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Physikalisch-chemische Eigenschaften |
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| Reines
Zink ist bei Zimmertemperatur ein grau glänzendes, relativ sprödes
Schwermetall. Beim Erwärmen auf über 120°C wird es weich
und dehnbar, so dass man es zu Blechen und Drähten walzen kann. Bei
220°C wird es wieder spröde und es lässt sich dann leicht
zu einem Pulver zermahlen. Wie Zinn besitzt es
eine relativ niedrige Schmelztemperatur.
Oberhalb von 500°C verbrennt Zinkpulver mit grünlicher Flamme zu Zinkoxid, der sich als weißer Rauch oder in Form von länglichen Fäden ("Lana philosophica") im Raum verteilt: 2 Zn + O2 
2 ZnO ΔHR
= -696 kJ/mol
An feuchter, kohlenstoffdioxidhaltiger Luft bilden sich auf der Oberfläche des Metalls Schutzschichten komplizierter Verbindungen, beispielsweise mit der Formel Zn5(OH)6(CO3)2. Diese schützen das darunterliegende Zink vor weiterer Korrosion. Eisenbleche können daher durch das Verzinken rostfrei gemacht werden, obwohl Zink unedler als Eisen ist. Aufgrund der Schutzschicht reagiert Zink nicht mit kaltem Wasser. In feinverteilter Form oder mit heißem Wasser wird das unedle Metall angegriffen, und es entsteht Wasserstoff: Zn + H2O
ZnO + H2
Mit Salzsäure, Schwefel- und Salpetersäure entstehen unter Wasserstoffentwicklung die entsprechenden Salze, mit heißen Laugen bilden sich Zinkate: Zn + 2 HCl
ZnCl2 + H2
Zn + 2 NaOH + 2 H2O
Na2[Zn(OH)4] + H2
Mit Schwefel reagiert Zinkpulver nach Zündung mit einem heißen Draht unter Feuererscheinungen und einer großen Stichflamme, wobei Zinksulfid entsteht: Zn + S
ZnS ΔHR
= -201 kJ/mol
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Physiologie |
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Zink
ist im menschlichen Körper als Spurenelement
bei zahlreichen Aufgaben beteiligt. Es ist für mehr als 200 Enzyme
von Bedeutung. Viele Stoffwechselreaktionen werden erst dadurch ermöglicht.
Bei den Zink-Finger-Proteinen bildet ein Zn2+-Ion einen tetraedrischen
Komplex mit vier Aminosäuren-Seitenketten. Diese Moleküle treten
in Wechselwirkung mit der DNS und kontrollieren das Ablesen des genetischen
Codes. Lit[20]
Ohne Zink gäbe es also keine Zellteilung. Zinkionen schützen
die Zellen vor freien Radikalen. Sie vermögen Schwermetallionen von
Cadmium, Blei und Quecksilber
zu neutralisieren. Von großer Bedeutung ist auch die Wirkung von
Zink im Stoffwechsel der Geschlechtshormone, der Schilddrüsenhormone
oder der Wachstumshormone. Die höchste Zinkkonzentration findet sich
in der Netzhaut. Die Bildung des Transportproteins für Vitamin A ist
von einer guten Versorgung mit Zink abhängig. Lit[16]
Bei Zinkmangel treten viele Symptome auf, beispielsweise Unfruchtbarkeit, Wachstumsstörungen, Gewichtsverlust, Geschmacksstörungen, Nachtblindheit oder eine erhöhte Neigung zu Infekten. Bei der altersbedingten Zuckerkrankheit tritt vermehrt ein Zinkmangel auf. Das Essen von zinkreichen Nahrungsmitteln Lit[17] wie Leber, Miesmuscheln, Linsen, Erbsen, Weizenvollkornbrot und Weizenkleie, Haferflocken, Käse, Eier, sowie Rind- und Kalbfleisch beugt einem Zinkmangel vor. |
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Vorkommen |
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Mit
einem Massenanteil von 0,012% steht Zink an 24. Stelle der Elementhäufigkeit
in der Erdhülle und steht zwischen Vanadium und Kupfer. Zink
gediegen kommt in der Natur nur sehr selten vor. Darüber hinaus
findet man Zink selten in Messinglegierungen, von denen einige als Mineral
anerkannt sind, beispielsweise der Danbait (CuZn2). Die beiden
wichtigsten Zinkerze stellen die Zinkblende
und der Zinkspat dar. Manche Zinkerze
sind nicht so stark verbreitet, dazu gehören der Hemimorphit,
der Willemit oder der Zinkit.
Darüber hinaus existieren weitere Zink-Mineralien wie der Adamin,
die aber aufgrund ihrer Seltenheit nur eine geringe Bedeutung als Zinkerz
besitzen.
Die Hauptvorkommen finden sich in Kanada, USA, Australien, Osteuropa, Peru, Mexiko, Japan, Südafrika, Kongo, Polen, Schweden, Griechenland und Großbritannien. In Deutschland wurden die Zinkerze früher in geringen Mengen im Sauerland, im Harz und im Bergischen Land gefördert.
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Geschichte |
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Zink
war bereits im Mittelalter bekannt und wurde in China, Indien und Persien
verwendet. Georgius Agricola (1494-1555),
Theophrastus Paracelsus (1493-1541)
und Andreas Libavius (1550-1616) erwähnten es unter dem Namen "Conterfey".
