

격리

인도는 1300 년대 이후 이미 금속성 아연을 생산했지만, 이것은 양모와 함께 칼라 민을 사용하는 방법에서 비롯되었습니다. 따라서 그것은 상당한 순도의 금속 샘플이 아닙니다. William Champion은 1738 년 영국에서 수직 레토르트 용광로를 사용하여이 방법을 개선했습니다.

1746 년 독일의 화학자 Andreas Sigismund Marggraf는 구리가 든 용기 안에 숯 (양모보다 더 나은 환원제)이있는 상태에서 칼라 민을 가열하여 순수한 아연 샘플을 "처음으로"얻었다. 이 아연 생산 방식은 Champion 's와 병행하여 상업적으로 개발되었습니다.

나중에, 산화 아연을 대신 사용하여 마침내 칼라 민과 무관하게 된 공정이 개발되었습니다. 즉, 현재의 제련 공정과 매우 유사합니다. 용광로는 또한 개선되어 아연을 더 많이 생산할 수있었습니다.

그때까지는 엄청난 양의 아연이 필요한 응용 프로그램이 없었습니다. 그러나 그것은 Luigi Galvani와 Alessandro Volta의 공헌으로 바뀌 었습니다. Volta는 또한 갈바니 전지로 알려진 것을 고안했으며 아연은 곧 건전지 설계의 일부가되었습니다.

물리 화학적 특성

외모

일반적으로 과립 또는 분말 형태로 제공되는 칙칙한 금속입니다. 물리적으로 약하기 때문에 무거운 물체를 지원해야하는 애플리케이션에는 적합하지 않습니다.

마찬가지로 100ºC 이상으로 가열하면 가단성과 연성이되지만 부서지기 쉽습니다. 최대 250ºC, 깨지기 쉽고 다시 분무 할 수있는 온도.

몰 질량

65.38g / 몰

원자 번호 (Z)

30

녹는 점

419.53 ° C 이 낮은 융점은 약한 금속 결합을 나타냅니다. 녹 으면 액체 알루미늄과 비슷한 모양을 갖습니다.

비점

907ºC

자연 발화 온도

460ºC

밀도

실온에서 -7.14g / mL

녹는 점에서 -6.57g / mL, 즉 녹거나 녹을 때

융합 열

7.32 kJ / 몰

기화열

115 kJ / 몰

몰 열용량

25,470 J / (몰 K)

전기 음성도

1.65 폴링 척도

이온화 에너지

-첫 번째 : 906.4 kJ / mol (Zn ⁺ 가스)

-두 번째 : 1733.3 kJ / mol (Zn ²⁺ 기체)

-3 차 : 3833kJ / mol (Zn ³⁺ 기체)

원자 라디오

경험적 오후 134

공유 반경

122 ± 오후 4시

모스 경도

2.5. 이 값은 다른 전이 금속, 즉 텅스텐의 경도에 비해 상당히 낮습니다.

자기 주문

반자성

열 전도성

116W / (m · K)

전기 저항

20 ° C에서 59nΩm

용해도

산화층이 보호하는 한 물에 녹지 않습니다. 일단 산이나 염기의 공격으로 아연이 제거되면 아연은 물과 반응하여 복합 수성 Zn (OH ₂ ) ₆ ²⁺ 를 형성하여 제한된 팔면체의 중심에 Zn ²⁺ 를 배치합니다. 물 분자에 의해.

분해

화상을 입으면 독성 ZnO 입자를 공기 중으로 방출 할 수 있습니다. 이 과정에서 녹색 불꽃과 빛나는 빛이 관찰됩니다.

화학 반응

화염의 녹청색이 인정되는 도가니 내부의 아연과 황 사이의 반응. 출처 : Eoin

아연은 반응성 금속입니다. 실온에서는 산화물 층뿐만 아니라 염기성 탄산염 Zn ₅ (OH) ₆ (CO ₃ ) ₂ , 심지어 황 ZnS 로도 덮일 수 있습니다 . 이 다양한 조성의 층이 산의 공격에 의해 파괴되면 금속은 다음과 같이 반응합니다.

