Zinkoxid

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.

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.

\mathrm {2Zn(s)+O_{2}(g)\longrightarrow 2ZnO(s)}

Zink verbrennt bei Anwesenheit von Sauerstoff zu Zinkoxid.

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

\mathrm {Zn(OH)_{2}(s)\longrightarrow ZnO(s)+H_{2}O(l)}

Bei höheren Temperaturen gibt Zinkhydroxid Wasser ab. Es entsteht Zinkoxid.

\mathrm {ZnCO_{3}(s)\longrightarrow ZnO(s)+CO_{2}(g)}

Aus Zinkcarbonat entsteht beim Glühen Zinkoxid und Kohlendioxid.

Beim Rösten von Zinksulfid entsteht ebenfalls Zinkoxid:

\mathrm {2ZnS(s)+3O_{2}(g)\longrightarrow 2ZnO(s)+2SO_{2}(g)}

Je nach Anwendungsbereich kann durch variieren der Reaktionsbedingungen Zinkoxid in unterschiedlichen Qualitäten hergestellt werden. Industriell produzierte Zinkoxidpigmente sind häufig Blei-haltig und somit zusätzlich mit dem Gefahrensymbol X_n (Gesundheitsschädlich) zu kennzeichnen.

Dünne Schichten von Zinkoxid stellt man durch Verfahren wie Sputtern und Chemische Gasphasenabscheidung (CVD) her. CVD ermöglicht die Entstehung rauher 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 enthaltene dünne Schichten von diesem Material sind transparent und elektrisch leitend.

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):

\mathrm {ZnO(s)+2CoO(g)+{\frac {1}{2}}O_{2}(g)\ _{\overrightarrow {800-900\,^{\circ }\mathrm {C} }}\ ZnO\cdot Co_{2}O_{3}(s)}

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. Im Gegensatz zu Bleiweiß-Anstrichen ist es schwefelwasserstoff- und lichtbeständig. Als Bestandteil pharmazeutischer Zinksalben, -pasten und -pflastern (Leukoplast) sowie Sonnenschutzmitteln und als Zusatz bei der Vulkanisation von Kautschuk und Buna findet es Verwendung. Zudem kommt es als Luminophor in Leuchtstoffröhren zum Einsatz. Die größten Mengen an Zinkoxid werden in der Reifenindustrie verwendet, denn Zinkoxid ist dafür bekannt, dass es ein effizienter Beschleuniger in der Schwefel-Vulkanisation ist.

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 Trockenbatterien direkt als elektrische Energie nutzen.

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