Beim Experimentieren den Allgemeinen Warnhinweis unbedingt beachten.

Das Schwermetall Zink hat in Pulverform das Gefahrensymbol (F), was darauf hinweist, dass es erstaunlich unedel ist.

Man kann mit ihm viele schöne Experimente machen, die oftmals Wunderstunden bereichern. Man kann aber auch einiges über Redoxreaktionen, Aktivierung und Katalyse lernen.

Hinweise zum Zinkpulver
Wegen seiner Brennbarkeit gibt es zwei Zinkpulverformen. Die eine ist brennbar; sie ist nicht stabilisiert. Mit dieser Pulverform funktionieren die Versuche, die wir hier vorstellen, am besten. Dieses Pulver hat aber auch den Nachteil, dass es sehr schnell verdirbt. Dabei überzieht es sich mit einem Belag von Hydroxiden, Oxiden sowie Carbonaten.
Das andere Zinkpulver ist durch Vorbehandlung der Oberfläche stabilisiert („phlegmatisiert“) worden. Die Versuche, die wir hier vorstellen, sollten dennoch auch mit diesem Pulver funktionieren, wenn es nicht zu stark „vergammelt“ ist.

Auf jeden Fall sind Behälter, in denen Zinkpulver aufbewahrt wird, nach Entnahme des Zinks sofort wieder luftdicht zu verschließen.

Nun zu den Versuchen

Versuch 1
Beim wohl bekanntesten Versuch mit Zinkpulver, dem „Feuerball“, müssen wir kräftig aktivieren, indem wir das an sich ziemlich stabile Gemenge aus Zink und Schwefel entzünden.

Zink und Schwefel Lehrerversuch. Abzug! Man mischt genau 13 g Zinkpulver und 6,4 g feinstes Schwefelpulver („Schwefelblume“). Dann häufelt man das Pulver auf eine feuerfeste Unterlage. Nun erhitzt man einen Draht (zum Beispiel den an der Spitze abgeknickten Stiel von einem Phosphorlöffel) bis zum Glühen und taucht ihn in das Häufchen mit der Zink/Schwefel-Mischung. Vorsicht! Diese Reaktion darf wegen der Explosionsgefahr nicht in einem Reagenzglas gestartet werden! Ergebnis: Es entsteht ein riesiger, weiß glühender Feuerball mit viel Rauch, der hochsteigt.

(Foto: Daggi)

Die Reaktion ist formal ein Redox-Vorgang zwischen Zink und einem Nichtmetall, hier Schwefel (2a). Allerdings bildet sich aufgrund der Reaktionswärme daneben zusätzlich viel Zinkoxid. Man kann auch sagen, dass das zunächst gebildete Zinksulfid verbrennt (2b). Vermutlich werden beide Reaktionen nebeneinander ablaufen.

Versuch 2
Bei anderen Mischungen reicht es auch aus, zur Auslösung der Reaktion etwas Wasser zuzutropfen, statt zu erwärmen. Hier folgen zwei Beispiele.

Zink und Iod Wir mischen Iodpulver (Xn,N) und die gleiche Menge an Zinkpulver. Dann tropfen wir etwas Wasser auf die Mischung. Ergebnis: Es setzt eine heftige Reaktion ein, bei der ein weißes Salz entsteht. Ein Teil des Iods verdampft/sublimiert unter Bildung von violettem Rauch.

In erster Linie handelt es sich um eine einfache Redoxreaktion zwischen Zink und einem Halogen, Iod. Diese Reaktion ist jedoch gehemmt, was man daran erkennt, dass die trockene Mischung stabil ist. Anders ist das, wenn etwas Wasser zugetropft wird. Das sieht nach Katalyse aus. Aber was ist Katalysator?

Um die Frage zu beantworten, sollte man zunächst die Reaktionsgleichungen so formulieren:

Wasser enthält einige Protonen, die zunächst mit dem unedlen Zink reagieren (3a). Es bildet sich Wasserstoff in „statu nascendi“ (Symbol [H]). Darunter versteht man Wasserstoffatome bzw. Wasserstoffradikale, die gleich nach ihrer Entstehung mit Iod reagieren (3b). Dabei bildet sich Iodwasserstoff, dessen Protonen mit Zink reagieren (3c) - und so weiter.

Es handelt sich bei der Reaktion von Versuch 2 also um eine Protonenkatalyse, bei der die Aktivierungsenergie gegenüber dem Versuch 1 deutlich herabgesetzt ist.

Es gibt daher auch die Möglichkeit der Formulierung des Gleichungssystems (3a-d) als Katalysekreisprozess (3e).

