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亜鉛

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2024/04/17 14:07 UTC 版)

名称

鉛製造工業の副産物として得られていた亜鉛の表面は平滑ではなく、櫛の歯 (Zinken) のような筋状になっていたので、Zinkと呼ばれるようになった^[1]。

日本では真鍮を意味する鍮石という言葉は天平年間から記録があり、文禄年間には真鍮という名称に変化している。その当時すなわち16世紀終わり頃、亜鉛は中国名で倭鉛と呼ばれ、ポルトガルではツタンナガ (Tutanaga) といったが、これを日本ではトタン（吐丹）と呼んだ^[2]。

亜鉛という言葉は1713年（正徳3年）に『和漢三才図会』に記録されたのが最初であるとされる^[2]。

性質

物理的性質

亜鉛は光沢を有し、反磁性を示す青味を帯びた銀白色の金属である^[3]。融点は419.5 °C、沸点は907 °Cと金属としては比較的低い^[4]。比重は鉄よりも小さく7.14^[5]。常温では脆いが、約100 〜150 °Cの範囲のみで展性、延性に富むようになる^[3]^[6]。210 °Cを超えると、再び脆性を示すようになる^[7]。亜鉛は良好な電気伝導体である^[3]。

単体金属の格子定数はa = 265.9 pm、c = 493.7 pm (25 °C) で、理想的な六方最密充填構造よりもやや c 軸方向に伸びている。c 軸方向の熱膨張率は a 軸方向の約3.5倍と異方性が強く現れ、線膨張率は a 軸方向（c 軸と垂直）は1.50×10⁻⁵ K⁻¹、c 軸方向では5.30×10⁻⁵ K⁻¹である^[8]。亜鉛を曲げると双晶変化によるスズ鳴きが起こる^[9]。

亜鉛を含む合金は多く、銅との合金である真鍮がよく知られている。その他の亜鉛と二元合金を形成する金属としては、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、ナトリウムが知られている^[10]。亜鉛とジルコニウムは共に強磁性ではないが、その合金ZrZn₂は35 K以下の温度で強磁性を示す^[3]。

化学的性質

亜鉛は周期表の第12族元素に属し、[Ar]3d¹⁰4s²の電子配置を取る。単体亜鉛は中程度の反応性を持つ金属であり、強還元剤として働く^[11]。純粋な金属の表面は湿った空気中で錆びて変色（英語版）しやすく、最終的には空気中の二酸化炭素との反応によって塩基性炭酸亜鉛からなる灰白色の不動態皮膜が形成される^[12]。

亜鉛は空気中で燃焼して明るい青緑色の炎色を発しながら酸化亜鉛のフュームとなる^[13]。

{\ce {2 Zn + O2 -> 2ZnO}}

亜鉛は酸および塩基と容易に反応し^[14]、極めて純度の高い亜鉛では室温において酸とのみ徐々に反応する^[13]。塩酸や硫酸のような強酸は不動態皮膜を除去することができるため、不動態が除去された金属表面と継続的に反応して水素を発生させる^[13]。希硝酸に溶解させた場合は濃度により、亜酸化窒素、窒素、ヒドロキシルアミンあるいはアンモニウムイオンを生成する^[15]。

{\ce {Zn + 2 H^+(aq) -> Zn^{2+}(aq) + H2}}

{\ce {Zn + 2OH^{-}(aq) + 2H2O ->w [Zn(OH)4]^{2-}(aq) + H2}}

{\ce {4 Zn + 10 H^+(aq) + NO3^-(aq) -> 4Zn^{2+}(aq) + NH4^+(aq) + 3H2O}}

亜鉛の化学は2価の酸化状態が支配的である。2価の酸化状態にあるとき、亜鉛の電子殻は最外殻の4s軌道の電子が失われた状態となり[Ar]3d¹⁰の電子配置となる^[16]。水溶液中においては主に6配位錯体の[Zn(H₂O)₆]²⁺の形をとる^[17]。亜鉛と塩化亜鉛の混合物を285度以上で揮発させることで、+1価の酸化状態の亜鉛化合物であるZn₂Cl₂が形成される^[13]。+1価および+2価以外の酸化状態を取る亜鉛化合物の存在は知られておらず^[18]、計算化学による解析からは4価の亜鉛化合物は存在し得ないだろうことが示されている^[19]。

亜鉛の化学的性質は錯形成能などの面においては銅やニッケルのような第4周期後半の遷移金属元素に類似しているが、d軌道が満たされている電子配置に起因してその化合物は反磁性を示し、またその多くは無色である^[20]。亜鉛とマグネシウムのイオン半径はほぼ同じであるため、同種の陰イオンと形成する塩同士では同じ結晶構造を取り^[21]、その他のイオン半径に支配される性質においても多くの場合はマグネシウムのそれと同等である^[13]。亜鉛は共有結合性の強い結合を形成し、また窒素や硫黄をドナー原子としてより安定な錯体を形成する傾向がある^[20]。亜鉛の錯体は主に4配位もしくは6配位を取るが、5配位の錯体も知られている^[13]。

ハロゲンとは室温において乾燥状態では反応しにくいが、水分の存在下で室温でも激しく反応し、硫黄とは高温で硫化物をつくる。一方、水素、炭素および窒素とは高温でも直接は反応しない。

天然における存在

亜鉛の地殻中の存在比はおよそ75から80 ppm^[22]と推定されており、その存在比は全元素中24番目である。土壌濃度は5-770 ppm、平均で65 ppmである。海水中にはわずかに30 ppb、大気中には0.1-4 μg/m³が含まれる^[23]。

亜鉛は通常、銅や鉛などの鉱石中でベースメタルに伴って産出する。亜鉛は親銅元素であり、酸化物よりもむしろ硫化物を形成しやすい性質を有している。このような親銅元素鉱石は、初期の地球大気の還元雰囲気下でマグマオーシャンが凝固し地殻となった際に形成されたものと考えられている^[24]。硫化亜鉛からなる閃亜鉛鉱は60-62 %と高濃度に亜鉛を含むため、最も多く採掘されている亜鉛鉱物である^[25]。他の亜鉛源となる鉱物としては菱亜鉛鉱、異極鉱、ウルツ鉱、水亜鉛土（英語版）などがある。これらの鉱物はウルツ鉱を除き全て、元の硫化亜鉛鉱物の風化によって二次的に形成された鉱物である^[24]。

全世界の亜鉛の資源量はおよそ19-28億トンと見られている^[26]^[27]。大規模な鉱床はオーストラリア、カナダおよびアメリカにあり、埋蔵量が最も多いのはイランである^[24]^[28]^[29]。亜鉛の可採埋蔵量は、アメリカ地質調査所による2015年における推定において亜鉛純分としておよそ2億3000万トンと見積もられている^[30]。有史以来2002年までの間におよそ3億4600万トンの亜鉛が採掘され、うち1億900万トンから3億500万トンの亜鉛が今も使用されていると学者によって推定されている^[31]^[32]^[33]。

亜鉛の沸点が同族のカドミウム、水銀と同様に低いため、酸化亜鉛を木炭などで還元して金属を得ようとしても昇華してしまい煙突の先端で空気中の酸素と反応し酸化物に戻る。この場合、鉱石を還元して生成した蒸気を空気を遮断して冷却しなければ単体は得られない。

出典

注釈

^ 酸化亜鉛の生成熱は-348kJ/mol亜鉛の原子量は65なので、亜鉛の発熱量は348÷65=5.36kJ/g=1.49kWh/kg=1490kWh/t

出典

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