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Zink

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Die Autor*innen
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André Otto
Zink
lernst du in der Unterstufe 4. Klasse - Oberstufe 5. Klasse - 6. Klasse

Zink Übung

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  • Begründe die Verwendung von Zink als Rostschutzmittel.

    Tipps

    Neben einem ansprechenden Äußeren spielen bei der Oberflächenbeschichtung auch wirtschaftliche Aspekte eine wichtige Rolle.

    Lösung

    Es mag sein, dass so manchem ein durch Zink beschichteter Gegenstand gefällt. Doch wohl größeres Wohlwollen sollten dem Auge des Betrachters Oberflächen von Chrom oder Nickel bereiten.

    Generell gilt: Je edler das Metall ist, desto leichter erfolgt die Entladung der Metall-Ionen bei der Elektrolyse. Natürlich besitzt jedes technische Verfahren einen Mindestanspruch an den zu gestaltenden Aufwand. Mit Sicherheit darf man aber nicht von großen technischen Problemen sprechen.

    Es stimmt nicht, dass Chrom und Nickel keine löslichen Salze bilden. Chrom(III)-chlorid wird in der Galvanik verwendet. Es ist zwar weniger wasserlöslich als Kochsalz, aber löslich genug, um eine Eignung als Chromlieferant bei der Elektrolyse aufzuweisen. Nickel(II)-chlorid ist sogar gut löslich.

    Nickel und Chrom sind teurer als Zink. Das ist der Hauptgrund für das Verzinken.

    Mit der Behauptung, vergoldete Gegenstände seien wegen Betrugsgefahr vom Gesetzgeber nicht zugelassen, hat sich der Autor der Aufgabe einen Scherz erlaubt. Anderenfalls müsste jeglicher Schmuck ebenfalls verboten werden.

    Die Oberflächenbeschichtung durch Tauchen lässt sich beim Zink leichter als bei Nickel oder Chrom realisieren. Das verhält sich tatsächlich so. Ein Tauchen ist bei der Schmelztemperatur des Zinks von 420 °C durchaus möglich. Die hohen Schmelztemperaturen von Nickel von über 1700 °C und Chrom von fast 2000 °C lassen eine solche Technik nicht zu.

  • Benenne Etappen der Entdeckung des Zinks.

    Tipps

    Die erste Zinkherstellung gelang in einem Land, das im 21. Jahrhundert das bevölkerungsreichste Land der Erde sein wird.

    Der zweitälteste Nachweis über die Zinkverhüttung betrifft einen Staat, der damals ein riesiges Reich erobert hatte.

    Der dritte Bericht über die Herstellung von Zink durch einen Weltreisenden bezieht sich auf ein Land an einer großen und berühmten Meeresbucht, die heute noch den alten Namen dieses Landes trägt.

    Lösung

    Die Geschichte des Zinks lässt sich in folgenden Etappen zusammenfassen:

    • Es gibt Nachweise über die Herstellung von Zink vor bereits 2500 Jahren in Indien.
    • Im alten Rom wurde Zink schon vor 2000 Jahren produziert.
    • Marco Polo berichtete im 13. Jahrhundert über die Zinkherstellung in Persien.
    • Die alten Überlieferungen gerieten in Europa in Vergessenheit.
    • Paracelsus und Agricola leisteten im 16. Jahrhundert einen wichtigen Beitrag zur Zinkverhüttung.
    • Zink hat keinen Entdecker. Es ist ein Element des Altertums.

  • Erläutere den Nutzen eines Rennofens für die Herstellung von Zink und Eisen.

    Tipps

    Der Rennofen ist nur für Metalle mit hohen Siedetemperaturen geeignet.

    Lösung

    Wesen des Rennofens
    Kohle ist größtenteils Kohlenstoff. Er dient als Reduktionsmittel. Auch Kohlenstoffmonoxid reduziert das Metalloxid zum Metall.

    Verhüttung von Eisenerz
    Es findet folgende Reaktion statt:

    $Fe_2O_3 + 3~CO \longrightarrow 2~Fe + 3~CO_2$

    Statt Kohlenstoff reduziert hauptsächlich das gasförmige Kohlenstoffmonoxid, da es besser an das feste Erz gelangt.

