Zink

Grundlagen und Eigenschaften

Zink ist ein chemisches Element mit dem Symbol Zn und der Ordnungszahl 30. Es gehört zur Gruppe 12 des Periodensystems und wird zu den Übergangsmetallen gezählt, nimmt dort aber wegen seiner abgeschlossenen d-Schale eine Sonderstellung ein. In seinen Eigenschaften ähnelt es eher den Erdalkalimetallen. Zink ist ein bläulich-weißes, sprödes Metall und für Menschen, Tiere, Pflanzen und Mikroorganismen ein essentielles Spurenelement.

Wichtige Daten sind: Atommasse 65,38(2) u, Dichte 7,14 g/cm³ bei 25 °C, Schmelzpunkt 419,53 °C und Siedepunkt 907 °C. Zink ist fest, kristallisiert hexagonal und hat die Elektronenkonfiguration [Ar] 3d¹⁰ 4s². Es ist bei Zimmertemperatur und oberhalb von 200 °C ziemlich spröde, zwischen 100 und 200 °C aber gut verformbar. In Verbindungen kommt Zink fast immer in der Oxidationsstufe +II vor.

Chemisch ist Zink ein unedles Metall. An der Luft bildet es eine witterungsbeständige Schutzschicht aus Zinkoxid und Zinkcarbonat, weshalb es trotz seines unedlen Charakters gut als Korrosionsschutz geeignet ist. Es löst sich in Säuren zu Zink(II)-Salzen und in Laugen zu Zinkaten wie [Zn(OH)₄]²⁻. Sehr reines Zink mit 99,999 % reagiert nicht mit Säuren. Zinkpulver kann pyrophor sein, sich also an der Luft selbst erhitzen und entzünden; bei Kontakt mit Wasser können entzündliche Gase entstehen.

Vorkommen und Gewinnung

Zink ist mit etwa 70 ppm in der kontinentalen Erdkruste ein verbreitetes Element. In der Erdhülle beträgt sein Massenanteil 0,012 %, damit liegt es auf Rang 24. Das wichtigste Zinkerz ist Sphalerit, auch Zinkblende genannt; seine Hochtemperatur-Modifikation heißt Wurtzit. Zink- und Bleierze treten oft gemeinsam auf, weil unter ähnlichen Bedingungen auch das Bleierz Galenit ausfällt. Durch Verwitterung von Sphalerit entstehen nicht-sulfidische Zinkminerale wie Smithsonit (ZnCO₃), Hydrozinkit und Hemimorphit; solche Erze werden als Galmei bezeichnet.

Große Lagerstätten sind unter anderem Broken Hill in Australien, McArthur River und Mount Isa, Rampura Agucha in Indien, Red Dog in Alaska, Antamina in Peru und Mehdiabad im Iran. Das größte bekannte Blei-Zink-Erzvorkommen Broken Hill enthält 280 Millionen Tonnen Erz mit 8,5 % Zink. In Deutschland war das weitgehend abgebaute Vorkommen am Rammelsberg bei Goslar mit 14 % Zinkgehalt besonders wichtig. Weltweit sind 302 Zinkminerale anerkannt (Stand Juli 2026). Gediegen, also elementar in der Natur vorkommendes Zink, ist ebenfalls als Mineral anerkannt; rund 50 Vorkommen sind dokumentiert (Stand 2024).

Zinkerze werden vor allem in China, Australien, Peru, Indien, den Vereinigten Staaten, Mexiko und Kanada gefördert. Die Weltproduktion lag 2020 bei etwa 12 bis 12,6 Millionen Tonnen, zusätzlich wurden 14 Millionen Tonnen durch Recycling gewonnen. 2020 wurden gerundet 12.000.000 Tonnen Zink abgebaut; die Reserven wurden mit 250.000.000 Tonnen angegeben.

Zink wird überwiegend aus Zinksulfid-Erzen gewonnen. Zunächst wird Zinksulfid geröstet: 2 ZnS + 3 O₂ → 2 ZnO + 2 SO₂. Das entstehende Schwefeldioxid kann zu Schwefelsäure verarbeitet werden. Aus Smithsonit entsteht durch Brennen Zinkoxid: ZnCO₃ → ZnO + CO₂. Anschließend gibt es trockene und nasse Verfahren. Beim trockenen Verfahren wird Zinkoxid mit Kohle bei 1100–1300 °C reduziert; dabei entsteht Zinkdampf, der kondensiert wird. Beim nassen Verfahren wird Zinkoxid in verdünnter Schwefelsäure gelöst und anschließend elektrolysiert. Beide Wege können 99,99 % reines Zink liefern.

Verwendung und Technik

2018 wurden über 13,5 Millionen Tonnen Zink produziert. Der wichtigste Einsatzbereich war mit 47 % der Korrosionsschutz von Eisen- und Stahlprodukten durch Verzinken. Daneben wird Zink für Legierungen verwendet, besonders mit Kupfer zu Messing, mit Aluminium sowie in Magnesiumlegierungen. Feinzink-Gusslegierungen sind wichtig für Druckguss, außerdem werden Zinklegierungen zu Walzmaterial wie Zinkblechen verarbeitet.

