第30號元素

**鋅**（拼音：xīn，注音：ㄒ丨ㄣ ；英語：Zinc)，是一種化學元素，化學符號為 **Zn**，原子序數為 30，原子量為 65.38 u，屬於過渡金屬；鋅由於形、色類似鉛，故也稱為**亞鉛**，古稱倭鉛。鋅在常溫下為硬脆物質，且帶有藍銀色光澤。鋅為元素週期表第十二族中的第一個元素。在某些方面，鋅的化學性質與鎂相似：兩者皆呈現單一氧化態 (+2)，且 Zn2+ 和 Mg2+ 離子大小相似。鋅為地殼中含量第二十四多的元素，有五個穩定的同位素。最常見的含鋅礦物為閃鋅礦，是鋅硫化物。最大可開採的礦脈位於澳洲、亞洲及美國。鋅礦物利用泡沫浮選法精煉，並經過焙燒和電解提煉。

黃銅為依各種比例混合的銅及鋅的合金，早在西元三千年前的愛琴海、伊拉克、阿拉伯聯合大公國、卡爾梅克共和國、土庫曼斯坦及喬治亞，和西元兩千年前的印度西部、烏茲別克斯坦、伊朗、敘利亞、伊拉克及以色列 / 巴勒斯坦就已經被人們利用.
。儘管人們在古代羅馬跟希臘時就知道鋅金屬，但直到十二世紀時才在印度被大規模生產。藉由拉賈斯坦邦的礦物我們獲得確切的證據，將鋅的生產回溯至西元前六世紀。迄今，最古老的純鋅來自拉賈斯坦邦的扎瓦爾，早在西元九世紀時便利用蒸餾法來生產純鋅了。煉金術士在空氣中燃燒鋅，用來產生氧化鋅，他們稱之為「白雪」。

此元素可能是由煉金術士帕拉塞爾蘇斯經德語：Zinke（叉、牙齒之意）所命名。純金屬鋅在 1746 年被德國化學家馬格拉夫發現。1800 年時，路易吉・伽伐尼和亞歷山德羅・伏打揭示了鋅的電化學性質。鋅最主要的應用為抗腐蝕的鐵鍍鋅（熱浸鍍鋅），在現代工業中對於碳鋅電池製造上有不可磨滅的地位，最具代表性之用途為「鍍鋅鐵板」，該技術被廣泛用於汽車、電力、電子及建築等各種產業中。其他應用在電池、小型非結構鑄件及合金像是黃銅等。人們在生活中普遍的使用各種鋅化合物，例如碳酸鋅和葡萄糖酸鋅（膳食補充劑）、氯化鋅（除臭劑）、吡硫鎓鋅（去屑洗髮精）、硫化鋅（螢光塗料），及有機實驗室的二甲基鋅或二乙基鋅。

鋅為必需礦物質，包含產前生長及產後發育。開發中國家約有二十億的人受到缺鋅症的影響，及其連帶的疾病。若孩童缺乏鋅，將導致生長遲緩、性晚熟、免疫力下降及腹瀉。在生物化學中，鋅為酶中廣泛存在的輔因子，例如人體的醇脫氫酶。

食用過量鋅可能造成共濟失調、精神萎靡和缺銅症。

## 性質

### 物理性質

鋅是一種青白色、光亮、具有反磁性的金屬，雖然一般用作商品的鋅都經過加工，這些特性已不再鮮明。其密度比鐵略小，呈六邊形晶體結構。

在常溫下鋅是硬而易碎的，但在 100 至 150°C 下會變得有韌性。當溫度超過 210℃時，鋅又重新變脆，可以用敲打來粉碎它。鋅的電導率居中。在所有金屬中，它的熔點（420℃）和沸點（900℃）相對較低。它的熔點是所有過渡金屬中第三低的，僅次於鎘和汞。

### 化學性質

#### 與非金屬反應

鋅加熱至 225℃後氧化激烈，燃燒時呈綠色火焰，與氧氣反應生成氧化鋅：

　
: 2 Zn + O2 → 2 ZnO

與鹵素反應生成鹵化鋅：

　
: Zn + X2 → ZnX2(X=F、Cl、Br、I)

