Zinn

Zinn – Chemie

„Der standhafte Zinnsoldat“ ist ein Märchen von Hans Christian Andersen über eine kleine Zinnfigur. Da Zinn ein sehr weiches Metall und leicht zu bearbeiten ist, wurde es früher sehr häufig für Schmuck und Zierfiguren, aber auch Geschirr und Besteck verwendet. Heute gilt es als seltenes und wertvolles Metall mit wichtigen Anwendungen im technischen Bereich. Im folgenden Text erfährst du viel Wissenswertes über die Eigenschaften, das Vorkommen und die verschiedenen Verwendungsmöglichkeiten von Zinn.

Das chemische Element Zinn

Zinn gehört zu den Metallen und besitzt die Ordnungszahl 50 – hat also 50 Elektronen und Protonen. Es befindet sich im Periodensystem der Elemente (PSE) in der IV. Hauptgruppe und hat demzufolge vier Außenelektronen, genau wie seine Hauptgruppennachbarn Kohlenstoff ($\ce{C}$), Silicium ($\ce{Si}$), Germanium ($\ce{Ge}$) und Blei ($\ce{Pb}$). Du erkennst Zinn im PSE an seinem chemischen Symbol $\ce{Sn}$. Dies stammt vom lateinischen Wort stannum. Die Wertigkeit – auch Oxidationszahl genannt – beträgt entsprechend der Hauptgruppe maximal $\ce{+IV}$, je nach Verbindung auch manchmal $\ce{+II}$. So verbindet es sich mit Sauerstoff, der immer die Wertigkeit $\ce{-II}$ hat, meist zu Zinn(IV)‑oxid ($\ce{Sn^{+IV}O^{-II}2}$). Es kann aber auch Zinn(II)‑oxid ($\ce{Sn^{+II}O}$) bilden. In dieser Verbindung ist das Zinn zweiwertig. In Zinn(II,IV)‑oxid kommen sowohl $\ce{Sn^{+II}}$ als auch $\ce{Sn^{+IV}}$ vor.

Zinn – Steckbrief

Die wichtigsten Eigenschaften von elementarem Zinn lassen sich wie folgt zusammenfassen:

• Silbrig glänzendes Metall
• Sehr weich (Ritzhärte nach Mohs zwischen 1 und 2, also mit dem Fingernagel ritzbar)
• Schwermetall mit hoher Dichte: $\pu{7,265 g//cm3}$
• Sehr niedriger Schmelzpunkt: $\pu{232 °C}$
• Reagiert nicht mit Wasser ($\ce{H2O}$)
• Bildet eine feste Oxidschicht auf seiner Oberfläche
• Amphoter, das heißt, es reagiert sowohl als Säure als auch als Base

Achtung: Diese Eigenschaften gelten für das sogenannte $\beta$‑Zinn. Weiter unten im Text erfährst du noch, was es damit auf sich hat.

Zinn – Vorkommen und Gewinnung

Zinn ist ein sehr seltenes Metall. Sein Anteil in der Erdkruste beträgt nur 2,3 ppm (parts per million). In der Natur gibt es so auch nur sehr wenige Zinnerze, also Verbindungen, in denen Zinn in größeren Mengen vorkommt. Die wichtigsten sind Kassiterit ($\ce{SnO2}$), auch Zinnstein genannt, und Stannit ($\ce{Cu2FeSnS4}$). Die größten Lagerstätten findet man im asiatischen Raum (China, Malaysia), aber auch in Deutschland gibt es Vorkommen, z. B. im sächsischen Erzgebirge. Dort wurde es historisch auch bereits abgebaut. Ob es wieder zu einer Öffnung des Zinnbergbaus in dieser Region kommt, hängt von verschiedenen Faktoren ab und wird aktuell noch geprüft (Stand: 2021). Die derzeitige Förderung von Zinn beträgt weltweit etwa $\pu{350.000 t//Jahr}$.

Gewonnen wird das Zinn aus dem Erz durch Zerkleinerung und anschließende Reduktion des Oxids nach folgender Formel:

$\ce{\text{Kassiterit} + \text{Kohlenstoff} -> \text{Zinn} + \text{Kohlenstoffdioxid}}$

$\ce{SnO2 + C -> Sn + CO2}$

Das Zinn kann dann relativ leicht durch Schmelzen abgetrennt werden.

Zinnerze wie Kassiterit werden als Konfliktminerale eingestuft, da der Abbau in vielen Ländern unter kritischen Bedingungen erfolgt. Zusätzlich werden die Reserven an Zinn bei steigendem Bedarf knapper. In Zukunft sollte daher das Recycling von Zinn weiter in den Vordergrund treten. Bereits heute wird etwa ein Drittel der gesamten Zinnproduktion über das Recycling von Altmetall gedeckt.

Zinn – Geschichte: Verwendung früher und heute

Die Verwendung von Zinn hat sich über die Zeit sehr gewandelt. Bereits im Altertum war das Element bekannt und es wurde dort vor allem als Legierung in Verbindung mit Kupfer ($\ce{Cu}$) verwendet. Bei einer Legierung handelt es sich um ein Gemenge aus mindestens zwei verschiedenen Elementen, von denen mindestens eines ein Metall sein muss, sodass die entstehende Verbindung eine metallische Bindung aufweist. Schau dir dazu auch das Video über Legierungen an.

