Zn

Zink


Het blauwig witte metaal zink is de grote ijzerbeschermer. Een dun laagje zink beschermt staal in auto's, vangrails en nog veel meer toepassingen. Als legeringselement is zink vooral bekend van messing (samen met koper). Zinkoxide heeft een enorm breed toepassingenscala, van verf, rubber en cosmetica tot batterijen en zeep. Het zorgt onder andere voor de UV-beschermende werking van zonnebrandcrèmes. Zink is een essentieel element voor dier en mens. Het is onder andere van belang voor de inbouw van ijzer in hemoglobine, voor de botvorming en voor het activeren van enzymen. Een volwassen mens heeft per dag ongeveer tien tot twintig milligram zink nodig.
Symbool Zn Protonen/elektronen 30
Groep 12 Isotopen 64Zn, 66Zn, 67Zn, 68Zn, 70Zn
Periode Elektronenconfiguratie [Ar] 4s2 3d10
Blok d Elektronegativiteit 1,7 (Pauling)
Bij kamertemperatuur vast Atoomstraal 133 10-12m
Dichtheid 7200 kg m-3 Relatieve atoommassa 65.38
Smeltpunt 420 oC
(693 K)
Soortelijke warmte 386 J kg-1K-1
Kookpunt 907 oC
(1180 K)
Warmtegeleidingscoëfficiënt 116 W m-1K-1

Beschermlaag op metalen

Een dun laagje zink beschermt onedele metalen - met name ijzer - deze tegen oxidatie (roesten). Dit is niet omdat zink zelf zo'n edel metaal is, maar omdat de oxidelaag van zink zelf ondoordringbaar is voor lucht. Uiteindelijk is het dus zinkoxide dat voor de bescherming zorgt.

Een bijzonder aspect van de beschermende zinklaag is een 'herstellend' vermogen. Mocht het te beschermen metaal toch corroderen, bijvoorbeeld vanwege een kleine beschadiging in de beschermlaag, dan kan zink dat proces (als reductor) omkeren:
Zn  +  Fe2+  -->  Zn2+  +  Fe

Ook in dit geval wordt vervolgens een laagje zinkoxide gevormd, dat geen lucht doorlaat en verdere oxidatie van het onderlig­gende metaal tegengaat.

 

Het opbrengen van de beschermende zinklaag (verzinken) kan op ver­schillende manieren gebeuren, bijvoorbeeld door be­spuiten, dompelen, opdampen of door elektro­ly­se.

Verzinkt staal wordt veel toegepast, onder andere in gebruiksvoorwerpen als emmers en gieters - tegenwoordig vooral voor decoratieve doeleinden -, (onderdelen voor) de carrosserie van auto's, buizen, hekwerken en de vangrails langs wegen. Ook bij de bouw van de Kanaaltunnel is bijvoorbeeld - vanwege de voor staal slechte combinatie van vocht, warmte en zoute lucht - op grote schaal gebruik gemaakt van verzinkt staal.

Batterij

Zink speelt in rol in verschillende batterijtypen.

Cel van Leclanché

Dit is de 'klassieke' batterij, opgebouwd uit een  zinken omhulsel (de zinkbe­ker) gevuld met bruinsteen (MnO2), een kool­staafje of koolpoeder en ammoniumchloride (dat voor een goede geleiding van de stroom zorgt).

Aan de polen van de batterij treden de volgende reacties op:
+pool:    2 MnO2 + 2 H2O + 2 e- --> 2 MnO(OH) + 2 OH-
-pool:    Zn                                 --> Zn2+ + 2 e-
                  Zn2+ + 2 OH-  -->   Zn(OH)2

Het gevormde zinkhydroxide kan bruinsteen 'vergiftigen'. Dit wordt automatisch voorkomen door de in overmaat aanwezige ammoniumchloride. Dat neemt het gevormde hydroxide weg, onder vor­ming van het zinkdi­amine-complex:
Zn(OH)2 + 2 NH4+  -->  Zn(NH3)22+ + 2 H2O

Deze cel is niet oplaadbaar, heeft een spanning van 1,5 V en kent een breed scala aan toepassingen. De populariteit van deze batterijsoort neemt af ten faveure van de alkalinebatterij.

Alkalinebatterij

Deze batterijen werken volgens hetzelfde principe als de cel van Leclanché. Zink is hier niet als omhulsel aanwezig, maar in poe­dervorm. Kaliloog (KOH) dient als elektrolyt. Het resultaat is een batterij met een groter vermogen, die zeer geschikt is voor het aandrij­ven van motoren en dergelijke. Er zijn ook zeer kleine knoopcel-alkaline­batterij­en voor apparatuur zoals horloges, hoorapparaten en camera's.