與硫反應生成硫化鋅：

　
: Zn + S → ZnS

#### 與水反應

鋅與水蒸氣反應生成氧化鋅：

　
: Zn + H2O(g)→ ZnO + H2

#### 兩性金屬

與鋁類似，鋅也具有兩性。鋅能和強鹼溶液生成四羥基合鋅酸鹽及氫氣。

例如與氫氧化鈉反應生成四羥基合鋅酸鈉：

　
: Zn+2NaOH+2H2O→ Na2[Zn(OH)4]+H2↑

### 化合物

在鋅化合物中，鋅最常見的化合價是 + 2。

#### 鋅 (II)

鋅可以和所有陰離子形成化合物。如常見的 ZnSO4、ZnCl2、Zn(NO3)2 等，可溶性大的鋅化合物都有很強的潮解性，如氯化鋅、高氯酸鋅等。鋅的一些二元化合物（ZnSe、ZnTe 等）在光電方面有著引人注目的特性。

在鋅的化合物中，ZnO、Zn (OH)2 和 ZnCO3 是難溶於水的。

鋅 (II) 可以形成配合物，如 [Zn (NH3)4]2+、[Zn(OH)4]2-、[Zn(CN)4]2-等。

鋅 (II) 也有不少有機化合物，如二乙基鋅。

## 歷史

過去，鋅每磅（約 454 克）的價格約一美元，屬於價格較低廉的金屬。故美國政府用以鑄造 1 美分硬幣（1 cent），但隨著鋅的價格飛漲，反而出現造價超過錢幣面值的的現象。

1 美分硬幣含有 97.5% 的鋅，表面再鍍上銅。然因鋅的價格飆漲，一枚硬幣的造價已達至 1.79 美分，超過幣值許多，更因亞洲的經濟崛起，銅及鋅等需求大幅增加，價格持續上揚，情況嚴重至有人提議廢除 1 美分硬幣。

## 用途

### 鋅合金

加入其他元素組成的一種合金。根據加入的元素不同而分出不同的種類，可以形成不同種類的低溫鋅合金。許多合金都包含鋅元素，比如黃銅就是鋅和銅的合金。其它可與鋅組成二元合金的金屬包括鋁、銻、銀、錫、鎂、鈷、鎳、碲、鎘、鉛、鈦和鈉。雖然鋅和鋯均非鐵磁材料，它們的合金 ZrZn 
2 卻能在 35 K 時表現出鐵磁性。

#### 特性

1. 熔點低，在 385℃熔化；
2. 流動性好；
3. 在大氣中耐腐蝕；
4. 蠕變強度低，尺寸容易在自然時效下發生變化

#### 鋅合金類別

* 黃銅：機械性能和耐磨性能都很好；敲起來聲音獨特；
* 鋅鎘合金：流動性好、光面好，容易進行拋光、焊接等加工；
* 2 號鋅合金：機械性能最好；硬度要求達標；尺寸精度一般；
* 3 號鋅合金：流動性良好；機械性能良好；適合做玩具、燈具、裝飾品等；應用最為廣泛；
* 5 號合金：流動性良好；機械性能良好；適合做汽車配件、機電配件等；
* 8 號合金：良好的機械性；尺寸穩定性好；流動性較差；適合做元器件；
* Superloy：流動性最好；一般用作壓鑄薄壁；適合做電器元件以及盒體。

## 對人體的影響

### 人體含量和分布

人體含鋅的總量約佔體重的 0.003%，相當於成人體內約有 2 公克鋅。90% 的鋅都存在肌肉與骨骼中，其餘 10% 在血中扮演舉足輕重的角色。

### 建議攝取量與食物來源

含鋅豐富的食物包括蚵與紅蟳等海鮮、鵝肝與豬肝等內臟、牛腱等肉類、牛乳與乳酪等乳製品、洋菜、火麻仁、麥芽、南瓜籽、啤酒、栗子、蛋、芝麻、芥末、腰果、豆類等。在豆科植物和全穀類植物來源中發現的鋅吸收效率較低，因為其他植物化合物抑制吸收。

