Zink

Isotop	NH	t_1/2	ZM	ZE MeV	ZP
⁶²Zn	{syn.}	9,186 h	ε	1,627	⁶²Cu
⁶³Zn	{syn.}	38,47 min	ε	3,367	⁶³Cu
⁶⁴Zn	48,6 %	Stabil
⁶⁵Zn	{syn.}	244,26 d	ε	1,352	⁶⁵Cu
⁶⁶Zn	27,9 %	Stabil
⁶⁷Zn	4,1 %	Stabil
⁶⁸Zn	18,8 %	Stabil
⁶⁹Zn	{syn.}	56,4 min	β⁻	0,906	⁶⁹Ga
⁷⁰Zn	0,6 %	Stabil
⁷¹Zn	{syn.}	2,45 min	β⁻	2,813	⁷¹Ga
⁷²Zn	{syn.}	46,5 h	β⁻	0,458	⁷²Ga

NMR-Eigenschaften

	Spin	γ in rad/(T·s)	E	f_L bei B = 4,7 T in M Hz
⁶⁷Zn	5/2	1,673 · 10⁷	0,00285	12,5

Sicherheitshinweise

Gefahrstoffkennzeichnung

Gefahrensymbole
F Leichtent- zündlich	N Umwelt- gefährlich

R- und S-Sätze

R: 15-17-50/53

S: (2)-43-46-60-61

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Zink (lat. Zincum) ist ein chemisches Element. Es ist ein bläulich-weißes Metall und wird unter anderem zum Verzinken von Eisen und Stahlteilen sowie für Regenrinnen verwendet. Der Name Zink kommt von Zinke, Zind „Zahn, Zacke“, da Zink zackenförmig erstarrt. Dem Arzt Paracelsus gelang 1520 als erstem die Darstellung von Zink.

Inhaltsverzeichnis

1 Geschichte
2 Vorkommen
3 Staaten mit der größten Förderung
4 Gewinnung
5 Eigenschaften
6 Verwendung
7 Biologische Bedeutung
8 Wichtige Verbindungen
9 Literatur
- 9.1 Ältere Literatur
- 9.2 Aktuelle Literatur
10 Weblinks

[Bearbeiten] 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. Im Jahre 1743 wurde in Bristol eine erste Zinkhütte in Betrieb genommenn. Weitere entstanden im 19. Jahrhundert in Oberschlesien, im Aachen-Lütticher Raum sowie in Sachsen und in Westfalen. Im Ruhrgebiet entstanden die ersten Hütten 1845 in Mülheim an der Ruhr und 1847 in Essen-Borbeck.

[Bearbeiten] Vorkommen

Bedeutende Zinkerze sind:

Zinkblende (ZnS): Zink-Schwefel-Verbindung mit etwa 65% Zinkanteil.
Zinkspat (ZnCO₃): Zinkcarbonat, auch Galmei, mit etwa 50% Zinkanteil

Zinkerze werden hauptsächlich in der Volksrepublik China, Peru, Australien, Kanada, USA, Japan und Südafrika abgebaut. In Europa sind noch einige Zinkminen in Irland, Polen, Finnland, Bulgarien, Spanien und Schweden aktiv.

Auch in Deutschland gab es Zinkerzlagerstätten, beispielsweise in Stolberg und bei Eschweiler im 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.

[Bearbeiten] Staaten mit der größten Förderung

Der Staat mit der größten Zinkförderung weltweit ist China, gefolgt von Peru und Australien. In Europa sind Irland, Polen, Finnland und Bulgarien als Zinkproduzenten zu nennen.

Die Staaten mit der größten Förderung weltweit (2003)
Rang	Land	Fördermengen (in Tsd. t)	Rang	Land	Fördermengen (in Tsd. t)
1	China	2.200	11	Polen	181
2	Peru	1.373	12	Bolivien	145
3	Australien	1.355	13	Brasilien	135
4	Kanada	744	14	Marokko	90
5	USA*	738	15	Iran	80
6	Mexiko	412	16	Namibia	45
7	Indien	294	17	Japan	42
8	Irland	280	18	Honduras	34
9	Russische Föd.	268	19	Nordkorea	32
10	Kasachstan	250	20	Finnland und Bulgarien	je 31
Quelle: Handelsblatt - Die Welt in Zahlen (2005); *Daten für USA wurden gemäß Fischer-Weltalmanach (2006) ergänzt

[Bearbeiten] Gewinnung

Zunächst erfolgt eine Aufarbeitung der Zinkerze zu Zinkoxid. Sulfidische Erze (Zinkblende) werden zu diesem Zwecke geröstet, Galmei im Schachtofen gebrannt. Die weitere Verarbeitung erfolgt entweder auf trockenem oder nassem Weg.

