Zink
| Sicherheitshinweise | ||||||||||||
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Zink ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol Zn und der Ordnungszahl 30. Zink wird zu den Übergangsmetallen gezählt, nimmt aber darin eine Sonderstellung ein, da es wegen der abgeschlossenen d-Schale in seinen Eigenschaften eher den Erdalkalimetallen ähnelt. Nach der veralteten Zählung wird die Zinkgruppe als 2. Nebengruppe bezeichnet (analog zu den Erdalkalimetallen als 2. Hauptgruppe), nach der aktuellen IUPAC-Nomenklatur bildet Zink mit Cadmium und Quecksilber die Gruppe 12. Es ist ein bläulich-weißes sprödes Metall und wird unter anderem zum Verzinken von Eisen und Stahlteilen sowie für Regenrinnen verwendet. Zink ist für alle Lebewesen essentiell und ist Bestandteil wichtiger Enzyme. Der Name Zink kommt von Zinke, Zind "Zahn, Zacke", da Zink zackenförmig erstarrt.
| Eigenschaften | |
|---|---|
| Allgemein | |
| Name, Symbol, Ordnungszahl | Zink, Zn, 30 |
| Serie | Übergangsmetall |
| Gruppe, Periode, Block | 12, 4, d |
| Aussehen | bläulich blassgrau |
| CAS-Nummer | 7440-66-6 |
| Massenanteil an der Erdhülle | 0,012 % |
| Physikalisch | |
| Aggregatzustand | fest |
| Modifikationen | eine |
| Kristallstruktur | hexagonal |
| Dichte | 7,14 g/cm3 |
| Mohshärte | 2,5 |
| Magnetismus | diamagnetisch |
| Schmelzpunkt | 692,68 K ( 419,5 °C) |
| Siedepunkt | 1180 K (907 °C) |
| Molares Volumen | 9,16 · 10-6 m3/mol |
| Schallgeschwindigkeit | 3700 m/s bei 293,15 K |
| Spezifische Wärmekapazität | 388 J/(kg · K) |
| Elektrische Leitfähigkeit | 16,9 · 106 A/(V · m) |
| Wärmeleitfähigkeit | 120 W/(m · K) |
Geschichte
Bereits im Altertum war Zink als Legierungsbestandteil von Messing in Gebrauch. Als eigenständiges Metall wurde es jedoch erst im 14.Jahrhundert in Indien entdeckt.
Bereits in dem 1679 erbauten Messinghof (Kassel)Galmei verhüttet. Im Jahre 1743 wurde in Bristol eine erste Zinkhütte in Betrieb genommen. Weitere entstanden im 19. Jahrhundert in Oberschlesien,
im Aachen-Lütticher Raum sowie in Erzgebirge und in Westfalen. Im Ruhrgebiet entstanden die ersten Hütten 1845 in Mülheim an der Ruhr und 1847 in Essen-Borbeck.
Vorkommen
Zink ist auf der Erde mit einem Gehalt von 0,0076 % (oder 76 ppm) an der Erdkruste ein relativ häufiges Element. Wenn man die Elemente nach Häufigkeit ordnet, steht es damit an 24. Stelle. Es ist häufiger als Kupfer oder Blei. Zink kommt nicht gediegen, sondern nur gebunden in Erzen vor. Die häufigsten und für die Zinkgewinnung wichtigsten Erze sind dabei Zinksulfiderze. Diese kommen natürlich entweder als Sphalerit oder Wurtzit vor und enthalten etwa 65 % Zink. Ein weiteres Zinkerz ist Smithsonit (auch als Zinkspat oder Galmei bekannt) ZnCO3. Daneben existieren noch seltenere Zinkmineralien wie Hemimorphit Zn4(OH)2[Si2O7] und Franklinit (Zn,Fe,Mn)(Fe2Mn2)O4.
Große Lagerstätten existieren in Nordamerika (Vereinigte Staaten, Kanada),
Australien, der Volksrepublik China und Kasachstan. Auch in Deutschland gab es
Zinkerzlagerstätten, beispielsweise in Brilon, Stolberg/Rheinland und bei Eschweiler/Rheinland, am Rammelsberg im Harz oder bei Ramsbeck im Sauerland. Oberirdisch kann man in diesen Gebieten seltene
Pflanzen finden, die auf zinkhaltigen Böden besonders gut wachsen, wie das gelbe Galmeiveilchen, das nach dem alten Namen für das Zinkerz Galmei benannt ist.
