Zink

Eigenschaften
[Ar] 3d10 4s2 30 Zn Periodensystem
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Zink, Zn, 30
Serie	Übergangsmetalle
Gruppe, Periode, Block	12, 4, d
Aussehen	bläulich blassgrau
CAS-Nummer	7440-66-6
Massenanteil an der Erdhülle	0,012 %[1]
Atomar [2]
Atommasse	65,409 u
Atomradius (berechnet)	135 (142) pm
Kovalenter Radius	122 pm
Van-der-Waals-Radius	139 pm
Elektronenkonfiguration	[Ar] 3d10 4s2
1. Ionisierungsenergie	906,4 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie	1733,3 kJ/mol
Physikalisch [2]
Aggregatzustand	fest
Kristallstruktur	hexagonal
Dichte	7,14 g/cm3 (25 °C)[3]
Mohshärte	2,5
Magnetismus	diamagnetisch ($ \chi _{m} $ = −1,6 · 10−5)[4]
Schmelzpunkt	692,68 K (419,53 °C)
Siedepunkt	1180 K[5] (907 °C)
Molares Volumen	9,16 · 10−6 m3/mol
Verdampfungswärme	115 kJ/mol[5]
Schmelzwärme	7,35 kJ/mol
Schallgeschwindigkeit	3700 m/s
Spezifische Wärmekapazität	388 [1] J/(kg · K)
Elektrische Leitfähigkeit	16,7 · 106 A/(V · m)
Wärmeleitfähigkeit	120 W/(m · K)
Chemisch [2]
Oxidationszustände	2
Normalpotential	−0,7926 V (Zn2+ + 2 e− → Zn)
Elektronegativität	1,65 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP 64Zn 48,6 % Stabil 65Zn {syn.} 244,06 d β+ 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
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
NMR-Eigenschaften
Spin γ in rad·T−1·s−1 Er(1H) fL bei B = 4,7 T in MHz 67Zn 5/2 1,677 · 107 0,000118 6,26
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung aus EU-Verordnung (EG) 1272/2008 (CLP) [6] Pulver Gefahr H- und P-Sätze H: 260​‐​250​‐​410 P: 222​‐​223​‐​231+232​‐​273​‐​370+378​‐​422 [7] Gefahrstoffkennzeichnung aus EU-Verordnung (EG) 1272/2008 (CLP) [6] Pulver Leicht- entzündlich Umwelt- gefährlich (F) (N) (F gilt nur für die nicht stabilisierte Form) R- und S-Sätze R: 15-17-50/53 (nicht stabilisiert) R: 50/53 (phlegmatisiert) S: (2)-43-46-60-61 (nicht stabilisiert) S: 60-61 (phlegmatisiert)
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Zink ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol 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.

Geschichte

Bereits im Altertum war Zink als Legierungsbestandteil von Messing in Gebrauch. Als eigenständiges Metall wurde es jedoch erst im 17. Jahrhundert in Indien entdeckt und verarbeitet.^[8] Bereits in dem 1679 erbauten Messinghof in Kassel wurde Galmei verhüttet. Im Jahre 1743 wurde in Bristol eine erste Zinkhütte in Betrieb genommen. Weitere entstanden im 19. Jahrhundert in Oberschlesien, z. B. Georg von Giesche bzw. deren Nachfolgefirma, im Aachen-Lütticher Raum sowie in Obersachsen und in Westfalen. Im Ruhrgebiet entstanden die ersten Hütten 1845 in Mülheim an der Ruhr und 1847 in Borbeck (heute Essen).

Vorkommen

Zink ist auf der Erde mit einem Gehalt von 0,0076 % (oder 76 ppm^[3]) an der Erdkruste ein relativ häufiges Element. Wenn man die Elemente nach Häufigkeit ordnet, steht es damit an 24. Stelle.^[3] Es ist häufiger als Kupfer oder Blei. Zink kommt zwar nur selten gediegen vor, ist jedoch als Mineral meist anerkannt.^[9] Bisher sind rund 30 registrierte Fundorte für gediegen Zink bekannt.^[10]

Überwiegend findet sich Zink gebunden in Erzen. 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 Zinkspat oder Galmei) ZnCO₃ (ca. 52 % Zink). Daneben existieren noch seltenere Zinkmineralien wie unter anderem Zinkit (auch Rotzinkerz) ZnO (ca. 73 % Zink), Hemimorphit Zn₄(OH)₂[Si₂O₇] (54 % Zink), Adamin Zn₂(AsO₄)(OH) (ca. 45 % Zink), Minrecordit CaZn[CO₃]₂ (ca. 29 % Zink) und Franklinit (Zn,Fe,Mn)(Fe₂Mn₂)O₄ (16 % Zink). Insgesamt sind zur Zeit (Stand: 2010) über 300 Zink-Minerale bekannt.^[11]

Große Lagerstätten existieren in Nordamerika (Vereinigte Staaten, Kanada), Australien, der Volksrepublik China und Kasachstan. Auch in Deutschland gab es Zinkerzlagerstätten, beispielsweise in Brilon, im Raum Eschweiler-Stolberg 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 Smithsonit (Galmei) benannt ist.

