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| 亜鉛 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 外観 | 銀灰色 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 標準原子量 A r °(Zn) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 周期表における亜鉛 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 原子番号 ( Z ) | 30 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| グループ | グループ12 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 期間 | 期間4 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ブロック | dブロック | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 電子配置 | [ Ar ] 3d 10 4s 2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 殻あたりの電子数 | 2、8、18、2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 物理的特性 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| STPでの フェーズ | 固体 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 融点 | 692.68 K (419.53 °C、787.15 °F) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 沸点 | 1180 K (907 °C、1665 °F) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 密度（20℃） | 7.140 g/cm3 [ 3] | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 液体の場合（ mp） | 6.57グラム/ cm3 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 融解熱 | 7.32 kJ/モル | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 気化熱 | 115kJ/モル | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| モル熱容量 | 25.470 J/(モル·K) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
蒸気圧
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| 原子特性 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 酸化状態 | 共通: +2 −2、[4] 0 、? +1 [5] | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 電気陰性度 | ポーリングスケール: 1.65 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| イオン化エネルギー |
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| 原子半径 | 経験的: 午後134時 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 共有結合半径 | 122±4時 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ファンデルワールス半径 | 午後1時39分 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| その他のプロパティ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 自然発生 | 原始的な | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 結晶構造 | 六方最密充填（hcp）（hP2） | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 格子定数 |  c = 494.55 pm （20℃）[3] | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 熱膨張 | 30.08 × 10 −6 /K (20℃) [a] | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 熱伝導率 | 116 W/(m⋅K) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 電気抵抗率 | 59.0 nΩ⋅m（20℃） | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 磁気秩序 | 反磁性 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| モル磁化率 | −11.4 × 10 -6 cm 3 /mol (298 K) [6] | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ヤング率 | 108GPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| せん断弾性係数 | 43GPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 体積弾性率 | 70GPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 音速の 細い棒 | 3850 m/s ( 室温で) (ロール) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ポアソン比 | 0.25 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| モース硬度 | 2.5 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ブリネル硬度 | 327～412MPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| CAS番号 | 7440-66-6 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 歴史 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 発見 | インドの冶金学者（紀元前1000年以前） | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 最初の隔離 | アンドレアス・ジギスムント・マルクグラフ（1746） | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ユニークな金属として認識されている | ラサラトナ・サムッカヤ（1300） | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 亜鉛の同位体 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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亜鉛は、記号Znで表され、原子番号 30の化学元素である。室温ではやや脆い金属で、酸化が除去されると光沢のある灰色の外観になる。周期表の第 12 族 (IIB)の最初の元素である。いくつかの点で、亜鉛はマグネシウムと化学的に類似している。両方の元素とも通常の酸化状態 (+2) を 1 つしか示さず、Zn 2+ イオンと Mg 2+イオンは同様のサイズである。[b]亜鉛は、地殻で24 番目に豊富な元素であり、5 つの安定同位体がある。最も一般的な亜鉛鉱石は、亜鉛硫化物鉱物である閃亜鉛鉱(閃亜鉛鉱)である。最大の採掘可能な鉱脈は、オーストラリア、アジア、米国にある。亜鉛は、鉱石の浮選、焙焼、および電気を使用した最終的な抽出(電解採取) によって精製される。