 

Kwikbatterij

Een kwikbatterij bevat geamalgameerd zinkpoe­der als kathode. Als anode dient grafiet in kwik­(II)oxide, terwijl een geconcentreerde kaliumhydroxideoplossing als elektrolyt fungeert. Bij stroomlevering treden de volgende reacties op:
+pool:  HgO + H2O + 2e-        -->  Hg + 2 OH-
-pool:  Zn + 2 OH-                 -->  ZnO + H2O + 2e-
totaal:  Zn +  HgO                   -->  ZnO  + Hg

Zink-luchtbatterij

Voor kleine apparatuur zoals hoorapparaten past men ook wel zink-lucht-batterijen toe. Hierbij is de cel vrijwel geheel gevuld met zinkpoeder en dient zuurstof uit de lucht als oxidator. Als de cel eenmaal geopend is, blijft deze geacti­veerd. Daardoor is deze alleen geschikt voor toepassingen waarbij continu een - kleine - stroom wordt geleverd.

 

Zink-luchtaccu

In zink-luchtaccu's is een zinkanode geplaatst in een kaliumhydroxideoplossing met een poreus koolstofmembraan als kathode. In het membraan neemt zuurstof (uit de lucht) elektronen op en wordt daarbij omgezet in hydroxide-ionen.

Deze accu's leveren per kilo meer energie dan de loodaccu. Een nadeel was tot voor kort dat de accu's niet konden worden opgeladen. De accu kon door verwisselen van de zinkstaaf wel een aantal malen worden gebruikt. Met behulp van speciale katalysator maakt men tegenwoordig zink-luchtaccu's die wel opgeladen kunnen worden. Daarbij wordt zinkhydroxide weer omgezet in zink en zuurstof.

Reacties:
+pool:   O2 + 2 H2O + 4 e-    -->  4 OH-
-pool:    2 Zn + 4 OH-            -->  2 Zn(OH)2 + 4 e-
Totaal:  2 Zn +  O2                -->  2 Zn(OH)2.

De accu's worden nu ingezet op plaatsen waar geen elektriciteitsnetwerk beschikbaar is maar waar wel een betrouwbare stroomvoorziening vereist is. Als de prijzen verder dalen komen deze cellen in aanmerking voor elektrische auto's, scooters, rolstoelen en allerlei apparatuur buitenshuis.

Dakgoot

Dakgoten bestaan uit tamelijk zuiver zink. Bij oxida­tie ontstaat een dun huidje van zinkoxide en basisch zink­carbo­naat, dat bescherming biedt tegen verder oxideren. Zure regen tast zinken goten relatief sterk aan; de levensduur bedraagt tegenwoordig ongeveer twintig tot dertig jaar.

Auto-onderdelen

Sommige auto-onderdelen op moeilijk bereik­bare en corrosiegevoeli­ge plaatsen worden van zink gemaakt. Dit metaal vormt bij oxidatie een zeer goede be­schermingslaag van zinkoxide en basisch zinkcarbonaat. Het plaatstaal voor auto's wordt vrijwel altijd voorzien van een laagje zink om corrosie tegen te gaan (zie boven).

Cosmetica

Aan deodorant wordt zinksulfaat (ZnSO4) toegevoegd; aan zalven en strooipoeders zinkoxide (ZnO). Zinkoxide heeft een (bloed)stelpende en verkoelende werking in medicinale zalven voor (brand)wonden, zweren, eczeem en aambeien.

Zinkstearaat verhoogt het hechtend vermogen van poeders, is jeukstillend en waterafstotend.

 

Zinkoxide is met moderne technieken zo fijn te verdelen dat zalven met zinkoxide volledig transparant worden. Het wordt toegepast in cosmetische producten als zonnebrandcrèmes, lipcrèmes en haarverzorgingsmiddelen. Ook dient het als UV-protectie in plastics, textiel, verven en lakken.

Wit pigment

Zinkoxide of zinkwit wordt gebruikt als witte pigmentstof in olie­verf. Het is minder dekkend dan het vroeger veel gebruikte loodwit, maar ook veel minder giftig. Bovendien heeft het als voordeel dat de verf bij inwer­ken door zwavelverbindingen niet zwart kleurt (zinksulfide is wit). In de gewone verfsoorten is zinkwit vrijwel geheel ver­dron­gen door titaanwit.

Zinkoxide dient tevens als pigment (en vulstof) voor gummi, rubber, plastic en voor aardewerk, email en porselein. Het bekende Chinees wit bevat zinkoxide als pigment.

Rubberbereiding

Het vulkanisatieproces bij de bereiding van rubbers is te versnellen door de toevoeging van zinkverbindin­gen. Welke zinkverbinding men toepast is afhankelijk van het soort rubber en de gewenste mate van vernetting. Voorbeelden zijn zinkoxide, bis(dimethyldithiocarbamato)zink of zinkmercap­tobenzothi­azol.