Staaten mit der größten Förderung

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.^[12] Die bedeutendste Firma für die Gewinnung von Zink ist die schweizerische Nyrstar.

Die Staaten mit der größten Förderung weltweit (2004)^[13]

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	Mexiko	426	17	Namibia	66
8	Kasachstan	360	18	Nordkorea	62
9	Indien	341	19	Japan	47
10	Schweden	199	20	Honduras	41

Siehe auch: Liste der größten Zinkproduzenten

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.

$ \mathrm {2\ ZnS\ +\ 3\ O_{2}\ \longrightarrow 2\ ZnO\ +\ 2\ SO_{2}\uparrow } $

Wird Smithsonit als Rohstoff verwendet, kann dies durch Brennen unter Abspaltung von Kohlenstoffdioxid erfolgen.

$ \mathrm {ZnCO_{3}\ \longrightarrow \ ZnO\ +\ CO_{2}\uparrow } $

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.^[14] Dabei wird das Zinkoxid mit feingemahlener Kohle vermengt und in einem Gebläseschachtofen (Imperial-Smelting-Ofen) auf 1100–1300 °C^[14] 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.

$ \mathrm {ZnO\ +\ CO\ \longrightarrow \ Zn\uparrow +\ CO_{2}} $

Reduktion des Zinks

$ \mathrm {CO_{2}\ +\ C\ \longrightarrow \ 2\ CO} $

Boudouard-Gleichgewicht

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. Als Nebenprodukt der Destillation fällt feinpulvriges Zink, der sogenannte Zinkstaub, an.^[15]

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^[14]).

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 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, wie hier am Beispiel der Umsetzung eines Kupfersalzes gezeigt wird:

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

Isotope

Von Zink sind insgesamt 29 Isotope von ⁵⁴Zn bis ⁸³Zn und weitere zehn Kernisomere bekannt.^[16] Davon sind fünf, die Isotope ⁶⁴Zn, ⁶⁶Zn, ⁶⁷Zn, ⁶⁸Zn und ⁷⁰Zn stabil und natürlich. Es gibt keine radioaktiven natürlichen Isotope. Das häufigste Isotop ist ⁶⁴Zn mit 48,63 % Anteil am natürlichen Isotopenverhältnis. Danach folgen ⁶⁶Zn mit 27,90 %, ⁶⁸Zn mit 18,75 %, ⁶⁷Zn mit 4,10 % und als seltenstes natürliches Isotop ⁷⁰Zn mit einem Anteil von 0,62 %.^[16] Das stabilste künstliche Isotop ist der Beta- und Gammastrahler (K/β⁺-Zerfall) ⁶⁵Zn mit einer Halbwertszeit von 244 Tagen. Dieses und das Kernisomer ^69m dienen als Tracer. Als einziges natürliches Isotop kann ⁶⁷Zn durch die NMR-Spektroskopie nachgewiesen werden.

→ Liste der Zink-Isotope

Verwendung

Zink, kristallines Bruchstück und sublimiert.

Im Jahr 2006 wurden über elf Millionen Tonnen Zink verbraucht.^[17] Davon wurden 47 %^[17] 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 Sandguss 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.^[18]

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^[18]). 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.^[19] 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 (Phosphatierung), die Verfahren, wie das Bondern von Blechen erst ermöglichen.

Zink in Batterien

Zink-Braunstein-Zelle im Schnitt

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

Dachdeckung aus Zinkblech (Toruń)

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 sollte nicht verwechselt werden mit feuerverzinktem Stahlblech, welches fälschlich auch des Öfteren Zinkblech genannt wird.

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

Auto aus Zinkdruckguss mit Anguss und nicht entgratet

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.

Analytik

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

Organische Chemie

In der Organischen Synthese dient es verschiedenen Zwecken. So fungiert es als Reduktionsmittel und kann als solches in unterschiedlicher Weise aktiviert sein.^[20] Ein Beispiel ist die Clemmensen-Reduktion von Carbonylverbindungen mit amalgamiertem Zink. Des Weiteren lassen sich Allylalkohole zu Alkenen reduzieren^[21], Acyloine zu Ketonen.^[22] Die Reduktion der aromatischen Nitrogruppe kann in Abhängigkeit von den Reaktionsbedingungen zu unterschiedlichen Produkten führen: Arylamin, Arylhydroxylamin^[23], Azoaren^[24], N,N’-Diarylhydrazin.

