technische elektrolysen
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Technische ElektrolysenTechnische Elektrolysen
Chloralkalielektrolyse, Kupferraffination und Wasserstoffgewinnung
Von Annika F. und Elisa
GliederungGliederung
• Chlor-Alkali-Elektrolyse– Amalgamverfahren– Diaphragmaverfahren
• Kupferraffination• Wasserstoffgewinnung• Quellen
Chlor-Alkali-ElektrolyseChlor-Alkali-Elektrolyse
• Chlor-Alkali-Elektrolyse: Elektrolyse einer wässrigen Natriumchloridlösung zur Herstellung von Chlor, Natronlauge und Wasserstoff
• Möglichkeiten über– Amalgamverfahren
(Quecksilberverfahren)– Diaphragmaverfahren
AmalgamverfahrenAmalgamverfahren
SalzlöserSalzlöser
• NaCl(s) (Steinsalz) wird in NaCl-Lösung gelöst (aus 23%iger NaCl-Lösung wird 24%ige)
FällungsbeckenFällungsbecken
• Reinigung der Sole von groben Feststoffen durch Sedimentation und Ausfällen
FiltrierstationFiltrierstation
• Reinigen der Sole von feinen Fremdstoffen durch Filtration
ElektrolysezelleElektrolysezelle
• Erzwingen der Elektronenübertragung von Chlorid- auf Natriumionen (Chlor und Natrium entstehen)
• Legierungsbildung: Na(s) + Hg(s) NaHg(s)
• Mögliche Kathodenvorgänge/Reduktion:• Na+
(aq) + 1e- Na(s) (UA=-2,66V )
• 2 H+(aq) + 2e- H2(g) (UA= -1,61V )
• Mögliche Anodenvorgänge/Oxidation:• 2Cl-
(aq) Cl2(g) + 2e- (UA= 1,31V)
• 4OH-(aq) O2(g) + 2H2O(l)+ 4e- (UA= 0,82V )
• Geringste Zersetzungsspannung bei UA(Cl-/Cl2) und UA (H2/H+)
• Aber: Bindungsbildung des Natriumamalgams vermindert die für die Abscheidung der Na+-Ionen nötige Energie um 0,87 V
Dann geringste Zersetzungsspannung bei UA(Cl-/Cl2) und UA (Na+/Na)
• Mögliche Kathodenvorgänge/Reduktion:• Na+
(aq) + 1e- Na(s) (UA=-2,66V -1,79V)
• 2 H+(aq) + 2e- H2(g) (UA= -1,61V -1,849V)
• Mögliche Anodenvorgänge/Oxidation:• 2Cl-
(aq) Cl2(g) + 2e- (UA= 1,31V 1,81V)
• 4OH-(aq) O2(g) + 2H2O(l)+ 4e- (UA= 0,82V 2,06V)
• Gesamtreaktion– 2Cl-(aq) + 2Na+(aq) + 2H2O(l) Cl2(g) + 2NaOH(aq) +
H2(g)
AmalgamzersetzerAmalgamzersetzer
• Trennen des Quecksilbers aus Natriumamalgam-Legierung
• 2H2O(l) + 2NaHg(s) H2(g) + 2 NaOH(aq) + 2 Hg(s)
ChlorabscheiderChlorabscheider
• Abscheiden des in Sole gelösten Chlorgases
• Cl2(aq) Cl2(g)
• durch Rühren, Temperaturerhöhung oder Druckverringerung
AufgabeAufgabe
• Berechnen Sie den täglichen (24h) Verbrauch an Steinsalz (in Tonnen) einer Elektrolysezelle, die mit einer Stromstärke von 150 000 A bei einer Stromausbeute von 85% betrieben wird.
• Hinweis:• Q= I t = F n z ; n= (I t ) / (F z ) • F = 96 500 As / mol
• Problem:– Anlagen emittieren ca. 0,2-3 g Hg pro
Tonne produzierten Chlorgases – Hg ist giftig!
• Lösung: Diaphragmaverfahren
DiaphragmaverfahrenDiaphragmaverfahren
• Anstelle von Hg-Kathode eine Fe-Kathode
• Uü von H2 an Fe geringer als an Hg, Kathodenreaktion daher mit H+/H2
• Anodenvorgang bleibt unverändert• Diaphragma um Wanderung der OH-
-Ionen vom Kathoden- in den Anodenraum zu verhindern
• Kathodenvorgang– 2 H+(aq) + 2e- H2(g)
• Anodenvorgang- 2Cl-
(aq) Cl2(g) + 2e-
• Gesamt: – 2H+(aq) + 2Cl-(aq) Cl2(g) + H2(g)
Diaphragma
Anode(Titan)
Kathode (Eisen)
Cl2 H2
NaCl
NaOHCl-
OH-
Na+
Pluspol Minuspol
KupferraffinationKupferraffination
• in der Natur vorkommendes Kupfer ist nicht rein genug
• Daher: Elektrolyse
• Mögliche Anodenvorgänge: – Cu(roh)(s) Cu2+(aq) + 2e- (UA=0,35V)
– 2H2O(l) O2(g) + 4 H+(aq) + 4e- (UA=0,82V)
• Mögliche Kathodenvorgänge:– Cu2+(aq) + 2e- Cu(rein)(s) (UA=0,35V)
– 2H2O(l) + 2e- H2(g) + 2OH-(aq) (UA=-0,41V)
• Gesamtreaktion:– Cu(roh)(s) Cu(rein)(s)
• Geringste Zersetzungsspannung zwischen Oxidation und Reduktion von Kupfer
Rohkupferanode
Reinkupferkathode
Zn2+Fe2+Cu2+
Anodenschlamm(Ag, Au, Pt)
SchwefelsaureCuSO4-Lsg.
SO4-
2e-
2e-
CuCu
Cu
• eigentlich müsste Reaktion ohne anlegen einer Spannung ablaufen (da Uz=0V), aber– Spannung von 0,3V benötigt um
Widerstand der Lösung zu überwinden!– c(Cu2+) an Anode höher als an
Kathode (daher Unterschiede in Elektrodenpotential)
WasserstoffgewinnungWasserstoffgewinnung
• Katalytische Dampfspaltung– CH4(g) + H2O(g) 3H2(g) + CO(g)– CO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2(g)
• Elektrolytische Gewinnung durch– Chlor-Alkali-Elektrolyse– Wasserstoffelektrolyse
WasserstoffelektrolyseWasserstoffelektrolyse
• Zerlegung von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff an platinierten Platinelektroden
• Anodenvorgang:– 4OH-(aq) O2(g) + H2O(l) + 4e-
• Kathodenvorgang:– 2H+(aq) + 2e- H2(g)
• Gesamt:– 4OH-(aq) + 2H+(aq) O2(g) + H2O(l) + H2(g)
AnodeKathode
KathodeAnode
OH-H+K+
4OH- H+
O2 +2H2O H2
e- e-
Pluspol Minuspol
KOH-Lsg.(pH=9)
QuellenQuellen
• Musterlösung Chemieklausur Nr. 3• Chemiemappe