Zn/Zink

Toepassingen

Beschermlaag op metalen

Een dun laagje zink beschermt onedele metalen – met name ijzer – deze tegen oxidatie (roesten). Dit is niet omdat zink zelf zo’n edel metaal is, maar omdat de oxidelaag van zink zelf ondoordringbaar is voor lucht. Uiteindelijk is het dus zinkoxide dat voor de bescherming zorgt.

Een bijzonder aspect van de beschermende zinklaag is een ‘herstellend’ vermogen. Mocht het te beschermen metaal toch corroderen, bijvoorbeeld vanwege een kleine beschadiging in de beschermlaag, dan kan zink dat proces (als reductor) omkeren:

$\mathrm{Zn} + {\mathrm{Fe}}^{2+} \to {\mathrm{Zn}}^{2+} + \mathrm{Fe}$

Ook in dit geval wordt vervolgens een laagje zinkoxide gevormd, dat geen lucht doorlaat en verdere oxidatie van het onderlig­gende metaal tegengaat.

Het opbrengen van de beschermende zinklaag (verzinken) kan op ver­schillende manieren gebeuren, bijvoorbeeld door be­spuiten, dompelen, opdampen of door elektro­ly­se.

Verzinkt staal wordt veel toegepast, onder andere in gebruiksvoorwerpen als emmers en gieters – tegenwoordig vooral voor decoratieve doeleinden -, (onderdelen voor) de carrosserie van auto’s, buizen, hekwerken en de vangrails langs wegen. Ook bij de bouw van de Kanaaltunnel is bijvoorbeeld – vanwege de voor staal slechte combinatie van vocht, warmte en zoute lucht – op grote schaal gebruik gemaakt van verzinkt staal.

Batterij

Zink speelt in rol in verschillende batterijtypen.

Cel van Leclanché

Dit is de ‘klassieke’ batterij, opgebouwd uit een  zinken omhulsel (de zinkbe­ker) gevuld met bruinsteen (MnO₂), een kool­staafje of koolpoeder en ammoniumchloride (dat voor een goede geleiding van de stroom zorgt).

Aan de polen van de batterij treden de volgende reacties op:
+pool:

$2 {\mathrm{MnO}}_2 + 2 {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} + 2 {\mathrm{e}}^{–} \to 2 \mathrm{MnO}\left(\mathrm{OH}\right) + 2 {\mathrm{OH}}^{–}$

-pool:

$\mathrm{Zn} \to {\mathrm{Zn}}^{2+} + 2 {\mathrm{e}}^{–}$

Totaal:

${\mathrm{Zn}}^{2+} + 2 {\mathrm{OH}}^{–} \to \mathrm{Zn}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2$

Het gevormde zinkhydroxide kan bruinsteen ‘vergiftigen’. Dit wordt automatisch voorkomen door de in overmaat aanwezige ammoniumchloride. Dat neemt het gevormde hydroxide weg, onder vor­ming van het zinkdi­amine-complex:

$\mathrm{Zn}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2 + 2 {{\mathrm{NH}}_4}^{+} \to \mathrm{Zn}{{\left({\mathrm{NH}}_3\right)}_2}^{2+} + 2 {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Deze cel is niet oplaadbaar, heeft een spanning van 1,5 V en kent een breed scala aan toepassingen. De populariteit van deze batterijsoort neemt af ten faveure van de alkalinebatterij.

Alkalinebatterij

Deze batterijen werken volgens hetzelfde principe als de cel van Leclanché. Zink is hier niet als omhulsel aanwezig, maar in poe­dervorm. Kaliloog (KOH) dient als elektrolyt. Het resultaat is een batterij met een groter vermogen, die zeer geschikt is voor het aandrij­ven van motoren en dergelijke. Er zijn ook zeer kleine knoopcel-alkaline­batterij­en voor apparatuur zoals horloges, hoorapparaten en camera’s.

Kwikbatterij

Een kwikbatterij bevat geamalgameerd zink poe­der als kathode. Als anode dient grafiet in kwik­(II)oxide, terwijl een geconcentreerde kaliumhydroxide oplossing als elektrolyt fungeert. Bij stroomlevering treden de volgende reacties op:
+pool:

$\mathrm{HgO} + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} + 2{\mathrm{e}}^{–} \to \mathrm{Hg} + 2 {\mathrm{OH}}^{–}$

-pool:

$\mathrm{Zn} + 2 {\mathrm{OH}}^{–} \to \mathrm{ZnO} + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} + 2{\mathrm{e}}^{–}$

totaal:

$\mathrm{Zn} + \mathrm{HgO} \to \mathrm{ZnO} + \mathrm{Hg}$

Zink-luchtbatterij

Voor kleine apparatuur zoals hoorapparaten past men ook wel zink-lucht-batterijen toe. Hierbij is de cel vrijwel geheel gevuld met zinkpoeder en dient zuurstof uit de lucht als oxidator. Als de cel eenmaal geopend is, blijft deze geacti­veerd. Daardoor is deze alleen geschikt voor toepassingen waarbij continu een – kleine – stroom wordt geleverd.