Messinglegierungen (Kupfer-Zink-Legierungen) kannten bereits die Griechen
und die Römer, doch sie stellten Messing aus Galmei (Smithsonit) her.
Die Herstellung von reinem Zink aus Galmei war damals noch nicht möglich.
Aus dem Namen Galmei ging auch der Name für das Zink hervor, da das
Mineral häufig Zinken und zackige Formen zeigte. Größere
Mengen an reinem Zink waren in Europa erst im 18. Jahrhundert zugänglich.
Die Voraussetzung dafür bildeten die Forschungen des Arztes Johann
Friedrich Henckel (1678-1744), der das Metall beschrieb, und die Entwicklung
des ersten technischen Verfahrens zur Zinkgewinnung durch A.S. Marggraf
im Jahre 1746. Marggraf erhitzte Zinkoxid
unter Luftabschluss mit Kohle, wobei elementares Zink entstand. Das chemische
Symbol Zn (zinkum) wurde durch J.J.
Berzelius im Jahre 1814 vorgeschlagen.
Neben seiner Verwendung als metallischer Rohstoff wurde Zink in Krisenzeiten zur Herstellung von Münzen eingesetzt. Das Deutsche Reich prägte ab 1917 Münzen zu einem, zwei, fünf oder zehn Pfennig. Während dem Zweiten Weltkrieg ab 1940 wurden die messinghaltigen Fünf- und Zehnpfennigstücke zur Herstellung von Munition eingeschmolzen; als Ersatz prägte man erneut Pfennigmünzen aus Zink. Zinkmünzen gab es zu dieser Zeit aber auch bei anderen europäischen Ländern wie Belgien oder Dänemark. Die Münzen waren nicht sehr stabil, sie griffen sich rasch ab, sie färbten sich dunkel und mit Säuren zersetzten sie sich. |
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Herstellung |
| Das
Zinkerz wird zunächst fein gemahlen und dann durch Flotation angereichert.
Die Zinksulfide werden geröstet, die Zinkcarbonate durch Brennen in
Zinkoxid verwandelt:
2 ZnS + 3 O2
2 ZnO + 2 SO2
ZnCO3
ZnO + CO2
Das als Nebenprodukt anfallende Schwefeldioxid dient zur Herstellung von Schwefelsäure. Heute existieren verschiedene Verfahren zur Herstellung von Zink aus Zinkoxid. Das "trockene Verfahren" ist die älteste Methode und geht auf die Reduktion des Oxids mit Kohlenstoff oder mit Kohlenstoffmonooxid bei Temperaturen um 1100-1300°C zurück: ZnO + CO 
Zn + CO2
Dabei entsteht gasförmiges Zink, das mit den Röstgasen mitgeführt und außerhalb des Reaktionsofens in luftgekühlten Vorlagen abgekühlt wird. Der Hauptanteil wird heute jedoch nach dem "nassen Verfahren" gewonnen. Hierbei werden die Röstprodukte zunächst mit konzentrierter Schwefelsäure zu Zinksulfat umgewandelt. Eine wässrige Lösung dieses Zinksalzes wird bei ca. 3,5 Volt elektrolysiert, wobei sich sehr reines Zink an der Aluminiumkathode abscheidet und Sauerstoff an der Anode entweicht. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in der hohen Reinheit des Endprodukts (ca. 99,99%). Allerdings werden etwa 3500 kWh elektrische Energie benötigt, um eine Tonne Zink herzustellen: 2 ZnSO4 + 2 H2O
2 Zn + 2 H2SO4 + O2
Ein weiterer Anteil an Zink wird heute zunehmend durch Recycling aus Altmetallschrott gewonnen. |
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Verwendung |
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Der
größte Anteil des produzierten Zinks dient zum Verzinken von
Eisenblech für Dachrinnen, Eimer, Drähten, Trägern und Rohren.
Dabei existieren mehrere Verfahren: Bei der Feuerverzinkung werden die
Stücke in geschmolzenes Zink getaucht. Dabei entstehen Zinküberzüge
mit einer Dicke bis zu 0,1mm. Beim galvanischen Verzinken benutzt man unter
Verwendung einer Zinkanode Bäder mit zinksalzhaltigen Lösungen
(25% Zinksulfat und 2% Zinkchlorid). Kleinteile wie Schrauben verzinkt
man durch Sherardisieren, wobei die Schrauben in einer drehbaren Trommel
mit einer Mischung aus Zinkpulver und Quarzsand für 2-10 Stunden gedreht
werden. Dabei schlägt sich das Zink in einer dünnen Schicht auf
der Oberfläche nieder. Beim Metallspritzverfahren wird das Zink in
Spritzpistolen geschmolzen, durch Druckgase zerstäubt und auf die
zu verzinkenden Oberfläche gesprüht.
Mischt man geschmolzenes Zink und Kupfer, erhält man Messing. Diese Legierung wird in der Schmuckindustrie und im Sanitärbereich in großem Umfang verwendet. Bei der Gold- und Silberherstellung setzt man Zink bei der Cyanidlaugerei zum Ausfällen der Edelmetalle ein. Zink dient zur Herstellung von Trockenbatterien, so auch in der Kohle-Zink-Zelle (Leclanché-Element) oder in der Zink-Luft-Knopfzelle, die für Hörgeräte eingesetzt wird. Während Zinkstaub als Pigment zum Rostschutz in Farben verwendet wird, ist Zinkoxid ein wichtiges Weißpigment.
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Zinkverbindungen im Portrait |
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| Copyright: Thomas Seilnacht |
