Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 27.04.16

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Zink

Vortrag von Schmid Sylvia im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - AC", WS 03/04

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Gliederung:

1. Einleitung
2. Gewinnung von Zinkerzen
3. Erscheinungsform von Zink
4. Zinkgewinnung
    4.1 Thermisches Verfahren
    4.2 Elektrolytisches Verfahren
5. Steckbrief
6.  Produktion von Materialien und Produkte
7. Verzinkungsmethoden und Legierungen
   7.1 Legierung
   7.2 Verbindung
   7.3 Verzinkungsmethoden
          7.3.1 Feuerverzinken
          7.3.2 Spitzverzinken
          7.3.3 Sendizimir Verfahren
   7.4 Galvanisches Verfahren
   7.5 Messinglegierung
8. Korrosionsschutz
9. Abfall und Recycling
10. Zusammenfassung

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1. Einleitung

Denken wir an einen ganz normalen Alltagstag wie in manchen von uns vielleicht haben werden: Nach dem Aufstehen folgt der Gang ins Bad, man dreht den Messingwasserhahn auf und putzt sich die Zähne. Anschließend geht man die Treppen nach unten, hält sich am Geländer fest da Kinderspielzeug auf der Treppe liegt und nicht stürzen möchte und drückt schließlich die Türklinke um in die Küche einzutreten. Nachdem man alles andere nötige zu Hause erledigt hat, setzt man sich in sein Auto und fährt die Garage hinaus, dreht sich noch ein letztes mal um, betrachtet sein Eigenheim mit der schiefen Dachrinne und fährt schließlich in die Arbeit.

Wie man sicher gemerkt hat, haben viele Gegenstände in der Erzählung etwas gemeinsam: Sie enthalten Zink. Anhand von diesem Schema wird das Element Zink vorgestellt.


Abb. 1: Recyclingkreislauf von Zink

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2. Gewinnung von Zinkerzen

In Deutschland sind die Vorräte erschöpft und es findet deshalb seit 1993 kein Abbau mehr statt. Europa wird von verschiedenen Ländern beliefert so von:
bulletAustralien
bulletUSA
bulletSüdamerika
bulletAlaska

Dort findet noch Tief- und Tagebau statt. Da sich in dem abgebauten Erz nur eine Zinkkonzentration von 5-15% befindet und das Gestein meist per Schiff transportiert werden muss, wird es in nahen Anlagen Aufkonzentriert damit weniger schweres Gestein verschifft werden muss. Dort wird das Erz auf 55% Zinkanteil angereichert und abtransportiert.

Dies geschieht durch eine Schwimmaufbereitung: In einem großen Behälter wird Wasser, das fein zerteilte Ausgangsmaterial und ein Tensid gegeben. Durch das Einblasen von Luft von unten in den Behälter bildet sich oben eine Schaumschicht. Das vom Tensid benetzte Erz erhält eine wasserabstoßende Hülle. Diese Mineralpartikel werden durch die eingeblasene Luft nach oben getrieben und bleiben in dem Schaum hängen. Die Gangart setzt sich am Boden ab. Der Schaum muss nur noch abgeschöpft und von dem Tensid gereinigt werden

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3. Erscheinungsform von Zink

In der Erdkruste kommt Zink nicht elementar vor, sondern in Verbindung mit Schwefel, dem Zinksulfid (ZnS); dieser kann in 2 unterschiedlichen dichtesten Kugelpackungen vorliegen, der Zinkblende und dem Wurtzit, eine weitere Verbindung ist der Zinkspat (ZnCO3). Das linke Bild zeigt Zinksulfid, das rechte Zinkcarbonat.

[Hier befand sich ein Bild von Zinkblende, welches aufgrund einer Urheberrechtsverletztung entfernt wurde.] [Hier befand sich ein Bild von Zinkspat, welches aufgrund einer Urheberrechtsverletztung entfernt wurde.]

Zinkblende ZnS [8]

Zinkspat ZnCO3 [8]

Zn ist in beiden Mineralien tetraedrisch von 4 S-Atomen umgeben.

Zinkblende: kubisch dichteste Kugelpackung

Dabei handelt es sich um sich 2, sich gegenseitig durchdringenden kubisch dichtest gepackten Zn- und S- Gittern, die sich durch Besetzen der Tetraederlücken des jeweils anderen Gitters vierfache Koordination erreicht. Dadurch entsteht die Reihenfolge A/ B/ C.

Wenn man alle Atome durch Kohlenstoff ersetzt C, kommt man zur Diamantstruktur

Wurtzit: hexagonal dichteste Kugelpackung

In der Wurtzit- Struktur ist, wie in der Zinkblende- Struktur, jede Atomsorte von der anderen tetraedrisch umgeben. Es liegt hierbei eine hexagonal dichteste Kugelpackung vor mit der Reihenfolge A/ B/ A.