Zink-luchtaccu

In zink-luchtaccu’s is een zinkanode geplaatst in een kaliumhydroxideoplossing met een poreus koolstofmembraan als kathode. In het membraan neemt zuurstof (uit de lucht) elektronen op en wordt daarbij omgezet in hydroxide-ionen.

Deze accu’s leveren per kilo meer energie dan de loodaccu. Een nadeel was tot voor kort dat de accu’s niet konden worden opgeladen. De accu kon door verwisselen van de zinkstaaf wel een aantal malen worden gebruikt. Met behulp van speciale katalysator maakt men tegenwoordig zink-luchtaccu’s die wel opgeladen kunnen worden. Daarbij wordt zinkhydroxide weer omgezet in zink en zuurstof.

Reacties:
+pool:

${\mathrm{O}}_2 + 2 {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} + 4 {\mathrm{e}}^{–} \to 4 {\mathrm{OH}}^{–}$

-pool:

$2 \mathrm{Zn} + 4 {\mathrm{OH}}^{–} \to 2 \mathrm{Zn}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2 + 4 {\mathrm{e}}^{–}$

Totaal:

$2 \mathrm{Zn} + {\mathrm{O}}_2 \to 2 \mathrm{Zn}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2$

De accu’s worden nu ingezet op plaatsen waar geen elektriciteitsnetwerk beschikbaar is maar waar wel een betrouwbare stroomvoorziening vereist is. Als de prijzen verder dalen komen deze cellen in aanmerking voor elektrische auto’s, scooters, rolstoelen en allerlei apparatuur buitenshuis.

Dakgoot

Dakgoten bestaan uit tamelijk zuiver zink. Bij oxida­tie ontstaat een dun huidje van zinkoxide en basisch zink­carbo­naat, dat bescherming biedt tegen verder oxideren. Zure regen tast zinken goten relatief sterk aan; de levensduur bedraagt tegenwoordig ongeveer twintig tot dertig jaar.

Auto-onderdelen

Sommige auto-onderdelen op moeilijk bereik­bare en corrosiegevoeli­ge plaatsen worden van zink gemaakt. Dit metaal vormt bij oxidatie een zeer goede be­schermingslaag van zinkoxide en basisch zinkcarbonaat. Het plaatstaal voor auto’s wordt vrijwel altijd voorzien van een laagje zink om corrosie tegen te gaan (zie boven).

Cosmetica

Aan deodorant wordt zinksulfaat (ZnSO₄) toegevoegd; aan zalven en strooipoeders zinkoxide (ZnO). Zinkoxide heeft een (bloed)stelpende en verkoelende werking in medicinale zalven voor (brand)wonden, zweren, eczeem en aambeien.

Zinkstearaat verhoogt het hechtend vermogen van poeders, is jeukstillend en waterafstotend.

Zinkoxide is met moderne technieken zo fijn te verdelen dat zalven met zinkoxide volledig transparant worden. Het wordt toegepast in cosmetische producten als zonnebrandcrèmes, lipcrèmes en haarverzorgingsmiddelen. Ook dient het als UV-protectie in plastics, textiel, verven en lakken.

Wit pigment

Zinkoxide of zinkwit wordt gebruikt als witte pigmentstof in olie­verf. Het is minder dekkend dan het vroeger veel gebruikte loodwit, maar ook veel minder giftig. Bovendien heeft het als voordeel dat de verf bij inwer­ken door zwavelverbindingen niet zwart kleurt (zinksulfide is wit). In de gewone verfsoorten is zinkwit vrijwel geheel ver­dron­gen door titaanwit.

Zinkoxide dient tevens als pigment (en vulstof) voor gummi, rubber, plastic en voor aardewerk, email en porselein. Het bekende Chinees wit bevat zinkoxide als pigment.

Rubberbereiding

Het vulkanisatieproces bij de bereiding van rubbers is te versnellen door de toevoeging van zinkverbindin­gen. Welke zinkverbinding men toepast is afhankelijk van het soort rubber en de gewenste mate van vernetting. Voorbeelden zijn zinkoxide, bis(dimethyldithiocarbamato)zink of zinkmercap­tobenzothi­azol.

Meer toepassingen

Als element en in legeringen

• Lagers (met 22 % Al)
• Lettermetaal
• Messing (koper met max 45 % Zn)
• Muntmateriaal  (Zn met 0,8 % Cu; bijv. voor de dollarcent)
• Soldeer
• Carburator, benzinepomp, deur­knop, lamphuis, diverse huishoudelijke apparatuur en speelgoed (spuitgietwerk)
• Textielkleuring (Zn-stof)
• Vliegtuigbouw (met Al en Cu)
• Vuurwerk
• Winning van metalen (o.a. goud, zilver, cadmium)

Veel toegepaste zinklegeringen zijn:
– Prestal^® (78 % Zn, 22 % Al), even sterk als staal, maar veel gemakkelijker te verwerken.
– Zamak^® (Zn met ca. 3,9 – 4,3 % Al, 0 – 3 % Cu en 0,03 – 0,06 % Mg), vooral voor gietwerk

In verbindingen