Beim Verzinken wird Stahl oder Eisen mit einer Zinkschicht überzogen. Diese schützt passiv als Barriere und aktiv als Opferanode: Zink wird leichter oxidiert als Eisen und schützt dadurch auch benachbarte freiliegende Eisenstellen. Wichtige Verfahren sind Feuerverzinken, galvanische Verzinkung, Sherardisieren, mechanische Beschichtung, Spritzverzinken und Zinklamellenüberzüge. Beim Stückverzinken entstehen meist 50 bis 150 µm dicke Zinkschichten, die abhängig von der Atmosphäre jahrzehntelang schützen können. Bandverzinkte Bleche haben dünnere Schichten von 7 bis 25 µm.

Zink ist außerdem ein wichtiges Material für negative Elektroden in nicht wiederaufladbaren Batterien, zum Beispiel Alkali-Mangan-, Zink-Kohle-, Zink-Luft-, Silberoxid-Zink- und Quecksilberoxid-Zink-Batterien. Gründe sind seine gute elektrische Leitfähigkeit, seine Rolle als Reduktionsmittel, die theoretische Kapazität von 0,82 Ah/g, ein niedriges Standardpotenzial von etwa −0,76 V beziehungsweise −1,25 V in alkalischem Medium und vergleichsweise geringe Kosten.

Im Bauwesen wird vor allem Titanzinkblech verwendet, etwa für Dächer, Fassaden, Regenrinnen, Fallrohre, Außenfensterbänke und Dachanschlüsse. Es ist korrosionsfester und weniger spröde als unlegiertes Zink und kann fachgerecht verarbeitet bis zu 100 Jahre halten. Zinkdruckguss dient zur Fertigung großer Stückzahlen maßhaltiger Teile, etwa für Automobile, Maschinen, Beschläge, Sanitärtechnik, Elektrogeräte, Metallspielwaren und Haushaltsgegenstände. Weitere Anwendungen sind Münzen in Notzeiten und der US-Cent seit 1982 mit einem Kern aus Zink, Zink als Reagenz in der organischen Chemie und das Solzinc-Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff.

Biologische Bedeutung

Zink ist ein essentielles Spurenelement. Es ist Bestandteil vieler Enzyme, zum Beispiel der RNA-Polymerase und der Carboanhydrase. Im Körper spielt es eine Rolle im Zucker-, Fett- und Eiweißstoffwechsel, beim Aufbau der Erbsubstanz, beim Zellwachstum, bei der Funktion des Immunsystems und bei Hormonen. Zink-Ionen binden unter anderem Insulin zu Hexameren in Vesikeln des Golgi-Apparats, wodurch Insulin gespeichert werden kann. Zink ist auch Bestandteil von Zinkfingerproteinen, die wichtige Transkriptionsfaktoren sind. Im Blut ist Zink überwiegend an Albumin gebunden.

Die empfohlenen Mengen unterscheiden sich je nach Quelle. Die WHO nannte 1996 für Erwachsene 15 mg pro Tag für Männer und 12 mg für Frauen, für Kinder 10 mg und für Säuglinge 5 mg. Die Deutsche Gesellschaft für Ernährung empfiehlt bei mittlerer Phytatzufuhr 14 mg pro Tag für erwachsene Männer und 8 mg für erwachsene Frauen. Schwangere benötigen 9 mg pro Tag im ersten Trimester und ab dem 4. Monat 11 mg; Stillende 13 mg. Phytat in Lebensmitteln hemmt die Aufnahme von Zink. Als zulässige obere Aufnahmemenge nennt die Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit 25 mg pro Tag, das Food and Nutrition Board für Erwachsene 40 mg pro Tag. Mehr als 100 mg pro Tag sind nicht empfehlenswert; ab 200 mg können Übelkeit, Erbrechen, Durchfall, Kopfschmerzen, Lethargie oder Reizbarkeit auftreten. Ab etwa 2 g kann es zu akuten Vergiftungserscheinungen kommen.

Zinkmangel kann Wachstumsstörungen, Blutarmut, Unterfunktion der Keimdrüsen, verringerte Abwehrfunktion, Haarausfall, trockene Haut, brüchige Nägel, reduzierte Geruchs- und Geschmacksempfindung und beim Mann Unfruchtbarkeit verursachen. Weltweit leiden geschätzt zwei Milliarden Menschen an Zinkmangel; der Mangel gilt als mitverantwortlich für den Tod von einer Million Kindern pro Jahr. In Deutschland liegt laut Nationaler Verzehrstudie II der Median der Zinkzufuhr in allen Altersgruppen über dem Referenzwert, aber 32 % der Männer und 21 % der Frauen liegen unter der empfohlenen täglichen Zufuhr.

