锌(zinc)

元素周期表第4周期ⅡB族元素，元素符号Zn，为重有色金属。原子序数30，相对原子质量65.38。常温下为固体，呈银白色，新鲜断面有金属光泽。

锌中国是最早发现和使用锌的国家。从山东胶县三里河龙山文化地层中发掘出的黄铜锥，其年代为公元前2400～2000年，含锌23.2％。公元918年五代轩辕述《宝藏畅微论》称锌为“倭铅”。贵州省赫章妈姑地区于947年开始炼锌。广东曾发现印有“明万历十三年乙酉”(1585年)字样含锌98％的锌块。在1637年，宋应星在其所著《天工开物》中记述了火法炼锌技术、锌的产地及锌的物理化学性质。英国布里斯托尔(Bristol)于1938年开始生产锌。在1745年从广州驶抵瑞典哥德堡港沉没的货船上发现有含锌98.99％的锌锭。现代工业的平罐炼锌法始于1738年，19世纪平罐炼锌技术在法国、比利时得到较大发展。其他的炼锌法则始于20世纪。

性质   已知锌有15个同位素(包括同核异构体)。其中元素的相对原子质量数为64、66、67、68和70的五个同位素是稳定的。元素的相对原子质量数为64的同位素约占普通锌的一半。锌放射性同位素的半衰期在88秒(⁶¹Zn)到250天(⁶⁵Zn)之间。

锌原子的外电子层构型为[Ar]3d¹⁰4s²，在形成化合物时容易失去2个电子，+2价是锌离子常见的价态。锌是化学性质较活泼的金属，锌在778K的氧化气氛中燃烧发出蓝白色火焰。

锌在潮湿而含有CO²的室温空气中，表面会氧化成ZnCO₃•3Zn(OH)₂致密薄膜，此薄膜可阻止内层锌继续被氧化。在电化序中，锌在氢之前，因此，金属锌在酸性溶液中会起反应，生成Zn²⁺离子和放出氢气。锌易溶于稀硫酸和盐酸中，也溶于碱性溶液中。溶于NaOH溶液生成Na₂[Zn(OH)₄]，溶于氨水则生成[Zn(NH₃)₄](OH)₂。

锌是对动物危害性较小的元素之一，锌化合物一般都是低毒性的。事实上，锌是人体成长和发育所必须的一种元素。

锌的晶体结构为六方紧排构造，具有中等硬度(莫氏硬度2.5)，在室温下性脆，在373～423K下具有良好的延展性，在523K以上的温度下很脆，可加工成粉。锌是很好的导热体和导电体，它的电阻率(表1)几乎是最好的导体银的4倍；作为导热体，锌的热导率也只有银的1／4左右。

锌能与多种有色金属形成锌基合金或含锌合金，其中最主要的有锌与铜、锡、铅等组成的黄铜、锌与铝、镁铜组成的压铸合金等。

化合物   锌的化合物很多，主要的有硫化锌、氧化锌、硫酸锌和氯化锌等，它们的性质和用途列于表2。

用途锌被广泛应用于国民经济各部门，其中以镀锌工业用量最大。世界所产的锌几乎一半用于镀锌工业，其余依次是用于压铸合金、黄铜、轧制品等(表3)。压铸合金用于制造各种精密铸件，黄铜用于机械制造业，锌化合物用作化工、棉纺、农药、电池等原料(表2)。新型铸造锌合金的出现，为锌开辟了新的用途。

炼锌原料   锌的地壳丰度为76×10^–4％，海水含锌1×10^–6％。锌在自然界中多以硫化物形态存在，最常见和最重要的锌矿是闪锌矿，也有少量氧化矿，如菱锌矿、异极矿(表4)。加拿大是世界上锌矿产资源最丰富的国家，其储量接近世界储量的1／6。其他锌矿产资源丰富的国家有前苏联、美国、澳大利亚、秘鲁、墨西哥、中国等。炼锌工业原料中最主要的是锌的矿产资源，其次是二次资源。为保护环境和节约能源，锌二次资源在炼锌工业中的地位将会相应提高。