Die Legierung aus Zinn ($\ce{Sn}$) und Kupfer ($\ce{Cu}$) nennen wir Bronze und sie war so prägend für die Menschheit, dass die Zeitspanne von 2200 bis 800 v. Chr. nach ihr benannt wurde: die Bronzezeit. Auch aus der Antike sind zahlreiche Funde aus Bronze, wie z. B. Skulpturen, Schmuck und Geschirr (Letzteres zum Teil auch aus purem Zinn), bis heute erhalten.

Seit der Industrialisierung begann dann die zunehmende Verwendung von reinem Zinn im technischen Bereich für beispielsweise Elektronikbauteile. In einigen Glasherstellungsprozessen (z. B. Floatglasverfahren) schwimmt die Glasschmelze auf einer Zinnschmelze, bis das Glas abgekühlt ist, also fest wird. Dadurch können sehr glatte Oberflächen erzeugt werden. Zinn wird ebenfalls für Pigmente, Chemikalien, Poliermittel und in LCD-Displays benötigt. Zinn in Legierung mit anderen Elementen findet weiterhin eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten:

• Als Lötzinn zum Verbinden von elektronischen Bauteilen (in Legierung mit Kupfer und Silber)
• Als Weißblech für Konservendosen (verzinntes Eisenblech)
• In der Glockengießerei, z. B. Algerisches Metall (etwa 95 % Zinn in Legierung mit Kupfer, Antimon, Bismut)
• Herstellung von Münzgeld, z. B. Nordisches Gold für die goldfarbenen Euromünzen (Legierung hauptsächlich aus Kupfer (89 %) mit Aluminium, Zink und 1 % Zinn)
• Als Orgelmetall (in Legierung mit Blei)

Zinn – Modifikationen

Zinn als reines Element kann in drei verschiedenen Strukturen kristallisieren. Diese Verbindungen nennt man auch Modifikationen. Die Modifikationen sind bei unterschiedlichen Temperatur- und Druckbedingungen stabil und wandeln sich ineinander um. Sie unterscheiden sich deutlich in ihren Eigenschaften, wie du in folgender Tabelle sehen kannst:

Die uns geläufigste Modifikation bei Raumbedingungen (Normaldruck und $\pu{25 °C}$) ist das metallische $\beta$‑Zinn. Weiter oben hast du bereits gelesen, dass Zinn sehr weich ist und sich demzufolge leicht verbiegen lässt. Dabei ist ein charakteristisches knirschendes Geräusch zu hören, das sogenannte Zinngeschrei. Dabei handelt es sich um die winzigen $\beta$‑Zinn‑Kristallite, die aneinanderreiben.
Die Umwandlung von $\beta$‑Zinn zu $\alpha$‑Zinn bei kalten Temperaturen ist ein zweites Phänomen, das auch unter dem Namen Zinnpest bekannt ist. Dies ist problematisch, da $\alpha$‑Zinn sehr instabil ist und als Pulver zerbröselt und daher Gegenstände aus reinem Zinn bei tieferen Temperaturen buchstäblich zerfallen. Entgegenwirken kann man diesem Problem, indem man das Zinn mit geringen Anteilen von Bismut ($\ce{Bi}$) oder Antimon ($\ce{Sb}$) legiert.

Nachweis von Zinn

Ein sehr zuverlässiger Nachweis von Zinn ist die sogenannte Leuchtprobe. Dabei wird zunächst aus der Reaktion von Zink mit Salzsäure atomarer Wasserstoff erzeugt. Dieser reagiert dann mit dem in der zu untersuchenden Probe enthaltenen Zinn zu Stannan (Zinnhydrid, $\ce{SnH4}$). Erhitzt man das Gemisch im Anschluss, zeigt sich eine typische blaue Färbung, die auf Lumineszenz zurückzuführen ist.

Achtung: Diese Blaufärbung ist sehr charakteristisch für Zinn, sie tritt jedoch in ähnlicher Form auch bei Vorhandensein von Arsen oder Niob in der Probe auf.

Dieses Video

In diesem Video geht es um das chemische Element Zinn. Es gibt zunächst einen Überblick über die Stellung des Zinns im PSE und seine physikalischen und chemischen Eigenschaften. Der vierte und der fünfte Teil beschäftigen sich mit den Verwendungsmöglichkeiten des Zinns und dessen Herstellung. Im sechsten Teil wird die wichtigste Zinnlegierung Bronze behandelt und im Anschluss werden die Zinnoxide betrachtet. Des Weiteren werden die Begriffe Zinngeschrei und Zinnpest in Teil acht anschaulich erläutert. Teil neun und zehn zeigen den heutigen Verbrauch an Zinn und Perspektiven für die zukünftige Verwendung. Im Anschluss an das Video kannst du nun noch mit den interaktiven Arbeitsblättern und Übungen dein Wissen vertiefen.