Beispiele für Protonenkatalysen gibt es reichlich, z. B.:
- Estersynthese
- Spaltung von Disacchariden oder von Polysachariden

Versuch 3
Der folgende Versuch zeigt, dass ein Reaktionsstart statt mit flüssigem Wasser sogar auch mit Eis möglich ist. Daraus folgt, dass bei der notwendigen Aktivierung nicht so sehr die Wärmezufuhr im Vordergrund steht, sondern offenbar auch hier an eine Katalyse zu denken ist.

Zink und Ammoniumsalze Lehrerversuch. Abzug! Wir mischen gleiche Mengen von Ammoniumchlorid (Xn) und trockenem Ammoniumnitrat (O). Wir häufeln diese Mischung auf eine feuerfeste Unterlage. Dann streuen wir vorsichtig mit einem langen Spatel Zinkpulver auf das Salz und vermischen das Gemenge von der Seite her. Wichtig: Dabei achten wir darauf, dass sich unsere Hand nicht über dem Häufchen befindet! Dann legen wir ein Stückchen Eis auf die Mischung. Wir können natürlich auch mit Hilfe eines langen Glasrohrs etwas Wasser zutropfen. Ergebnis: Die Reaktion setzt rasch und heftig ein. Mit einer großen Flamme brennt das Gemisch unter Bildung eines weißen, stinkenden Rauchs ab.

Der Rauch enthält Zinkchlorid und Zinkoxid, Stickoxide und Ammoniak.

Bei dieser Reaktion reagieren zunächst die Protonen der sauren Ammonium-Ionen mit dem Zink, wobei Zinkchlorid und Zinknitrat entstehen (4a). Die sich bildenden Wasserstoffatome [H] reduzieren die Nitrat-Ionen (4b). Durch die Reaktionshitze bildet sich auch Zinkoxid.

Der Katalyseprozess ist hier nicht so deutlich zu erkennen. Im Mittelpunkt steht jedoch das Wasser, welches erst ermöglicht, dass die Protonen des Ammoniums mit dem Zink reagieren können. Da Wasser während der Reaktion (4b) entsteht, handelt es sich um eine sich selbst beschleunigende Reaktion, um eine Autokatalyse.

Versuch 4
Beim folgenden Experiment müssen wir kein zusätzliches Wasser hinzugeben, weil in den Kupferchlorid-Kristallen bereits genügend Hydratwasser gebunden vorliegt.

Zink und Kupfer(II)-chlorid-Dihydrat In eine flache Porzellanschale geben wir nebeneinander je ein Häufchen Zinkpulver sowie Kupfer(II)-chlorid. Dann vermischen wir beides miteinander. Ergebnis: Nach kurzer Zeit setzt unter Bildung von Wasserdampf eine Reaktion ein, in deren Verlauf sich Kupfer bildet.

Hier findet die bekannte Redoxreaktion zwischen Kupfer-Ionen mit einem unedlen Metall statt (5). Der Versuch wird durch Chlorid-Ionen katalysiert. (Aus diesem Grunde ist Lösungswasser notwendig.) Deshalb funktioniert er auch nicht mit Kupfer(II)-sulfat-Pentahydrat.

(Zum analogen Verhalten von Kupferchlorid mit Aluminium klicke hier.)

Versuch 5
Der Austausch von Halogenatomen ist auch mit organisch-chemischen Verbindungen möglich. Hier wird wieder durch Wärmezufuhr aktiviert.

Zink und Tetrachlorkohlenstoff Lehrerversuch. Abzug! Man gibt ein Häufchen Zinkpulver in eine kleine Schale, tropft gerade soviel Tetrachlorkohlenstoff (T,N) hinzu, dass nach dem Vermischen ein formbarer Teig entsteht. Daraus formen wir einen Kegel. Diesen entzünden wir an der Spitze mit dem Bunsenbrenner. Ergebnis: Das graue Gemenge brennt langsam unter Bildung von dichtem weißen Rauch ab. Zurück bleibt eine schwärzliche Masse.

Der weiße Nebel besteht aus wasserfreiem Zinkchlorid. Der schwarze Rückstand ist Kohlenstoff.

Genau genommen handelt es sich bei (6) um eine extreme Eliminierungsreaktion.

Mit dieser Mischung erzeugte man früher Nebel („Nebelkerzen“), die allerdings nach einigen Unfällen zumindest in der Bundeswehr aus dem Verkehr gezogen wurden. Grund ist das Zinkchlorid, das in der Lunge unter Bildung von Salzsäure hydrolysiert wird. Formal kann man das so beschreiben (7):

Versuch 6
Bei der Aufzählung der Verwendung von Zinkpulver darf keinesfalls der bekannte Versuch „Kupfermünzen vergolden“ fehlen. Hier findet genau genommen aber gar keine chemische Reaktion statt. Es handelt sich nur um die Mischung zweier Metalle, also um die Herstellung einer goldartig aussehenden Legierung, nämlich Messing.

Versuchsvorschrift und Erklärung finden Sie im Tipp des Monats Nr. 17.

Rüdiger Blume

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