亜鉛は、ヒト[8] [9] [10]動物[11]植物[12]微生物[13]にとって必須の微量元素であり、出生前および出生後の発育に必要です。[14]亜鉛は、鉄に次いでヒトの体内で2番目に豊富な微量金属であり、すべての酵素クラスに存在する唯一の金属です。[12] [10]亜鉛は多くの酵素の重要な補因子であるため、サンゴの成長に不可欠な栄養素でもあります。[15]
発展途上国では、亜鉛欠乏症が約20億人に影響を及ぼしており、多くの病気と関連している。[16]子供の場合、欠乏は成長遅延、性成熟の遅れ、感染症感受性、下痢を引き起こす。[14] 反応中心に亜鉛原子を持つ酵素は、ヒトのアルコール脱水素酵素など、生化学では広く使用されている。 [17]亜鉛を過剰に摂取すると、運動失調、無気力、銅欠乏症を引き起こす可能性がある。海洋バイオーム、特に極地では、亜鉛が不足すると一次藻類群集の活力が損なわれ、複雑な海洋栄養構造が不安定になり、結果として生物多様性に影響を及ぼす可能性がある。[18]
真鍮は、銅と亜鉛を様々な割合で合金にしたものだが、紀元前3千年紀にはすでにエーゲ海地域や、現在のイラク、アラブ首長国連邦、カルムイク、トルクメニスタン、ジョージアを含む地域で使用されていた。紀元前2千年紀には、現在の西インド諸島、ウズベキスタン、イラン、シリア、イラク、イスラエルを含む地域で使用されていた。[19] [20] [21]亜鉛は古代ローマ人やギリシャ人には知られていたものの、インドでは12世紀まで大規模に生産されることはなかった。[22]ラジャスタン州の鉱山からは、紀元前6世紀に遡る亜鉛生産の明確な証拠が得られている。[23]純粋な亜鉛に関する最古の証拠は、ラジャスタン州のザワールで発見されており、紀元後9世紀には純粋な亜鉛を作るために蒸留法が採用されていた。[24]錬金術師は空気中で亜鉛を燃やして「哲学者の羊毛」または「白い雪」と呼ばれるものを作り出した。
この元素は、おそらく錬金術師パラケルススがドイツ語のZinke（突起、歯）にちなんで名付けたものです。ドイツの化学者アンドレアス・ジギスムント・マルグラフは、 1746 年に純粋な金属亜鉛を発見したと言われています。ルイジ・ガルヴァーニとアレッサンドロ・ボルタの研究により、1800 年までに亜鉛の電気化学的性質が明らかになりました。鉄の耐腐食性亜鉛メッキ（溶融亜鉛メッキ）は、亜鉛の主な用途です。その他の用途には、電気バッテリー、小型の非構造鋳物、真鍮などの合金があります。炭酸亜鉛やグルコン酸亜鉛（栄養補助食品として）、塩化亜鉛（デオドラント）、ジンクピリチオン（ふけ防止シャンプー）、硫化亜鉛（発光塗料）、有機実験室でのジメチル亜鉛またはジエチル亜鉛など、さまざまな亜鉛化合物が一般的に使用されています。
特徴
物理的特性
亜鉛は青みがかった白色で光沢のある反磁性金属であるが、[25]最も一般的な市販グレードの金属は光沢のない仕上げとなっている。[26]鉄よりも密度がやや低く、六方結晶構造を持ち、歪んだ形の六方最密充填構造となっており、各原子は自身の平面内に6つの最近接原子（265.9 pm）を持ち、他の6つの原子は290.6 pmのより大きな距離にある。[27]この金属はほとんどの温度で硬くて脆いが、100〜150 °Cの間で可鍛性になる。[25] [26] 210 °Cを超えると、金属は再び脆くなり、叩いて粉砕することができる。[28]亜鉛は電気をよく伝導する。[25]金属としては、亜鉛の融点（419.5 °C）と沸点（907 °C）は比較的低い。[29]融点は水銀とカドミウムを除くすべてのdブロック金属の中で最も低い。このため、亜鉛、カドミウム、水銀は他のdブロック金属のように遷移金属とは見なされないことが多い。 [29]
真鍮を含む多くの合金には亜鉛が含まれています。亜鉛と二元合金を形成することが古くから知られている他の金属には、アルミニウム、アンチモン、ビスマス、金、鉄、鉛、水銀、銀、スズ、マグネシウム、コバルト、ニッケル、テルル、ナトリウムがあります。[30]亜鉛もジルコニウムも強磁性ではありませんが、それらの合金であるZrZn
235 K以下では強磁性を示す。[25]
発生
亜鉛は地殻の約75 ppm （0.0075%）を占め 、24番目に豊富な元素です。[31]亜鉛は太陽系でも312 ppmを占め、太陽系では22番目に豊富な元素です。 [32] 亜鉛の典型的な背景濃度は、大気中で1 μg/m 3、土壌で300 mg/kg、植物で100 mg/kg、淡水で20 μg/L、海水で5 μg/Lを超えません。[ 33 ]この元素は通常、銅や鉛などの他の卑金属とともに鉱石中に見られます。[34]亜鉛は親銅元素であるため、鉱物中では硫黄やその他の重カルコゲンと一緒に見つかる可能性が高く、軽いカルコゲンである酸素やハロゲンなどの非カルコゲン性電気陰性元素と一緒に見つかる可能性は低いです。硫化物は、地球の初期大気の還元条件下で地殻が固まるにつれて形成されました。 [35]亜鉛硫化物の一種である閃亜鉛鉱は、その濃縮物に60～62%の亜鉛が含まれているため、最も多く採掘されている亜鉛含有鉱石です。[34]
亜鉛のその他の供給源鉱物としては、スミソナイト（炭酸亜鉛）、ヘミモルファイト（ケイ酸亜鉛）、ウルツ鉱（別の硫化亜鉛）、そして時にはハイドロジンサイト（塩基性炭酸亜鉛）などがあります。[36]ウルツ鉱を除いて、これらの他の鉱物はすべて、原始的な亜鉛硫化物の風化によって形成されました。[35]
確認されている世界の亜鉛資源は、合計で約19～28億トンです。[37] [38]大規模な鉱床はオーストラリア、カナダ、米国にあり、最大の埋蔵量はイランにあります。[35] [39] [40]亜鉛の最新の埋蔵量（現在の採掘および生産慣行に関連する特定の最小物理的基準を満たす）の推定は2009年に行われ、約4億8000万トンと算出されました。[41]一方、亜鉛埋蔵量は、地質学的に特定された鉱体であり、その回収の適合性は、決定時の経済的根拠（場所、品位、品質、および量）に基づいています。探査と鉱山開発は継続的なプロセスであるため、亜鉛埋蔵量は固定された数値ではなく、今日の亜鉛鉱山の合計鉱山寿命を単純に外挿するだけでは亜鉛鉱石供給の持続可能性を判断することはできません。この概念は、米国地質調査所（USGS）のデータによって十分に裏付けられており、1990年から2010年の間に精製亜鉛の生産量は80％増加したにもかかわらず、亜鉛の埋蔵量は変化していないことを示しています。2002年までの歴史を通じて約3億4600万トンが採掘され、学者たちは約1億900万～3億500万トンが使用されていると推定しています。[42] [43] [44]
同位体
自然界には5つの安定同位体が存在し、64 Znが最も豊富な同位体（自然存在比49.17% ）である。[45] [46]自然界に存在する他の同位体は以下の通りである。66
亜鉛（27.73％）67
亜鉛（4.04％）68
亜鉛（18.45％）、および70
亜鉛（0.61％）[46]
数十の放射性同位元素が特徴付けられています。65
半減期が243.66日であるZnは最も活性の低い放射性同位元素であり、次に72
半減期は46.5時間である。[45]亜鉛には10種類の核異性体があり、そのうち69m Znの半減期は最も長く、13.76時間である。[45]上付き文字のmは準安定同位体を示す。準安定同位体の原子核は励起状態にあり、ガンマ線の形で光子を放出して基底状態に戻る。61
亜鉛は3つの励起準安定状態を持ち、73
亜鉛には2つの同位体がある。[47]65
亜鉛、71
亜鉛、77
亜鉛と78
Znはそれぞれ励起準安定状態を1つだけ持つ。[45]
質量数が66未満の亜鉛の放射性同位体の最も一般的な崩壊モードは電子捕獲である。電子捕獲によって生じる崩壊生成物は銅の同位体である。 [45]
