Zinn

Zinn – Definition

In diesem Text geht es um das chemische Element Zinn. Es wird mit dem Elementsymbol $\ce{Sn}$ abgekürzt.

Das chemische Symbol $\ce{Sn}$ bezieht sich auf das lateinischen Wort stannum für Zinn. Die Wertigkeit – auch Oxidationszahl genannt – beträgt entsprechend der Hauptgruppennummer maximal $\ce{+IV}$, je nach Verbindung auch manchmal $\ce{+II}$. So verbindet sich Zinn mit Sauerstoff, der (fast) immer die Wertigkeit $\ce{-II}$ hat, meist zu Zinn(IV)‑oxid, $\overset{\text{+IV -II }}{\ce{SnO2}}$. Es kann aber auch Zinn(II)‑oxid bilden, $\overset{\text{+II -II }}{\ce{SnO}}$. In dieser Verbindung ist das Zinn zweiwertig. In Zinn(II,IV)‑oxid kommen sowohl $\overset{\text{+II~}}{\ce{Sn}}$ als auch $\overset{\text{+IV~}}{\ce{Sn}}$ vor.

Zinn – Steckbrief

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

Zinn zählt aufgrund seiner relativ hohen Dichte zu den Schwermetallen, wobei es für ein Metall einen sehr niedrigen Schmelzpunkt hat (ähnlich wie Blei). Bei Raumtemperatur ist das Metall so weich, dass es sich mit dem Fingernagel einritzen lässt.

Achtung: Diese Eigenschaften gelten für das sogenannte $\beta$‑Zinn. Weiter unten im Text sehen wir uns an, was es damit auf sich hat.

Eigenschaften von Zinn

Zusätzlich zu den im Steckbrief aufgelisteten Eigenschaften wollen wir nun auch auf wichtige chemische Eigenschaften des Zinns eingehen:

• Zinn reagiert nicht mit Wasser $\left( \ce{H2O} \right)$.
• Es bildet eine feste Oxidschicht auf seiner Oberfläche, die vor Korrosion schützt.
• Zinn ist ein Amphoter, das heißt, es reagiert sowohl als Säure als auch als Base.

Elementares Zinn kann in drei verschiedenen Modifikationen vorliegen: $\alpha$‑Zinn, $\beta$‑Zinn und $\gamma$‑Zinn. Diese Modifikationen werden weiter unten im Text genauer betrachtet.

Zinn in chemischen Verbindungen

Zinn kann mit Sauerstoff zu Zinn(IV)‑oxid $\left( \ce{SnO2} \right)$ oder Zinn(II)‑oxid $\left( \ce{SnO} \right)$ reagieren. Auch eine Mischung der beiden Oxide, Zinn(II,IV)‑oxid, ist möglich. Zinn(IV)‑oxid ist der Hauptbestandteil des Minerals Kassiterit, in dem Zinn in der Natur am häufigsten vorkommt. Es entsteht außerdem bei der Verbrennung von reinem Zinnpulver an Luftsauerstoff bei $1\,500\,^\circ\text{C}$:

$\ce{Sn + O2-> SnO2}$

Zinn(IV)‑oxid lässt sich mithilfe von Kohlenstoff $\left( \ce{C} \right)$ wieder zu elementarem Zinn reduzieren. Dabei entsteht letztendlich auch Kohlenstoffdioxid $\left( \ce{CO2} \right)$:

$\begin{array}{lclclcl} \ce{SnO2} & + & \ce{2C} & \longrightarrow & \ce{Sn} & + & \ce{2CO} \\[4pt] \ce{SnO2} & + & \ce{2CO} & \longrightarrow & \ce{Sn} & + & \ce{2CO2} \end{array}$

Weitere wichtige Zinnverbindungen sind die Salze Zinn(IV)‑chlorid $\left( \ce{SnCl4} \right)$ und Zinn(II)‑chlorid $\left( \ce{SnCl2} \right)$, sowie Zinn(IV)‑sulfat $\left( \ce{Sn(SO4)2} \right)$ und Zinn(II)‑sulfat $\left( \ce{SnSO4} \right)$.
Wenn Zinn mit konzentrierter Salzsäure $\left( \ce{HCl} \right)$ reagiert, entsteht außerdem Wasserstoff $\left( \ce{H2} \right)$:

$\ce{Sn + 2HCl -> SnCl2 + H2}$

Zinn(II)‑sulfat $\left( \ce{SnSO4} \right)$ kann durch die Reaktion von Zinn(II)‑oxid $\left( \ce{SnO} \right)$ mit Schwefelsäure $\left( \ce{H2SO4} \right)$ gebildet werden, wobei außerdem Wasser $\left( \ce{H2O} \right)$ entsteht:

$\ce{SnO + H2SO4 -> SnSO4 + H2O}$

Ein etwas komplexeres, für Anwendungen in der Färberei wichtiges, Zinnsalz ist Ammoniumhexachlorostannat(IV), sogenanntes Pinksalz $\left( \ce{(NH4)2[SnCl6]} \right)$. In der Wortendung ‑stannat findet sich die lateinische Bezeichnung des Zinns (stannum) wieder.