    Verhüttung von Zinkerz
    Im Ofen findet folgende Reduktion statt:

    $ZnO+ C \longrightarrow Zn + CO$

    Zink wird in der Hitze gasförmig. Der eindringende Sauerstoff oxidiert das Metall. Dabei entsteht Zinkoxid. Daher ist der Rennofen für die Herstellung von Zink ungeeignet.

  • Beschreibe die Entstehung der Schicht auf der Zinkoberfläche.

    Tipps

    An das metallische Zink werden nacheinander die chemischen Elemente Sauerstoff, Wasserstoff und Kohlenstoff gebunden.

    Lösung

    Zink ist ein unedles Metall. Trotzdem ist es gegenüber Luft und Feuchtigkeit recht beständig. Möglich macht das die Bildung einer Schutzschicht. Diese Schutzschicht besteht aus dem Oxid, dem Hydroxid und dem Carbonat und passiviert das darunter liegende Zink. Die Schutzschicht bildet sich dabei in folgenden Schritten.

    Oxidation von Zink:
    Unedle Metalle wie Zink reagieren mit Säuren und mit Sauerstoff.

    $2~Zn + O_2 \longrightarrow 2~ZnO$ Das Produkt ist Zinkoxid.

    Entstehung von Zinkhydroxid:
    Zinkhydroxid entsteht durch die Reaktion des Oxids mit Wasser.

    $ZnO + H_2O \longrightarrow Zn(OH)_2$

    Bildung des Carbonats:
    Zinkhydroxid reagiert mit Kohlenstoffdioxid zu Zinkcarbonat.

    $Zn(OH)_2+ CO_2 \longrightarrow ZnCO_3 + H_2O$

    Bildung der Schutzschicht:

    $ZnCO_3 + Zn(OH)_2 \longrightarrow$ Schutzschicht

  • Nenne die Eigenschaften von metallischem Zink.

    Tipps

    Zink reagiert mit Salzsäure zu Zinkchlorid $ZnCl_2$.

    Lösung

    Zink ist ein unedles Metall und reagiert daher bereits mit verdünnten Säuren. Wenn es z.B. mit Salzsäure reagiert, dann bildet sich das Salz Zinkchlorid $ZnCl_2$. An dieser Formel kannst die auch die Wertigkeit des Zinks erkennen. Da zwei Chloridionen im Salz mit einem Zinkion reagieren, muss das Zinkion also zweiwertig sein.

    Zink sieht blassgrau aus und sein Bruch ist weiß. An der Luft bildet Zink eine graue Schutzschicht, die es vor chemischer Zersetzung schützt.

    Die Dichte des Zinks beträgt $\rho\:=\:7,14\,g/cm^{3}$. Sie ist also relativ hoch, weshalb Zink auch zu den Schwermetallen gehört. Die Schmelztemperatur von Zink liegt bei 420 °C. Damit ist sie relativ gering verglichen mit anderen Metallen.

  • Beschreibe verschiedene Verfahren des Verzinkens.

    Tipps

    Es gibt nur ein einziges Beschichtungsverfahren, das die Regelung der Schichtdicke mit hoher Genauigkeit ermöglicht.

    Lösung

    Zink wird häufig als Schutzmetall verwendet, um damit andere Metalle zu beschichten. Um diese Beschichtung aufzutragen, gibt es verschiedene Möglichkeiten.

    Zerstäubung
    Diese Art der Beschichtung erfolgt durch einen Zerstäuber mit Zinkstaub.

    Tauchen
    Getaucht wird in flüssiges Zink, die Temperatur muss folglich größer als 420 °C sein. Mit der Methode werden höhere Schichtdicken erreicht. Durch Legierungsbildung an der Grenzfläche zwischen den Metallen wird ein Abplatzen der Beschichtung nahezu unmöglich.

    Galvanisches Verzinken
    Für die Entladung der positiven Metall-Ionen wird der zu beschichtende Gegenstand als Anode geschaltet. Durch die allmähliche Beschichtung erhält man eine glatte Schicht. Gute Qualität wird durch niedrige Spannungen und hohe Stromstärken erreicht. Die Haftung ist gut, die Schichtdicke ist regelbar.