Im metallorganischen Bereich bieten Zinkorganyle gegenüber Grignard-Verbindungen Selektivitätsvorteile, da sie in der Regel weniger reaktiv sind und mehr funktionelle Gruppen tolerieren – ein Umstand, von dem die Reformatzky-Reaktion^[25] Gebrauch macht. Die Organyle lassen sich auf direkte Weise oder durch Transmetallierung herstellen. In Gegenwart asymmetrisch komplexierender Auxiliare, von denen mitunter katalytische Mengen ausreichen, ist eine stereoselektive Addition möglich. Der Effekt der Chiralitätsverstärkung wurde beobachtet.^[20]

Nicht zuletzt ist die Halogeneliminierung^[26][27] und Dehalogenierung^[28] möglich. Die Simmons-Smith-Reaktion^[29] zählt zu den selteneren Präparationsmethoden. Die Zeitschrift Organic Syntheses verzeichnet eine Reihe von Synthesen, in denen elementares Zink als Reagenz dient.^[30]

Biologische Bedeutung

Nahrungsmittel, die Zink enthalten

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 Männer bei 15 mg, für Frauen bei 12 mg, für präpubertäre Kinder bei 10 mg und für Säuglinge bei 5 mg.^[31] In den Vereinigten Staaten beträgt die Aufnahme durch Nahrung gegenwärtig 9 mg/Tag für Frauen und 14 mg/Tag für Männer. Das Tolerable Upper Intake Level für Erwachsene beträgt 40 mg/Tag.^[32] Eine Zufuhr von mehr als 100 mg pro Tag ist nicht empfehlenswert, ab 200 Milligramm können Symptome wie Übelkeit, Erbrechen oder auch Durchfall auftreten.^[33] Beim Menschen führt die Aufnahme von Zink ab etwa 2 Gramm zu akuten Vergiftungserscheinungen.^[34]

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.^[35] Während bisher angenommen wurde, dass Zink das Immunsystem fördert wurde nun festgestellt, dass es eher einen hemmenden Effekt auf das Immunsystem hat, dadurch aber auch überschießende Reaktionen verhindern kann^[36].

Wird Zink in hoher Dosis aufgenommen, indem z. B. beim Brennschneiden verzinkter Stähle Zinkdämpfe eingeatmet werden, so entsteht das sogenannte „Zinkfieber“. Hierbei entwickelt der Vergiftete grippeähnliche Symptome mit zum Teil starken Fieberanfällen. Die Symptome klingen im Allgemeinen nach 1–2 Tagen wieder ab.

Leistungssteigerung

Eine 2005 auf einer Konferenz der US-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.^[37]

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 Säuglingen, Senioren, Jugendlichen und Frauen im gebärfähigen Alter.^[38]

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.^[39]

Zinkmangel wird häufig durch einen hohen Kupferspiegel verursacht (z. B. bei reichlichem Trinkwassergenuss aus häuslichen Kupferrohrnetzen), da Zink und Kupfer Antagonisten sind.^[40] Selbiges gilt für Eisen, z. B. durch eine sehr eisenreiche Ernährung oder die Einnahme von eisenhaltigen Medikamenten.^[41] Die Aufnahme von Zink (wie auch anderen Metallionen) aus dem Darm wird ebenfalls durch phytinsäurehaltige Nahrungsmittel vermindert.^[42]

Folgende Nahrungsmittel sind gute Zinkquellen:

• rote Fleischsorten
• Käse
• Weizenkeime (Weizen)
• Walnüsse und Pekannüsse
• Pilze und Hefen
• Linsen
• Meeresfrüchte und Schalentiere
• Grüner Tee

Erdnüsse enthalten zwar relativ viel Zink (ca. 3 mg pro 100 g), aber wie andere Hülsenfrüchte auch viel Phytinsäure, welche die Aufnahme behindert.^[42] Gleiches gilt für Ölsaaten und Vollkornprodukte.