### 生理功能

1. 維持免疫功能：人體鋅不足會出現淋巴球數量低落、血中免疫球蛋白降低、自然殺手細胞功能減弱、皮膚免疫測試反應降低等狀況，臨床的結果就是肺炎、念珠球菌感染，甚至傷風感冒。
2. 生長與發育：促進生長、性器官的發育、傷口癒合、毛髮、指甲，以及口腔黏膜等多處位置的修補作用。
3. 運用在保養品：為控油類型的典型的成份。
4. 調節基因表現：許多蛋白質轉錄因子的分子中含有鋅指結構，負責與 DNA 結合，而改變基因的表現功能，是很重要的調控機制。
5. 酵素組成分：已知的含鋅酵素超過 300 多種，鋅位於催化中心，或穩定酶蛋白質的立體結構，失去鋅會使酵素失去活性。
6. 維持味覺功能與促進食慾。
7. 促進胰島素分泌。
8. 增強記憶力。

### 吸收與排泄

鋅的最佳吸收部位是十二指腸。基本排泄途徑是經消化道由糞便排出。腎臟具有調節功能，會將鋅離子進行再吸收。

### 鋅的吸收通道

#### hZTL1/ZnT5 的結構、活性

SLC30A5 可分成兩個部分，較低分子量的 hZTL1，以及重量較大的 ZnT5。(ZnT-like transporter 1)

hZTL1 在人體組織中較為含量較多，轉譯出的蛋白質有 523 個胺基酸，和老鼠的 ZnT1 有 34% 是相同的。
以拓樸學來預測其結構，在其序列上的 N 端到 C 端有十二個跨膜結構區。在 C 端的 myc 轉譯出的蛋白質可標定在極化的 Caco-2 (結腸上皮細胞) 上，會回到原先的皮膜表層。

利用 Xenopus laevis 的卵母細胞進行表現實驗時，hZTL1 會調節 Zn 的吸收，而 hZTL1 調控對 Zn 的吸收在 pH 5.5 不如 pH 7.6. 時來得好。

早期的資料顯示 DMT1 在 Zn 吸收中扮演重要的角色，可是這些資訊已在將 Caco-2 上的 DMT1 消去之後，卻不影響 Zn 吸收的實驗中得到充分的反例，Zn 不會跟 Fe 競爭 DMT1，並且其活性與細胞膜電位無關。

#### 人類小腸細胞中 ZTL1 的位置證實

在腸細胞 Zn 運輸蛋白的相似細胞中，可區分為屬於兩大類別，SLC30 跟 SLC39，其中有兩種蛋白質 hZTL1 (h;human) 和 hZIP4 在小腸細胞攝取 Zn 的過程中扮演相當重要的角色。在 ZTL1 發現前，並沒有人在哺乳類細胞中看到有 Zn 通道的表現。

ZnT1 透過免疫沉澱的方式在大鼠腸細胞邊側的細胞膜上發現，並在人類小腸細胞 Caso-2 中獲得證實。

ZIP1 一開始被認為是用來吸收小腸內 Zn 的 transporter，K562 cell 細胞膜定位的實驗推翻了這點，綠色螢光跟 FLAG 標定的 hZIP1 位在許多皮質細胞的內質網上，包括了 Caco-2，更近一步透過在 PC-3 前列腺細胞操作 hZIP1 抗體可以更精確的證明這件事。

#### 其他可能存在的 Zinc transporter

關於其他 Zn transporter, 有一種 ZNT1 蛋白質在腸道扮演很重要的角色，研究顯示，ZNT1 會攜帶從飲食中獲得的 Zn 離子在腸壁細胞吸收後攜帶進入肝門靜脈，但在 SLC30 蛋白質中沒有其他蛋白質被發現跟 ZNT1 一樣有完全相同的功能。

在人體的胰島 ß 細胞中，ZnT5 和一個富含胰島素的分泌細粒結合，Zn 對於將胰島素以晶體的方式儲存扮演重要的角色。

ZNT6,ZNT7 兩蛋白質雖然在腸道也能發現，但其兩在其他器官都有發現到他們的蹤跡，所以其功能和 ZNT1 並不相似。

在人體方面，hZIP1、hZIP2、hZIP4 都有攜帶 Zn 離子的功能，但這些蛋白質也被發現在子宮和攝護腺中，所以其功能並不是完全清楚，另外 ZIP6,ZIP8 兩蛋白質功能不明，還有在老鼠內質網中發現的 ZIP7 也是一樣。

