Zinc oxide

Structural formula
general
name zinc oxide
other names zinc white, Chinese white, C.I. 77947, Pigment Weiß 4
Summenformel ZnO
CAS-Nummer 1314-13-2
Kurzbeschreibung weißes Pulver
Eigenschaften
Molmasse 81,83 g/mol
Aggregatzustand fest
Dichte 5600 kg/m³
Schmelzpunkt 1975 °C (unter Druck)
Siedepunkt -
Dampfdruck -
Löslichkeit unlöslich in Wasser
Sicherheitshinweise
Gefahrensymbole
N
Umweltgefährdend
R- und S-Sätze

R: 50/53
S: 60, 61

MAK 3 mg/m³
WGK 2
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Zinkoxid (ZnO) ist eine chemische Verbindung, die einerseits farblose, hexagonale Kristalle bildet oder andererseits als lockeres, weißes Pulver vorliegt. Die traditionelle Bezeichnung Zinkweiß stammt von der Verwendung als weißes Farbmittel in Malerfarbe. Medizinische Präparate zur Haut- und Wundbehandlung enthalten oft Zinkoxid wegen dessen antiseptischer Wirkung.

Inhaltsverzeichnis

Vorkommen

Mineralische Vorkommen von Zinkoxid sind in Form von grobkörnigem Rotzinkerz (Zinkit) zu finden.

Gewinnung und Darstellung

Je nach Herstellungverfahren gewinnt man Zinkweiß oder Zinkoxid. Zinkweiß wird nach dem so genannten französischen Verfahren aus Zinkdampf und Luftsauerstoff hergestellt.

Zinkoxid dagegen gewinnt man entweder aus der Durchführung der Herstellung nach dem so genannten 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 philosophia) bilden.

<math>\mathrm{2\,Zn(s) + O_2(g) \longrightarrow 2\,ZnO(s)}</math>
Zink verbrennt bei Anwesenheit von Sauerstoff zu Zinkoxid.

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

<math>\mathrm{Zn(OH)_2(s) \longrightarrow ZnO(s) + H_2O(l)}</math>
Bei höheren Temperaturen gibt Zinkhydroxid Wasser ab. Es entsteht Zinkoxid.
<math>\mathrm{ZnCO_3(s) \longrightarrow ZnO(s) + CO_2(g)}</math>
Aus Zinkcarbonat entstehen beim Glühen Zinkoxid und Kohlenstoffdioxid.

Beim Rösten von Zinksulfid entsteht ebenfalls Zinkoxid:

<math>\mathrm{2\,ZnS(s) + 3\,O_2(g) \longrightarrow 2\,ZnO(s) + 2\,SO_2(g)}</math>

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 Öberflächen, die sich dadurch auszeichnen, einfallendes Licht zu streuen und z. B. Solarzellen einen höheren Wirkungsgrad zu verleihen.

Eigenschaften

Zinkoxid

Unter Normaldruck verdampft Zinkoxid ab 1300 °C. Eine Sublimation findet ab etwa 1800 °C statt. 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.

Die Verbindung absorbiert ultraviolette Strahlung. Nur geringste Verunreinigungen bewirken, dass sie auch im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums Absorption zeigt und somit farbig erscheint.

Zinkoxid ist ein direkter Halbleiter mit einer Bandlücke von 3,2 - 3,4 Elektronenvolt. N-dotierte, z. B. Aluminium oder Sauerstoff-Defekte enthaltende dünne Schichten dieses Materials sind transparent und elektrisch leitend, sowie piezoelektrisch.

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 Cobaltoxid (CoO) zusammen bei Anwesenheit von Sauerstoff erhitzt, so entsteht ein grüner Zink-Cobalt-Spinell (Rinmanns Grün):

<math>\mathrm{ZnO(s) + 2CoO(g) + \frac{1}{2}O_2(g)\ _{\overrightarrow { 800-900\,^{\circ}\mathrm{C}}}\ ZnO \cdot Co_2O_3(s)}</math>
Zinkoxid reagiert mit Cobaltoxid und Sauerstoff zu Rinmanns Grün.

Reines Zinkoxid ist ungiftig.

Verwendung

UV-LED aus InGaN

Zinkoxid wird unter der Bezeichnung Zinkweiß als Malerfarbe genutzt. Daneben findet man auch Bezeichnungen wie Chinesischweiß, Ewigweiß, Schneeweiß oder Zinkblüte. Im Gegensatz zu Bleiweiß-Anstrichen ist es schwefelwasserstoff- und lichtbeständig, aber weniger deckend. Daher wurden 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. Zinkweiß wurde vielfach in wässrigen Techniken eingesetzt, wie z. B. in Leim-, Aquarell- und Gouachefarben. Es war im Altertum bereits unter "Cadmea" und "Porerpholyx" bekannt. Die Alchimisten nannten es "Nix alba". 1782 ersetzte Courtois in Dijon Blei- durch Zinkweiß, 1840 wurde es kommerziell zu Ölfarben verarbeitet. Seit 1834 gibt es Zinkweiß auch als Wasserfarbe. 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 geht heute mehr und mehr zugunsten derer von Titanweiß zurück.

Als Bestandteil pharmazeutischer Zinksalben, -pasten und -pflastern (Leukoplast) sowie Sonnenschutzmitteln und als Zusatz bei der Vulkanisation von Kautschuk und Buna findet Zinkoxid Verwendung. Zudem kommt es als Luminophor in Leuchtstoffröhren zum Einsatz.

Forscher des schweizer Paul-Scherrer-Instituts in Villigen setzten die Sonnenkraft in chemische Energie um. Sie bündelten dazu Sonnenstrahlen, die auf einen Schmelztiegel fokussiert sind. Das Licht trifft bei über 1200 °C auf Zinkoxid, das daraufhin verdampft und zu metallischem Zink umgewandelt wird. 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.

Als Halbleiter findet Zinkoxid Verwendung bei der Herstellung blauer Leuchtdioden (LED), Flüssigkristallbildschirme (TFT) und Dünnschicht-Solarzellen.

Zinkoxid wird als DZO (Depleted Zinc Oxide) dem Kühlwasser von Kernreaktoren (Siedewasserreaktoren) beigegeben, um das Korrsionsverhalten der mit dem Kühlwasser in Berührung kommenden Komponenten zu verbessern.

 

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