Die Verbindung Zinn(IV)‑sulfid $\left( \ce{SnS2} \right)$ wird beim sogenannten Bronzieren als Farbpigment eingesetzt. Es ist für einen goldenen Farbton verantwortlich und wird auch Musivgold genannt.
Mit Bronze ist üblicherweise eine Legierung aus den Metallen Kupfer $\left( \ce{Cu} \right)$ und Zinn $\left( \ce{Sn} \right)$ gemeint, wobei noch weitere Elemente zugesetzt werden können. Genauer gesagt handelt es sich dabei um Zinnbronzen (Bronze ist der Oberbegriff für Kupferlegierungen im Allgemeinen). Solche Legierungen sind streng genommen keine chemischen Verbindungen, sondern Stoffgemische.

Daneben spielt Zinn auch in organischen Verbindungen eine Rolle. Sogenannte zinnorganische Verbindungen sind in der Regel Komplexverbindungen.

Hast du dir das Wichtigste gemerkt?

Struktur von Zinn

Zinn ist ein Metall, die einzelnen Zinnatome im Reinstoff sind also durch eine Metallbindung gebunden. Wie fast alle Metalle liegt Zinn unter Normalbedingungen als Feststoff in kristalliner Form vor. Dabei ist der Stoff in der Regel aus mehreren winzigen Kristallen zusammengesetzt. Man nennt das polykristallin. Innerhalb der kleinen Kristalle sitzen die Zinnatome auf festen Plätzen einer definierten Gitterstruktur, wobei sich die räumliche Ausrichtung der Gitterstruktur von Kristall zu Kristall unterscheiden kann.
Eine Besonderheit von Zinn ist, dass dabei drei verschiedene Gitterstrukturen möglich sind. Diese werden $\alpha$‑Zinn, $\beta$‑Zinn und $\gamma$‑Zinn genannt. Man spricht auch von den drei Modifikationen des Zinns. Die wollen wir im Folgenden näher betrachten.

Modifikationen von Zinn

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

Die geläufigste Modifikation bei Raumbedingungen (Normaldruck und $\pu{25 °C}$) ist das metallisch glänzende $\beta$‑Zinn.
Weiter oben haben wir bereits festgehalten, dass Zinn sehr weich ist und sich demzufolge leicht verformen lässt. Dabei ist ein charakteristisches knirschendes Geräusch zu hören, das sogenannte Zinngeschrei. Dieses Geräusch entsteht, wenn die winzigen $\beta$‑Zinn‑Kristallite aneinander reiben.
Die Umwandlung von $\beta$‑Zinn zu $\alpha$‑Zinn bei kalten Temperaturen ist ein zweites wichtiges Phänomen, das auch unter dem Namen Zinnpest bekannt ist. Dies ist problematisch, da $\alpha$‑Zinn sehr instabil ist und als Pulver zerbröselt. Das bedeutet, dass Gegenstände aus reinem Zinn bei tieferen Temperaturen buchstäblich zerfallen, wenn sich $\beta$‑Zinn zu $\alpha$‑Zinn umwandelt. Entgegenwirken kann man diesem Problem, indem man das Zinn mit geringen Anteilen von Bismut $\left( \ce{Bi} \right)$ oder Antimon $\left( \ce{Sb} \right)$ legiert.

Vorkommen von Zinn

Zinn ist ein relativ seltenes Metall. Sein Anteil in der Erdkruste beträgt nur rund $2{,}3\,\text{ppm}$ (parts per million). In der Natur gibt es nur sehr wenige Zinnerze, also Verbindungen, in denen Zinn in größeren Mengen vorkommt. Die wichtigsten sind Kassiterit $\left( \ce{SnO2} \right)$, auch Zinnstein genannt, und Stannit $\left( \ce{Cu2FeSnS4} \right)$. Die größten Lagerstätten findet man in Südamerika (v. a. in Bolivien und Peru) und im asiatischen Raum (v. a. in China, Indonesien und Malaysia), aber auch in Deutschland gibt es Vorkommen, z. B. im sächsischen Erzgebirge. Dort wurde Zinn historisch bereits vom 15. bis ins 20. Jahrhundert abgebaut. Ob eine erneute Öffnung des Zinnbergbaus in dieser Region ökonomisch und ökologisch sinnvoll ist, hängt von verschiedenen Faktoren ab und wird aktuell diskutiert und geprüft. Weltweit beträgt die derzeitige Förderung von Zinn etwa $350\,000\,\text{t}$ im Jahr.