#### 在胎盤中鋅的傳導

鋅在胎盤中的傳輸過程大致上和在腸中類似，由 SLC30 中的 ZnT1,2,5 來負責，至於 ZnT6,7 的功能則仍在實驗當中。 在免疫組織化學中，以人類和老鼠為實驗對象，hZTL1/ZnT5 被探測到在胎盤上層細胞中扮演著重要角色，負責傳送 Zn 給胎兒。而 ZnT1 則有著類似的功能，擁有負責傳輸營養物質給胎兒的功能，但作用機制仍未完全了解。在人體中， hZTP1 均在腸和胎盤中表現出來，但是沒有任何證據顯示 hZIP2 的表現。

此外，ZTP4 雖然都有在人類和老鼠的腸中被表現，但是基因卻沒有在人類的胎盤中被表現出來，反而老鼠的卵黃囊中會進行表現。後來才發現原來 hZIP4 對人體飲食中鋅在腸的吸收扮演著重要角色，hZTL1/ZnT5 在 Zn 的傳輸中，對胎兒的影響遠大於對成人的影響。

#### 在小腸和胎盤中鋅通道的調節

小腸中鋅的吸收調節被認為是維持體內鋅衡定很重要的部分，在一份大鼠的研究中已經論證當可吸收的鋅濃度增加，在小腸裡有一個位置會調節 ZnT1 的上游 mRNA，但在同一份研究中也顯示當可吸收的鋅濃度下降 ZnT1 的 mRNA 並不會受影響，而另一個鋅的傳送蛋白 ZnT2 在提供充足地鋅的情況下 ZnT2 mRNA 會加強表現，如果是缺乏鋅的情況下則會降低 ZnT2 mRNA 的表現。

老鼠的 ZIP4 mRNA 在缺乏鋅的時候會增加表現量。在人類腸道細胞 Caco-2 中，增加培養基裡的鋅濃度會引起鋅的傳送蛋白 hZTL1/ZnT5、ZnT1、ZnT4 和 hZIP1 mRNA 表現量的增加，同樣，在蛋白質的表現量上也是有增加的情形；但是在胎盤細胞中就有不同的表現，當增加鋅的濃度後，並沒有任何鋅的傳送蛋白 mRNA 有改變表現量，更甚至於發現 ZnT1 和 hZTL1/ZnT5 蛋白的表現量有減少的現象，但是現在對於 Zn 如何調節這些蛋白質並沒有完整地知識去描述它的機制。

### 鋅缺乏後果

鋅缺乏會導致免疫力低下、食慾不振、生長減緩、下痢、掉髮、夜盲、前列腺肥大、男性生殖功能減退、動脈硬化、貧血等問題。鋅缺乏導致腹瀉的過程包括：腸細胞絨毛結構破壞、含鋅消化酵素減少、發炎造成腸壁水腫、消化道免疫力變差。缺鋅與腹瀉容易形成惡性循環，腹瀉更減少鋅吸收，增加鋅的流失，造成雙重的缺鋅原因，常發生在老人、嬰幼兒、胰臟功能不全、腸病變或腸手術者的身上。

此外有腎臟病變者很容易有高尿鋅症與低血鋅症。糖尿病、肝病或慢性發炎性疾病，如風濕性關節炎患者，都會因腎病變導致體內鋅慢性缺乏，免疫力會變差，形成了一個惡性循環。

#### 支端皮膚炎

hZIP4 (SLC39A4) 是一在腸膜上端的二次基因表現產物，它被發現和遺傳的 Zn-deficiency disease acrodermatitis enteropathica (缺乏 Zn 的支端皮膚炎) 有關，此病和第八染色體有密切關係，會減低腸道吸收 Zn 的效率。

經過研究證實，突變的 hZIP4 蛋白質也會降低腸道吸收 Zn 的效率，最近有另外的實驗結果指出，在老鼠身上的 HEK293 蛋白質會增加腸道 Zn 的吸收效率.

### 鋅過量後果

大量鋅會引發噁心、嘔吐、發燒、血液中高密度脂蛋白減少，進而提高心血管疾病發生機率。

## 參考文獻

## 延伸閱讀

* 劉廣定：〈中國用鋅史研究：五代已知「倭鉛」說重考 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）〉。

## 外部連結

* 元素鋅在洛斯阿拉莫斯國家實驗室的介紹（英文）
* EnvironmentalChemistry.com —— 鋅（英文）
* 元素鋅在 _The Periodic Table of Videos_（諾丁漢大學）的介紹（英文）
* 元素鋅在 Peter van der Krogt elements site 的介紹（英文）
* WebElements.com – 鋅（英文）