Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 27.04.16

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Die Herstellung von Zink

Vortrag von Sven Denzler im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Anorganische Chemie", WS 2006/07

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Gliederung

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1 Einleitung

Wir alle brauchen Zink. Wir bemerken es nur selten. In vielen Gegenständen des Alltags wird Zink verwendet. Ob das verzinkte Auto in der Garage, die Dachrinne, der Wasserhahn im Bad, die Batterie in der Fernbedienung oder die Sonnencreme - all diese Gegenstände enthalten Zink. Wie der Rohstoff aus dem Bergbau zu reinem Zink verarbeitet wird, welche Herstellungsmethoden und Ausgangsstoffe es gibt, erfahren Sie im folgenden Vortrag.

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2 Vorkommen

Zink kommt hauptsächlich in drei verschiedenen Verbindungen vor: Zinksulfid ZnS, Zinkspat ZnCO3 und Kieselzinkerz Zn4(OH)2[Si2O7]*H2O.

2.1 Zinksulfid

Zinksulfid kommt in der Natur als kubische "Zinkblende" ("Sphalerit") und als hexagonaler "Wurtzit" vor.

[Hier befand sich ein Bild von Zinkblende, welches aufgrund einer Verletzung des Urheberrechts entfernt wurde.]

 Abb. 1: Zinkblende [3]

[Hier befand sich ein Bild von Wurtzit, welches aufgrund einer Verletzung des Urheberrechts entfernt wurde.]


Abb. 2: Wurtzit [4]

2.2 Zinkspat

[Hier befand sich ein Bild von Zinkspat, welches aufgrund einer Verletzung des Urheberrechts entfernt wurde.]

 
Abb. 3: Zinkspat ("edler Galmei","Smithsonit") [5]

2.3 Kieselzinkerz


Abb. 4: Kieselzinkerz ("Kieselgalmei","Hemimorphit") [6]

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3. Die Herstellungsmethoden

Zink kann – wie die meisten Metalle – mit Hilfe der Verhüttung oder der Elektrolyse hergestellt werden. Heute sind die Anteile der Welterzeugung nahezu gleich verteilt. Die Verhüttung wird zu 60%, die Elektrolyse zu 40% angewendet. Ausschlaggebend ist eigentlich nur, welche Energieform an Ort und Stelle billiger ist.


Abb. 5: prozentuale Verteilung der weltweiten Zinkproduktion

3.1 Zinkoxid als Ausgangsstoff

Bei beiden Herstellungsmethoden wird der Ausgangsstoff Zinkoxid benötigt. Er wird durch Rösten von Zinksulfid oder durch Brennen von Zinkspat bereitgestellt.

Rösten von Zinksulfid:

2 ZnS + 3 O2 ---> 2 ZnO + 2 SO2                                       dH= -349,4 kJ/mol

Brennen von Zinkspat:

ZnCO3 ---> ZnO + CO2                                                      dH= +71,05 kJ/mol

3.2 Das trockene Verfahren - Die Verhüttung

Zink verdampft bei 908°C, die Reaktionstemperatur im Muffelofen liegt aber bei 1100-1300°C. Deshalb wird Zink im Ofen gasförmig. Damit wird zwar die Reaktion beschleunigt, weil das Reaktionsprodukt den Fortlauf der Reaktion nicht beeinträchtigt, aber die entstehenden Zinkdämpfe bilden eine große technische Herausforderung, insbesondere weil die kondensierenden Zinktröpfchen bei Kontakt mit Sauerstoff eine Oxidschicht bilden, also zum Ausgangsstoff zurück reagieren.


Abb. 6: Muffelofen [1]

ZnO (s) + CO ---> Zn (g) + CO2                                                dH= +196,1 kJ/mol

CO2 + C  ---> 2 CO            Boudouard-Gleichgewicht      dH= +172,6 kJ/mol _______________________________________________________________

ZnO (s) + C ---> Zn (g) + CO                                                    dH= +368,7 kJ/mol

Man beachte, dass bei jeder Verhüttung von Metallen mit Kohle nicht die Kohle an sich reduzierend wirkt, sondern das im Boudouard-Gleichgewicht gebildete Kohlenmonoxid. Der Vorteil ist natürlich, dass ein gasförmiges Reduktionsmittel an der gesamten Oberfläche des Erzes reduzieren kann, ein Feststoff nur an den Kontaktflächen.