Staaten mit der größten Förderung
| Rang |
Land |
Fördermengen in Tsd. t |
Rang |
Land |
Fördermengen in Tsd. t |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | China | 2.390 | 11 | Russland | 179 |
| 2 | Australien | 1.298 | 12 | Brasilien | 159 |
| 3 | Peru | 1.209 | 13 | Bolivien | 146 |
| 4 | Vereinigte Staaten | 739 | 14 | Polen | 140 |
| 5 | Kanada | 736 | 15 | Iran | 121 |
| 6 | Irland | 438 | 16 | Marokko | 74 |
| 7 | Mexico | 426 | 17 | Namibia | 66 |
| 8 | Kasachstan | 360 | 18 | Nordkorea | 62 |
| 9 | Indien | 341 | 19 | Japan | 47 |
| 10 | Schweden | 199 | 20 | Honduras | 41 |
Zinkerze werden hauptsächlich in der Volksrepublik China, Peru, Australien, Kanada, den Vereinigten Staaten, Mexiko und Südafrika abgebaut. In Europa sind noch einige Zinkminen in Irland, Polen, Finnland, Bulgarien und Schweden aktiv. Die Gesamtproduktion an Zink belief sich 2006 auf 10 Millionen Tonnen.
Gewinnung und Darstellung
Zink wird überwiegend aus Zinksulfid-Erzen gewonnen. Um diese zu verwenden, müssen sie zunächst in Zinkoxid umgewandelt werden. Dies geschieht durch Rösten an der Luft. Dabei entstehen neben dem Zinkoxid große Mengen Schwefeldioxid, die zu Schwefelsäure weiterverarbeitet werden können.
Wird Smithsonit als Rohstoff verwendet, kann dies durch Brennen unter Abspaltung von Kohlenstoffdioxid erfolgen.
Die Weiterverarbeitung kann durch zwei mögliche Verfahren geschehen. Dies sind das nasse und das trockene Verfahren. Das trockene Verfahren überwiegt mit etwa 60 % der produzierten Zinkmenge.Dabei wird das Zinkoxid mit feingemahlener Kohle vermengt und in einem Gebläseschachtofen (Imperial-Smelting-Ofen) auf 1100 — 1300 °C erhitzt. Dabei bildet sich zunächst Kohlenstoffmonoxid. Dieses reduziert dann das Zinkoxid zu metallischem Zink. Aus dem entstandenen Kohlenstoffdioxid bildet sich nach dem Boudouard-Gleichgewicht wiederum Kohlenstoffmonoxid.
Da im Ofen Temperaturen herrschen, die oberhalb des Siedepunktes von Zink liegen, entweicht das Zink als Dampf am oberen Ende des Ofens. Dort wird nun Blei eingesprüht und so das Zink auskondensiert.
Das so entstandene Rohzink enthält größere Mengen Verunreinigungen, insbesondere Blei, Eisen und Cadmium. Durch fraktionierte Destillation> kann das Rohzink weiter gereinigt werden. In einer ersten Stufe wird das Rohprodukt so erhitzt, dass nur Zink und Cadmium verdampfen, während Eisen und Blei zurückbleiben. Cadmium und Zink können durch Kondensation voneinander getrennt werden. Dabei kondensiert Zink bei höheren Temperaturen und bildet so 99,99 % reines Feinzink. Cadmium ist leichter flüchtig und wird an einer anderen Stelle als Cadmiumstaub gesammelt.
Das nasse Verfahren wird angewendet, wenn dafür billiger elektrischer Strom bereitsteht. Für das Verfahren wird das rohe Zinkoxid in verdünnter Schwefelsäure gelöst. Verunreinigungen von edleren Metallen wie Cadmium werden durch Zinkpulver ausgefällt. Anschließend wird die Lösung unter Verwendung von Bleianoden und Aluminiumkathoden elektrolysiert. Es entsteht an der Kathode wie beim trockenen Verfahren 99,99 % reines Elektrolysezink.