質量数が66を超える亜鉛の放射性同位体の最も一般的な崩壊モードはベータ崩壊（β − ）であり、ガリウム同位体を生成する。[45]
- 30位
亜鉛
→31 31
ガ
+
e−
+
ν
e
化合物と化学
反応性
亜鉛は[Ar]3d 10 4s 2の電子配置を持ち、周期表の12族に属します。中程度の反応性金属であり、強力な還元剤です。[48]純粋な金属の表面はすぐに変色し、最終的には塩基性炭酸亜鉛、Znの保護不動態層を形成します。
5（おお）
6（CO3）
2大気中の二酸化炭素との反応によって生成される。[49]
亜鉛は空気中で明るい青緑色の炎を出して燃え、酸化亜鉛の煙を放出する。[50]亜鉛は酸、アルカリ、その他の非金属と容易に反応する。 [51]極めて純粋な亜鉛は、室温では酸とゆっくりとしか反応しない。[50]塩酸や硫酸などの強酸は不動態化層を除去し、その後の酸との反応で水素ガスを放出する。[50]
亜鉛の化学は+2の酸化状態によって支配される。この酸化状態の化合物が形成されると、外殻 の電子が失われ、電子配置[Ar]3d 10の裸の亜鉛イオンが得られる。[52]水溶液中では、八面体錯体[Zn(H
2O) 6 ]2歳以上
が主な種である。[53] 285℃以上の温度で塩化亜鉛と組み合わされた亜鉛の揮発は、Zn
2塩素
2、+1の酸化状態を持つ亜鉛化合物です。[50] +1または+2以外の正の酸化状態にある亜鉛の化合物は知られていません。[54]計算によると、+4の酸化状態を持つ亜鉛化合物は存在しない可能性があります。[55] Zn(III)は、強い電気陰性度の三陰イオンの存在下で存在することが予測されます。 [56]ただし、この可能性については疑問があります。 [57] しかし、2021年に、式ZnBeB 11 (CN) 12で+3の酸化状態を持つ別の化合物がより多くの証拠とともに報告されました。[58]
亜鉛の化学は、後期第一列遷移金属であるニッケルや銅の化学と似ているが、d殻が満たされており、化合物は反磁性でほとんど無色である。[59]亜鉛とマグネシウムのイオン半径はほぼ同一である。このため、等価塩のいくつかは同じ結晶構造を持ち、[60]イオン半径が決定要因となる他の状況では、亜鉛の化学はマグネシウムの化学と多くの共通点がある。[50]その他の点では、後期第一列遷移金属との類似点はほとんどない。亜鉛は、より高い共有結合度で結合し、 N-およびS-ドナーとより安定した錯体を形成する傾向がある。[59]亜鉛の錯体は、主に4配位または6配位であるが、5配位錯体も知られている。[50]
亜鉛(I)化合物
亜鉛(I)化合物は非常に稀である。[Zn 2 ] 2+イオンは、溶融ZnCl 2に金属亜鉛を溶解して黄色の反磁性ガラスを形成することで生成される。[61] [Zn 2 ] 2+核は、水銀(I)化合物中に存在する[Hg 2 ] 2+陽イオンに類似している。イオンの反磁性は、その二量体構造を裏付けている。Zn-Zn結合を含む最初の亜鉛(I)化合物は、(η 5 -C 5 Me 5 ) 2 Zn 2 である。
亜鉛(II)化合物
3CO の
2）
2
亜鉛の二元化合物は、ほとんどの半金属と、希ガスを除くすべての非金属で知られています。酸化物ZnOは、中性水溶液にはほとんど溶けない白い粉末ですが、両性であり、強塩基性溶液と酸性溶液の両方に溶解します。[50]その他のカルコゲニド（ZnS、ZnSe、ZnTe）は、電子工学や光学分野でさまざまな用途に使用されています。[62]ニクトゲニド（Zn
3いいえ
2、亜鉛
3ポ
2、亜鉛
3として
2および亜鉛
3SB
2）、[63] [64]過酸化物（ZnO
2）、水素化物（ZnH
2）、炭化物（ZnC
2）も知られている。[65] 4つのハロゲン化物のうち、ZnF
2最もイオン性が高いのに対し、他の元素（ZnCl
2、臭化亜鉛
2、およびZnI
2）は比較的融点が低く、より共有結合性が高いと考えられている。[66]
亜鉛を含む弱塩基性溶液では2歳以上
イオン、水酸化物Zn(OH)
2白色沈殿物として形成される。より強いアルカリ溶液中では、この水酸化物は溶解して亜鉛酸塩（[Zn(OH) 4 ]）を形成する。2−
）。[50]硝酸塩Zn(NO 3 )
2、塩素酸塩Zn(ClO 3 )
2、硫酸塩ZnSO
4、リン酸亜鉛
3（PO4）
2、モリブデン酸塩ZnMoO
4、シアン化物Zn(CN)
2、亜ヒ酸Zn(AsO 2 )
2、ヒ酸Zn(AsO 4 )
2·8時間
2Oおよびクロム酸塩ZnCrO
4（数少ない有色の亜鉛化合物の一つ）は、亜鉛の他の一般的な無機化合物の例である。[67] [68]
有機亜鉛化合物は、亜鉛と炭素の共有結合を含む化合物です。ジエチル亜鉛（ （C
2H5 )
2亜鉛（Zn）は合成化学の試薬である。1848年に亜鉛とヨウ化エチルの反応から初めて報告され、金属-炭素シグマ結合を含む最初の化合物であることが知られた。 [69]
亜鉛の検査
コバルトシアン化物紙（リンマンの亜鉛試験）は亜鉛の化学指示薬として使用できる。4gのK 3 Co(CN) 6と1gのKClO 3を100mlの水に溶解する。紙を溶液に浸し、100℃で乾燥させる。サンプルを1滴乾いた紙に落とし、加熱する。緑色の円盤は亜鉛の存在を示す。[70]
歴史
古代の使用
古代には不純な亜鉛が使われた様々な例が発見されている。亜鉛が独立した元素として発見される何千年も前から、亜鉛鉱石は亜鉛銅合金の真鍮を作るために使われていた。紀元前14世紀から10世紀のユダヤの真鍮には23%の亜鉛が含まれている。[20]
真鍮の製造方法に関する知識は紀元前7世紀までに古代ギリシャに広まったが、作られた種類は少なかった。 [21] 80～90%の亜鉛を含み、残りは鉛、鉄、アンチモン、その他の金属で作られた合金で作られた装飾品が2,500年前のものであることが判明している。[34] 87.5%の亜鉛を含む、おそらく先史時代の小像がダキアの考古学遺跡で発見された。[71]
紀元前1世紀のストラボンの著作（現在は失われている紀元前4世紀の歴史家テオポンポスの著作を引用）には、「偽銀の滴」が銅と混ぜると真鍮になる、と記されている。これは硫化鉱石を精錬する際に副産物として生じる少量の亜鉛を指しているのかもしれない。[72]精錬炉に残った亜鉛は価値がないとみなされ、通常は廃棄された。[73]
ローマ人は紀元前30年頃には真鍮の製造法を知っていました。 [74]彼らは粉末状のカラミン（亜鉛ケイ酸塩または炭酸塩）、木炭、銅をるつぼで加熱して真鍮を作りました。[74]得られたカラミン真鍮は、武器として使用するために鋳造または叩いて形作られました。[75]キリスト教時代のローマ人が鋳造した硬貨の中には、おそらくカラミン真鍮で作られたものがあります。[76]
最も古い錠剤は炭酸亜鉛のハイドロジンサイトとスミソナイトで作られていた。この錠剤は目の痛みに使用され、紀元前140年に難破したローマ船レリット・デル・ポッツィーノ号で発見された。[77] [78]
ベルンの亜鉛板はローマ時代のガリアに遡る奉納板で、主に亜鉛の合金で作られています。[79]
紀元後300年から500年の間に書かれたと考えられているチャラカ・サンヒター[80]には、酸化されるとプシュパンジャン（酸化亜鉛と考えられる）を生成する金属について言及されている。 [81]インドのウダイプール近郊ザワールの亜鉛鉱山は、マウリヤ朝時代（紀元前 322年から187年頃）から活動している。しかし、ここで金属亜鉛の製錬が始まったのは紀元後12世紀頃と思われる。[82] [83]ある推定によると、この場所では12世紀から16世紀にかけて推定100万トンの金属亜鉛と酸化亜鉛が生産された。[36]別の推定によると、この期間の金属亜鉛の総生産量は6万トンである。 [ 82] 13世紀頃に書かれたラサラトナ・サムッカヤには、2種類の亜鉛含有鉱石について言及されており、1つは金属抽出に使用され、もう1つは医療目的に使用されていました。[ 83 ]
初期の研究と命名
亜鉛は、タカ王朝のヒンズー教の王マダナパーラが1374年頃に書いた医学用語集の中で、ヤサダまたはジャサダという名称で金属として明確に認識されている。 [84]カラミンを羊毛やその他の有機物で還元して不純な亜鉛を製錬・抽出する技術は、13世紀にインドで達成された。[25] [85]中国では17世紀までこの技術を知らなかった。[85]
