Zinkoxid (veraltet auch Zinkoxyd) ist eine anorganische chemische Verbindung aus Zink und Sauerstoff mit der Summenformel ZnO. Es handelt sich hierbei um einen farblosen bis leicht gelblichen, geruchlosen und geschmacklosen Feststoff. Dieser kann hexagonale Kristalle bilden oder, aufgrund der Lichtbrechung bei sehr kleinen Kristallen, als lockeres Pulver vorliegen.
Die traditionelle Bezeichnung Zinkweiß (Chinesischweiß, Ewigweiß, Schneeweiß) stammt von der Verwendung als weißes Farbmittel in Malerfarbe. Medizinische Präparate zur Haut- und Wundbehandlung enthalten oft Zinkoxid wegen dessen antiseptischer Wirkung. Es wird häufig in der Zahnheilkunde (z. B. bei Wurzelkanalbehandlungen) eingesetzt und gilt als Biomaterial.
Vorkommen Natürliche Vorkommen von Zinkoxid sind in Form des Minerals Zinkit (Rotzinkerz) zu finden.
Gewinnung und Darstellung Je nach Herstellungsverfahren gewinnt man Zinkweiß oder Zinkoxid. Zinkweiß wird nach dem sogenannten französischen Verfahren aus Zinkdampf und Luftsauerstoff hergestellt.
Zinkoxid dagegen gewinnt man entweder aus der Durchführung der Herstellung nach dem sogenannten 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 philosophica) bilden.
Zink verbrennt bei Anwesenheit von Sauerstoff zu Zinkoxid.
Es kann aber auch durch Glühen (Pyrolyse) von Zinkhydroxid, Zinkcarbonat oder Zinknitrat gewonnen werden:
Bei höheren Temperaturen gibt Zinkhydroxid Wasser ab. Es entsteht Zinkoxid.
Aus Zinkcarbonat entstehen beim Glühen Zinkoxid und Kohlenstoffdioxid.
Beim Rösten von Zinksulfid entsteht ebenfalls Zinkoxid:
Je nach Anwendungsbereich kann durch Variieren der Reaktionsbedingungen Zinkoxid in unterschiedlichen Qualitäten hergestellt werden. Industriell produzierte Zinkoxidpigmente sind häufig bleihaltig.
Dünne Schichten von Zinkoxid stellt man durch physikalische Abscheideverfahren (PVD) wie Sputtern und chemische Gasphasenabscheidung (CVD) her. CVD ermöglicht die Entstehung rauer Oberflächen, die sich dadurch auszeichnen, einfallendes Licht zu streuen und z. B. Solarzellen einen höheren Wirkungsgrad zu verleihen.
Produktion Die weltweite Produktion von Zinkoxid wird auf 1,5 Mio. t geschätzt. In Europa werden 240.000 t pro Jahr verbraucht.Umicore Zinc Chemicals:
Eigenschaften mini|150px|links|Zinkoxid Zinkoxid verdunstet ab ca. 1300 °C, der Sublimationspunkt unter Normaldruck liegt bei etwa 1800 °C. 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. Dieser Zinküberschuss bzw. die Konzentration der Sauerstoff-Defekte ist stark abhängig von der Synthesemethode, Temperatur oder Verunreinigungen des Zinkoxids.
Zinkoxid ist ein direkter Halbleiter mit einer Bandlücke von 3,2…3,4 eV. Es absorbiert demzufolge UV-Strahlung und ist für sichtbares Licht transparent. Bedingt durch die nichtzentrosymmetrische Elementarzelle ist Zinkoxid piezoelektrisch.
Die elektrische Leitfähigkeit von Zinkoxid kann durch Dotierung mit geeigneten Elementen erhöht werden. Häufig wird dazu Aluminium (Aluminiumdotiertes Zinkoxid, AZO) oder Bor benutzt. Andere Elemente für eine N-Dotierung wie Indium oder Gallium werden momentan nicht eingesetzt. P-dotiertes Zinkoxid ist schwieriger herzustellen und ein Bereich der aktuellen Forschung.
Zinkoxid ist in Wasser praktisch unlöslich, während verdünnte Säuren es unter Salzbildung lösen. Mit Alkali, wie z. B. Natronlauge, löst sich frisch gefälltes, hydratisiertes Zinkoxid bei einem Überschuss an Base wieder auf. Dabei entsteht ein lösliches Zinkat.
Wird die Verbindung mit Cobalt(II)-oxid (CoO) erhitzt, so entsteht eine grüne feste Lösung von Cobaltoxid in Zinkoxid (Rinmans Grün).
