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Zinkoxid

Kristallstruktur
__ Zn2+     __ O2−
Allgemeines
Name Zinkoxid
Andere Namen
  • Zink(II)-oxid
  • Zinci oxidum
  • Zinkweiß
  • Chinesischweiß
  • C.I. Pigment White 4
  • C.I. 77947
  • Lana philosophica[1]
Verhältnisformel ZnO
Kurzbeschreibung

farblose, hexagonale Kristalle oder weißes, lockeres Pulver[3]

Externe Identifikatoren/Datenbanken
CAS-Nummer 1314-13-2
EG-Nummer 215-222-5
ECHA-InfoCard 100.013.839
PubChem 14806
ChemSpider 14122
DrugBank DB09321
Wikidata Q190077
Arzneistoffangaben
ATC-Code

D02AB

Eigenschaften
Molare Masse 81,39 g·mol−1
Aggregatzustand

fest

Dichte

5,61 g·cm−3[4]

Schmelzpunkt

1975 °C (unter Druck)[3]

Löslichkeit
  • praktisch unlöslich in Wasser (1,6 mg·l−1 bei 29 °C)[4]
  • löslich in verdünnten Säuren[3]
Sicherheitshinweise
Bitte die Befreiung von der Kennzeichnungspflicht für Arzneimittel, Medizinprodukte, Kosmetika, Lebensmittel und Futtermittel beachten
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung aus Verordnung (EG) Nr. 1272/2008 (CLP),[5] ggf. erweitert[4]

Achtung

H- und P-Sätze H: 410
P: 273 [4]
MAK
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Zinkoxid (ZnO) ist eine chemische Verbindung aus Zink und Sauerstoff, die einerseits farblose, hexagonale Kristalle bildet oder andererseits, aufgrund der Lichtbrechung bei sehr kleinen Kristallen, als lockeres, weißes Pulver vorliegt.

Die traditionelle Bezeichnung Zinkweiß (Chinesischweiß, Ewigweiß, Schneeweiß) stammt von der Verwendung als weißes Farbmittel in Malerfarbe.

Medizinische Präparate zur Haut- und Wundbehandlung enthalten oft Zinkoxid wegen dessen antiseptischer Wirkung. Es wird häufig in der Zahnheilkunde (z. B. bei Wurzelkanalbehandlungen) eingesetzt und gilt als Biomaterial.

Inhaltsverzeichnis

Vorkommen


Natürliche Vorkommen von Zinkoxid sind in Form des Minerals Zinkit (Rotzinkerz) zu finden.

Gewinnung und Darstellung


Je nach Herstellungsverfahren gewinnt man Zinkweiß oder Zinkoxid. Zinkweiß wird nach dem sogenannten französischen Verfahren aus Zinkdampf und Luftsauerstoff hergestellt.

Zinkoxid dagegen gewinnt man entweder aus der Durchführung der Herstellung nach dem sogenannten amerikanischen Verfahren aus Zinkerzen oder -Schrott durch Röstung, durch Reduktion mit Kohle und direkte anschließende Reoxidation oder nasschemisch durch Fällung als Hydroxid oder Carbonat aus Zinksalzlösungen und anschließende Calcination.

Zinkoxid entsteht durch die Verbrennung von Zink. Dabei kann sich das Oxid in feinfilziger, wollartiger Form (Lana philosophica) bilden.

\({\displaystyle \mathrm {2\ Zn_{(s)}+O_{2(g)}\longrightarrow 2\ ZnO_{(s)}} }\)
Zink verbrennt bei Anwesenheit von Sauerstoff zu Zinkoxid.

Es kann aber auch durch Glühen (Pyrolyse) von Zinkhydroxid, Zinkcarbonat oder Zinknitrat gewonnen werden:

\({\displaystyle \mathrm {Zn(OH)_{2(s)}\longrightarrow ZnO_{(s)}+H_{2}O_{(g)}} }\)
Bei höheren Temperaturen gibt Zinkhydroxid Wasser ab. Es entsteht Zinkoxid.
\({\displaystyle \mathrm {ZnCO_{3(s)}\longrightarrow ZnO_{(s)}+CO_{2(g)}} }\)
Aus Zinkcarbonat entstehen beim Glühen Zinkoxid und Kohlenstoffdioxid.