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錬金術師は空気中で亜鉛金属を燃焼させ、生じた酸化亜鉛をコンデンサーで集めた。一部の錬金術師は、この酸化亜鉛が羊毛のような房状に集まったことから、ラテン語で「哲学者の羊毛」を意味するlana philosophicaと呼んだが、他の錬金術師は、この酸化亜鉛が白い雪のように見えると考え、nix albumと名付けた。[86]
この金属の名前は、おそらくスイス生まれのドイツの錬金術師パラケルススによって初めて記録され、 16世紀の著書『鉱物の書 II 』でこの金属を「zincum」または「zinken」と呼んでいます。 [85] [87]この単語はおそらくドイツ語のzinkeに由来し、「歯のような、尖った、またはギザギザの」という意味だと思われます（金属亜鉛の結晶は針のような外観をしています）。[88] Zinkは、ドイツ語の「錫」を意味するzinnとの関係から、「錫のような」という意味も含みます。[89]さらに別の可能性として、この単語はペルシャ語で石を意味するسنگ sengに由来しているという説があります。[90]この金属は、インド錫、ツタネゴ、カラミン、スピンターとも呼ばれていました。[34]
ドイツの冶金学者アンドレアス・リビウスは、 1596年にポルトガル人から拿捕した貨物船から、マラバル産の「カライ」（マレー語またはヒンディー語で錫を意味する）と呼ばれる鉱石を大量に受け取った。[91]リビウスは、サンプルの特性を記述したが、それは亜鉛であった可能性がある。亜鉛は17世紀から18世紀初頭にかけて、東洋からヨーロッパに定期的に輸入されていたが、[85]非常に高価なこともあった。[c]
分離
金属亜鉛は1300年までにインドで単離された。[92] [93] [94]亜鉛はヨーロッパで単離される前に、1600年頃にインドから輸入された。[95]ヨーロッパの技術情報を提供する同時代の資料である ポスルウェイトの万国辞書には1751年以前に亜鉛について言及されていないが、その前にもこの元素は研究されていた。[83] [96]
フランドルの冶金学者で錬金術師の P.M.ド・レスプールは、1668年に酸化亜鉛から金属亜鉛を抽出したと報告している。 [36] 18世紀初頭までに、エティエンヌ・フランソワ・ジョフロワは、製錬中の亜鉛鉱石の上に置かれた鉄の棒の上に酸化亜鉛が黄色い結晶として凝縮する様子を説明した。[36]イギリスでは、ジョン・レーンが1726年に破産する前に、おそらくランドールで亜鉛を製錬する実験を行ったと言われている。 [97]
1738年、イギリスでウィリアム・チャンピオンが垂直レトルト式製錬所でカラミンから亜鉛を抽出するプロセスの特許を取得しました。 [98]彼の技術はラジャスタン州のザワール亜鉛鉱山で使用されていたものと似ていましたが、彼が東洋を訪れたことを示す証拠はありません。[95]チャンピオンのプロセスは1851年まで使用されました。 [85]
ドイツの化学者アンドレアス・マルグラフは、西洋で純粋な金属亜鉛を単離した功績を通常認められているが、スウェーデンの化学者アントン・フォン・スワブは4年前にカラミンから亜鉛を蒸留していた。[85] 1746年の実験で、マルグラフは銅を使わずに密閉容器でカラミンと木炭の混合物を加熱して金属を得た。[99] [73]この手順は1752年までに商業的に実用化された。[100]
後期作品
ウィリアム・チャンピオンの兄弟ジョンは、1758年に硫化亜鉛を焼成してレトルト法で使用できる酸化物にするプロセスの特許を取得しました。[34]これ以前は、亜鉛の生産にはカラミンしか使用できませんでした。1798年、ヨハン・クリスチャン・ルベルグは、最初の水平レトルト製錬所を建設して製錬プロセスを改良しました。[101] ジャン＝ジャック・ダニエル・ドニーは、より多くの亜鉛を処理できる別の種類の水平亜鉛製錬所をベルギーに建設しました。[85] イタリアの医師ルイジ・ガルヴァーニは、1780年に、解剖したばかりのカエルの脊髄を真鍮のフックで取り付けられた鉄のレールに接続すると、カエルの脚がけいれんすることを発見しました。[102]彼は、神経と筋肉が電気を生み出す能力を発見したと誤って考え、その効果を「動物電気」と呼びました。[103]ガルバニ電池と亜鉛メッキのプロセスはどちらもルイージ・ガルヴァーニにちなんで名付けられ、彼の発見は電池、亜鉛メッキ、陰極保護への道を開いた。[103]
ガルヴァーニの友人であるアレッサンドロ・ボルタは、この効果の研究を続け、1800年にボルタ電池を発明した。 [102]ボルタの電池は、銅板と亜鉛板を電解質で接続した簡略化されたガルバニ電池のスタックで構成されていた。これらのユニットを直列に積み重ねることで、ボルタ電池（または「バッテリー」）全体の電圧が高くなり、単一のセルよりも簡単に使用できるようになりました。2つの金属板間のボルタ電位により、電子が亜鉛から銅に流れ、亜鉛を腐食するため、電気が生成されます。[102]
亜鉛は磁性を持たず、溶液中では無色であるため、生化学や栄養学におけるその重要性の発見は遅れた。[104] 1940年に、血液から二酸化炭素を除去する酵素である炭酸脱水酵素の活性部位に亜鉛が含まれていることが示され、状況は一変した。[104]消化酵素カルボキシペプチダーゼは、1955年に2番目に知られる亜鉛含有酵素となった。 [104]
生産
採掘と加工
27度57分17秒 東経016度46分00秒 / 南緯27.95472度 東経16.76667度 / -27.95472; 16.76667 (ロシュ・ピナ)
亜鉛は、年間生産量が約1,300万トンで、鉄、アルミニウム、銅に次いで4番目に多く使用されている金属です。 [37]世界最大の亜鉛生産者は、オーストラリアのOZミネラルズとベルギーのユミコアが合併したニルスターです。[107]世界の亜鉛の約70％は鉱業から生まれ、残りの30％は二次亜鉛のリサイクルから生まれています。[108]
商業的に純粋な亜鉛はスペシャルハイグレード（SHGと略されることが多い）として知られ、純度は99.995％です。[109]
世界中で、新しい亜鉛の95％は硫化物鉱床から採掘されており、その鉱床では閃亜鉛鉱（ZnS）がほぼ常に銅、鉛、鉄の硫化物と混合されています。[110] ：6 亜鉛鉱山は世界中に点在しており、主な地域は中国、オーストラリア、ペルーです。中国は2014年に世界の亜鉛生産量の38％を生産しました。[37]
亜鉛金属は、抽出冶金法を使用して生産されます。[111] : 7 鉱石を細かく粉砕し、次に浮選法で鉱物を脈石（疎水性の性質上）から分離して、約50％の亜鉛、32％の硫黄、13％の鉄、および5％のSiOからなる硫化亜鉛鉱石濃縮物[111] : 16を 得ます。
2. [111] : 16
焙煎により硫化亜鉛濃縮物は酸化亜鉛に変換される。[110]
![{\displaystyle {\ce {2ZnS + 3O2 ->[t^o] 2ZnO + 2SO2}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/686cb2d7d73dea23bc0e3431bfab4016d5fd71ed)
二酸化硫黄は、浸出プロセスに必要な硫酸の生産に使用されます。炭酸亜鉛、ケイ酸亜鉛、または亜鉛スピネルの鉱床（ナミビアのスコーピオン鉱床など）を亜鉛生産に使用する場合は、焙焼を省略できます。[112]
さらなる処理には、乾式冶金法または電解採取法という2つの基本的な方法が用いられる。乾式冶金法では、950℃（1,740℉）で炭素または一酸化炭素を用いて酸化亜鉛を還元して金属にし、これを亜鉛蒸気として蒸留して、その温度では揮発しない他の金属から分離する。[113]亜鉛蒸気は凝縮器で収集される。[110]以下の式はこのプロセスを説明するものである。[110]
![{\displaystyle {\ce {ZnO + C ->[950^oC] Zn + CO}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/1592f63fc0ae67a24850c33381264f5ca6bd1f55)
![{\displaystyle {\ce {ZnO + CO ->[950^oC] Zn + CO2}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ab85d04dfa0b8e0280b72062a5ecbe660fd247b1)
電解採取では、硫酸によって亜鉛が鉱石濃縮物から浸出され、不純物が沈殿する。[114]
