(WT1-30) – Zink – Eigenschaften

Inhaltsverzeichnis

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

 

„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!
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.

 

Zink - Schweißen
Schweißen

 

  • 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.

 

undefiniert
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.

 

Verzinkte Treppen
Verzinkte Treppen

 

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.

 

undefiniert
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

 

undefiniert
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.

 



wie gehts weiter?
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. 

 

Trainingsbereich

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