Beim Rösten von Zinksulfid entsteht ebenfalls Zinkoxid:

\({\displaystyle \mathrm {2\ ZnS_{(s)}+3\ O_{2(g)}\longrightarrow 2\ ZnO_{(s)}+2\ SO_{2(g)}} }\)

Je nach Anwendungsbereich kann durch Variieren der Reaktionsbedingungen Zinkoxid in unterschiedlichen Qualitäten hergestellt werden. Industriell produzierte Zinkoxidpigmente sind häufig bleihaltig und somit zusätzlich mit dem Gefahrensymbol Xn (gesundheitsschädlich) zu kennzeichnen.

Dünne Schichten von Zinkoxid stellt man durch physikalische Abscheideverfahren (PVD) wie Sputtern und Chemische Gasphasenabscheidung (CVD) her. CVD ermöglicht die Entstehung rauer Oberflächen, die sich dadurch auszeichnen, einfallendes Licht zu streuen und z. B. Solarzellen einen höheren Wirkungsgrad zu verleihen.

Produktion


Die weltweite Produktion von Zinkoxid wird auf 1,5 Mio. t geschätzt. In Europa werden 240.000 t pro Jahr verbraucht.[7]

Eigenschaften


Zinkoxid verdunstet ab ca. 1300 °C, der Sublimationspunkt unter Normaldruck liegt bei etwa 1800 °C. Ein Schmelzen von Zinkoxid ist erst unter erhöhtem Druck bei 1975 °C zu beobachten. Beim Erhitzen färbt es sich zitronengelb, nach Abkühlen ist es wieder weiß (siehe Thermochromie). Im Dunkeln kann man anschließend ein schwaches Nachleuchten beobachten. Die Farbänderung ist auf einen geringen, durch Sauerstoffabgabe beim Erhitzen entstehenden Zinküberschuss (etwa 0,03 %) zurückzuführen. Dieser Zinküberschuss bzw. die Konzentration der Sauerstoff-Defekte ist stark abhängig von der Synthesemethode, Temperatur oder Verunreinigungen des Zinkoxids.

Zinkoxid ist ein direkter Halbleiter mit einer Bandlücke von 3,2…3,4 eV. Es absorbiert demzufolge UV-Strahlung und ist für sichtbares Licht transparent. Bedingt durch die nichtzentrosymmetrische Elementarzelle ist Zinkoxid piezoelektrisch.

Die elektrische Leitfähigkeit von Zinkoxid kann durch Dotierung mit geeigneten Elementen erhöht werden. Häufig wird dazu Aluminium (dotiertes Aluminium-Zinkoxid AZO) oder Bor benutzt. Andere Elemente für eine N-Dotierung wie Indium oder Gallium werden momentan nicht eingesetzt. P-dotiertes Zinkoxid ist schwieriger herzustellen und ein Bereich der aktuellen Forschung.

Zinkoxid ist in Wasser unlöslich, während verdünnte Säuren es unter Salzbildung lösen. Mit Alkali, wie z. B. Natronlauge, frisch gefälltes, hydratisiertes Zinkoxid löst sich bei einem Überschuss an Base wieder auf. Dabei entsteht ein lösliches Zinkat.

Wird die Verbindung mit Cobalt(II)-oxid (CoO) erhitzt, so entsteht eine grüne feste Lösung von Cobaltoxid in Zinkoxid (Rinmans Grün).

Verwendung


Pigment

Zinkoxid wird unter der Bezeichnung Zinkweiß als Pigment genutzt.[8] Daneben findet man auch Bezeichnungen wie Chinesischweiß, Ewigweiß oder Schneeweiß. Im Gegensatz zu Bleiweiß-Anstrichen ist es schwefelwasserstoff- und lichtbeständig, aber weniger deckend. Daher wurden als Malerfarbe oft Mischungen aus Blei- und Zinkweiß verwendet. Zinkweiß ist mit allen Pigmenten gut verträglich. Alkalische Bindemittel sollten aber vermieden werden, da die Gefahr einer Zinkatbildung besteht. In Öl können sich begrenzt Zinkseifen bilden.[9] Zinkweiß wurde vielfach in wässrigen Techniken eingesetzt, wie z. B. in Leim-, Aquarell- und Gouachefarben. Es war im Altertum bereits unter Cadmea (auch für andere Zinkverbindungen benutzt)[10] und Pompholyx[11] bekannt. Die Alchimisten nannten es Nix alba (weißer Schnee) oder Nihilum album (weißes Nichts). 1782 ersetzte Bernard Courtois mit Louis Bernard Guyton de Morveau in Dijon Blei- durch Zinkweiß, 1850 wurde es kommerziell zu Ölfarben verarbeitet. Seit 1834 gibt es Zinkweiß auch als Wasserfarbe.[12] Zinkweiß wurde erst langsam von den Künstlern als Ersatz für Bleiweiß angenommen. Es gab regelrechte Streitereien über seine Verwendung. Da Zinkweiß einfach kühler wirkt, wurde es schließlich hauptsächlich für die Mischung mit kühlen Farbtönen verwendet, während Bleiweiß mit den wärmeren Farben vermischt wurde. Die Verwendung von Zinkweiß als Deckfarbe geht heute mehr und mehr zugunsten derer von Titanweiß zurück.[9]