Gesintert wird das Zinkoxid im Imperial-Smelting-Ofen mit Kohle vermischt und bei etwa 1.400 °C reduziert. Das dabei verdampfende Zink wird kondensiert und als 98 %iges Hütten- oder Rohzink in Formen gegossen. Es enthält als Verunreinigung insbesondere Blei, Eisen und Cadmium. Durch fraktionierte Destillation lässt es sich zu 99,99 %igem Feinzink aufarbeiten.

Nasschemisch kann das Zinkoxid mit Schwefelsäure zu Zinksulfat umgesetzt werden, welches elektrolytisch zum Metall reduziert ebenfalls 99,99 %iges Elektrolysezink ergibt. Die edleren Verunreinigungen werden vor der Elektrolyse mit Zn-Staub ausgefällt.

[Bearbeiten] 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. An der Luft bildet Zink eine witterungsbeständige Schutzschicht aus Zinkoxid und -carbonat. Daher verwendet man es trotz seines ansonsten unedlen Charakters als Korrosionschutz (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. 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, wie hier am Beispiel der Umsetzung eines Kupfersalzes gezeigt wird:

$\mathrm{Cu^{2+} + \ Zn \rightarrow Cu\downarrow + \ Zn^{2+}}$

Ein einfacher Zinknachweis beruht auf dem Erhitzen einer Probe mit wenigen Tropfen einer verdünnten Lösung eines Cobaltsalzes auf einer Magnesiarinne im Bunsenbrenner. Ist Zink zugegen, ist nach kurzer Zeit das so genannte Rinmanns Grün zu erkennen.

[Bearbeiten] Verwendung

Weltweit werden jährlich über 9 Mio.t Zink gewonnen. Etwa die Hälfte dieser Menge wird als Korrosionsschutz für Stahl durch Verzinken eingesetzt. Ca. 13% der Zinkerzeugung wird zu Legierungen beispielsweise für den Zinkdruckguss verarbeitet während etwa 18% in die Messing-Produktion gehen.

Wichtige Zinkprodukte sind auch Halbzeuge (Zinkbleche), aus denen Dacheindeckungen und Dachentwässerungssysteme gefertigt werden.Im Dachdecker- und Klempnerhandwerk wird in der Regel Titanzink verwendet, welches korrosionsfester, weniger spröde und dadurch mechanisch deutlich belastbarer als Reinzink ist.

Zink wird zur Erzeugung von Zinkverbindungen eingesetzt wie z.B. Zinkoxid (adstringierender Salbenzusatz, Varistoren) oder Zinksulfat.

[Bearbeiten] Zinkdruckguss

Zink wird häufig zur Produktion von kostengünstigen Gussteilen verwendet, da der Zinkdruckguss die schnelle Fertigung von großen Stückzahlen unterschiedlichster Produkte erlaubt. Weitere Vorteile dieses Werkstoffes im Zinkdruckgussverfahren sind hohe Maßhaltigkeit, Eignung zu unterschiedlichen Oberflächenbehandlungen sowie die hohe mechanische Belastbarkeit. Das Spektrum der Anwendungen reicht von der Kfz–Industrie, dem Maschinen- und Apparatebau, Baubeschlag, Sanitärindustrie, der Feingeräte- und Elektrotechnik bis hin zu Gebrauchsgegenständen und Spielzeugen.

Ältere Zinkdruckgussteile sind häufig von einer Strukturumwandlung betroffen, die die Teile außer Form geraten lässt.

[Bearbeiten] Rostschutz

Zink wird seit langem als Korrosionsschutz (Rostschutz) für Eisenteile verwendet, indem man sie „verzinkt“, d.h. mit einer Zinkschicht versieht. Das Zink schützt auch freiliegende benachbarte Eisenflächen sowie Schichtfehler vor Korrosion, indem es wie eine Opferanode wirkt.
Es gibt verschiedene Verzinkungs-Verfahren:

Diskontinuierliches Feuerverzinken (Stückverzinken): Hierbei werden die zu verzinkenden Teile einzeln oder in Körben in schmelzflüssiges Zink getaucht. Die Dicke der aufgetragenen Zinkschicht beträgt 50…150 µm. Das Feuerverzinken zeichnet sich vor anderen Korrosionsschutzverfahren durch die Haltbarkeit aus - selbst unter extremen Belastungen schützt eine Feuerverzinkung den Stahl jahrzehntelang. Schutzzeiträume von über 50 Jahren sind möglich - ohne Aufwendungen für Wartung und Instandhaltung.

Kontinuierliches Feuerverzinken (Bandverzinken, Drahtverzinken): Ein kontinuierliches Beschichtungsverfahren für Stahlband (deshalb Bandverzinken) oder Stahldraht, bei welchem Endlosmaterial einen Zinküberzug im Durchlaufverfahren durch schmelzflüssiges Zink erhält. Die Dicke der aufgetragenen Zinkschicht beträgt 5…40 µm.

Galvanisches / elektrolytisches Verzinken: ist ein Elektrolyseverfahren (Aufbringen eines Zinküberzuges in wässrigen Elektrolyten mit Gleichstrom). Verwendet werden meist saure, aber auch alkalisch-cyanidfreie oder cyanidische Elektrolyte. Die Dicke der aufgetragenen Zinkschicht beträgt 2,5…25 µm.

Thermisches Spritzen mit Zink / Spritzverzinken: hierbei wird mittels Flamme oder Lichtbogen aufgeschmolzenes Zink auf die Oberfläche des zu verzinkenden Teils aufgespritzt.

Überzüge mit Zinkstaub (mechanisches Plattieren / Sheradisieren): Hier werden mittels Zinkstaub mechanisch (Mechanisches Plattieren) oder durch Diffusion (Sherardisieren) Zinküberzüge bzw. Fe + Zn-Legierungsschichten auf geeigneten Werkstücken hergestellt. Die Dicke der Zinkschicht beträgt beim Sherdisieren 15…25 µm, beim Plattieren 10…20 µm.

Zinkstaub-Beschichten: Es werden zinkstaubpigmentierte Beschichtungsstoffe als Schutzschichten auf Stahlteile appliziert (Zinkspray).

Kathodischer Korrosionsschutz: Stahlteile werden durch Kontakt mit einer Anode aus Zink bei Gegenwart eines Elektrolyten vor Korrosion geschützt. Dabei geht das unedlere Metall, die Opferanode aus Zink, in Lösung, während der Stahl (als Kathode) nicht angegriffen wird.

[Bearbeiten] Zinkbleche für Dächer, Fassaden und für die Dachentwässerung

Zinkblech und Titanzinkblech werden als Werkstoff im Baubereich zur Dacheindeckung, für Fassaden und für die Dachentwässerung (Regenrinnen, Fallrohre) verwendet. Es hält bis zu 100 Jahre und muss in dieser Zeit weder gewartet noch repariert werden. Schon zu Beginn des 19. Jhdts stellten die Belgier dieses Material her, fertigten Napoleons tragbare Badewanne aus Zink, die den Franzosen auf vielen seiner Feldzüge begleitete.

Moderne Architekten verwirklichen mit Zinkblech extravagante Ideen. Daniel Libeskind hat z.B. das Jüdische Museum Berlin mit einer Fassade aus Bauzink ausgestattet.

[Bearbeiten] 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, Nickel-Oxyhydroxid-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 (Zn²⁺ + 2e^- ↔ Zn) bezwiehungsweise in alkalischem Medium -1,25 V (Zn(OH)₂ + 2e^- ↔ Zn) lassen sich relativ hohe Zellspannungen realisieren. Ferner hat Zink eine gute elektrische Leitfähigkeit und ist in wässrigen Elektrolytlösungen ausreichend stabil.

Zink für Batterieanwendungen hat typischerweise eine Reinheit von mindestens 99,99%. Die Reinigung von Rohzink erfolgt entweder durch Destillation oder durch Elektrolyse einer wässrigen Zinklösung (Elektrolytzink). 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% eingesetzt. Aus Umweltschutzgründen wurde diese Praxis zumindest in Industrieländern nahezu vollständig eingestellt. Heute (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 ander Metalle beigemischt. Zu diesen zählen beispielsweise Blei, Bismut, Indium, Aluminium und Calcium.

[Bearbeiten] Analytik

Analysenreines Zinkpulver dient als Urtitersubstanz nach Arzneibuch zur Einstellung von EDTA-Maßlösungen.

[Bearbeiten] Münzprägung

Da Zink sehr billig und von geringem militärischen Nutzen ist, wurde es in Notzeiten, besonders in den beiden Weltkriegen, zur Münzprägung sowie zur Herstellung von Auszeichnungen und Abzeichen verwendet. Dabei fand es in reiner Form (Feinzink) sowie in Legierungen als sogen. "Kriegsmetall" Verwendung.

[Bearbeiten] Biologische Bedeutung

Nahrungsmittel, die Zink enthalten

Zink zählt zu den essentiellen Spurenelementen für den Stoffwechsel. Es ist Bestandteil einer Vielzahl von Enzymen, beispielsweise der RNA-Polymerase und der Glutathionperoxidase.

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 spielt es bei der Wundheilung. 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 aufgrund des Wachstums besonders viel Zink benötigen.

Eine 2005 auf einer Konferenz der amerikanischen Gesellschaft für Ernährungswissenschaften in San Diego vorgestellte Studie deutet darauf hin, dass Kinder, die täglich ausreichend Zink erhalten (20 mg), eine deutliche Verbesserung der geistigen Leistungsfähigkeit erfahren. Zink verbesserte das visuelle Gedächtnis, die Leistungen in einem Wortfindungstest und die Konzentrationsfähigkeit.

Zink ist auch ein Erkältungsmittel, dessen krankheitslindernde und -verkürzende Wirkung in Studien nachgewiesen werden konnte. Zinkmangel führt zu einer Unterfunktion der Keimdrüsen, Wachstumsstörungen und Blutarmut.

Folgende Nahrungsmittel sind gute Zinkquellen:

rote Fleischsorten
Fisch und Meeresfrüchte
Kuhmilch und wässrige Milchprodukte
Vollkornprodukte, speziell sauerteiggeführtes Brot (siehe Phytinsäure)
Weizenkeime (Weizen)
Ölsaaten (z. B. Sesam, Mohn, Kürbiskerne, Sonnenblumenkerne)
Erdnüsse und Pekannüsse
Pilze und Hefen
Linsen

Während die Aufnahme von Zinksalzen beim Menschen ab ca. einem Gramm zu akuten Vergiftungserscheinungen führt, birgt für Papageien die kontinuierliche Aufnahme von kleinsten Mengen Zink die Gefahr einer chronischen Zinkvergiftung. Käfige und Volieren für Papageien dürfen deswegen nicht verzinkt sein, auch nicht unter einer Pulverbeschichtung, da die Vögel sich beim Klettern mit dem Schnabel festhalten und so ständig Zink aufnehmen.

[Bearbeiten] Wichtige Verbindungen

Zamak
Zinkchlorid (ZnCl₂)
Zinkoxid (ZnO)
Zinksulfid (ZnS), mit verschiedenen Metallen dotiertes Zinksulfid zeigt Phosphoreszenz.
Zinkstearat (Zn(C₁₈H₃₅O₂)₂)

[Bearbeiten] Literatur

[Bearbeiten] Ältere Literatur

W. Hommel: Zur Geschichte des Zinks. Chemiker-Zeitung 36(95), S. 905 - 906 (1912, ISSN 0009-2894

[Bearbeiten] Aktuelle Literatur

Sabina Grund: Zink - Werkstoff und lebenswichtiges Spurenelement. Praxis der Naturwissenschaften Chemie in der Schule 53(7), S. 2 - 8 (2004), ISSN 1617-5638
M. Adelhelm: Schulversuche mit elementarem Zink. Praxis der Naturwissenschaften Chemie in der Schule 53(7), S. 29 - 31 (2004), ISSN 1617-5638
Anonymus: Zink in der Therapie von chronischen Lebererkrankungen. Naturheilkunde 3/2006, S. 18 - 23 (2006), ISSN 1613-3943
Sabina C. Grund, Marianne Schönnenbeck: Nachhaltig bauen und konstruieren mit Zink. UmweltMagazin 36(10/11), S. 64 - 66 (2006), ISSN 0173-363X