Gute Zinkquellen sind unter anderem rotes Fleisch, Käse, Haferkleie, Haferflocken, Sonnenblumenkerne, Kürbiskerne, Weizenkeime, Walnüsse, Pekannüsse, Pilze, Hefen, Linsen, Meeresfrüchte und Schalentiere. Austern enthalten mit 7,0–160,0 mg pro 100 g besonders viel Zink. Phytatreiche Lebensmittel können die Bioverfügbarkeit senken; Einweichen, Keimung oder Sauerteiggärung können Phytat abbauen.

Medizin und Sicherheit

Zinkhaltige Salben werden bei Wundheilung und Hautausschlägen wie Ekzemen verwendet. Pharmazeutisch genutzte Zinksalze sind unter anderem Zinkacetat, Zinkchlorid, Zinkgluconat, Zinkoxid, Zinkstearat und Zinksulfat. Zinksalze können bei Morbus Wilson eingesetzt werden, weil sie die Aufnahme von Kupfer in Darmzellen vermindern. Morbus Wilson ist eine Störung des Kupferstoffwechsels, bei der sich Kupfer unter anderem in Leber, Auge und Zentralnervensystem ansammelt.

Zur Wirkung von Zink bei Erkältungen gibt es unterschiedliche Befunde. Eine oft zitierte Metaanalyse wurde wegen schwerwiegender Mängel von Cochrane zurückgezogen. Eine Metastudie von 2021 fand Hinweise, dass hohe Dosen von 45–200 mg pro Tag über zwei Wochen Atemwegsinfektionssymptomen vorbeugen und die Krankheitsdauer um bis zu zwei Tage verkürzen könnten, betonte aber große Unsicherheiten. Eine Cochrane-Metastudie von 2024 kam zu dem Ergebnis, dass Zink keine vorbeugende Wirkung habe, die Krankheitsdauer aber um rund zwei Tage verkürze; die Evidenzqualität wurde als gering bis sehr gering eingestuft. Bei Durchfall empfahlen WHO und UNICEF 2004 die gemeinsame Behandlung mit Zink und oraler Rehydrationslösung; Cochrane fand eine positive Wirkung bei Kindern über sechs Jahren aus Regionen mit möglicher Zink-Unterversorgung.

Zink kann Haut und Augenschleimhäute reizen. Beim Einatmen reizt es die Schleimhäute und kann Trockenheit, Kratzen in Nase und Rachen sowie Husten auslösen. Beim Arbeiten mit Zinkschmelzen oder beim Schweißen zinkhaltiger Materialien kann Zinkdampf entstehen, der sich zu Zinkoxidrauch umwandelt. Das Einatmen kann Metalldampffieber beziehungsweise „Zinkfieber“ verursachen, mit grippeähnlichen Beschwerden und teils starkem Fieber; die Symptome klingen meist nach 1–2 Tagen ab. Daher sind gute Lüftung und Atemschutz wichtig.

Nachweis und Verbindungen

Ein einfacher qualitativer Nachweis für Zink ist das Erhitzen einer Probe mit wenigen Tropfen einer verdünnten Cobaltsalzlösung auf einer Magnesiarinne im Bunsenbrenner. Ist Zink vorhanden, entsteht Rinmans Grün. Quantitativ kann Zink mit Komplexometrie und EDTA-Maßlösung bestimmt werden. Für Spurenbestimmungen kommen Polarographie, Graphitrohr-AAS, Inversvoltammetrie oder ICP-MS infrage.

Natürliches Zink besteht aus fünf stabilen Isotopen: ⁶⁴Zn, ⁶⁶Zn, ⁶⁷Zn, ⁶⁸Zn und ⁷⁰Zn. Das häufigste ist ⁶⁴Zn mit 48,63 %, danach folgen ⁶⁶Zn mit 27,90 %, ⁶⁸Zn mit 18,75 %, ⁶⁷Zn mit 4,10 % und ⁷⁰Zn mit 0,62 %. Insgesamt sind 31 Isotope von ⁵⁴Zn bis ⁸⁵Zn sowie elf Kernisomere bekannt. ⁶⁵Zn ist ein künstliches Isotop mit 244 Tagen Halbwertszeit und wird als Tracer genutzt.

Wichtige Verbindungen sind Zinkoxid, Zinkchlorid, Zinkfluorid, Zinksulfid, Zinksulfat, Zinkcarbonat, Zinkcyanid, Zinkacetat und Zinkstearat. Zinkoxid bildet farblose hexagonale Kristalle und wird als Pigment, in Farben, Kautschuk, Glas, Kunststoffen, Schmiermitteln und Arzneimitteln verwendet. Zinksulfid kommt als Sphalerit und Wurtzit vor und dient unter anderem als Pigment, Halbleiter, Fotoleiter und Leuchtstoff. Zinkchlorid ist weiß und stark hygroskopisch und wird zum Beispiel in Flussmitteln, Holzschutzmitteln, Trockenbatterien und bei der Vulkanisation von Kautschuk eingesetzt. Zinkcyanid ist giftig und umweltschädlich.