Fotografie

Einseitig mit Zinkoxid beschichtetes Papier fand früher (bis um 1970) beim direkten Verfahren der Elektrofotografie (elektrostatisches Kopierverfahren) Verwendung.[13]

Das sogenannte ZINK-Papier der („Zero-Ink“) Zink-Drucktechnik enthält hingegen kein Zink.

Energiespeicherung

Forscher des Schweizer Paul-Scherrer-Instituts versuchen, die Sonnenkraft in chemische Energie umzusetzen. Sie fokussieren dazu Sonnenstrahlen auf einen Schmelztiegel. Das Licht trifft bei über 1200 °C auf Zinkoxid, das daraufhin verdampft und zu metallischem Zink umgewandelt wird, wenn dafür gesorgt wird, dass das entstehende Zink nicht sofort wieder oxidiert. Da dieses gelagert und transportiert werden kann, lässt sich so die Energie der Sonne speichern und später z. B. in Zink-Luft-Batterien direkt als elektrische Energie oder zur Produktion von Wasserstoff nutzen. Das ist vereinfacht dargestellt, denn aus den Zink-Luft-Batterien wird das entladene Zn-ZnO zusammen mit Kaliumhydroxid entnommen.[9]

Halbleiter

Als Halbleiter findet Zinkoxid Verwendung als durchsichtige leitende Schicht bei der Herstellung blauer Leuchtdioden (LED), von Flüssigkristallanzeigen (LCD), Varistoren (VDR) und Dünnschicht-Solarzellen. Hierzu wird es meist mit Aluminium dotiert ZnO:Al, (AZO =Aluminium Zinkoxid).[9] Die Dotierung erhöht die Leitfähigkeit um mehrere Größenordnungen. Als halbleitende Nanodrähte findet Zinkoxid in der Messtechnik durch seine piezoelektrischen Eigenschaften und UV-Licht-Transparenz Anwendung.[14]

Medizin

Als Bestandteil pharmazeutischer Zinksalben bzw. -pasten (z. B. Penaten-Creme oder Mirfulan), -pflaster (Leukoplast) und -verbänden führt Zinkoxid zu einer Austrocknung der Hautoberfläche. Dies nutzt man zum Beispiel bei Intertrigo, Windeldermatitis und anderen nässenden Wunden. Bei Fußpilzen und anderen Dermatomykosen unterstützt Zinkoxid die Heilung.[9]

Andere Anwendungen

Auch in Sonnenschutzmitteln und als Zusatz bei der Vulkanisation von Kautschuk findet Zinkoxid Verwendung.[9] (Durch den Reifenabrieb gelangt es dann in die Umwelt). Zudem kommt es als Luminophor in Leuchtstofflampen zum Einsatz. Selbstaktiviertes Zinkoxid (ZnO:Zn) findet als Kathodolumineszenzleuchtstoff in Magischen Augen Verwendung und zeigt dort blaugrüne Lumineszenz.[15] Zinkoxid wird als Abgereichertes Zinkoxid (DZO) dem Kühlwasser von Kernreaktoren (Siedewasserreaktoren) beigegeben, um das Korrosionsverhalten der mit dem Kühlwasser in Berührung kommenden Komponenten zu verbessern.[9] Seit 1888 wird Zinkoxid auch in Deodorants verwendet, da es leicht antibakteriell wirkt.[16]

In letzter Zeit werden Zinkoxid-Nanopartikel als UV-Absorber in Lebensmittelverpackungen eingesetzt.[17]