Eigenschaften
Physikalische Eigenschaften
Zink ist ein bläulich weißes, unedles Metall, welches bei Zimmertemperatur und oberhalb 200 °C ziemlich spröde ist. Zwischen 100 und 200 °C ist es jedoch recht duktil und lässt sich leicht verformen. Sein Bruch ist silberweiß. Zink kristallisiert in einer hexagonal-dichtesten Kugelpackung. Diese ist allerdings senkrecht zu den Kugelschichten gestreckt, die Abstände zwischen den Zinkatomen unterscheiden sich leicht (in einer Schicht 264,4 pm, zwischen den Schichten 291,2 pm).
Chemische Eigenschaften
An der Luft bildet Zink eine witterungsbeständige Schutzschicht aus Zinkoxid und -carbonat (Zn5(OH)6(CO3)2). Daher verwendet man es trotz seines ansonsten unedlen Charakters als Korrosionsschutz (Verzinken von Eisen). Zink löst sich in Säuren unter Bildung von Zink(II)-Salzen und in Laugen unter Bildung von Zinkaten, [Zn(OH)4]2−, auf. Eine Ausnahme ist Zink mit sehr hoher Reinheit (99,999%), welches nicht mit Säuren reagiert. Zink liegt in seinen Verbindungen fast ausnahmslos in der Oxidationsstufe +II vor.
Chemisch zählt Zink zu den unedlen Metallen (Redoxpotential > -0,763 Volt). Dies kann beispielsweise dafür ausgenutzt werden, edlere Metalle aus ihren Salzen durch Reduktion elementar abzuscheiden.
Verwendung
Im Jahr 2006 wurden über elf Millionen Tonnen Zink verbraucht.Davon wurden 47 % für den Korrosionsschutz von Eisen- und Stahlprodukten durch Verzinken genutzt. Nach Verbrauchsmengen bedeutendstes Einsatzgebiet von Zink sind seine Legierungen, vorzugsweise solche mit Kupfer, wie Messing, oder mit Aluminium, entweder als AlZn-Legierung oder mit deutlich höheren Zinkgehalten als Alzen, das für im Sand und Kokillenguss hergestellte Teile verwendet wird. Auch in den genormten Magnesiumlegierungen ist Zink mit bis zu 5 % enthalten. Ungleich bedeutender sind die genormten Feinzink-Gusslegierungen, die überwiegend im Druckgießverfahren, aber auch in Sand und Kokille vergossen werden. Auch zu Walzmaterial wie Zinkblechen werden Zinklegierungen verarbeitet.
Korrosionsschutz
An Luft und in Gegenwart von CO2 bildet sich auf der Oberfläche von Zink eine Schutzschicht von basischem Zinkcarbonat. Ist der Zutritt von CO2 eingeschränkt, beispielsweise durch Abdecken von frisch hergestelltem Zink mit Wasser, entsteht statt dessen sogenannter Weißrost mit deutlich verringertem Oberflächenschutz.
Zink wird seit langem als Korrosionsschutz (Rostschutz) für Eisenteile verwendet, indem man sie verzinkt, also mit einer dichten Zinkschicht versieht. Das Zink schützt auch freiliegende benachbarte Eisenflächen sowie Schichtfehler vor Korrosion, indem es wie eine Opferanode wirkt.
Die Verzinkung kann auf verschiedene Weisen erfolgen. Methoden sind das Feuerverzinken, die galvanische Verzinkung, mechanische Beschichtungen, Spritzverzinken und Zinklamellenüberzüge. Sie unterscheiden sich in der Art des Aufbringens der Zinkschicht, der Dicke und damit der Haltbarkeit.
Die einfachste Methode ist das Feuerverzinken. Dabei wird das gereinigte Werkstück in ein Bad von flüssigem Zink getaucht. Diese Methode kann sowohl diskontinuierlich für einzelne Werkstücke, als auch kontinuierlich zur Verzinkung von Bändern verwendet werden. Durch die Feuerverzinkung entstehen relativ dicke Zinkschichten (bis 150 μm im diskontinuierlichen Verfahren), die auch alle Stellen des Werkstückes umfasst. Feuerverzinkte Werkstücke sind je nach Bedingungen über Jahrzehnte vor Korrosion geschützt. Durch eine Kombination von mehreren Schichten (Duplex-System) kann der Schutz weiter gesteigert werden.