最後に、亜鉛は電気分解によって還元されます。[110]
硫酸は再生され、浸出工程にリサイクルされます。
亜鉛メッキされた原料が電気炉に供給されると、亜鉛はいくつかのプロセスによってダストから回収されますが、主にウェルツ法（2014年時点で90％）によって回収されます。[115]
環境への影響
硫化亜鉛鉱石の精錬では、大量の二酸化硫黄とカドミウム蒸気が発生します。製錬所のスラグやその他の残留物には、かなりの量の金属が含まれています。1806年から1882年の間に、ベルギーのラ・カラミンとプロンビエールの町で約110万トンの金属亜鉛と13万トンの鉛が採掘され、製錬されました。 [116]過去の採掘作業の廃棄物からは亜鉛とカドミウムが浸出しており、グール川の堆積物にはかなりの量の金属が含まれています。[116]約2000年前、採掘と製錬による亜鉛の排出量は年間1万トンでした。亜鉛の排出量は1850年から10倍に増加し、1980年代に年間340万トンでピークを迎え、1990年代には270万トンに減少したが、2005年に北極圏で行われた研究では、濃度は減少を反映していないことが判明した。人為的および自然的排出量の比率は20対1である。[12]
工業地帯や鉱山地帯を流れる河川の亜鉛濃度は20ppmにも達することがあります。[117]効果的な下水処理により、この濃度は大幅に低下します。例えば、ライン川沿いの処理では、亜鉛濃度は50ppbまで低下しました。 [117]亜鉛濃度が2ppmと低くても、魚が血液中に運ぶことができる酸素の量に悪影響を及ぼします。[118]
亜鉛の採掘、精錬、あるいは亜鉛含有汚泥による施肥によって亜鉛で汚染された土壌には、乾燥土壌1キログラムあたり数グラムの亜鉛が含まれている可能性がある。土壌中の亜鉛濃度が500ppmを超えると、植物が鉄やマンガンなどの他の必須金属を吸収する能力が阻害される。一部の土壌サンプルでは、2000ppmから180,000ppm（18%）の亜鉛濃度が記録されている。[117]
アプリケーション
亜鉛の主な用途には、米国における割合として以下が含まれる[121]。
防錆とバッテリー
亜鉛は最も一般的には防錆剤として使用され、 [ 122]亜鉛メッキ（鉄や鋼のコーティング）が最もよく知られている形態です。2009年に米国では、亜鉛金属の55％、つまり893,000トンが亜鉛メッキに使用されました。[121]
亜鉛は鉄や鋼よりも反応性が高く、完全に腐食されるまでほぼすべての局所的な酸化を引き付けます。[123]酸化物と炭酸塩（Zn
5（おお）
6（CO
3）
2）が形成される。[124]この保護は亜鉛層に傷がついた後も持続するが、亜鉛が腐食するにつれて時間の経過とともに劣化する。[124]亜鉛は電気化学的に塗布されるか、溶融亜鉛めっきまたはスプレーによって塗布される。亜鉛めっきは金網フェンス、ガードレール、吊り橋、街灯柱、金属屋根、熱交換器、車体に使用されている。[125]
亜鉛の相対的な反応性と、それ自身に酸化物を引き寄せる能力により、亜鉛は陰極防食（CP）における効率的な犠牲陽極となる。例えば、埋設パイプラインの陰極防食は、亜鉛製の陽極をパイプに接続することで実現できる。[124]亜鉛は、鋼製パイプラインに電流を流すとゆっくりと腐食して陽極（負極）として機能する。 [124] [d]亜鉛は、海水にさらされる金属を陰極防食するためにも使用される。[126]船の鉄製舵に取り付けられた亜鉛ディスクは、舵が損傷していない限りゆっくりと腐食する。[123]同様に、プロペラや船の竜骨の金属製保護ガードに取り付けられた亜鉛プラグは、一時的な保護を提供する。
標準電極電位（SEP）が−0.76ボルトである亜鉛は、電池の陽極材料として使用されます。（リチウム電池の陽極には、より反応性の高いリチウム（SEP −3.04 V）が使用されます）。粉末状の亜鉛はアルカリ電池でこのように使用され、亜鉛炭素電池のケース（陽極としても機能）は亜鉛板で形成されます。[127] [128]亜鉛は、亜鉛空気電池/燃料電池の陽極または燃料として使用されます。 [129] [130] [131]亜鉛セリウム レドックスフロー電池も、亜鉛ベースの負極半電池に依存しています。[132]
合金
広く使用されている亜鉛合金は真鍮で、銅に3%から45%の亜鉛が合金化されていますが、真鍮の種類によって異なります。[124]真鍮は一般に銅よりも延性と強度が高く、耐食性に優れています。[124]これらの特性により、通信機器、ハードウェア、楽器、水道バルブなどに使用されています。[124]
広く使用されている他の亜鉛合金には、洋白、タイプライター用金属、軟質はんだおよびアルミニウムはんだ、商用青銅などがある。[25]亜鉛は、現代のパイプオルガンでも、パイプに使用される伝統的な鉛/スズ合金の代替品として使用されている。[133]亜鉛85～88%、銅4～10%、アルミニウム2～8%の合金は、特定の種類の機械ベアリングに限定的に使用されている。亜鉛は、1982年以来、アメリカの1セント硬貨（ペニー）の主成分となっている。 [134]亜鉛の芯に薄い銅の層をコーティングして、銅貨のような外観にしている。1994年には、米国で136億ペニーを製造するために33,200トン（36,600ショートトン）の亜鉛が使用された。[135]
少量の銅、アルミニウム、マグネシウムを含む亜鉛合金は、ダイカストやスピンカストに有用であり、特に自動車、電気、金物産業で有用である。[25]これらの合金は、ザマックという名前で販売されている。[136]その一例が亜鉛アルミニウムである。合金の低融点と低粘度により、小型で複雑な形状の製造が可能になる。作業温度が低いため、鋳造製品の急速冷却と組み立てのための高速生産が可能になる。[25] [137]プレスタルというブランド名で販売されている別の合金は、78%の亜鉛と22%のアルミニウムを含み、鋼鉄とほぼ同等の強度を持ちながら、プラスチックと同じくらい可鍛性があると報告されている。[25] [138]この合金の超塑性により、セラミックスとセメントで作られたダイカストを使用して成形することができる。[25]
少量の鉛を加えた同様の合金は、冷間圧延して板状にすることができる。96%の亜鉛と4%のアルミニウムの合金は、鉄製の金型では高価すぎる少量生産の用途の打ち抜き金型を作るのに使われる。[139]建物のファサード、屋根、および深絞り、ロール成形、または曲げ加工によって形成された板金のその他の用途には、チタンと銅を含む亜鉛合金が使用される。[140]合金化されていない亜鉛は、これらの製造プロセスには脆すぎる。[140]
亜鉛は密度が高く、安価で加工しやすい材料であるため、鉛の代替品として使用されています。鉛に関する懸念を受けて、亜鉛は釣り用重り[141]からタイヤのバランスやフライホイール[142]まで、さまざまな用途の重りに使用されています。
カドミウム亜鉛テルル化物（CZT）は、小さなセンサーデバイスのアレイに分割できる半導体合金です。 [143]これらのデバイスは集積回路に似ており、入射するガンマ線光子のエネルギーを検出できます。[143]吸収マスクの後ろにある場合、CZTセンサーアレイは光線の方向を判断できます。[143]
その他の産業用途
2009年に米国で生産された亜鉛のおよそ4分の1は、亜鉛化合物として消費されました。[121]さまざまなものが工業的に使用されています。酸化亜鉛は、塗料の白色顔料として、またゴムの製造における熱を分散させる触媒として広く使用されています。酸化亜鉛は、ゴムポリマーやプラスチックを紫外線（UV）から保護するために使用されます。[125]酸化亜鉛の半導体特性により、バリスタやコピー製品に使用されています。 [144]亜鉛-酸化亜鉛サイクルは、亜鉛と酸化亜鉛をベースにした水素製造のための2段階の熱化学プロセスです。[145]
塩化亜鉛は、木材に難燃剤として添加されることが多く[146]、木材防腐剤として使用されることもあります[147]。塩化亜鉛は他の化学物質の製造にも使用されます。[146] メチル亜鉛（Zn(CH 3 )
2) は多くの有機合成に使用されています。[148] 硫化亜鉛(ZnS) は時計の針、X 線やテレビの画面、夜光塗料などの発光顔料に使用されています。[149] ZnS の結晶はスペクトルの中赤外線部分で動作するレーザーに使用されています。 [150]硫酸亜鉛は染料や顔料に含まれる化学物質です。 [146]亜鉛ピリチオンは防汚塗料に使用されています。[151]
