(WT1-30) – Zink – Eigenschaften

In diesem Kurstext erklären wir dir als angehenden Techniker was Zink ist und wodurch es sich auszeichnet.

Für ein optimales Verständnis helfen dir eine Vielzahl von Beispielen zu dem Thema.

„Es ist ein sprödes Metall mit bläulich-blassgrauem Glanz, welches zum Verzinken von Eisen und Stahl verwendet wird. Auch für Mensch und Tier ist es lebenswichtig als Bestandteil einiger Enzyme. Auch für die Herstellung von Wasserstoff wird dieses Metall genutzt.“

Zink - Schutzmaterial für andere Metalle — Zink – Schutzmaterial für andere Metalle

Zink – Grundlagen

Es zählt ebenfalls zur Gruppe der Nichteisenmetalle. Im Periodensystem findest du es unter dem Elementsymbol Zn und der Ordnungszahl 30.

Es steht in der 2. Nebengruppe, beziehungsweise Gruppe 12 (IUPAC-Bezeichnung), Erdalkalimetalle. Es ist ein Übergangsmetall.

Der Name Zink entstammt Wort Zind abgeleitet von Zahn oder Zacke. Zacke weil es aus dem schmelzflüssigen Zustand zackenartig erstarrt.

Schon im Altertum war es ein Legierungsbestandteil für die Herstellung von Messing.

Merk’s dir!

Ab dem 14 Jahrhundert wurde es als eigenständiges Material in Indien verwendet.

Weltmarkt, Vorkommen, Handel

Es ist ein Metall, dass an den Weltmärkten mit einem Preis von ca. 1350 EUR/t gehandelt wird. Daher ist der Handel mit sowie das Recyclen von dem Metall ein interessanter Wirtschaftszweig.

Es steht in der Liste der häufigsten Elemente in der Erdkruste an 24. Stelle und liegt dort vorwiegend gebunden vor. Die Produktionsmenge liegt seit Jahren bei ungefähr 13,4 Mio. Tonnen pro Jahr. Darüber hinaus wurden 14 Mio. Tonnen über Recycling-Kreisläufe gewonnen.

Der Abbau von Zinksulfiderzen, also dem Ausgangsmaterial von dem Metall, findet vorrangig in China, Peru, Australien, USA und Mexiko statt.

Die Produktion vom Reinmetall oder einer Legierungen des Metalls führen die Länder China, Australien, Kanada, Peru sowie USA an. China dominiert diese Liste mit 5.100 t pro Jahr vor dem 2. Platz Peru mit 1400 t pro Jahr.

Die größten Reserven zur Förderungen besitzen Australien (64.000 t), China (41.000 t), Peru (28.000 t) sowie Mexiko (20.000 t) und Kasachstan (13.000 t)

Eigenschaften

Nachfolgend findest du eine Auflistung der wichtigsten Eigenschaften des Metalls.

Die Gitterstruktur ist hexagonal.

sowie

In Kontakt mit der Umgebungsluft reagiert es mit Sauerstoff und bildet an der Oberfläche eine beständige sowie dichte Oxidschicht aus. Die Reaktion mit heißem Wasser fällt äußerst stark aus und in Verbindung mit Sauerstoff sowie Flammen ist es entzündlich.

sowie

Die Dichte beträgt $7,14 \frac{g}{cm^3}$ . Somit zählt es zu den Schwermetallen und eignet sich hervorragend für Legierungen.

sowie

Der Schmelzpunkt liegt bei 419,53 °C und die Siedetemperatur liegt bei 907 °C

sowie

Die elektrische Leitfähigkeit beträgt $16,7 \cdot 10^6 \frac{S}{m}$ [S = Siemens, m = Leiterlänge]

sowie

Die Zugfestigkeit liegt bei der Reinform bei $130 \frac{N}{mm^2}$ .

sowie

Bei Raumtemperatur ist das Metall spröde, jedoch ab einer Temperatur von 120 °C wird es duktil und gut formbar.

sowie

Der E-Modul (Elastizitätsmodul) liegt bei ca. 95 GPa und bei gewalztem Zink bei ca. 120 GPa.

sowie

Die Wärmeleitfähigkeit ist mit $120 \frac{W}{Km}$ vergleichsweise mittelmäßig.