Beim galvanischen Verfahren wird die Zinkschicht elektrolytisch aufgebracht. Dazu wird das Werkstück gemeinsam mit einem Stück reinem Zink in eine saure oder basische Lösung eines Zinksalzes getaucht. Danach wird Gleichspannung angelegt, wobei das Werkstück die Kathode, das Stück Zink die Anode bildet. Am Werkstück wird durch Reduktion von Zinkionen Zink gebildet. Gleichzeitig wird das reine Zink der Anode oxidiert, die Anode löst sich dabei auf. Es entsteht eine dichte Zinkschicht. Diese ist allerdings nicht so dick wie diejenige, die beim Feuerverzinken entsteht (bis zu 25 μm). Die Zinkschicht könnte theoretisch beim galvanischen Verfahren auch auf die Dicke einer feuerverzinkten Schicht gebracht werden. Allerdings wäre dies nicht mehr wirtschaftlich aufgrund der Dauer (ca. 0,5 μm in einer Minute) und der Energiekosten.
Beim Spritzverzinken wird das Zink geschmolzen und dann mit Hilfe von Druckluft auf das Werkstück aufgesprüht. Die thermische Belastung ist dabei geringer als beim Feuerverzinken. Dies kann für empfindliche Werkstoffe wichtig sein. Wird das Zink mechanisch auf das Werkstück aufgetragen, spricht man vom Plattieren. Ein Verfahren, das für Verzinken von Kleinteilen, etwa Schrauben, angewendet wird, ist das Sherardisieren. Dabei entsteht die Zinkschicht durch Diffusion von Zink in das Eisen des Werkstücks. Eine weitere mögliche Auftragungsart von Zinkschichten sind Zinksprays.
Zink wird als Opferanode zum Schutz größerer Stahlteile genutzt. Dabei wird das zu schützende Objekt leitend mit dem Zink verbunden. Es entsteht eine galvanische Zelle mit Zink als Anode und dem Objekt als Kathode. Da nun das unedle Zink bevorzugt oxidiert wird und sich dabei langsam auflöst, bleibt das Stahlteil unverändert. Solange Zink vorhanden ist, ist somit das Stahlstück vor Korrosion geschützt.
Aufgaben des Korrosionsschutzes haben auch die Weiß- und Farbpigmente auf Basis von Zinkverbindungen. Zinkverbindungen sind auch Bestandteil der Phosphatierungsmittel die Verfahren, wie das Bondern von Blechen erst ermöglichen.
Zink in Batterien
Metallisches Zink gehört zu den wichtigsten Materialien für negative Elektroden (Anoden) in nicht wiederaufladbaren Batterien und wird in großtechnischem Maßstab eingesetzt. Beispiele sind Alkali-Mangan-Batterien, Zink-Kohle-Batterien, Zink-Luft-Batterien, Silberoxid-Zink-Batterien und Quecksilberoxid-Zink-Batterien. Zink wurde auch als Anode in vielen historischen galvanischen Elementen verwendet. Dazu zählen unter anderen die Voltasche Säule, das Daniell-Element und das Bunsen-Element. In geringem Umfang wird Zink auch für negative Elektroden in Akkumulatoren (wiederaufladbaren Batterien) verwendet.
Der Grund für die vielfältige Verwendung von Zink in Batterien liegt in der Kombination von physikalischen und elektrochemischen Eigenschaften mit guter Umweltverträglichkeit und relativ niedrigen Kosten. Zink ist ein gutes Reduktionsmittel mit hoher theoretischer Kapazität (0,82 Ah/g). Aufgrund des niedrigen Standardpotenzials von etwa -0,76 V beziehungsweise in alkalischem Medium -1,25 V lassen sich relativ hohe Zellspannungen realisieren. Ferner hat Zink eine gute elektrische Leitfähigkeit und ist in wässrigen Elektrolytlösungen ausreichend stabil.