Zn (s) + H ₂ SO ₄ (aq) → Zn ²⁺ (aq) + SO ₄ ²⁻ (aq) + H ₂ (g)

황산과의 반응에 해당하는 화학 방정식 :

Zn (s) + 4 HNO ₃ (aq) → Zn (NO ₃ ) ₂ (aq) + 2 NO ₂ (g) + 2 H ₂ O (l)

염산으로. 두 경우 모두, 비록 기록되지 않았지만, 복합 수성 Zn (OH ₂ ) ₆ ^{2+가 존재합니다} . 배지가 염기성 인 경우를 제외하고 수산화 아연, Zn (OH) ₂ 로 침전되기 때문에 :

아연 ²⁺ (AQ) + 2OH ^- (AQ) → 아연 (OH) ₂ (들)

이상의 OH와 반응하는 것을 계속 할 수있는, 백색 무정형 및 양쪽 성 수산화 어느 ^- 이온 :

아연 (OH) ₂ (S) + 2OH ^- (수성) → 아연 (OH) ₄ ^2- (수성)

Zn (OH) ₄ ^2- 는 아연 산염 음이온입니다. 사실, 이러한 농축 된 NaOH를, 나트륨 징 케이트 착체, 나트륨과 같은 강염기와 반응하여 아연, 경우 ₍₂₎ , 직접 제조된다 :

Zn (s) + 2NaOH (aq) + 2H ₂ O (l) → Na ₂ (aq) + H ₂ (g)

마찬가지로 아연은 가스 상태의 할로겐이나 황과 같은 비금속 원소와 반응 할 수 있습니다.

Zn (s) + I ₂ (g) → ZnI ₂ (s)

Zn (s) + S (s) → ZnS (s) (상단 이미지)

동위 원소

아연은 자연에서 5 개의 동위 원소로 존재합니다 : ⁶⁴ Zn (49.2 %), ⁶⁶ Zn (27.7 %), ⁶⁸ Zn (18.5 %), ⁶⁷ Zn (4 %) 및 ⁷⁰ Zn (0.62 %). 나머지는 합성 및 방사성입니다.

구조 및 전자 구성

아연 원자는 금속 결합의 산물 인 콤팩트하지만 왜곡 된 육각형 구조 (hcp)로 결정화됩니다. 이러한 상호 작용을 제어하는 ​​원자가 전자는 전자 구성에 따라 3d 및 4s 궤도에 속하는 전자입니다.

3d ¹⁰ 4s ²

두 궤도는 모두 전자로 가득 차 있기 때문에 아연 핵이 그들에게 인력을가하더라도 그 겹침은 그다지 효과적이지 않습니다.

결과적으로 Zn 원자는 다른 전이 금속에 비해 낮은 융점 (419.53 ºC)에서 매우 응집력이 없습니다. 실제로 이것은 12 족 금속 (수은 및 카드뮴과 함께)의 특성이므로 때때로 블록 d의 요소로 간주되어야하는지 여부에 대해 의문을 제기합니다.

3d 및 4s 궤도가 가득 차 있음에도 불구하고 아연은 좋은 전기 전도체입니다. 따라서 원자가 전자는 전도대로 "점프"할 수 있습니다.

산화 번호

Zn ¹²⁺ 양이온이 존재한다고 가정 할 때 아연이 12 개의 원자가 전자를 잃거나 +12의 산화수 또는 상태를 갖는 것은 불가능합니다 . 대신, 전자 중 두 개만 잃습니다. 특히 알칼리 토금속 (Mr. Becambara)과 유사한 방식으로 행동하는 4s 궤도의 것입니다.

이 경우 아연은 산화수 또는 상태가 +2 인 화합물에 참여한다고합니다. 즉, Zn ²⁺ 양이온의 존재를 가정합니다 . 예를 들어, 산화 ZnO에서 아연은이 산화수 (Zn ²⁺ O ^2- )를 갖습니다 . 다른 많은 화합물에도 동일하게 적용되며 Zn (II) 만 존재한다고 생각하게됩니다.

그러나 4s 궤도에서 전자 중 하나만 손실 된 Zn (I) 또는 Zn ^+도 있습니다. 아연의 또 다른 가능한 산화수는 0 (Zn ⁰ )으로, 중성 원자가 기체 또는 유기 분자와 상호 작용합니다. 따라서 Zn ²⁺ , Zn ⁺ 또는 Zn ⁰ 으로 표시 될 수 있습니다 .

획득 방법

원료

루마니아의 Sphalerite 미네랄 샘플. 출처 : James St. John

아연은 지각에서 가장 풍부한 원소의 24 번째 위치에 있습니다. 일반적으로 지구 전역에 분포하는 유황 광물에서 발견됩니다.

순수한 형태의 금속을 얻으려면 먼저 지하 터널에있는 암석을 수집하고 진정한 원료 인 아연이 풍부한 미네랄을 농축해야합니다.

이러한 미네랄에는 sphalerite 또는 wurzite (ZnS), zincite (ZnO), willemite (Zn ₂ SiO ₄ ), smitsonite (ZnCO ₃ ) 및 gahnite (ZnAl ₂ O ₄ )가 포함됩니다. Sphalerite는 아연의 주요 공급원입니다.