Wichtig für Enzyme

Es ist auch ein sehr wichtiger Bestandteil der Enzyme (in 200 verschiedenen) in unserem Körper und den Körper aller Lebewesen. Fleisch, Käse, Kürbiskerne, Linsen und weitere Lebensmittel enthalten das Metall als Spurenelement. Besonders Erdnüsse enthalten relativ viel dieses Metalls.

Herstellung

Im Grundzustand liegt das NE-Metall chemisch gebunden in

Zinksulfid ( $ZnS$ )

sowie

Zinkspat ( $ZnCO_3$ )

sowie

Kieselzinkerz ( $Zn_4(OH)_2[Si_2O_7]\cdot H_2O$ )

vor.

Liegt es in Reinform vor, so wird mit Hilfe von zwei unterschiedlichen Verfahren erzeugt. Wir unterscheiden für die Erzeugung aus dem oxidischen Zustand die

Verhüttung (60%) – Trockenes Verfahren (thermisch)

und

Elektrolyse (40%) – Nasses Verfahren (elektrolytisch)

Welches Verfahren letztlich ausgewählt wird, richtet sich nicht nach dem späteren Verwendungszweck, sondern nach der vor Ort am kostengünstigsten Energieform.

Zinkoxid

Wir bereits erwähnt liegt uns der Rohstoff in Form von Zinksulfid und -spat vor. Für eine weitere Verarbeitung benötigen wir jedoch die Oxidform. Um dieses aus der jeweiligen Rohstoffform gewinnen zu können, nutzt man zwei unterschiedliche Verfahren.

Zinksulfid

Um das Oxid aus Zinksulfid zu erhalten, röstet man dieses. Die chemische Reaktionsgleichung hierfür ist:

$\boxed{ 2 ZnS + 3 O_2 \rightarrow 2 ZnO + 2 SO_2 }$

Zinkspat

Um Oxid aus Zinkspat zu erhalten, brennt man dieses. Hier ist die chemische Reaktionsgleichung folgende:

$\boxed{ 2 ZnCO_3 \rightarrow ZnO + CO_2 }$

Verhüttung von Zinkoxid – Verfahren

Hier findet die Reaktion bei einer Prozesstemperatur von 1100-1300 °C statt. Als Reaktionsraum dient dabei ein Muffelofen. Da das Metall bei einer Temperatur von 908 °C in den gasförmigen Aggregatszustand übergeht, liegt es im Ofen gasförmig vor.

Dadurch wird die Reaktion zwar beschleunigt, jedoch neigt es im gasförmigen Zustand zur Tröpfchenbildung und in Kontakt mit der Umgebungsluft bildet sich eine Oxidschicht aus, womit wir durch diese Rückreaktion erneut beim Zinkoxid wären. Deshalb gilt es einen Kontakt mit Sauerstoff gänzlich zu vermeiden. Ein hingegen willkommener Reaktionspartner ist hingegen Kohle, bzw. das bei der Verhüttung von diesem und anderen Metallen sich bildende Kohlenmonoxid.

Im Boudouard-Gleichgewicht kann es als Gas an der gesamten Oberfläche des Erzes reduzieren.

Reaktionsgleichungen:

$\boxed{ ZnO (s) + Co \rightarrow Zn (g) + CO_2 }$

Dabei steht (s) = solid (fest) und (g) = gas (gasförmig)

Das Boudouard-Gleichgewicht ist wie folgt:

$\boxed{ CO_2 + C \rightarrow 2 CO }$

Daraus erhält man,

$\boxed{ ZnO (s) + C \rightarrow Zn (g) + CO }$

Der Gehalt des Rohmetalls liegt nach Abschluss der Verhüttung bei ca. 98%. Aufgrund der noch in der Rohform befindlichen Nebenprodukte wie Eisen, Blei, Cadmium sowie Arsen, schließt sich an die Verhüttung zumeist eine Reinigung an.

Diese erfolgt über eine zweischrittige fraktionierende Destillation. Denn jedes Metall besitzt einen unterschiedlichen Siedepunkt, der uns hier zum Nutzen wird.