Zinkgehalt in Lebensmitteln

Tabelle für Lebensmittel mit^[43][44]

sehr viel Zink	pro 100 g	viel Zink	pro 100 g	durchschnittlich viel Zink	pro 100 g	wenig Zink	pro 100 g
Austern	7,0–160,0 mg	Paranüsse	4,0 mg	Hirse	3,4 mg	Huhn	1,0 mg
Leber (Kalb, Schwein, Rind)	bis zu 6,3 mg (Schwein)	Lamm	2,3–6,0 mg	Knäckebrot	3,1 mg	Fisch	0,4–1,1 mg
Sojamehl	5,7 mg	Linsen (getrocknet)	3,7 mg	Nudeln (ungekocht)	3,1 mg	Gemüse	0,2–1,0 mg
Emmentaler 30 % o. 45 % F.i.Tr.	4,6 mg	Sojabohnen (getrocknet)	0,7–4,2 mg	Walnuss	2,7 mg	Joghurt	0,3–0,5 mg
Haferflocken	4,0–4,5 mg	Mais	2,5–3,5 mg	Vollkornkekse	2,7 mg	Kartoffel	0,4–0,6 mg
Butterkäse (Tilsiter, Gouda)	3,5–4,0 mg	Erdnüsse (geröstet)	3,0–3,5 mg	Camembert	2,7 mg	Vollmilch	0,4 mg
Rindfleisch	3,0–4,4 mg	Weizenmischbrot	3,5 mg	Bohnen (weiß)	2,6 mg	Obst	0,1–0,5 mg

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. Zinkhaltige Salben werden bei der Wundheilung und Hautausschlägen (Ekzeme) angewendet.^[45]

Das indische Institute of Medical Education und Research konnte jüngst bei einer für die Cochrane Collaboration durchgeführten Auswertung (Metaanalyse) von insgesamt 15 publizierten klinischen Studien zur Behandlung bzw. Prävention von Erkältungskrankheiten mit Zink eine mildernde und die Krankheitsdauer verkürzende Wirkung feststellen.^[46][47] Ältere Untersuchungen konnten dies bisher nicht nachweisen.^[48][49]

2004 gaben World Health Organization (WHO) und die United Nations Children’s Fund (UNICEF) eine Stellungnahme zur Behandlung akuter Diarrhöe (Durchfall) ab, in der sie die gemeinsame Behandlung mit Zink und Oraler Rehydrationslöung (ORS) empfahlen^[50].

Wirkung bei Tieren

Für einige Tierarten ist bereits eine kontinuierliche Aufnahme von kleinsten Mengen riskant. So birgt für Papageien eine regelmäßige Aufnahme von 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 würden.

Nachweis

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 Rinmans-Grün zu erkennen.

Die quantitative Bestimmung kann mittels Komplexometrie mit einer EDTA-Maßlösung erfolgen. Zur Spurenbestimmung kommen die verschiedenen Methoden der Polarographie in Frage. Im Ultraspurenbereich setzt man die Graphitrohr-AAS ein. Zink ist ein relativ leicht flüchtiges Element, weshalb Matrixmodifizierer wie Palladium- und Magnesiumnitrat von Bedeutung sind, weil sie die mögliche Pyrolysetemperatur heraufsetzen. Alternativ bieten sich die Inversvoltammetrie oder die ICP-MS als äußerst empfindliche instrumentelle Methoden an.

Wichtige Verbindungen

→ Kategorie: Zinkverbindung

• Diethylzink
• Zamak
• Zinkacetat (Zn(CH₃COO)₂)
• Zinkchlorid (ZnCl₂)
• Zinkoxid (ZnO)
• Zinksulfid (ZnS), mit verschiedenen Metallen dotiertes Zinksulfid zeigt Phosphoreszenz.
• Zinkstearat (Zn(C₁₈H₃₅O₂)₂)
• Zinkcarbonat

Einzelnachweise

Literatur

• L. Engelskirchen: Zink : das achte Metall. LWL-Freilichtmuseum Hagen. Essen, 2006. (Forschungsbeiträge zu Handwerk und Technik ; 16). ISBN 978-3-89861-653-9.
• W. Hommel: Zur Geschichte des Zinks. Chemiker-Zeitung 36(95), S. 905–906 (1912), ISSN 0009-2894.
• Heinrich Vahrenkamp: Zink, ein langweiliges Element?, in: Chemie in unserer Zeit, 1988, 22 (3), S. 73–84.
• 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.
• Holleman-Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1.
• N. N. Greenwood, A. Earnshaw: Chemie der Elemente, 1. Auflage, VCH Verlagsgesellschaft, Weinheim 1988, ISBN 3-527-26169-9.
• Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente - das Periodensystem in Fakten, Zahlen und Daten, S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.

Weblinks

Commons: Zink – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Zink – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Wikibooks: Praktikum Anorganische Chemie/ Zink – Lern- und Lehrmaterialien

• Mineralienatlas:Zink, Mineralienatlas:Mineralienportrait/Zink (Wiki)

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