亜鉛粉末は模型ロケットの推進剤として使用されることがあります。[152] 70%の亜鉛と30%の硫黄粉末の圧縮混合物に点火すると、激しい化学反応が起こります。[152]これにより、大量の高温ガス、熱、光とともに硫化亜鉛が生成されます。[152]
亜鉛板は屋根、壁、カウンタートップの耐久性のあるカバーとして使用され、カウンタートップはビストロやオイスターバーでよく見られ、使用中に表面が酸化して青灰色の緑青になり、傷がつきやすいことで素朴な外観になることで知られています。[153] [154] [155] [156]
64
亜鉛の最も豊富な同位体であるZnは、中性子放射化の影響を非常に受けやすく、高放射能の65
亜鉛は半減期が244日で、強いガンマ線を放出する。このため、原子炉の防食剤として使用される酸化亜鉛は枯渇している。64
亜鉛は使用前には枯渇酸化亜鉛と呼ばれます。同じ理由で、亜鉛は核兵器の塩漬け材料として提案されています（コバルトは別のよく知られた塩漬け材料です）。[157]同位体濃縮ジャケット 64
亜鉛は、爆発する熱核兵器からの強力な高エネルギー中性子束によって照射され、大量の65
亜鉛は兵器の放射性降下物の放射能を大幅に増加させる。[157]このような兵器がこれまでに製造、テスト、使用されたことは知られていない。[157]
65
亜鉛は、亜鉛を含む合金がどのように摩耗するか、または生物における亜鉛の経路と役割を研究するためのトレーサーとして使用されます。 [158]
亜鉛ジチオカルバメート錯体は農業用殺菌剤として使用されており、ジネブ、メチラム、プロピネブ、ジラムなどがある。[159]ナフテン酸亜鉛は木材防腐剤として使用されている。[160] ZDDPの形の亜鉛は、エンジンオイルの金属部品の摩耗防止添加剤として使用されている。[161]
有機化学
有機亜鉛化学は、炭素-亜鉛結合を含む化合物の物理的性質、合成、化学反応を説明する科学です。多くの有機亜鉛化合物は商業的に重要です。[163] [164] [165] [166]重要な用途には以下が含まれます。
- フランクランド・デュッパ反応では、シュウ酸 エステル（ROCOCOOR）がアルキルハロゲン化物R'X、亜鉛、塩酸と反応してα-ヒドロキシカルボン酸エステルRR'COHCOORを形成する[167] [168]
- 有機亜鉛はグリニャール試薬と同様の反応性を持っていますが、求核性ははるかに低く、高価で取り扱いが難しいです。有機亜鉛は通常、アルデヒドなどの求電子剤に求核付加し、その後アルコールに還元されます。市販されているジ有機亜鉛化合物には、ジメチル亜鉛、ジエチル亜鉛、ジフェニル亜鉛があります。グリニャール試薬と同様に、有機亜鉛は一般に有機臭素前駆体から生成されます。
亜鉛は、安価で入手しやすい貴金属錯体の代替物として、エナンチオ選択的合成を含む有機合成の触媒として多くの用途が見出されている。キラル亜鉛触媒で得られる定量的結果（収率およびエナンチオマー過剰率）は、パラジウム、ルテニウム、イリジウムなどを使用した場合に得られる結果と匹敵する可能性がある。[169]
栄養補助食品
ほとんどの市販の1錠入りビタミン・ミネラルサプリメントには、酸化亜鉛、酢酸亜鉛、グルコン酸亜鉛、亜鉛アミノ酸キレートなどの形で亜鉛が含まれています。 [170] [171]
一般的に、亜鉛欠乏症のリスクが高い地域（低所得国や中所得国など）では、予防策として亜鉛サプリメントの摂取が推奨されています。[172]硫酸亜鉛は一般的に使用されている亜鉛の形態ですが、クエン酸亜鉛、グルコン酸亜鉛、ピコリン酸亜鉛も有効な選択肢となる可能性があります。これらの形態は酸化亜鉛よりも吸収性が高いです。[173]
胃腸炎
亜鉛は、発展途上国の子供の下痢治療に安価で効果的な手段です。下痢の際には体内の亜鉛が枯渇するため、10～14日間の治療で亜鉛を補給すると、下痢の期間と重症度を軽減でき、また、3か月間ほど将来の下痢を予防できる可能性があります。[174]亜鉛の摂取により、 胃腸炎は大幅に軽減されますが、これはおそらく、胃腸管内のイオンの直接的な抗菌作用、または亜鉛の吸収と免疫細胞からの再放出（すべての顆粒球は亜鉛を分泌します）、あるいはその両方によるものと考えられます。[175] [176]
風邪
亜鉛サプリメント（酢酸亜鉛またはグルコン酸 亜鉛のトローチ）は、風邪の治療によく使用される栄養補助食品のグループです。[177]亜鉛は風邪を予防しませんが、風邪の期間を短縮する可能性があり、症状の重症度への影響は最小限またはまったくないことが証拠から示唆されています。[178] [179]経口亜鉛サプリメントの副作用には、不快な味や吐き気などがあります。[177]亜鉛を含む鼻スプレーの鼻腔内使用は、嗅覚の喪失に関連しています。[177]そのため、2009年6月、米国食品医薬品局（USFDA）は消費者に鼻腔内亜鉛の使用を中止するよう警告しました。[177]
ヒトライノウイルスはヒトに 最も多く存在するウイルス病原体であり、風邪の主な原因となっている。[180]亜鉛が風邪の症状の重症度や持続期間を軽減する作用機序として仮説されているのは、鼻の炎症を抑制し、鼻粘膜におけるライノウイルス受容体の結合とライノウイルスの複製を直接阻害することである。[177]体重増加
亜鉛欠乏症は食欲不振につながる可能性がある。[181]拒食症の治療における亜鉛の使用は、1979年以来提唱されている。少なくとも15の臨床試験で、亜鉛が拒食症の体重増加を改善することが示された。1994年の試験では、亜鉛が神経性食欲不振症の治療において体重増加率を2倍にすることが示された。チロシン、トリプトファン、チアミンなどの他の栄養素の欠乏は、この「栄養失調誘発性栄養失調」現象に寄与する可能性がある。[182] 多くの国における亜鉛補給と子供の成長への影響に関する33の前向き介入試験のメタ分析では、亜鉛補給のみが直線成長と体重増加に統計的に有意な影響を及ぼし、存在していた可能性のある他の欠乏症が成長遅延の原因ではないことが示された。[183]
他の
亜鉛サプリメントを摂取すると、加齢性黄斑変性の進行を遅らせることができる。[184]亜鉛サプリメントは、亜鉛の吸収に影響を与える遺伝性疾患で、以前は罹患した乳児にとって致命的であった腸性肢端皮膚炎の効果的な治療法である。 [74]亜鉛欠乏症は大うつ病性障害（MDD）と関連しており、亜鉛サプリメントは効果的な治療薬となる可能性がある。[185]亜鉛は睡眠の質を高める可能性がある。[10]
局所使用
亜鉛の局所用製剤には、皮膚に使用されるものがあり、多くの場合、酸化亜鉛の形で使用されます。酸化亜鉛は、FDAによって一般的に安全で効果的であると認められており[186]、非常に光安定性が高いと考えられています。[187]酸化亜鉛は、日焼けを軽減するために日焼け止めに配合される最も一般的な有効成分の1つです。 [ 74]おむつを交換するたびに赤ちゃんのおむつ部分（会陰）に薄く塗布すると、おむつかぶれを防ぐことができます。[74]
キレート化亜鉛は口臭予防のために歯磨き粉やマウスウォッシュに使用され、クエン酸亜鉛は歯石の蓄積を減らすのに役立ちます。[188] [189]
亜鉛ピリチオンはフケを防ぐためシャンプーに広く含まれています。[190]
局所亜鉛は性器ヘルペスの治療に効果的であり、寛解期間を延長させることも示されている。[191]
生物学的役割
亜鉛は、ヒトにとって必須の微量元素です。[8] [9] [10]他の動物にとっても、[11]植物にとっても[12]微生物にとっても必須です。[13]亜鉛は、300 種類以上の酵素と 1000 種類以上の転写因子の機能に必要であり、[10]メタロチオネインに蓄えられ、輸送されます。[192] [193]亜鉛は、鉄に次いでヒトの体内で 2 番目に豊富な微量金属であり、すべての酵素クラスに存在する唯一の金属です。[12] [10]
タンパク質では、亜鉛イオンはアスパラギン酸、グルタミン酸、システイン、ヒスチジンなどのアミノ酸側鎖に配位していることが多い。タンパク質（および他の遷移金属）におけるこの亜鉛結合の理論的および計算的記述は困難である。[194]
人体にはおよそ2～4 グラムの亜鉛[195]が分布しています。亜鉛のほとんどは脳、筋肉、骨、腎臓、肝臓に存在し、最も高濃度なのは前立腺と眼の一部です。 [196] 精液には特に亜鉛が豊富に含まれており、前立腺の機能と生殖器官の成長に重要な因子です。[197]
体内の亜鉛の恒常性は主に腸によって制御されています。ここでは、ZIP4、特にTRPM7が、出生後の生存に不可欠な腸の亜鉛の取り込みに関連していました。[198] [199]