Um die Korrosion von Zink in der Batterie zu reduzieren und zur Verbesserung der elektrochemischen Eigenschaften wurde früher amalgamiertes Zink mit einem Quecksilbergehalt von bis zu 9 Prozent eingesetzt. Aus Umweltschutzgründen wurde diese Praxis zumindest in Industrieländern nahezu vollständig eingestellt. Im Jahr 2006 wird amalgamiertes Zinkpulver nur noch in Zink-Luft- und Silberoxid-Zink-Knopfzellen verwendet.
Die Anode in Zink-Kohle-Batterien hat die Form eines Zinkbechers. Die Becher werden durch mehrstufiges Tiefziehen aus Zinkblech oder durch schlagartige Verformung (englisch impact extrusion) von runden oder sechseckigen Scheiben aus dickem Zinkblech (sogenannten Kalotten) hergestellt. Zur Verbesserung der Formbarkeit und zur Hemmung der Korrosion enthält das hierfür verwendete Zink geringe Mengen an Cadmium, Blei und/oder Mangan. In Alkali-Mangan-Batterien wird Zinkpulver als aktives Material in der Anode verwendet. Es wird meist durch Verdüsung von geschmolzenem Zink im Luftstrahl hergestellt. Zur Hemmung der Korrosion werden dem Zink geringe Mengen anderer Metalle beigemischt. Zu diesen zählen beispielsweise Blei, Bismut, Indium, Aluminium und Calcium.
Zinkblech im Bauwesen
Wichtige Zinkprodukte sind auch Halbzeuge, meist in Form von Zinkblechen. Zinkblech wird als Werkstoff im Bauwesen verwendet. Heute wird dabei fast ausschließlich Titanzink verwendet, welches korrosionsfester, weniger spröde und dadurch mechanisch deutlich belastbarer als Reinzink ist. Zinkblech wird hauptsächlich zur Dacheindeckung, als Fassadenbehang, für die Dachentwässerung (Regenrinnen, Fallrohre), für Abdeckungen z.B. von Gesimsen oder Außenfensterbänken oder für Anschlüsse und Dachkehlen eingesetzt. Es hält bis zu 100 Jahre und muss in dieser Zeit weder gewartet noch repariert werden, wenn es fachgerecht verarbeitet wurde. Die Verarbeitung erfolgt durch das Klempnerhandwerk.
Zinkblech wird in Coils oder in Tafeln geliefert. Für die Dachdeckung werden oft Metallbahnen (Schare) verwendet, die meist 60 Zentimeter breit sind und bis zu 10 Meter lang sein können. Die Materialstärke ist unterschiedlich, beträgt jedoch meist 0,7 Millimeter. Die Verbindung der einzelnen Blechteile erfolgt bei kleinteiligen Elementen meist durch Löten oder Schweißen, bei Dachdeckungen meist durch doppeltes Falzen (Doppelstehfalzdeckung). Aufgrund der hohen Wärmeausdehnung von Zink von 29 · 10-6/K müssen die Verbindungen und Anschlüsse der Zinkbleche Materialbewegungen zulassen.
Moderne Architekten verwirklichen mit Zinkblech extravagante Ideen. Daniel Libeskind hat z.B. das Jüdische Museum Berlin mit einer Fassade aus Bauzink ausgestattet.
Zinkdruckguss
Zinkdruckguss ist die gebräuchliche Bezeichnung für im Druckgießverfahren hergestellte Teile aus Feinzink-Gußlegierungen. Diese Legierungen erbringen weitaus bessere Werte der Gussteile, als es beim Vergießen von reinem Zink möglich ist. Die Legierungen sind genormt. Viel verwendet wird die Legierung GD ZnAl4Cu1 (Z 410). Zinkdruckguss ermöglicht — wie jedes Druckgießverfahren — die Fertigung großer Stückzahlen. Die Gussteile zeichnen sich durch hohe Maßhaltigkeit aus, besitzen sehr gute mechanische Werte und sind für eine Oberflächenbehandlung wie Vernickeln oder Verchromen gut geeignet. Das Spektrum der Anwendungen umfasst Automobilzubehörteile und solche im Maschinen- und Apparatebau, ferner Beschläge aller Art, Teile für die Sanitärindustrie, für Feingeräte- und Elektrotechnik, für Metallspielwaren und viele Gebrauchsgegenstände im Haushalt.