Verwendung Pigment Zinkoxid wird unter der Bezeichnung Zinkweiß als Pigment genutzt. Daneben findet man auch Bezeichnungen wie Chinesischweiß, Ewigweiß oder Schneeweiß. Im Gegensatz zu Bleiweiß-Anstrichen ist es schwefelwasserstoff- und lichtbeständig, aber weniger deckend. Daher wurden als Malerfarbe oft Mischungen aus Blei- und Zinkweiß verwendet. Zinkweiß ist mit allen Pigmenten gut verträglich. Alkalische Bindemittel sollten aber vermieden werden, da die Gefahr einer Zinkatbildung besteht. In Öl können sich begrenzt Zinkseifen bilden. Zinkweiß wurde vielfach in wässrigen Techniken eingesetzt, z. B. in Leim-, Aquarell- und Gouachefarben. Es war im Altertum bereits unter Cadmea (genannt auch CadmiaOtto Zekert (Hrsg.): Dispensatorium pro pharmacopoeis Viennensibus in Austria 1570. Hrsg. vom österreichischen Apothekerverein und der Gesellschaft für Geschichte der Pharmazie. Deutscher Apotheker-Verlag Hans Hösel, Berlin 1938, S. 137 (Cadmia: C.lota, C. usta = gebrannter Galmei, Zinkkalk, Zinkoxyd). und auch für andere Zinkverbindungen benutzt)Roderich König, Gerhard Winkler (Hrsg.): C. Plinius Secundus d. Ä., Naturkunde. Lateinisch–deutsch. Buch XXXIII: Metallurgie. 2. Auflage, Artemis & Winkler, Düsseldorf 2007, ISBN 978-3-7608-1613-5, S. 159 (). und PompholyxKarl Bayer, Kai Brodersen (Hrsg.): C. Plinius Secundus d. Ä., Naturkunde. Gesamtregister. Artemis & Winkler, Düsseldorf/Zürich 2004, ISBN 3-7608-1705-X, S. 243 (). (als gereinigter bzw. etwa mit Rosenwasser zubereiteter Ofenbruch Tutia praeparata, in ungereinigtem Zustand auch Tutia bzw. Tucia,Otto Beßler: Prinzipien der Drogenkunde im Mittelalter. Aussage und Inhalt des Circa instans und Mainzer Gart. Mathematisch-naturwissenschaftliche Habilitationsschrift, Halle an der Saale 1959, S. 149, Anm. 1, und S. 228 (zu Spodium) sowie S. 233 (Tucia – eyn steyn, thucia = „unreines Zinkoxyd, sog. Ofenbruch, der sich bei der Messingdarstellung aus dem hierbei verwendeten Galmei im Ofen ansetzte“).Otto Zekert (Hrsg.): Dispensatorium pro pharmacopoeis Viennensibus in Austria 1570. Hrsg. vom österreichischen Apothekerverein und der Gesellschaft für Geschichte der Pharmazie. Deutscher Apotheker-Verlag Hans Hösel, Berlin 1938, S. 152 (Pompholyx: Nihil album, Hüttenrauch, Zinkoxyd) und 158 (Tutia). Tuthia oder TutianGundolf Keil: Die „Cirurgia“ Peters von Ulm. Untersuchungen zu einem Denkmal altdeutscher Fachprosa mit kritischer Ausgabe des Textes (= Forschungen zur Geschichte der Stadt Ulm. Band 2). Stadtarchiv, Ulm 1961 (zugleich Philosophische Dissertation Heidelberg 1960: Peter von Ulm. Untersuchungen zu einem Denkmal altdeutscher Fachprosa mit kritischer Ausgabe des Textes), S. 466 (Zitat aus deutschem Circa instans: „wandelt sine varwe zu der varwe thutie“) und 476 (tutian) und 476 (tutian, thucia, tuttiân, tuziân, tutzi; ‚Hüttenrauch‘, ‚Arsenik‘, der beim Abrösten von arsenhaltigen Erzen als weißer Rauch entsteht; und unreines, kadmiumhaltiges Zinkoxid aus den Kaminen der Zinkröstöfen).) bekannt. Die Alchimisten nannten es Nix alba (weißer Schnee) oder Nihilum album („weißes Nichts“, auch Nihil albumwww.thefreedictionary.com: Nihil albumWilhelm Hassenstein, Hermann Virl: Das Feuerwerkbuch von 1420. 600 Jahre deutsche Pulverwaffen und Büchsenmeisterei. Neudruck des Erstdruckes aus dem Jahr 1529 mit Übertragung ins Hochdeutsche und Erläuterungen von Wilhelm Hassenstein. Verlag der Deutschen Technik, München 1941, S. 105 (Nichts oder Galmeyflug, nihil: „Ist die ausgelöschte Asche von Metallen, wenn sie weiß ist, nihil album und pompholix, die graue aber grau nihil grisium und spodium genannt wird“).), möglicherweise auch Spodium, das auch für Ofenbruch (Tutia, also unreines Zinkoxid) stand, und abaisir.Paul-Jacques Malouin: Abaisir. In: The Encyclopedia of Diderot & d’Alembert. Collaborative Translation Project. Translated by Mark K. Jensen. Michigan Publishing, University of Michigan Library, Ann Arbor 2017 (siehe hier). Im Jahr 1782 ersetzte Bernard Courtois mit Louis Bernard Guyton de Morveau in Dijon Blei- durch Zinkweiß, 1850 wurde es kommerziell zu Ölfarben verarbeitet. Seit 1834 gibt es Zinkweiß auch als Wasserfarbe. Zinkweiß wurde erst langsam von den Künstlern als Ersatz für Bleiweiß angenommen. Es gab regelrechte Streitereien über seine Verwendung. Da Zinkweiß einfach kühler wirkt, wurde es schließlich hauptsächlich für die Mischung mit kühlen Farbtönen verwendet, während Bleiweiß mit den wärmeren Farben vermischt wurde. Die Verwendung von Zinkweiß als Deckfarbe geht heute mehr und mehr zugunsten der von Titanweiß zurück.