Destillation – Schritt 1

Leider liegt der Siedepunkt von Cadmium (767,3 °C) unterhalb von Rohzink (908,5 °C), weshalb diese zuerst gemeinsam von den anderen Fraktionen Blei (1751 °C) und Eisen (3070 °C) getrennt werden müssen.

Bei einer Prozesstemperatur unterhalb von 1500 °C verbleiben Blei und Eisen im Rückstand. Cadmium und Rohzink haben sich verflüchtigt und kondensieren anschließend.

Destillation – Schritt 2

Uns liegt jetzt ein eisen- und bleifreies Metall vor, das in zweiten Destillationsschritt zusammen mit dem Cadmium soweit erhitzt wird, dass das Cadmium sich verflüchtigt und das Feinzink mit einer Reinheit von 99,99 % in flüssiger Form zurückbleibt.

Abschließend kühlt man die Schmelze wieder ab und verarbeitet sie weiter.

Elektrolyse von Zinkoxid – Verfahren

Bei der Elektrolyse wird das Oxid in einer Zinksulfatlösung mit Schwefelsäure extrahiert. Durch die Elektrolyse sammelt sich das Elektrolytzink an den Aluminiumkathoden an und wird alle 24 Stunden abgezogen. Die Anoden bestehen aus Blei.

Anschließend kann das es umgeschmolzen werden.

Verwendung

Das Metall wird in vielen Bereichen der Industrie verwendet. Als Überzug schützt es Metalle wie Eisen vor einer Korrosion. Hierbei unterscheiden wir zwischen dem Feuerverzinken und dem Galvanisieren durch Eintauchen in das flüssige Metall. Durch letzteres wird der metallische Werkstoff mit einer Zinkschicht versehen.

Hauptsächlich dient es zum Schutz vor Korrosion. Selbst wenn Bereiche des Metalls nicht von einer Schicht überzogen sind, wird es durch die Fernwirkung geschützt. Dies ist eine Eigenschaft, die dieses Metall besonders auf den Außeneinsatz so attraktiv macht.

Zudem wird das Metall in Zink-Mangan-Zellen eingesetzt und geht somit als Bestandteil in Batterien ein.

Legierungen

Als Legierungselement kann es maßgeblich Einfluss auf die Beständigkeit von anderen Metallen nehmen indem es bestimmte Eigenschaften verstärkt und störende Eigenschaften unterdrückt.

So kann es auch genutzt werden, um Gold oder Silber aus bestehenden Legierungen abzutrennen.

Nennenswerte Legierungen sind:

Kupfer-Zink-Legierungen (CuZn): Messing

Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen (CuNiZn): Neusilber

Reinform

In erster Linie nutzt man es als Überzugsmaterial. Ihm kommt im Stahl- und Maschinenbau die Aufgabe des Korrosionsschutzes von Eisen und Stahl zu.

Als Konstruktionswerkstoff wird des für Anoden sowie Druckplatten in galvanischen Elektrolysezellen verwendet.

Auch in der Bauwirtschaft wird das Metall als Titanzink verwendet.

Beispiel: Verwendungsmöglichkeiten

Beispiele für die Verwendung im Bauwesen sind:

Dachrinnen,

sowie

Fallrohre

sowie

Dacheindeckungen

sowie

Traufbleche

Weitere Beispiele bei denen das Metall eingesetzt wird:

Fahrzeuge

sowie

Wasserhähne

sowie

Sonnencreme

NE-Metall für die Gewinnung von Wasserstoff

Im Solznic-Verfahren nutzt man das Metall zur Erzeugung von Wasserstoff. In zwei Schritten wird Zinkoxid zuerst durch Wärmeeinfluss (Sonne) in Zink und Sauerstoff aufgetrennt und anschließend das Metall zusammen mit Wasser zu dem Oxid und Wasserstoff umgewandelt. Dank des Metalls wird das Wasser aufgespalten.

Nachdem du jetzt ausreichend im Bilde darüber bist was Zinn auszeichnet, wie es verwendet wird und was es bei der Herstellung bzw. Gewinnung dieses Metalls zu beachten gilt, stellen wir dir im kommenden Kursabschnitt ausführlich Verbundwerkstoffe vor. Diese stellen eine Kombination aus unterschiedlichen, aber mindestens zwei Werkstoffen dar.

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