Risikobewertung


Zinkoxid wurde 2015 von der EU gemäß der Verordnung (EG) Nr. 1907/2006 (REACH) im Rahmen der Stoffbewertung in den fortlaufenden Aktionsplan der Gemeinschaft (CoRAP) aufgenommen. Hierbei werden die Auswirkungen des Stoffs auf die menschliche Gesundheit bzw. die Umwelt neu bewertet und ggf. Folgemaßnahmen eingeleitet. Ursächlich für die Aufnahme von Zinkoxid waren die Besorgnisse bezüglich Verbraucherverwendung, Umweltexposition, anderer Exposition/risikobasierter Bedenken, anderer gefahrenbezogener Bedenken und weit verbreiteter Verwendung. Die Neubewertung läuft seit 2017 und wird von Deutschland durchgeführt.[18]

Einzelnachweise


  1. Zinc. In: Encyclopædia Britannica. 11. Auflage. Band 28: Vetch – Zymotic Diseases. London 1911, S. 984 (englisch, Volltext [Wikisource]).
  2. Eintrag zu ZINC OXIDE in der CosIng-Datenbank der EU-Kommission, abgerufen am 26. Februar 2020.
  3. a b c Eintrag zu Zinkoxid. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag, abgerufen am 1. Oktober 2014.
  4. a b c d e Eintrag zu Zinkoxid in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 20. Februar 2017 (JavaScript erforderlich).
  5. Eintrag zu Zinc oxide im Classification and Labelling Inventory der Europäischen Chemikalienagentur (ECHA), abgerufen am 1. Februar 2016. Hersteller bzw. Inverkehrbringer können die harmonisierte Einstufung und Kennzeichnung erweitern .
  6. Schweizerische Unfallversicherungsanstalt (SUVA): Grenzwerte – Aktuelle MAK- und BAT-Werte für Zinkoxid , abgerufen am 2. November 2015.
  7. Umicore Zinc Chemicals: ZINC OXIDE APPLICATIONS (Memento des Originals vom 7. November 2016 im Internet Archive)  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.
  8. Olaf Lückert: Pigment + Füllstoff Tabellen. Vincentz Network GmbH & Co KG, 2002, ISBN 3-87870-744-4, S. 74 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  9. a b c d e f g Hermann Sicius: Zinkgruppe: Elemente der zweiten Nebengruppe Eine Reise durch das Periodensystem. Springer-Verlag, 2017, ISBN 978-3-658-17868-0, S. 14 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  10. Roderich König: Metallurgie Naturkunde / Naturalis Historia in 37 Bänden. Walter de Gruyter, 2007, ISBN 978-3-05-006206-8, S. 159 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  11. Karl Bayer, Kai Brodersen: Gesamtregister Naturkunde / Naturalis Historia in 37 Bänden. Walter de Gruyter, 2004, ISBN 3-05-006211-8, S. 243 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  12. William Jervis Jones: Historisches Lexikon deutscher Farbbezeichnungen. Walter de Gruyter, 2013, ISBN 978-3-05-006322-5, S. 3135 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  13. G: Römpp Lexikon Chemie. 10. Auflage. Band 2: Cm–G. Georg Thieme Verlag, 2014, ISBN 978-3-13-199971-9, S. 1131 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  14. Synthesis of photoconducting ZnO nano-needles
  15. Werner Espe: Werkstoffkunde Der Hochvakuumtechnik: Bd. 3 Hilfswerkstoffe. Deutscher Verlag der Wissenschaften, 1961, OCLC 316813787 , S. 108 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  16. Birger Konz, Gerd Plewig: Fortschritte der Dermatologie - Ein Rückblick auf 50 Jahre anlässlich des 80. Geburtstages. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-57539-6, S. 62 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  17. Safety assessment of the substance zinc oxide, nanoparticles, for use in food contact materials. In: EFSA Journal. 14, 2016, doi:10.2903/j.efsa.2016.4408.
  18. Community rolling action plan (CoRAP) der Europäischen Chemikalienagentur (ECHA): Zinc oxide , abgerufen am 26. März 2019.Vorlage:CoRAP-Status/2017



Kategorien: CoRAP-Stoff | ATC-D02 | Umweltgefährlicher Stoff | Oxid | Katalysator | Anorganisches Pigment | Pharmazeutischer Hilfsstoff | Verbindungshalbleiter | Zinkverbindung

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