Gewinnung von Zinn

Gewonnen wird Zinn aus dem Erz Kassiterit durch Zerkleinerung und anschließende Reduktion des Oxids nach folgendem Schema:

$\begin{array}{lclclcl} \text{Kassiterit} & + & \text{Kohlenstoff} & \longrightarrow & \text{Zinn} & + & \text{Kohlenstoffdioxid} \\[4pt] \ce{SnO2} & + & \ce{C} & \longrightarrow & \ce{Sn} & + & \ce{CO2} \end{array}$

Etwas genauer betrachtet handelt es sich dabei um einen zweistufigen Prozess:

$\begin{array}{lclclcl} \ce{SnO2} & + & \ce{2C} & \longrightarrow & \ce{Sn} & + & \ce{2CO} \\[4pt] \ce{SnO2} & + & \ce{2CO} & \longrightarrow & \ce{Sn} & + & \ce{2CO2} \end{array}$

Das Zinn kann dann relativ leicht durch Schmelzen abgetrennt werden. So lässt sich Rohzinn mit einer Reinheit von $97\text{–}99\,\%$ gewinnen.

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

Nachweis von Zinn

Ein sehr zuverlässiger Nachweis von Zinn ist die sogenannte Leuchtprobe. Dabei wird zunächst aus der Reaktion von Zink $\left( \ce{Zn} \right)$ mit Salzsäure $\left( \ce{HCl} \right)$ naszierender, also sehr reaktiver, Wasserstoff erzeugt. Dieser reagiert dann mit der zu untersuchenden Probe (wenn diese Zinn enthält) zu Zinnhydrid, sogenanntem Stannan $\left( \ce{SnH4} \right)$. 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.

Verwendung von Zinn

Die Verwendung von Zinn hat sich über die Zeit sehr gewandelt. Bereits im Altertum war das Element bekannt und wurde vor allem als Teil einer Legierung mit Kupfer $\left(\ce{Cu} \right)$ verwendet. Bei einer Legierung handelt es sich um ein Stoffgemisch, genauer gesagt ein Gemenge aus mindestens zwei verschiedenen Elementen, von denen mindestens eines ein Metall sein muss, sodass der entstehende Stoff eine metallische Bindung aufweist.
Eine Legierung aus Zinn $\left( \ce{Sn} \right)$ und Kupfer $\left(\ce{Cu} \right)$ wird Bronze genannt, genauer gesagt Zinnbronze. Die Entdeckung und Herstellung von Bronze war so prägend für die Menschheit, dass die Zeitspanne von $2200\text{–}800\,\text{v. u. Z.}$ (in Europa) nach ihr benannt wurde: die Bronzezeit. Auch aus der Antike sind zahlreiche Funde aus Bronze, z. B. Skulpturen, Schmuck und Geschirr (Letzteres zum Teil auch aus purem Zinn) bis heute erhalten.

Beginnend mit der Industrialisierung wurde dann zunehmend auch reines Zinn in technischen Bereichen verwendet, beispielsweise für Elektronikbauteile. In einigen Glasherstellungsprozessen (z. B. beim Floatglasverfahren) schwimmt die Glasschmelze auf einer Zinnschmelze, bis das Glas abgekühlt, also fest wird. Dadurch können sehr glatte Oberflächen erzeugt werden. Zinn wird außerdem für Farbpigmente, Poliermittel, verschiedene Chemikalien und in LCD‑Displays benötigt. Zinn findet weiterhin in Legierungen mit anderen Elementen eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten:

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

Eine kleine Geschichte des Zinns

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.

Aus Zinnfolie, sogenanntem Stanniol, wurde auch Lametta gefertigt. Heute wird stattdessen Aluminium verwendet. Der Name des berühmten Tin Man aus Der Zauberer von Oz bezieht sich auf Weißblech, also verzinntes Eisenblech, das zum Beispiel für Konservendosen verwendet wird. In der deutschen Übersetzung heißt er deswegen einfach nur Blechmann, was leider nicht ganz so schön klingt.

Ausblick – das lernst du nach Zinn

Vertiefe dein Wissen über Metalle und ihre Eigenschaften! Nach Zinn kann es mit Blei und Eisen weitergehen. Tauche tiefer in die Welt der Chemie ein und erforsche die unglaublichen Möglichkeiten der Metallurgie!

Häufig gestellte Fragen zum Thema Zinn