鋅
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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、阿拉伯聯合酋長國、卡爾梅克、土庫曼斯坦及格魯吉亞,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[2] [3] [4]。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[5]。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[6]。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[7]。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[8]。發展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[9]。若孩童缺乏鋅,將導致生長遲緩、性晚熟、免疫力下降及腹瀉[8]。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[10]。
性質
[編輯]物理性質
[編輯]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[11]。其密度比鐵略小,呈六邊形晶體結構[12]。
在常溫下鋅是硬而易碎的,但在100至150°C下會變得有韌性[11]。當溫度超過210℃時,鋅又重新變脆,可以用敲打來粉碎它。[13]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[14]。它的熔點是所有過渡金屬中第三低的,僅次於鎘和汞[14]。
化學性質
[編輯]與非金屬反應
[編輯]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
[編輯]鋅與水蒸氣反應生成氧化鋅:
- Zn + H2O(g)→ ZnO + H2
兩性金屬
[編輯]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。
- Zn+2NaOH+2H2O→ Na2[Zn(OH)4]+H2↑
化合物
[編輯]在鋅化合物中,鋅最常見的化合價是+2。
鋅(II)
[編輯]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)在光電方面有着引人注目的特性。
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
[編輯]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。[15]
用途
[編輯]鋅合金
[編輯]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。[16]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
[編輯]- 熔點低,在385℃熔化;
- 流動性好;
- 在大氣中耐腐蝕;
- 蠕變強度低,尺寸容易在自然時效下發生變化
- 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
[編輯]人體含量和分布
[編輯]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[17]。
建議攝取量與食物來源
[編輯]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。[18]
年齡性別 | 美國(mg/day)[19] | 臺灣(mg/day)[20] |
0-6個月 | 2 | 5 |
7-12個月 | 3 | 5 |
1-3歲 | 3 | 10 |
4-8歲 | 5 | 10 |
9-13歲 | 8 | 10 |
14-18歲 | 男11女9 | 男15女12 |
19-50歲 | 男11女8 | 男15女12 |
51歲以上 | 男11女8 | 男15女12 |
孕婦14-18歲 | 12 | 15 |
孕婦19-50歲 | 11 | 15 |
乳婦14-18歲 | 13 | 15 |
乳婦19-50歲 | 12 | 15 |
生理功能
[編輯]- 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。
- 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。
- 運用在保養品:為控油類型的典型的成份。
- 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。
- 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。
- 維持味覺功能與促進食慾。
- 促進胰島素分泌。
- 增強記憶力。
吸收與排泄
[編輯]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
[編輯]hZTL1/ZnT5的結構、活性
[編輯]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
[編輯]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
[編輯]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
[編輯]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
[編輯]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
[編輯]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[21]、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
[編輯]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
[編輯]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
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更年期常見男性荷爾蒙減少……醫師建議,可多吃含鋅食物……補腎可多吃些山藥、南瓜等。
延伸閱讀
[編輯]- 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
[編輯]- 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)
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