Aufgabe 5 · Abitur NRW Chemie LK · Zink und Eisen – zusammen stark geg 2025

2 Material

Material 1: Korrosion von Eisen und Korrosionsschutz durch Verzinken [1] – [4]

Korrosion führt zur Beschädigung von metallischen Bauteilen und verursacht Materialermüdung, die bis zur Funktionsuntüchtigkeit (Ermüdungsbruch) reichen kann.

Beim Eisen nennt man diesen Vorgang „Rosten“ und das Ergebnis „Rost“. Rost ist vereinfacht ein Stoffgemisch aus Eisen(II)-oxid, Eisen(III)-oxid und Eisen(II)-hydroxid. Frischer Rost ist hellbraun gefärbt, voluminös und spröde. Er wölbt sich mit der Zeit auf und blättert vom Bauteil ab.

Korrosion verursacht einen enormen wirtschaftlichen Schaden von jährlich mehreren Milliarden Euro in Deutschland (Schätzung).

Das Verzinken ist ein sehr effektives Verfahren des Korrosionsschutzes für Eisen. Das Eisenbauteil wird dabei vollständig mit einer dünnen, fest haftenden Zinkschicht versehen. Man macht sich zunutze, dass Zink bereits bei $419\ \text{°C}$ geschmolzen vorliegt und taucht die gereinigten Eisenbauteile kurz in die Zinkschmelze ein. Alternativ kann das Verzinken durch Elektrolyse erfolgen. Der Korrosionsschutz ist selbst bei Beschädigung der Zinkschicht noch gegeben (Abb. 1).

Zink ist bei Raumtemperatur fest und silberglänzend. An feuchter Luft läuft es in Folge oberflächlicher Bildung von Zink(II)-oxid- bzw. Zink(II)-carbonat matt-grau an, wodurch das darunter liegende Zink weitgehend vor witterungsbedingten Einflüssen geschützt wird.

Material 2: Synthesewege für Zink [4]

Die Herstellung von Zink beruht seit Jahrhunderten auf der Verarbeitung der Zinkerze Zink(II)-sulfid (ZnS) und Zink(II)-carbonat ($\text{ZnCO}_3$). Diese werden durch Erzbergbau gewonnen und in einem ersten Schritt in Zink(II)-oxid (ZnO) überführt. Im Fall von Zink(II)-sulfid wird das Erz bei $900\ \text{°C}$ mit Sauerstoff aus der Luft zur Reaktion gebracht („Rösten“). Hierbei wird giftiges Schwefeldioxid freigesetzt. Im Fall von Zink(II)-carbonat wird das Erz in Abwesenheit von Luft in einem Ofen auf $1.000\ \text{°C}$ erhitzt („Brennen“), wobei Kohlenstoffdioxid abgegeben wird.

Für die sich anschließende Gewinnung von elementarem Zink aus Zink(II)-oxid gibt es ebenfalls zwei Verfahren: das thermische und das hydrometallurgische Verfahren. Beim thermischen Verfahren wird Zink(II)-oxid bei knapp $1.000\ \text{°C}$ mit Kohlenstoffmonooxid zur Reaktion gebracht, es bildet sich als Nebenprodukt Kohlenstoffdioxid. Beim hydrometallurgischen Verfahren wird Zink(II)-oxid mit Schwefelsäure versetzt und die damit erzeugte Zink(II)-sulfat-Lösung im Anschluss elektrolysiert.

Zur bislang beschriebenen sogenannten Primärproduktion, der Rohstoffgewinnung auf Basis natürlicher Grundstoffe wie Erzen, gewinnt in jüngerer Zeit auch die Sekundärproduktion an Bedeutung. Darunter versteht man die Rohstoffgewinnung auf Basis recycelter Materialien, im Fall von Zink aus zinkhaltigem Schrott. Dieser wird im Elektrolichtbogen bei etwa $1.800\ \text{°C}$ eingeschmolzen. Enthaltenes Zink entweicht bei diesen Temperaturen gasförmig und reagiert umgehend mit Sauerstoff aus der Luft zum Zink(II)-oxid, welches als Staub anfällt und gesammelt wird.

Material 3: Ökobilanzstudie empfiehlt Neuverzinken [5]

Die an Straßen verbauten Schutzplanken bestehen aus verzinktem Eisen. Sind diese am Ende ihrer verhältnismäßig langen Gebrauchsdauer dennoch zu ersetzen, empfiehlt sich nach einer Ökobilanzstudie des niederländischen Forschungsinstituts CE Delft ein Neuverzinken, sofern die Beschädigungen nicht die Stabilität betreffen. Hierbei bleibt das Eisengerüst erhalten und wird nach einer Oberflächenbearbeitung einfach erneut verzinkt. Die Studie kommt zum Schluss, dass mit den neuverzinkten Schutzplanken im Vergleich zu neu hergestellten Modellen ein deutlich geringerer $\text{CO}_2$-Fußabdruck einhergeht und signifikant weniger Energie benötigt wird.

Material 4: Schülerexperiment

Geräte:

Becherglas ($V = 100\ \text{mL}$)

Kupferblech

Graphitstab

Spannungsquelle, Spannungsmesser

Verbindungskabel und Krokodilklemmen

Halterung zur Fixierung der Elektroden

Chemikalien:

Zink(II)-sulfat-Lösung ($c = 0{,}1\ \frac{\text{mol}}{\text{L}}$)

Durchführung Teilexperiment 1:

Befüllen Sie das Becherglas gut zur Hälfte mit Zink(II)-sulfat-Lösung und tauchen Sie darin den Graphitstab und das Kupferblech bis zum Boden ein. Schließen Sie den Minuspol der Spannungsquelle an den Graphitstab, den Pluspol an das Kupferblech an und elektrolysieren Sie ca. 5 Minuten lang bei angelegter Spannung von $U = 5\ \text{V}$.

Durchführung Teilexperiment 2:

Beenden Sie die Elektrolyse und schalten Sie ein Spannungsmessgerät an die beiden Elektroden von Teilexperiment 1. Achten Sie darauf, dass kein Kurzschluss eintritt und vermeiden Sie ruckartige Bewegungen der Elektroden. Führen Sie eine Spannungsmessung durch.

Material 5: Großtechnische Elektrolyse von wässriger Zink(II)-sulfat-Lösung [6]

Bei möglichst niedriger Spannung von $U = 3{,}5\ \text{V}$ wird reine Zink(II)-sulfat-Lösung elektrolysiert. Diese fließt kontinuierlich der industriellen Elektrolysezelle zu. Entsprechend fließt Elektrolyt-Lösung kontinuierlich aus der Zelle ab, wodurch eine Anreicherung der sich beim Elektrolyseprozess bildenden Schwefelsäure verhindert wird.

Je industrieller Elektrolysezelle sind bis zu 48 plattenförmige Kathoden geschaltet. Das sich hieran abscheidende Zink wird nach ein oder zwei Tagen mechanisch abgestreift. Das Material von Anode und Kathode ist so gewählt, dass beide sich durch die Elektrolysevorgänge nicht verändern (sogenannte Inert-Elektroden). An der Anode scheidet sich Sauerstoff-Gas ab.

5 Formulieren Sie die Reaktionsgleichung der großtechnischen Elektrolyse von Zink(II)-sulfat-Lösung (M 5).

Begründen Sie zwei Versuchsbedingungen der industriellen Elektrolysezelle, die gegenüber dem Schülerexperiment abgeändert wurden, damit eine großtechnische Gewinnung von Zink gelingt. (Größenverhältnisse der Anlage bzw. eingesetzte Massen sind nicht zu betrachten.)

[6 BE]

a)

b)