Die Geschichte des Zinks

Die Antike kannte Messing und Kupfer; elementares Zink jedoch nicht. Im 13. Jahrhundert ist die Verhüttung von Zinkoxid mit Kohle aus Indien überliefert. Das Zinkoxid wurde aus geglühtem Zinkspat (sog. Galmei, Zinkcarbonat) gewonnen. In Europa gibt es seit 1679 die Verhüttung von Galmei aus dem Messinghof, ein Hammerwerk mit Gießerei bei Kassel. In Bristol (England) wird Zink ab 1743 in einer ersten Zinkhütte gewonnen. Im 19. Jh. folgten weitere in Oberschlesien, Sachsen, Westfalen; im Ruhrgebiet 1845 in Mülheim und 1847 in Essen-Borbeck.

Als chemisches Element (Zn, Element 30 im Periodensystem) wird Zink 1746 durch den deutschen Chemiker Andreas Sigismund Marggraf erkannt. Seinen Namen, Zincum, dt. Zinke, spitzes Erz, erhält es aufgrund der spitzen Strukturen der Galmei.

Das Vorkommen und die Förderung von Zink

Zink hat eine hohe Affinität zu Sauerstoff und Schwefel, deshalb findet es sich nahezu gleichförmig in Kern, Erdmantel und Erdkruste, jedoch auch in anderen Planeten unseres Sonnensystems. Es sind über 300 Zinkmineralien in Zusammensetzung mit Blei, Kupfer, Eisen und Cadmium bekannt, da Zink selten als gediegenes Metall vorkommt. Zu den wichtigsten gehören Zinksulfid (Sphalerit, Wurtzit) und Zinkcarbonat (Smithsonit, Galmei). Auch Zinkoxid (Zinkit), der Hemimorphit oder der Aurichalcit sind wirtschaftlich bedeutsam für die Zinkgewinnung. Der Aurichalcit enthält neben Zink auch Kupfer, die sogenannte Messingblüte. Zink kann trocken (Verhüttung in Muffelöfen) oder elektrolytisch gewonnen werden.
Die gebundenen Erze kommen in großen Lagerstätten in den USA, Australien, China und Kasachstan vor. Zinkerze kommen in Deutschland z.B. im Rammelsberg (Goslar), in Brilon oder Eschweiler vor. Den größten Zinkabbau betreiben China, Peru, Australien, Kanada und die die USA. In Europa gibt es aktive Zinkminen u.a. in Polen, Irland und Schweden.
Das Zink und seine physikalischen, chemischen, mechanischen und biologischen Eigenschaften
Physikalische Eigenschaften: Zink ist ein bläulich weißes, unedles Metall, mit einem silberweißen Bruch. Bei Zimmertemperatur und oberhalb von 200 °C ist es spröde, zwischen 100° und 200 °C lässt es sich leicht verformen.
Chemische Eigenschaften: An der Luft bildet Zink eine witterungsbeständige Schutzschicht aus Zinkoxid und -carbonat. Als unedles Metall kann es genutzt werden, um (durch Reduktion) edlere Metalle aus ihren Salzen elementar abzuscheiden. Nachgewiesen wird es mit dem sogenannten Erscheinen des Rinmanns Grün, eines cobaltgrünen Pigmentes beim Erhitzen.
Biologische Eigenschaften: Zink zählt zu den essenziellen Spurenelementen. Im Stoffwechsel ist es Bestandteil einer Vielzahl von Enzymen (z.B. RNA-Polymerase). Es hat Schlüsselrollen im
Zucker-, Fett- und Eiweißstoffwechsel, für das Immunsystem, für viele Hormone und ist wichtig beim Aufbau der Erbsubstanz und beim Zellwachstum. Für die Wundheilung spielt Zink eine große Rolle. Zink kann nicht im Körper gespeichert werden. Laut WHO sollte die empfohlene Tagesmenge einer Zink-Zufuhr für Erwachsene etwa 15 mg nicht überschreiten. Eine Zufuhr von Zink ab ca. einem Gramm führt zu akuten Vergiftungserscheinungen; Zinkmangel zu einer Unterfunktion der Keimdrüsen, Wachstumsstörungen und Blutarmut. Für Tiere kann Zink tödlich sein. Deshalb sollten z.B. Papageienkäfige nicht verzinkt sein.