하소

암석의 부유 및 정제 과정을 거쳐 광물이 농축되면 황화물을 각각의 것으로 변환하기 위해 소성해야합니다. 이 단계에서 미네랄은 산소가있는 상태에서 간단히 가열되어 다음과 같은 화학 반응을 일으 킵니다.

2 ZnS (s) + 3 O ₂ (g) → 2 ZnO (s) + 2 SO ₂ (g)

SO ₂ 는 또한 산소와 반응하여 황산 합성을위한 화합물 인 SO ₃ 을 생성 합니다.

ZnO를 얻은 후에는 열 야금 공정을 거치거나 전기 분해를 거쳐 최종 결과가 금속 아연을 형성합니다.

열 야금 공정

ZnO는 석탄 (광물 또는 코크스) 또는 일산화탄소를 사용하여 감소됩니다.

2 ZnO (s) + C (s) → 2 Zn (g) + CO ₂ (g)

ZnO (s) + CO (g) → Zn (g) + CO ₂ (g)

이 공정이 직면 한 어려움은 끓는점이 낮기 때문에 가스상 아연이 생성되며, 이는 용광로의 고온으로 극복됩니다. 그렇기 때문에 아연 증기는 증류되고 다른 가스와 분리되어야하며 결정은 용융 납에 응축됩니다.

전해 공정

그것을 얻는 두 가지 방법 중 이것은 전 세계적으로 가장 널리 사용됩니다. ZnO는 묽은 황산과 반응하여 황산염으로 아연 이온을 배출합니다.

ZnO (s) + H ₂ SO ₄ (aq) → ZnSO ₄ (aq) + H ₂ O (l)

마지막으로이 용액은 전기 분해되어 금속 아연을 생성합니다.

2 ZnSO ₄ (수성) + 2 H ₂ O (l) → 2 Zn (s) + 2 H ₂ SO ₄ (수성) + O ₂ (g)

위험

화학 반응에 관한 하위 섹션에서 수소 가스는 아연이 물과 반응 할 때 주요 생성물 중 하나라고 언급했습니다. 그렇기 때문에 금속 상태에서 적절하게 보관하고 산, 염기, 물, 황 또는 열원이 닿지 않는 곳에 보관해야합니다. 그렇지 않으면 화재의 위험이 있습니다.

아연을 더 잘게 나눌수록 화재 나 폭발의 위험이 커집니다.

그렇지 않으면 온도가 500ºC에 가까워지지 않는 한 고체 또는 입상 형태는 위험을 나타내지 않습니다. 산화물 층으로 덮여 있으면 습도에 반응하지 않기 때문에 맨손으로 다룰 수 있습니다. 그러나 다른 고체와 마찬가지로 눈과 호흡기를 자극합니다.

아연은 건강에 필수적이지만 과다 복용하면 다음과 같은 증상이나 부작용이 발생할 수 있습니다.

-메스꺼움, 구토, 소화 불량, 두통, 위 또는 설사.

-장에서 흡수되는 동안 구리와 철을 대체하여 사지의 약화를 증가시킵니다.

- 신장 결석.

-후각 상실.

응용

-금속

합금

많은 악기는 황동, 구리 및 아연 합금으로 만들어집니다. 출처 : Pxhere.

아연은 구리와 함께 가장 인기있는 합금 인 황동과 아연 도금 철을 형성하는 금속 중 하나 일 것입니다. 금관 악기의 황금빛 빛은 부분적으로 구리와 아연의 합금으로 인한 것이기 때문에 음악 오케스트라 동안 여러 차례 황동이 관찰되었습니다.

금속 아연 자체는 말아서 건식 전지의 양극 역할을하지만 분말 형태의 경우 환원제로 사용 되기는하지만 용도가 많지 않습니다. 이 금속의 층이 다른 층에 전착 될 때, 전자는 산화에 더 민감하기 때문에 부식으로부터 후자를 보호합니다. 즉, 아연은 철보다 먼저 산화됩니다.

이것이 강철이 내구성을 높이기 위해 아연 도금 (아연 코팅) 된 이유입니다. 이러한 아연 도금 강철의 예는 끝이없는 "아연"지붕에도 있으며, 그중 일부는 녹색 페인트 코팅과 함께 제공되며 버스 본체, 가정 용품 및 현수교에 있습니다.

토목 건축에 사용되는 알루미늄-아연 합금 인 aluzinc도 있습니다.

