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