Die Verwendung von Zink

Zink und Zinklegierungen:

• Korrosionsschutz: Die Erzeugung von Zinküberzügen auf Eisenwerkstoffen.
• Die beiden wichtigsten Verzinken-Verfahren sind das Feuerverzinken und Galvanoverzinken: Beim Feuerverzinken wird das vorher gereinigte und entfettete Werkstück in flüssiges Zink eingetaucht. Beim galvanischen Verzinken wird das Werkstück in ein Zinkbad getaucht, und als Kathode geschaltet, wodurch sich eine Zinkschicht auf ihm abscheidet. Als Anode nimmt man zweckmäßigkeitshalber einen Zinkstab, der sich alsdann langsam auflöst.
• Opferanoden: im Schiffsbau. Sie bestehen aus Zink (oder Magnesium) und verhindern ein Rosten des (eisernen) Schiffsrumpfes, da das Zink mit ihm ein galvanisches Element bildet.
• Messing ist eine wichtige Kupferlegierung, die aus Kupfer und Zink besteht.
• Mit Zamak-Legierungen lassen sich im Druckgussverfahren Gussteile herstellen, deren Gussform bis zu fünf Millionen Mal wiederverwendet werden kann.
• Zinkblech ist ein wichtiger, lange wartungsfreier Metallwerkstoff im Fassadenbau (Dächer, Fenstersimse).
• Münzmetall: Aus Kostengründen wurden während der beiden Weltkriege viele Münzen in Europa aus Zink oder einer Aluminium-Zink-Legierung geprägt.
• Batterien: Die wichtigste Zink-Batterie ist die Zink-Mangandioxid-Zelle (ugs. Zink-Kohle-Batterie).

Zinkverbindungen:

• Zinkoxid wirkt antiseptisch und tonisch in medizinischen Salben („Zinksalben").
• Zinkchlorid: Ein wichtiges Imprägnationsmittel für Holz.
• Zinkacetat kommt als in Kaugummis zugelassener Geschmacksverstärker (E650) vor.
• Zinkcarbonat wird in der Pharmazie als Füllstoff für Tabletten eingesetzt.

Blei

Die Geschichte des Bleis

In der frühen Bronzezeit (ca. 2300 bis 1550 v. Chr.) wurde Blei in Legierung mit Kupfer verwendet, um Bronzen zu erzeugen. In der Antike zählte Blei zu den sieben klassischen Metallen und wurde dem Gott Saturn zugeordnet. Die Römer verwendeten Blei als Material u.a. für Gefäße, als Schleudergeschoss und für Plomben (daher der Name, Plumbum, lat. plumbum = Blei) sowie Wasserleitungen oder als beliebtes Süßmittel zum Wein („Bleizucker“). Bleierze enthalten manchmal einen wirtschaftlich nutzbaren Anteil von Silber; daher war die Gewinnung von Blei und Silber bereits seit der Antike oft miteinander verbunden. Die Bleiverhüttung fand durch oxidatives Rösten (Röstarbeit) mit anschließender Reduktion statt. Später wurde Blei z. B. zum Einfassen von Bleiglasfenstern (z.B. in Kirchen) oder für Dächer verwendet. Nach Erfindung der Feuerwaffen wurde Blei für das Militär als Material für Projektile von Handfeuerwaffen wichtig. Blei ist ähnlich weich und schwer wie Gold: Deshalb galt es in der Alchemie als gute Basis für die Goldsynthese (Farbumwandlung von grau nach gelb). Mit Beginn der industriellen Revolution wurden große Mengen für die chemische Industrie benötigt. Blei hinterlässt auf Papier einen grauen Strich, deshalb wurde früher damit geschrieben. Bei der Entwicklung des Bleistiftes (1795, Nicolas-Jacques Conté) hielt man irrtümlicherweise das dafür benutzte Graphit für ein Bleierz.