환원제

아연은 좋은 환원제이므로 다른 종을 얻기 위해 전자를 잃습니다. 특히 금속 양이온. 분말 형태의 경우 환원 작용이 고체 과립보다 훨씬 빠릅니다.

미네랄에서 금속을 얻는 과정에 사용됩니다. 로듐,은, 카드뮴, 금 및 구리와 같은.

마찬가지로, 그 환원 작용은 벤젠 및 가솔린과 같은 석유 산업 또는 제약 산업에 관여 할 수있는 유기종을 감소시키는 데 사용됩니다. 한편, 아연 분진은 알칼리성 이산화 아연-망간 배터리에도 적용됩니다.

여러 가지 잡다한

반응성과 더 강력한 연소로 인해 아연 분진은 성냥 머리, 폭발물 및 불꽃 놀이 (흰색 섬광과 녹색 불꽃을 발생)의 첨가제로 사용됩니다.

-화합물

황화물

핸즈와 시간에 축광 페인트가있는 시계. 출처 : Francis Flinch

황화 아연은 인광 및 발광 특성을 가지고 있기 때문에 발광 도료 생산에 사용됩니다.

산화물

산화물의 흰색과 반 및 광 전도성은 세라믹 및 종이의 안료로 사용됩니다. 또한 활석, 화장품, 고무, 플라스틱, 직물, 의약품, 잉크 및 에나멜에도 존재합니다.

영양 보충제

우리 몸은 많은 중요한 기능을 수행하기 위해 아연이 필요합니다. 그것을 얻기 위해, 그것은 산화물, 글루코 네이트 또는 아세테이트의 형태로 일부 영양 보충제에 통합됩니다. 또한 화상과 피부 자극을 완화하기 위해 크림과 샴푸에도 함유되어 있습니다.

아연 섭취와 관련된 알려진 또는 관련 이점은 다음과 같습니다.

-면역 체계를 향상시킵니다.

-좋은 항염증제입니다.

-감기의 성가신 증상을 줄입니다.

-망막 세포 손상을 방지하므로 시력에 좋습니다.

-테스토스테론 수치를 조절하는 데 도움이되며 남성의 생식력, 정자의 질 및 근육 조직 발달과도 관련이 있습니다.

-뇌 뉴런 간의 상호 작용을 조절하므로 기억력 및 학습 능력 향상과 관련이 있습니다.

-또한 설사 치료에도 효과적입니다.

이 아연 보충제는 캡슐, 정제 또는 시럽으로 상업적으로 이용 가능합니다.

생물학적 역할

탄산 탈수 효소 및 카르복시 펩티다아제

아연은 인체 전체 효소의 10 %, 약 300 개 효소의 일부로 간주됩니다. 그 중에서 탄산 탈수 효소 및 카르복시 펩티다아제가 언급 될 수있다.

아연 의존성 효소 인 탄산 탈수 효소는 이산화탄소와 물의 반응을 촉매하여 중탄산염을 형성함으로써 조직 수준에서 작용합니다. 중탄산염이 폐에 도달하면 효소가 반응을 역전시키고 이산화탄소가 형성되어 호기시 외부로 배출됩니다.

Carboxypeptidase는 단백질을 소화하여 아미노산을 방출하는 exopeptidase입니다. 아연은 효소와 효소가 소화하는 단백질의 상호 작용을 촉진하는 양전하를 공급함으로써 작동합니다.

전립선 기능

아연은 인체의 여러 기관에 존재하지만 전립선과 정액에서 가장 높은 농도를 가지고 있습니다. 아연은 전립선의 적절한 기능과 남성 생식 기관의 발달을 담당합니다.

아연 손가락

아연은 RNA와 DNA의 대사에 관여합니다. 아연 핑거 (Zn- 핑거)는 다양한 기능에 함께 관여하는 단백질 사이의 결합 다리 역할을하는 아연 원자로 구성됩니다.

아연 손가락은 DNA의 읽기, 쓰기 및 전사에 유용합니다. 또한 몸 전체의 성장 항상성과 관련된 기능에 사용하는 호르몬이 있습니다.

글루타메이트 조절

글루타메이트는 대뇌 피질과 뇌간에서 주요 흥분성 신경 전달 물질입니다. 아연은 글루타민 성 시냅스 전 소포에 축적되어 신경 전달 물질 인 글루타메이트의 방출 조절과 신경 흥분성에 개입합니다.

신경 전달 물질 인 글루타메이트의 과장 방출이 신경 독성 작용을 할 수 있다는 증거가 있습니다. 따라서 방출을 조절하는 메커니즘이 있습니다. 따라서 아연 항상성은 신경계의 기능적 조절에 중요한 역할을합니다.

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