ヒトにおいて、亜鉛の生物学的役割は遍在している。[14] [9]亜鉛は「広範囲の有機リガンド」と相互作用し、[14] RNAとDNAの代謝、シグナル伝達、遺伝子発現に役割を果たしている。また、アポトーシスも制御している。2015年のレビューによると、ヒトタンパク質の約10％（約3000）が亜鉛に結合し、[200]亜鉛を輸送するタンパク質は数百種類あることが示された。同様のシロイヌナズナの研究では、2367個の亜鉛関連タンパク質が見つかった。[12]
脳では、亜鉛はグルタミン酸作動性ニューロンによって特定のシナプス小胞に蓄えられ、ニューロンの興奮性を調節することができる。[9] [10] [201]亜鉛はシナプス可塑性、ひいては学習において重要な役割を果たしている。 [9] [202]亜鉛の恒常性は中枢神経系の機能調節においても重要な役割を果たしている。[9] [201] [10]中枢神経系における亜鉛恒常性の調節不全によってシナプス亜鉛濃度が過剰になると、ミトコンドリアの酸化ストレス（例えば、複合体 I、複合体 III、α-ケトグルタル酸脱水素酵素などの電子伝達系に関与する特定の酵素を破壊することによる）、カルシウム恒常性の調節不全、グルタミン酸作動性ニューロンの興奮毒性、およびニューロン内シグナル伝達の妨害を介して神経毒性を誘発すると考えられている。[9] [203] L-ヒスチジンとD-ヒスチジンは脳の亜鉛の取り込みを促進する。[204] SLC30A3は脳の亜鉛恒常性維持に関与する主要な亜鉛トランスポーターである。[9]
酵素
亜鉛は効率的なルイス酸であり、水酸化反応やその他の酵素反応において有用な触媒となる。 [205]この金属はまた、柔軟な配位構造を有しており、これを利用するタンパク質は、生物学的反応を行うために急速に構造を変化させることができる。[206]亜鉛含有酵素の2つの例は、炭酸脱水酵素とカルボキシペプチダーゼであり、これらは二酸化炭素（CO
2）の調節とタンパク質の消化に関与している。[207]
脊椎動物の血液では、炭酸脱水酵素がCO
2重炭酸塩に変換され、同じ酵素が重炭酸塩を再びCOに変換する
2肺から呼気するために必要である。[208]この酵素がなければ、この変換は正常な血液pH 7で約100万倍遅くなるか[209]、pH 10以上が必要になる。[210]関連のないβ-炭酸脱水酵素は、植物の葉の形成、インドール酢酸（オーキシン）の合成、アルコール発酵に必要である。[211]
カルボキシペプチダーゼはタンパク質の消化中にペプチド結合を切断する。末端ペプチドと亜鉛に結合したC=O基との間に配位共有結合が形成され、炭素に正電荷を与える。これにより、亜鉛の近くに酵素上に疎水性ポケットが形成され、消化されるタンパク質の非極性部分が引き寄せられる。[207]
シグナリング
亜鉛はシグナル伝達経路を活性化するメッセンジャーとして認識されています。これらの経路の多くは異常な癌の成長の原動力となります。それらはZIPトランスポーターを介して標的とすることができます。[212]
その他のタンパク質
亜鉛は、亜鉛フィンガー、ツイスト、クラスターにおいて純粋に構造的な役割を果たしている。 [213]亜鉛フィンガーは、 DNAの複製と転写中にDNA塩基配列を認識するタンパク質である転写因子の一部を形成している。9つまたは10個のZn2歳以上
亜鉛フィンガーのイオンは転写因子の4つのアミノ酸に協調的に結合することでフィンガーの構造を維持するのに役立ちます。 [209]
血漿中では、亜鉛はアルブミン（60%、低親和性）とトランスフェリン（10%）に結合し、輸送される。 [195]トランスフェリンは鉄も輸送するため、鉄が多すぎると亜鉛の吸収が低下し、逆もまた同様である。銅にも同様の拮抗作用がある。[214]血漿中の亜鉛濃度は、亜鉛摂取量に関係なく、比較的一定に保たれる。[205]唾液腺、前立腺、免疫系、腸の細胞は、亜鉛シグナル伝達を利用して他の細胞と通信する。[215]
亜鉛は微生物内のメタロチオネイン貯蔵庫や動物の腸や肝臓に蓄えられている可能性がある。 [216]腸細胞内のメタロチオネインは亜鉛の吸収を15～40%調節することができる。[217]しかし、亜鉛の摂取量が不十分または過剰になると有害となる可能性がある。メタロチオネインは銅と銅の両方を吸収するため、亜鉛の過剰摂取は特に銅の吸収を阻害する。[218]
ヒトドーパミントランスポーターは、亜鉛と結合するとドーパミンの再取り込みを阻害し、試験管内でのアンフェタミン誘発性ドーパミン流出を増幅する高親和性細胞外亜鉛結合部位を含む。[219] [220] [221]ヒトセロトニントランスポーターおよびノルエピネフリントランスポーターには亜鉛結合部位が含まれない。[221] S100やNCS-1などの一部のEFハンドカルシウム結合タンパク質も亜鉛イオンと結合することができる。[222]
栄養
食事に関する推奨事項
米国医学研究所(IOM) は、2001 年に亜鉛の推定平均必要量 (EAR) と推奨食事摂取量 (RDA) を更新しました。14 歳以上の女性と男性の亜鉛の現在の EAR は、それぞれ 6.8 mg/日と 9.4 mg/日です。RDA は 8 mg/日と 11 mg/日です。RDA は EAR よりも高く設定されているため、平均よりも必要量が多い人にも対応できる量となっています。妊娠中の RDA は 11 mg/日です。授乳中の RDA は 12 mg/日です。生後 12 か月までの乳児の RDA は 3 mg/日です。1～13 歳の小児の RDA は、年齢とともに 3 mg/日から 8 mg/日まで増加します。安全性に関しては、IOM は十分な根拠がある場合にビタミンとミネラルの許容上限摂取量(UL) を設定しています。亜鉛の場合、成人の UL は、食品とサプリメントを合わせた量で 40 mg/日です (小児の場合はそれより低くなります)。 EAR、RDA、AI、ULは総称して食事摂取基準（DRI）と呼ばれます。[205]
欧州食品安全機関（ EFSA ）は、これらの情報を食事摂取基準値と呼んでおり、RDAの代わりに人口摂取基準（PRI）、EARの代わりに平均必要量としている。AIとULは米国と同じ定義である。18歳以上の人の場合、EFSAは食事中のフィチン酸含有量が増えるにつれてより高い値を設定しているため、PRIの計算は複雑である。女性の場合、フィチン酸摂取量が300 mg/日から1200 mg/日に増加すると、PRIは7.5 mg/日から12.7 mg/日に増加し、男性の場合は9.4 mg/日から16.3 mg/日の範囲である。これらのPRIは米国のRDAよりも高い。[223] EFSAは同じ安全性の問題を検討し、ULを25 mg/日に設定したが、これは米国の値よりもはるかに低い。[224]
米国の食品および栄養補助食品の表示目的では、1食分あたりの量は1日の摂取量のパーセント（％DV）として表されます。亜鉛の表示目的では、1日の摂取量の100％は15 mgでしたが、2016年5月27日に11 mgに改訂されました。[225] [226]成人の新旧1日摂取量の表は、Reference Daily Intakeに掲載されています。
食事摂取量
肉、魚、貝類、鶏肉、卵、乳製品などの動物性食品には亜鉛が含まれています。植物中の亜鉛濃度は土壌中の濃度によって異なります。土壌に十分な亜鉛が含まれている場合、最も亜鉛を多く含む食用植物は小麦（胚芽とふすま）とゴマ、ケシ、アルファルファ、セロリ、マスタードなどの種子です。[227]亜鉛は豆、ナッツ、アーモンド、全粒穀物、カボチャの種、ヒマワリの種、ブラックカラントにも含まれています。[228]
その他の供給源としては、強化食品や様々な形態の栄養補助食品がある。1998年のレビューでは、米国で最も一般的なサプリメントの1つである酸化亜鉛と炭酸亜鉛は、ほぼ不溶性で体内で吸収されにくいと結論付けられた。[229]このレビューでは、酸化亜鉛と炭酸亜鉛を摂取した被験者の血漿亜鉛濃度は、酢酸亜鉛と硫酸亜鉛塩を摂取した被験者よりも低かったという研究が引用されている。[229]しかし、強化に関しては、2003年のレビューでは、より高価な形態と同じくらい簡単に吸収される安価で安定した供給源としてシリアル（酸化亜鉛を含む）が推奨されている。[230] 2005年の研究では、酸化物や硫酸塩を含むさまざまな亜鉛化合物をトウモロコシのトルティーヤに強化剤として添加した場合、吸収に統計的に有意な差は見られなかった。[231]