Münzprägung
Da Zink als Münzmetall vergleichsweise wenig kostet, wurde es in Notzeiten, zuletzt in den beiden Weltkriegen, in Form von Zinklegierungen zur Münzprägung verwendet, teilte sich diese Verwendung als sog. "Kriegsmetall" aber mit Münzen aus einer Aluminiumlegierung. Seit 1982 besteht auch der US-Cent (Penny) im Kern aus Zink.
Biologische Bedeutung
Wirkung im Körper
Zink zählt zu den unentbehrlichen (essentiellen) Spurenelementen für den Stoffwechsel. Es ist Bestandteil einer Vielzahl von Enzymen, beispielsweise der RNA-Polymerase und der Glutathionperoxidase. Die empfohlene Tagesmenge für Zink liegt laut Weltgesundheitsorganisation für erwachsene Frauen und Männer bei etwa 15 mg. Eine Zufuhr von mehr als 100 mg pro Tag ist nicht empfehlenswert, ab 200 Milligramm können Symptome wie Übelkeit, Erbrechen oder auch Durchfall auftreten. Beim Menschen führt die Aufnahme von Zink ab etwa einem Gramm zu akuten Vergiftungserscheinungen.
Zink erfüllt im Körper viele verschiedene Funktionen. So nimmt es Schlüsselrollen im Zucker-, Fett- und Eiweißstoffwechsel ein und ist beteiligt am Aufbau der Erbsubstanz und beim Zellwachstum. Sowohl das Immunsystem als auch viele Hormone benötigen Zink für ihre Funktion. Eine bedeutende Rolle soll es bei der Wundheilung spielen.
Mangelerscheinungen
Das Spurenelement kann im Körper nicht gespeichert werden, es muss regelmäßig von außen zugeführt werden. Aufgrund von falschen Ernährungsgewohnheiten ist Zinkmangel auch in westlichen Ländern nicht selten, insbesondere bei Jugendlichen, die während des Wachstums besonders viel Zink benötigen.
Zinkmangel führt zu einer Unterfunktion der Keimdrüsen, Wachstumsstörungen und Blutarmut. Ein niedriger Zinkspiegel äußert sich oft auch durch eine verringerte Abwehrfunktion, Haarausfall, trockene Haut und brüchige Nägel.
Zinkmangel wird häufig durch einen hohen Kupferspiegel verursacht (z.B. bei reichlichem Trinkwassergenuss aus häuslichen Kupferrohrnetzen), da Zink und Kupfer Antagonisten sind. Selbiges gilt für Eisen, z.B. durch eine sehr eisenreiche Ernährung oder die Einnahme von eisenhaltigen Medikamenten. Die Aufnahme von Zink (wie auch anderen Metallionen) aus dem Darm wird ebenfalls durch phytinsäurehaltige Nahrungsmittel vermindert.
Zink als Heilmittel
Zink wirüchige Nägel.
Zinkmangel wird häufig durch einen hohen Kupferspiegel verursacht (z.B. bei reichlichem Trinkwassergenuss aus häuslichen Kupferrohrnetzen), da Zink und Kupfer Antagonisten sind. Selbiges gilt für Eisen, z.B. durch eine sehr eisenreiche Ernährung oder die Einnahme von eisenhaltigen Medikamenten. Die Aufnahme von Zink (wie auch anderen Metallionen) aus dem Darm wird ebenfalls durch phytinsäurehaltige Nahrungsmittel vermindert.
Zink als Heilmittel
Zink wirkt auf den Stoffwechsel der Darmzellen dahingehend, dass weniger Kupfer resorbiert wird. Zinksalze (z. B. Zinksulfat, Zinkacetat) eignen sich daher als Arzneistoffe in der Behandlung des Morbus Wilson, einer Erkrankung, bei der der Kupferstoffwechsel in der Leber gestört ist und es dadurch zu einer vermehrten Ansammlung von Kupfer in der Leber, dem Auge, dem Zentralnervensystem und anderen Organen kommt.
Basierend auf einem Artikel in Wikipedia.de
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Datum der letzten Änderung: Jena, den: 22.11. 2020!--/DATE-->