Das entstehende Rohzink ist 97-98%ig und enthält stets mehrere Prozente Blei und einige Zehntelprozente Eisen, sowie kleine Mengen von Cadmium und Arsen. Die Reinigung dieses Rohzinks erfolgt durch fraktionierende Destillation, wobei Zink (Sdp. 908.5°C) und Cadmium (Sdp. 767.3°C) zuerst übergehen, während Blei (Sdp. 1751°C) und Eisen (Sdp. 3070°C) im Rückstand verbleiben. Das blei- und eisenfreie Zink wird dann nochmals destilliert und kondensiert, wobei sich der größere Teil des Zinks als Feinzink (99.99%) verflüssigt, während sich das flüchtigere Cadmium zusammen mit Zinkdampf als "Cadmiumstaub" (~40% Cd) niederschlägt.

3.3 Das nasse Verfahren - Die Elektrolyse

Beim nassen Verfahren wird das durch Brennen bzw. Rösten hergestellte Zinkoxid mit Schwefelsäure extrahiert und die erhaltene Zinksulfatlösung unter Verwendung von Bleianoden und Aluminiumkathoden elektrolysiert. Das sich auf dem Aluminium niederschlagende Elektrolytzink wird alle 24 Stunden abgezogen und umgeschmolzen.

ZnO (s) + H2SO4 ---> ZnSO4 (aq) + H2O
Kathodengleichung: Zn2+ + 2 e- ---> Zn0
Anodengleichung:    SO42- + Pb0 ---> PbSO4 + 2 e-
______________________________________
Gesamtgleichung:    ZnSO4 + Pb ---> PbSO4 + Zn

3.4 Modellversuch: Elektrolyse von ZnI2

 [Hier befand sich ein Bild von der Elektrolyse von Zinkiodid, welches aufgrund einer ungültigen Quellenangabe entfernt wurde.]


Abb. 7: Elektrolyse von Zinkjodid [7]

Zeitbedarf: 3 min

  Anode Kathode
Beobachtung Blaufärbung der Stärkelösung kleine Nadeln "wachsen"
Deutung Iodnachweis elementares Zink

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4 Schluss

Wer aber glaubt, dass Zink austauschbarer Luxus für unseren Alltag ist, dass Karosserien aus Kunststoff nicht rosten, Wasserhähne und Dachrinnen nicht unbedingt aus Zink sein müssen und im deutschen Sommer sowieso niemand Sonnencreme braucht, der übersieht die Tatsache, dass Zink nicht nur außerhalb unseres Körpers für wichtige Anwendungen gebraucht wird. Als Kind wurden vielleicht auch Sie zum exzessiven Konsum von Spinat gezwungen, und warum? Angeblich enthält dieser viel Eisen, welches zum Transport von Sauerstoff im Blut benötigt wird. Obwohl für das Ausscheiden des aus dem Sauerstoff gebildeten Kohlendioxids Zink benötigt wird, werden Sie sich aber wohl kaum an den Satz: "Iss viel Gemüse XY, das enthält viel Zink!" erinnern können. Falls Sie also in der nächsten Zeit eine Mineralflasche sehen: Freuen Sie sich, dass es Zink gibt!


Abb. 8: Um CO2 aus dem Körper auszuscheiden benötigt der Körper die Carboanhydrase. Sie hat Zn als aktives Zentrum. [8]

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5.Literatur:

  1. Holleman-Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 101. Auflage, S. 1365-1371

  2. Vahrencamp, H.; Chemie in unserer Zeit, 22. Jahrg. 1988, Seiten 73-84

  3. http://www.seilnacht.com/Minerale/1Zinkbl3.htm, 27.11.2006

  4. http://www.theochem.uni-duisburg.de/AOC/geismar/  27.11.2006

  5. http://www.seilnacht.com/Lexikon/48Cadmi.htm 27.11.2006

  6. http://www.mineralium.com/Media/Shop/hem-005.jpg 08.02.2007 (Copyright © 2003-2016 Mineralium.de)

  7. http://www.tgs-chemie.de/seite10.htm ,27.11.2006

  8. http://www.uni-duesseldorf.de/home/Jahrbuch/2002/Grieshaber/ ,27.11.2006 (verschollen)

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