欠乏
発展途上国では約20億人が亜鉛欠乏症に陥っています。危険にさらされているグループには、発展途上国の子供や慢性疾患を患う高齢者が含まれます。[16]子供の場合、亜鉛欠乏症は感染症や下痢の増加を引き起こし、世界中で年間約80万人の子供の死亡の一因となっています。[14]世界保健機関は、重度の栄養失調や下痢に対する亜鉛補給を推奨しています。[232]亜鉛サプリメントは、特に低出生体重または発育不全の子供の病気予防と死亡率の低減に役立ちます。[232]しかし、発展途上国では多くの人が複数の欠乏症を抱えており、亜鉛は他の微量栄養素と相互作用するため、亜鉛サプリメントを単独で投与すべきではありません。[233]亜鉛欠乏症は通常、食事からの摂取不足が原因です。しかし、吸収不良、腸性皮膚炎、慢性肝疾患、慢性腎疾患、鎌状赤血球症、糖尿病、悪性腫瘍、その他の慢性疾患と関連している可能性があります。[16]
米国では、食品消費に関する連邦政府の調査で、19歳以上の女性と男性の平均消費量はそれぞれ9.7 mg/日と14.2 mg/日であることが判明した。女性では17%がEARを下回る摂取量で、男性では11%であった。EARを下回る割合は年齢とともに増加した。[234]調査の最新版（NHANES 2013–2014）では、平均値が9.3 mg/日と13.2 mg/日とさらに低く、やはり摂取量は年齢とともに減少していると報告されている。[235]
軽度の亜鉛欠乏症の症状は多様です。[205]臨床結果には、成長抑制、下痢、インポテンツ、性成熟の遅れ、脱毛症、眼および皮膚の病変、食欲不振、認知機能の変化、免疫機能の低下、炭水化物利用の障害、生殖奇形形成などがあります。[205]亜鉛欠乏は免疫力を低下させますが、[236]亜鉛過剰も同様に免疫力を低下させます。[195]
いくつかの懸念があるにもかかわらず、[237]西洋のベジタリアンやビーガンは、肉食者よりも明白な亜鉛欠乏症に悩まされていません。[238]亜鉛の主な植物源には、調理された乾燥豆、海藻、強化シリアル、大豆食品、ナッツ、エンドウ豆、種子などがあります。[237]しかし、多くの全粒穀物や繊維に含まれるフィチン酸は亜鉛の吸収を妨げる可能性があり、亜鉛の摂取量がわずかでも及ぼす影響は十分に理解されていません。種子やシリアルふすまに含まれる亜鉛キレート剤の フィチン酸は、亜鉛の吸収不良に寄与する可能性があります。[16]一部の証拠によると、ベジタリアンなど、食事にフィチン酸を多く含む人は、米国のRDA（成人女性で8 mg /日、成人男性で11 mg /日）よりも多くの亜鉛が必要になる可能性があります。[237]欧州食品安全機関（EFSA）のガイドラインは、食事中のフィチン酸摂取量が多い場合は亜鉛の摂取量を増やすことを推奨することで、これを補おうとしています。[223]これらの考慮事項は、適切な亜鉛バイオマーカーの不足とバランスを取る必要があり、最も広く使用されている指標である血漿亜鉛は感度と特異性が低い。[239]
土壌修復
カルナ、エリカ、スノキ属の植物は、エリコイド菌根菌の働きによって毒性イオンの転流が妨げられるため、亜鉛金属を含んだ土壌でも生育できる。[240]
農業
亜鉛欠乏症は、作物における最も一般的な微量栄養素欠乏症のようで、特に高 pH 土壌でよく見られます。[241]亜鉛欠乏土壌は、トルコとインドの約半分、中国の 3 分の 1、および西オーストラリアの大部分の耕作地で栽培されています。これらの地域では、亜鉛施肥に対する大きな反応が報告されています。 [12]亜鉛欠乏の土壌で育つ植物は、病気にかかりやすくなります。亜鉛は主に岩石の風化によって土壌に追加されますが、人間は化石燃料の燃焼、鉱山廃棄物、リン酸肥料、殺虫剤 (リン化亜鉛)、石灰岩、肥料、下水汚泥、亜鉛メッキ表面の粒子を通じて亜鉛を追加しています。亜鉛の過剰は植物に有毒ですが、亜鉛の毒性はそれほど広範囲ではありません。[12]
予防
毒性
亜鉛は健康に不可欠なものですが、過剰に摂取すると有害となることがあります。亜鉛の過剰吸収は銅と鉄の吸収を抑制します。[218]溶液中の遊離亜鉛イオンは植物、無脊椎動物、さらには脊椎魚類に対しても非常に有毒です。[242]自由イオン活性モデルは文献で確立されており、わずかマイクロモル量の遊離イオンでも一部の生物を死滅させることが示されています。最近の例では、6マイクロモルで水中のミジンコの93%が死滅しました。 [243]
遊離亜鉛イオンは強力なルイス酸で、腐食性がある。胃酸には塩酸が含まれており、金属亜鉛は容易に溶解して腐食性の塩化亜鉛となる。1982年以降のアメリカの1セント硬貨（亜鉛97.5%）を飲み込むと、酸性の胃の中で亜鉛イオンが溶解しやすいため、胃の内壁に損傷を与える可能性がある。[244]
証拠によると、毎日100～300 mgの亜鉛を摂取している人は、銅欠乏症を誘発する可能性がある。2007年の試験では、毎日80 mgを摂取している高齢男性は、プラセボを摂取している人よりも尿路合併症で入院する頻度が高いことが観察された。[245] 100～ 300 mgのレベルは、銅と鉄の使用を妨げたり、コレステロールに悪影響を与えたりする可能性がある。[218]土壌中の亜鉛が500 ppmを超えると、鉄やマンガンなどの他の必須金属の植物による吸収が妨げられる。[117]亜鉛めっきされた材料をろう付けまたは溶接しているときに亜鉛の煙を吸入すると、亜鉛震えまたは「亜鉛寒気」と呼ばれる症状が誘発される可能性がある。 [149]亜鉛は義歯クリームの一般的な成分で、1グラムあたり17～38 mgの亜鉛が含まれている可能性がある。これらの製品の過剰摂取による障害や死亡が報告されている。[246]
米国食品医薬品局（FDA）は、亜鉛が鼻の神経受容体を損傷し、嗅覚障害を引き起こすと述べている。1930年代にポリオ感染を予防する試みで亜鉛製剤が使用されたが失敗した際にも、嗅覚障害の報告が見られた。[247] 2009年6月16日、FDAは亜鉛ベースの鼻腔内風邪薬を店頭から撤去するよう命じた。FDAは、嗅覚障害のある人はガスや煙の漏れを感知できず、食べる前に食べ物が腐っているかどうかも判断できないため、嗅覚の喪失は命に関わる可能性があると述べた。[248]
最近の研究では、局所抗菌性亜鉛ピリチオンは強力な熱ショック反応誘発剤であり、培養されたヒトケラチノサイトとメラノサイトでPARP依存性エネルギー危機を誘発し、ゲノムの完全性を損なう可能性があることが示唆されている。[249]
中毒
1982年、米国造幣局は銅でコーティングされているが主に亜鉛を含むペニー硬貨の鋳造を開始した。亜鉛ペニー硬貨は、致命的となる可能性のある亜鉛中毒症のリスクがある。425枚のペニー硬貨（1kgを超える亜鉛）を慢性的に摂取したある症例では、胃腸の細菌性および真菌性敗血症により死亡したと報告されている。12グラムの亜鉛を摂取した別の患者は、無気力と運動失調（筋肉運動の著しい協調性の欠如）を示しただけだった。[250]亜鉛硬貨を摂取して亜鉛中毒にかかった人間の症例は他にもいくつか報告されている。[251] [252]
ペニー硬貨やその他の小銭は犬が飲み込むことがあり、獣医による異物除去が必要となる。一部の硬貨に含まれる亜鉛は亜鉛中毒を引き起こす可能性があり、犬の場合、重度の溶血性貧血や肝臓や腎臓の損傷により致命的となることが多い。嘔吐や下痢などの症状が現れることもある。[253]亜鉛はオウムにとって非常に有毒であり、中毒はしばしば致命的となる。[254]亜鉛メッキ缶に保存されたフルーツジュースの摂取により、大量のオウムが亜鉛中毒になったことがある。[74]
参照
注記
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外部リンク
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- 米国国立衛生研究所による亜鉛ファクトシート
- 亜鉛の歴史と語源
- 米国地質調査所の統計と情報
- 還元剤 > 亜鉛
- アメリカ亜鉛協会 亜鉛の用途と特性に関する情報。
- ISZB 国際亜鉛生物学会は 2008 年に設立されました。亜鉛の生物学的作用を研究する科学者を集めた国際的な非営利団体です。
- Zinc-UK 亜鉛を研究する英国の科学者を集めるために 2010 年に設立されました。
- ビデオの周期表における亜鉛（ノッティンガム大学）
- ZincBind – 生物学的亜鉛結合部位のデータベース。