Fotografie Einseitig mit Zinkoxid beschichtetes Papier wurde früher (bis um 1970) beim direkten Verfahren der Elektrofotografie verwendet (elektrostatisches Kopierverfahren).
Hingegen enthält das ZINK-Papier („Zero-Ink“) der Zink-Drucktechnik kein Zink.
Halbleiter Zinkoxid findet Verwendung als Deckschicht bei der Herstellung blauer Leuchtdioden (LED), von Flüssigkristallanzeigen (LCD), Varistoren (VDR) und Dünnschicht-Solarzellen. Hierzu wird es meist mit Aluminium dotiert ZnO:Al, (ZOA =Zinkoxid-Aluminium). Die Dotierung erhöht die Leitfähigkeit um mehrere Größenordnungen.
Nano-Whisker aus Zinkoxid zeigen Photoleitung im Ultraviolettbereich.Sanjeev Kumar et al.: Synthesis of photoconducting ZnO nano-needles using an unbalanced magnetron sputtered ZnO/Zn/ZnO multilayer structure, in Nanotechnology 16 1167, Jg. 2005.
Zinkoxid-Keramik wird üblicherweise zur Herstellung von Metalloxid-Varistoren verwendet. Es zeigt hier aufgrund von halbleitenden Effekten an den Korngrenzen einen stark nichtlinear von der angelegten Spannung abhängigen Widerstand und dient als Überspannungsschutz.
Wärmeleitpaste Zinkoxidpulver ist ein gängiger Zusatz von Wärmeleitpasten und erhöht erheblich deren Wirksamkeit.
Medizin Als Bestandteil pharmazeutischer Zinksalben bzw. -pasten (z. B. Penaten-Creme), Sonnenschutzmitteln und Zinkleimverbänden führt Zinkoxid zu einer Austrocknung der Hautoberfläche. Dies nutzt man zum Beispiel bei Intertrigo, Windeldermatitis und anderen nässenden Wunden.
Bei Fußpilz und anderen Dermatomykosen unterstützt Zinkoxid die Heilung. Zinkoxid wirkt antibakteriell und adstringierend.Anna Stefanski: Hautunreinheiten: Warum Zinksalbe gegen Pickel wirklich helfen kann. In: Stern, 6. Januar 2021, abgerufen am 14. Januar 2021.
Seit 1888 wird Zinkoxid auch in Deodorants verwendet, da es leicht antibakteriell wirkt.
Weitere Anwendungen Als Zusatz bei der Vulkanisation von Kautschuk findet Zinkoxid Verwendung.
Zinkoxid kommt als Leuchtstoff in Leuchtstofflampen zum Einsatz. Selbstaktiviertes Zinkoxid (ZnO:Zn) findet als Kathodolumineszenz-Leuchtstoff im Magischen Auge Verwendung; es zeigt blaugrüne Lumineszenz.
Abgereichertes Zinkoxid (DZO) wird dem Kühlwasser von Kernreaktoren (Siedewasserreaktoren) beigegeben, um das Korrosionsverhalten der mit dem Kühlwasser in Berührung kommenden Komponenten zu verbessern.
Zinkoxid-Nanopartikel können als UV-Absorber in Lebensmittelverpackungen dienen.Safety assessment of the substance zinc oxide, nanoparticles, for use in food contact materials. In: EFSA Journal. 14, 2016, doi:10.2903/j.efsa.2016.4408.