Das Vorkommen und die Förderung von Blei

China, die USA, Australien, Russland und Kanada, Schweden und Polen sind die Länder mit den größten Vorkommen. In Deutschland wurde in der nördlichen Eifel, im Schwarzwald, im Harz, in Sachsen und in Westfalen in der Vergangenheit Bleierz abgebaut, verhüttet und veredelt. Heute ist die bedeutendste Quelle für Blei das Recycling alter Bleiprodukte. In Deutschland gibt es nur noch zwei Primärhütten, die Blei aus Erz herstellen (die Bleihütte Binsfeldhammer, in Stolberg bei Aachen und Metaleurop, in Nordenham). In allen anderen Hütten wird sogenanntes Sekundärblei erzeugt, indem sie alte Bleiprodukte, beispielsweise alte Autobatterien, wieder einschmelzen.

Das Blei und seine physikalischen, chemischen, mechanischen und biologischen Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften: Blei hat eine bläulich-weiße Farbe und ist ein diamagnetisches Schwermetall mit einer Dichte von 11,3 g/cm3. Es hat eine ausgeprägte Duktilität und eine geringe Mohs-Härte von 1,5. Das Metall lässt sich daher leicht zu Blechen walzen oder zu Drähten formen. Diese sind jedoch wegen ihrer geringen Härte nur wenig beständig. Der Schmelzpunkt liegt bei 327 °C, der Siedepunkt bei 1740° – 1751 °C. Als Metall leitet Blei sowohl Wärme als auch Strom, jedoch deutlich schlechter als andere Metalle.

Chemische Eigenschaften: Blei ist ein unedles Metall, es ist allerdings edler als viele andere Gebrauchsmetalle, wie Eisen, Zink oder Aluminium. Das wichtigste Bleierz ist der Galenit (PbS), aus dem man giftige Schwermetalle gewonnen werden. An der Luft wird Blei durch Bildung einer Schicht aus Bleioxid passiviert und damit vor weiterer Oxidation geschützt. In feinverteiltem Zustand ist Blei leichtentzündlich (pyrophores Blei). Blei kann durch ein Direktschmelzverfahren gewonnen werden.
Biologische Eigenschaften: Elementares Blei kann in Form von Staub über die Lunge, kaum über die Haut aufgenommen werden. Toxisch sind gelöste Bleiverbindungen sowie Bleistäube, die durch Verschlucken oder Einatmen in den Körper gelangen können. Die Giftigkeit von Blei beruht unter anderem auf einer Störung der Hämoglobinsynthese, der Sauerstoff-Versorgung der Körperzellen.

Die Verwendung von Blei und seinen Legierungen:

• Blei-Akkumulatoren als Stromquelle für Kraftfahrzeuge
• Lötzinn für häusliche Zwecke enthält kein Blei mehr; nur im militärischen Bereich sind Bleilote noch zulässig
• Strahlenschutz: Blei hat eine hohe Dichte und somit ein effektives Medium, um Gamma- bzw. Röntgenstrahlen abzuschirmen
• Bleigewichte: früher weit verbreitet als Wuchtgewichte oder für die Beschwerung für Tauchanzüge (Tariergewichte)
• Dichtmaterial: Dachblei und Mauerblei wurde früher zum Dichten von Dächern und Mauerfugen verwand. Dieses war bei Kirchen, Domen, Brücken und ähnlichen Bauwerken üblich.
• Geschosse werden auch heute aus bleihaltigen Legierungen gefertigt; in diesen ist oft auch noch Arsen oder Antimon enthalten (Schrot)
• Wasserrohre wurden seit römischer Zeit aus Blei gefertigt. Seit den 1970er-Jahren des ist diese Verwendung von Blei als Rohrmaterial in Deutschland, Österreich und der Schweiz verboten.
• Plomben, die zum Versiegeln von Stromzählern, Panzersicherungen, Wasserzählern usw. genutzt werden.
• Bleiverbindungen werden, soweit technisch möglich, durch ungiftigere Stoffe substituiert oder vermieden. So sind Antiklopfmittel für Treibstoffe (verbleites Benzin) seit 2000 in Deutschland nicht mehr zulässig. Davor wurde TEL (engl.: Tetraethyllead) zusammen mit bromierten oder chlorierten Kohlenwasserstoffen als Benzinzusatz verwendet. Damit wurde ein vorzeitiges Zünden des Kraftstoffgemisches (Klopfen) verhindert.