Meer toepassingen


Als element en in legeringen

  • lagers (met 22 % Al)
  • lettermetaal
  • messing (koper met max 45 % Zn)
  • muntmateriaal  (Zn met 0,8 % Cu; bijv. voor de dollarcent)
  • soldeer
  • carburator, benzinepomp, deur­knop, lamphuis, diverse huishoudelijke apparatuur en speelgoed (spuitgietwerk)
  • textielkleuring (Zn-stof)                     
  • vliegtuigbouw (met Al en Cu)
  • vuurwerk
  • winning van metalen (o.a. goud, zilver, cadmium)

Veel toegepaste zinklegeringen zijn:
- Prestal® (78 % Zn, 22 % Al), even sterk als staal, maar veel gemakkelijker te verwerken.
- Zamak® (Zn met ca. 3,9 - 4,3 % Al, 0 - 3 % Cu en 0,03 - 0,06 % Mg), vooral voor gietwerk

    In verbindingen

    • bereiding polyacrylvezels                                                                  ZnCl2
    • boormodder (binden van H2S)                                                          ZnCO3
    • conserveren van hout                                                                       Zn(CH3COO)2, ZnSO4, zinknaftenaat
    • conserveren van papier                                                                    Zn(C2H5)2
    • cosmetica                                                                                          zinkstearaat
    • elektrokeramiek                                                                                ZnO
    • geneesmiddel
      - adstringens, bij ontsteking van het oogbindvlies en bij aambeien  ZnSO4
      - behandeling van suikerziekte                                                         zinkinsuline
      - desinfectiemiddel, bij vuile wonden en zweren                                ZnCl2
      - desinfectiemiddel voor huid en ogen                                              Zn(CH3COO)2
      gorgeldrank bij keelaandoeningen (4 % oplossing)                        ZnSO4, ZnCl2 
      - oogdruppels (o.a. tegen bindvliesontsteking)                                 ZnSO4, 0,25 % oplossing
      - tegen griep (zuigtablet met 13 mg Zn)                                            zinkgluconaat
      - bij zinktekort                                                                                   ZnSO4, zinkgluconaat

    • glas                                                                                                   ZnO
    • glas met hoge brekingsindex, glazuur, email, porselein                    ZnF2
    • glijmiddel bij bereiding kunststoffen                                                  zinkstearaat
    • raffinage aardolie                                                                             ZnCl2
    • rattengif                                                                                            Zn3P2
    • soldeervloeistof                                                                                ZnCl2
    • veevoeder(additief)                                                                          zinkverbindingen                   
    • vlamwerend middel voor kunststof                                                    ZnB2O4
    • vlamwerend middel voor textiel                                                         Zn(CH3COO)2
    • vloeimiddel bij het lassen                                                                  ZnF2
    • vulmiddel voor kitten en lijmen                                                          ZnO
    • waterdicht maken van cement                                                          ZnSiF6
    • waterdicht maken van textiel                                                             zinkstearaat
    • zilverpoetsmiddel                                                                              Zn(CH3COO)2
    • zonnecellen                                                                                       ZnO

    Naam

    De naam zink komt van het Oudduitse woord Zinke, dat scherpe punt of tand betekent. Aan het begin van de zestiende eeuw was de bekende alchemist Paracelsus (foto) de eerste die de term gebruikte, vanwege de vorm van de metaal­deeltjes bij de bereiding van zink in een smeltoven.

     

    Ontdekking

    Zink werd reeds in de 13e eeuw in India geproduceerd uit zinkoxide en houts­kool. Dit is een zeer moeilijk proces, aangezien zink verdampt bij de temperatuur van de reactie (ongeveer 1.000 °C). Bovendien mag de zinkdamp, vanwege de grote reacti­viteit, niet in aanra­king komen met zuur­stof (lucht) of kooldioxide. De zinkdamp wordt opgevangen en afgekoeld.

    Het bereiden van zinklegeringen uit ertsmengsels vereiste een minder geavan­ceerde techniek. Koper-zinklegeringen (messing) werden al rond 1400 v. Chr. in Palestina bereid. Ook op Cyprus paste men deze tech­niek toe.

    Tot in de 17e eeuw werd zink in Europa nauwelijks gepro­duceerd. Het meeste zink werd geïmporteerd uit China (onder meer door de Verenigde Oostindische Compagnie). Daar werd het al sinds de Ming-dynastie (vanaf 1368) gebruikt als munt­ma­teriaal (foto).