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4. Die Darstellung von Zink:

4.1 Bei der thermischen Darstellung wird das trockene Verfahren angewendet.

4.1.1 Herstellung von Zinkoxid

Bei Zinksulfid wird das Erz geröstet. Dies geschieht indem Sauerstoff zugeführt wird und daraus Zinkoxid und Schwefeldioxid entsteht. Bei diesem Vorgang wird Energie frei.

Rösten

2 ZnS   +   3 O2        --->       2 ZnO   +   2 SO2                  dH = -349 kJ

Bei Zinkspat wird das Erz gebrannt. Hierbei wird Energie zugeführt. Es entsteht Zinkoxid und Kohlenstoffdioxid. Energie wird für diesen Vorgang benötigt

Brennen

ZnCO3                      --->          ZnO   +    CO2                          dH = + 71.05 kJ

4.1.2 Das Oxid zu elementarem Zn reduziert.

Das Zinkoxid wird mit gemahlener Kohle im Überschuss vermischt und in geschlossenen Destilliergefäßen den sog. "Muffeln" aus feuerfestem Ton "Schamotte" auf 1100- 1300°C erhitzt. Dabei erfolgt die Reduktion zu elementarem Zn.

ZnO   +   C               --->         Zn     +     CO

Wegen der hohen Temperaturen entweicht das Zn (Sdp: 908.5°C) dampfförmig und wird in Vorlagen aus Schamotte, die vor den Muffeln angebracht sind zu fl. Metall kondensiert.

Die Reste des Zinkdampfes 5-13% schlagen sich außen auf die Vorlagen aufgesteckten Blechbehältern, den "Vorstecktuten" als Zinkstaub nieder

4.1.3 Reinigung des Rohzinks

Die Reinigung des Rohzinks erfolgt durch fraktionierte Destillation. Zn (908°C) und Cd (767.3°C) gehen zuerst in den Dampfförmigen Zustand über. Fe und Pb bleiben als Rückstand zurück. Es folgt eine zweite Destillation wobei sich Zink verflüssigt als w(Zn)= 99.99% Feinzink. Cadmium schlägt sich zusammen mit Zinkdampf als Cadmiumstaub nieder. Dieser ist Ausgangsprodukt für die Cadmiumherstellung.

Zinkstaub:

bulletgrau -blaues Pulver von Zinkmetall
bulletdessen Partikelchen von extrem dünnen Oxidhäutchen umgeben sind
bulletkann nicht ohne weiteres zu Metall zusammengeschmolzen werden.

4.2 Elektrolytisches Verfahren:

4.2.1 Herstellung von Zinkoxid

siehe Thermisches Verfahren

4.2.2 Extrahieren

Das ZnO wird mit Schwefelsäure extrahiert. Es entsteht die Zinksulfatlösung.

4.2.3 Elektrolyse

Unter Verwendung von Bleianoden und Aluminiumkathoden wird die Lösung elektrolysiert zu Elektrolytzink (schlägt sich auf Al nieder) Es entsteht Feinzink w(Zn)=99.99%.

Die verwendeten Zinksalzlösungen müssen besonders rein sein, damit die eine Überspannung entsteht und auch bestehen bleibt. Dafür benötigt man umfangreiche Anlagen. Diese Voraussetzungen sind mit erheblichen Kosten verbunden. Deshalb wurde das Muffelverfahren noch nicht ganz verdrängt. Auf die Überspannung wird später noch näher darauf

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5. Steckbrief: Zink

Das nun erhaltene Reinzink hat folgende Eigenschaften:

bulletbläulich- weißes Metal
bulletunedel
bulletSmp: 419 °C
bulletSdp: 908°C
bullet100 - 150 °C duktil
bulletbeständig gegenüber Luft und Wasser durch Bildung von Schutzschichten aus Oxid und Carbonat bzw.   Hydroxid
bulletOxidationsstufe +2

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6. Materialien und Produkte aus Zink

Zink und Zinkionen sind in vielen Produkten/ Materialien in unserem alltäglichen Leben enthalten. Zinkionen befinden sich z.B. in Wund- und Hautpflegeprodukten und in Nahrungsergänzungsmittel als Spurenelement. Zn -Verbindungen sind in Farben und Messing enthalten. In Farben kommt Zn als Zinkoxid vor. Zn ist des weiteren in Rostschutzmitteln zu finden sowie in elektronischen Geräten.

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7. Verzinkungsmethoden und Legierungen

7.1 Legierungen:

Eine weitere Möglichkeit zur Verwendung von Zn ist in Legierungen: Die bekannteste Zn- Legierung ist das Messing. Es besteht aus Zn und Cu.

bulletRotmessing: w(Zn)=20%; sehr dehnbar und korrosionsbeständig
bulletGelbmessing: w(Zn)=20-40%;Verwendung in Maschinenteile
bulletWeißmessing: w(Zn)=50-80%; kann nur vergossen werden.

7.2 Verbindungen:

In Farben kommt Zn als Zinkoxid vor. Es dient als Rostschutz, sorgt für eine leuchtend weiße Farbe und ist ein gut deckender Anstrich

7.3 Verzinkungsmethoden

Wenn Zn als Rostschutz dient, dann ist der Gegenstand verzinkt.

7.3.1 Feuerverzinken:

Zum einen gibt es das Feuerverzinken, das wohl häufigste in Deutschland. Bei diesem Verfahren wird der zu verzinkende Gegenstand in 450°C heißen Zn eingetaucht.

7.3.2 Spritzverzinken:

Mit zerstäubten fl. Zn od. das Bedecken mit Zinkstaub mit anschließendem Einbrennen.

7.3.3 Sendzimir Verfahren:

Breitgewalzter Bandstahl wird von der Rolle mit 120m pro min durch das Zinkbad gezogen.

7.3.4 Galvanische Verzinken:

Zink oder Zinklegierungen sind durch Elektrolyse auf dem Eisen abgeschieden.

In dieser Verarbeitungsform hat Zn eine große Bedeutung. So werden Geländer, Auto- Karosserien, Kleinstgegenstände z.B. Schrauben, ... verzinkt.

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8. Korrosionsschutz

Es stellt sich natürlich die Frage, warum das Zn eine derartige Rolle spielt als Korrosionsschutz: Vorhin wurde schon der Begriff der "Überspannung" erwähnt. Man bezeichnet die Überspannung als eine Spannungserhöhung.

Bei der Elektrolyse:

Zersetzungsspannung = Differenz d. Redoxpotentiale + Überspannung

Die Überspannung liegt bei Zn bei 0.70 V

Die Überspannung erlaubt die elektrolytische Abscheidung des Zn aus wässriger Lösung und macht reines Zn beständig gegenüber Wasser und sogar verdünnte Säuren.

An einer Zinkoberfläche ist die Reaktion:

2 H3O+ + 2e-                   --->             H2 + 2 H2O

kinetisch gehemmt, da eine große Überspannung auftritt. An der Eisenoberfläche ist dies nicht der Fall. Sorgt man für eine Verunreinigung der Zinkoberfläche mit Eisen z.B. durch Verzinkung bildet sich ein Lokalelement. Die bei der Auflösung von Zink gebildeten Elektronen fließen zum Eisen und können dort rasch mit H3O+ Ionen zu H2 reagieren.

E°(Zn/ Zn2+) = - 0.76 V

E°(Fe/ Fe 2+)= - 0.41V

Das Phänomen der Überspannung, das die Entladung des Wasserstoff- Ions an bestimmten Metalloberflächen behindert, liefert so eine Basis für die Bedeutung des Zn als Korrosionsschutz.

ABER: Verlust der Passivierung in Gegenwart edlerer Metalle durch Bildung eines Lokalelements.

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9. Abfall und Recycling

Egal in welcher Form das Zink unserer Gesellschaft verwendet wurde, wird es nach einigen Jahrzehnten seinen Dienst aufgeben und weggeschmissen werden. Es kommt zu den Zink Abfällen, denn Zink kann recycelt werden. Etwa 25% des weltweit produzierten Zinks werden aus Recyclingmaterialien gewonnen. Man spricht daher von Sekundärrohstoffen. Je nach vorhergehendem Einsatz der Zinkprodukte unterscheiden sich auch die Sekundärrohstoffe. Aus seiner Anwendung für Stahl als Korrosionsschutz, wird es zusammen mit dem Stahl eingeschmolzen, von dem Eisen getrennt und von der Zinkindustrie weiterverarbeitet Zinkbleche werden wieder eingeschmolzen und Messingschrotte werden in der Kupferindustrie ebenfalls wieder eingeschmolzen und zu neuen Messingprodukten umgeschmolzen.

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10. Zusammenfassung:

Zn ist ein sehr verbreitetes Metall und findet in vielen Bereichen seine Anwendung. Als Spurenelement, Metall, Legierung, Verbindung (Oxid) Zink bildet eine Oxidhaut aus und ist deshalb stabil und elastisch. Das Element besitzt eine hohe Überspannung und wird deshalb auch als Opferanode bezeichnet. Zn wird recycelt, dabei bildet sich ein Lebenszyklus des Zinks aus.

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Quellen:

  1. Heinrich Vahrenkamp, Chemie unserer Zeit/ 22. Jahrgang, 1988, VCH Verlagsgemeinschaft mbH
  2. Greenwood, Earnshaw, Chemie der Elemente, VCH Verlagsgemeinschaft mbH, 1990
  3.  E. Riedel, Anorganische Chemie, 5. Auflage, Gruyter- Verlag, 2002
  4.  A.F. Hollemann u. E. Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 101. Auflage, de Gruyter- Verlag, 1995
  5. http://www.initiative-zink.de, 30.01.2004
  6. http://feuerverzinken.de, 30.01.2004
  7. Weimann GmbH & Co Metallverarbeitung KG, Pottensteiner Straße 6a, 95447 Bayreuth
  8. http://www.seilnacht.tuttlingen.com/Minerale/, 18.02.2004.

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