现代炼锌工业的矿物原料以硫化矿为主，氧化矿为辅。硫化矿中绝大部分为浮选硫化锌精矿，其次是含(Zn+Pb)为45％～60％、铅和锌均不低于10％的铅锌混合精矿(约占铅、锌精矿总量的4％～5％)，及少数高铅、高镁、高铁、高硅锌精矿和高锌铅精矿。浮选硫化锌精矿一般成分(质量分数ω／％)为：Zn 46～60，Fe<12，Pb<2，Cu<l，Cl<0.4，S 30，Ag<150g／t；还含有镉、铟、镓、铊、铼、汞、钙、镁、铝、硅、砷、锑等。氧化矿有氧化锌矿和氧化铅锌矿，其主要锌矿物为菱锌矿和异极矿。高品位氧化锌矿可配入硫化锌精矿一道熔炼，也可单独处理。低品位氧化锌矿先经火法富集获得符合锌熔炼要求的(铅)锌氧化物(烟尘)。炼锌原料的物理化学特性是选择冶炼工艺流程的重要依据之一。

提取冶金   现代的锌提取冶金方法分为火法炼锌和湿法炼锌两类。锌再生也属锌提取冶金范畴。常规的火法炼锌流程主要由锌炉料准备、锌熔炼和粗锌精馏三大过程组成。火法炼锌的主要原料是硫化锌精矿，在锌炉料准备过程中，通过氧化焙烧和造块，使硫化锌精矿中的硫化锌氧化成为后续工序能被碳质还原剂还原成金属锌的锌块矿。锌熔炼是用碳质还原剂将锌炉料中锌的氧化物还原成金属锌。锌熔炼产出的粗锌还含有一定数量的杂质，须经精炼才能产出作为商品出售的精锌。在粗锌精炼过程中，存在于粗锌中的铅、镉、铟等有价金属可得到综合回收。

常规的湿法炼锌流程主要由锌浸出、硫酸锌溶液净化、锌电解沉积三大过程组成。锌焙砂浸出是用稀硫酸浸出剂使锌焙砂中锌的氧化物转变成硫酸锌进入浸出液，制得硫酸锌溶液。锌浸出渣处理是用湿法或火法冶金方法综合回收锌浸出渣中的有价金属，特别是回收锌，以提高锌的回收率。硫酸锌溶液净化是除去硫酸锌溶液中的杂质，使之符合锌电解沉积的要求。锌电解沉积是经净化后的硫酸锌溶液通过电解产出金属锌。

由于20世纪60年代出现的黄钾铁矾法、针铁矿法和赤铁矿法，这些新的锌浸出渣处理方法使得旨在提高湿法炼锌直接回收率的高温高酸浸出工艺得以实现，而推动了湿法炼锌工业的发展。表5列出了用各种炼锌方法生产的锌量。

60年代到90年代是湿法炼锌工业发展最快的时期，国际上由1960年湿法炼锌生产锌量占总产锌量的45％猛增到1985年的74％(表5)。在火法炼锌中，鼓风炉炼锌因能处理铅锌混合矿等复杂物料，在1965年后获得了较大的发展；竖罐炼锌和电热法炼锌的地位在70年代后开始下降；平罐炼锌在80年代后几乎已被淘汰。影响各种炼锌方法兴衰的主要因素有能耗、环境保护、资源利用、劳动生产率等，其中以能耗和环境保护因素影响最大。70年代初，世界石油供应紧张是导致一些竖罐炼锌厂转变为湿法炼锌厂的重要原因之一。各炼锌方法的综合能耗如表6。

展望   随着世界经济的发展，特别是汽车和建筑业的发展，锌的消费将会继续增长，且发展中国家和新兴的工业化国家锌的消费增长率普遍高于大部分工业化国家。70年代锌冶炼厂的高利润率和能源供应紧张促使大量平罐和竖罐炼锌厂被生产能力得到扩大的湿法炼锌厂所取代，目前锌生产发展的推动力主要是通过挖掘现有锌冶炼厂的生产潜力来扩大产量，降低成本。锌生产仍以湿法炼锌为主，鼓风炉炼锌为辅，新工艺的研究和发展将侧重于资源利用与环境保护。如弄清锌电解沉积的阳极过程机理，以便采取措施降低电能消耗；开发无(少)渣害的湿法炼锌新工艺，以减轻或消除废渣堆存的二次污染；用流态化焙烧和热压团工艺逐步取代铅锌精矿的烧结焙烧工艺，以改善鼓风炉炼锌厂的工作环境；扩大二次资源，特别是利用电弧炉炼钢的含锌烟尘；开发喷射熔炼、硫化锌精矿直接熔炼产出氧化锌，以作为锌电解厂的原料等新工艺。