    Aan de Duitse chemicus Andreas Marggraf wordt de eerste productie van zuiver zink in Europa toegeschreven. Hij verkreeg het in 1746 door het mineraal calamien te verhitten met koolstof en gaf bovendien een gedetailleerde beschrijving van zijn experimenten. Iets dat de Zweedse chemicus Anton von Swab vier jaar eerder had nagelaten.

    Vanaf de 18e eeuw wordt zink in Europa op industriële schaal geproduceerd, eerst vooral in Engeland, Duitsland (Silezië) en België. De grote motor achter de zinkindustrie in dat laatste land was Jean-Jacques Daniel Dony. HIj geldt als de pionier van de zinkmetallurgie. Zijn procédé, met meerdere retorten op één oven, werd door Napoleon gepatenteerd in 1810. Dony bedacht ook het gebruik van zink als dakbedekking.

    Voorkomen

    Zink staat in de buurt van koper op de ranglijst van meest voorkomende elementen in dr aardkorst, met een aandeel van 0,0070% op basis van gewicht.

    Het menselijk lichaam bevat twee tot vier gram zink; het komt voor in meer dan tweehonderd enzymen.

     

    De belangrijkste zinkmineralen zijn:

    • calamien of smithsoniet (foto)                        ZnCO3
    • frankliniet                                                       (Zn,Mn+2,Fe+2)(Fe+3,Mn+3)2O4
    • gahniet                                                           ZnAl2O4
    • goslariet                                                         ZnSO4.7H2O
    • hemimorfiet                                                    Zn4Si2O7(OH)2.H2O
    • hopeïet                                                           Zn3(PO4)2.4H2O
    • sfaleriet of zinkblende                                    (Zn,Fe)S
    • willemiet (genoemd naar Koning Willem I)      Zn2SiO4
    • zinkiet of rood-zinkerts                                   (Zn,Mn)O

    Winning

    De belangrijkste wingebieden­ liggen in Canada, Australië, Rusland, China, Peru, de Verenigde Staten van Ameri­ka, Mexico, Japan, Zuid-Afrika, Namibië, Bolivia, Algerije en Tunesië.

    Kleine vindplaatsen zijn er nog in Duitsland, Frankrijk, Italië, Spanje, Engeland, Ierland, Griekenland, Oostenrijk, Polen, Zweden en Finland. Er wordt echter nog nauwelijks erts gewonnen op deze plaatsen.

     

    Vroeger werd ook in België zinkerts gewonnen in het Maasbekken en in de streek van Tubize. De naam van het belangrijkste zinkerts komt terug in die van de gemeente La Calamine. 

    Vroeger

    Het allereerste zink werd bereid door reductie van zinkoxide dat via roosten was verkregen uit zinkblende of calamien. De reductie vond plaats met koolstof bij een werktem­peratuur boven het kook­punt van zink, zodat dit als damp vrijkwam. Daarbij was het van belang dat de (reactieve) damp niet met lucht (zuurstof) in aanraking kon komen. Daarom werd de brandstof verbran­d in de ruimte waarin ook de reductie plaats­vond. Een deel van het ge­vormde zink werd daarbij echter geoxi­deerd door de aanwezige koolstofdioxide:
    Zn  +  CO2       -->  ZnO  +  CO

    Daardoor was het onmogelijk zeer zuiver zink te verkrij­gen.

     

    Tegenwoordig

    Ook nu nog wordt zink bereid uit zinkblende of calamien. Na een serie voorbewerkingen die het zinkgehalte doen toenemen wordt het mineraal verhit of geroost tot ruw zinkoxide. De bij het roosten ontstane zwaveldioxide wordt gebruikt voor de productie van zwa­vel­zuur. Voor het concentreren van de zinkverbindingen uit het erts worden tegenwoordig ook bacteriën gebruikt.

    Het verkregen zinkoxide wordt in een elektrische oven (bij ca. 1.400 °C) gereduceerd met cokes. Om oxida­tie te voorko­men besproeit men het ontstane zink (in damp­vorm) met lood, waarin het snel oplost. Na scheiding van de beide metalen verkrijgt men redelijk zuiver zink (ca. 99 %). Dat is via vacuümdestillatie te zuiveren.

    Door vanaf het begin van het proces tegelijk met lood- en zinkerts te werken ontstaat een mengsel van lood en zink, waarbij het probleem van oxidatie van zink wordt voorko­men.

    Het merendeel van het vandaag de dag geproduceerde zink ontstaat via elektro­lytische weg. Zinkoxide wordt daarvoor opgelost in verdund zwavelzuur waarna elektrolyse volgt met een aluminiumkathode. De grootste fabrieken voor de winning van zink via elektrolyse bevinden zich in België. Het verkregen zink is zeer zuiver: 99,99%.

    Deel dit op: