Technische Elektrolysen Chloralkalielektrolyse, Kupferraffination und Wasserstoffgewinnung Von Annika F. und Elisa
Gliederung <ul><li>Chlor-Alkali-Elektrolyse </li></ul><ul><ul><li>Amalgamverfahren </li></ul></ul><ul><ul><li>Diaphragmave...
Chlor-Alkali-Elektrolyse <ul><li>Chlor-Alkali-Elektrolyse: Elektrolyse einer wässrigen Natriumchloridlösung zur Herstellun...
Amalgamverfahren
Salzlöser <ul><li>NaCl (s)  (Steinsalz) wird in NaCl-Lösung gelöst (aus 23% iger  NaCl-Lösung wird 24% ige ) </li></ul>
Fällungsbecken <ul><li>Reinigung der Sole von groben Feststoffen durch Sedimentation und Ausfällen </li></ul>
Filtrierstation <ul><li>Reinigen der Sole von feinen Fremdstoffen durch Filtration </li></ul>
Elektrolysezelle <ul><li>Erzwingen der Elektronenübertragung von Chlorid- auf Natriumionen (Chlor und Natrium entstehen) <...
<ul><li>Mögliche Kathodenvorgänge/Reduktion: </li></ul><ul><ul><li>Na + (aq)  + 1e -     Na (s)   (UA=-2,66V ) </li></ul>...
<ul><li>Geringste Zersetzungsspannung bei UA(Cl-/Cl2) und UA (H2/H+) </li></ul><ul><li>Aber: Bindungsbildung des Natriumam...
<ul><li>Mögliche Kathodenvorgänge/Reduktion: </li></ul><ul><ul><li>Na + (aq)  + 1e -     Na (s)   (UA=-2,66V    -1,79V) ...
Amalgamzersetzer <ul><li>Trennen des Quecksilbers aus Natriumamalgam-Legierung </li></ul><ul><li>2H 2 O (l)  + 2NaHg (s)  ...
Chlorabscheider <ul><li>Abscheiden des in Sole gelösten Chlorgases </li></ul><ul><li>Cl 2(aq)  Cl 2(g) </li></ul><ul><li>d...
Aufgabe <ul><li>Berechnen Sie den täglichen (24h) Verbrauch an Steinsalz (in Tonnen) einer Elektrolysezelle, die mit einer...
<ul><li>Problem: </li></ul><ul><ul><li>Anlagen emittieren ca. 0,2-3 g Hg pro Tonne produzierten Chlorgases  </li></ul></ul...
Diaphragmaverfahren <ul><li>Anstelle von Hg-Kathode eine Fe-Kathode </li></ul><ul><li>Uü von H2 an Fe geringer als an Hg, ...
<ul><li>Kathodenvorgang </li></ul><ul><ul><li>2 H+ (aq)  + 2e-    H 2(g) </li></ul></ul><ul><li>Anodenvorgang </li></ul><...
Diaphragma Anode (Titan) Kathode  (Eisen) Cl 2 H 2 NaCl NaOH Cl- OH- Na+ Pluspol Minuspol
Kupferraffination <ul><li>in der Natur vorkommendes Kupfer ist nicht rein genug </li></ul><ul><li>Daher: Elektrolyse </li>...
<ul><li>Mögliche Anodenvorgänge:  </li></ul><ul><ul><li>Cu(roh)(s)    Cu2+(aq) + 2e-  (UA=0,35V) </li></ul></ul><ul><ul><...
Rohkupferanode Reinkupferkathode Zn2+ Fe2+ Cu2+ Anodenschlamm (Ag, Au, Pt) Schwefelsaure CuSO 4 -Lsg. SO 4 - 2e- 2e- Cu Cu...
<ul><li>eigentlich müsste Reaktion ohne anlegen einer Spannung ablaufen (da Uz=0V), aber </li></ul><ul><ul><li>Spannung vo...
Wasserstoffgewinnung <ul><li>Katalytische Dampfspaltung </li></ul><ul><ul><li>CH4(g) + H2O(g)    3H2(g) + CO(g) </li></ul...
Wasserstoffelektrolyse <ul><li>Zerlegung von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff an platinierten Platinelektroden </li></...
Anode Kathode Kathode Anode OH- H+ K+ 4OH- H+ O 2   +2H 2 O H 2 e- e- Pluspol Minuspol KOH-Lsg. (pH=9)
Quellen <ul><li>Musterlösung Chemieklausur Nr. 3 </li></ul><ul><li>Chemiemappe </li></ul>
 
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  • UA(Na+/Na) abhängig von c(Na+) zur Abscheidung von Na+ erforderliche elektrische Energie wird vermindert (um Betrag der bei Hg-Bildung entstehender Energie) H hat an Hg bei Stromdichte von 1 A cm² eine Uü von ca. -1,2V Während Elektrolyse ändert sich pH-Wert im Kathodenbereich auf 11
  • Disproportionierung (Cl2  Cl- + OCl-) Problem: Diaphragma aus Asbest (gifitg), daher bei neuen Elektrolysen Ionenaustauschmembran
  • H2SO4 in Lösung, um entstehendes Kupferoxid zu Kupfer zu zersetzen. Aber warum Sauerstoff? ( 2Cu + O2  2CuO) Warum überhaupt Kupfersulfatlösung?!
  • Kupfer ist am edelsten, höchste e—Affinität, höchstes Redoxpotential
  • Technische elektrolysen

    1. 1. Technische Elektrolysen Chloralkalielektrolyse, Kupferraffination und Wasserstoffgewinnung Von Annika F. und Elisa
    2. 2. Gliederung <ul><li>Chlor-Alkali-Elektrolyse </li></ul><ul><ul><li>Amalgamverfahren </li></ul></ul><ul><ul><li>Diaphragmaverfahren </li></ul></ul><ul><li>Kupferraffination </li></ul><ul><li>Wasserstoffgewinnung </li></ul><ul><li>Quellen </li></ul>
    3. 3. Chlor-Alkali-Elektrolyse <ul><li>Chlor-Alkali-Elektrolyse: Elektrolyse einer wässrigen Natriumchloridlösung zur Herstellung von Chlor, Natronlauge und Wasserstoff </li></ul><ul><li>Möglichkeiten über </li></ul><ul><ul><li>Amalgamverfahren (Quecksilberverfahren) </li></ul></ul><ul><ul><li>Diaphragmaverfahren </li></ul></ul>
    4. 4. Amalgamverfahren
    5. 5. Salzlöser <ul><li>NaCl (s) (Steinsalz) wird in NaCl-Lösung gelöst (aus 23% iger NaCl-Lösung wird 24% ige ) </li></ul>
    6. 6. Fällungsbecken <ul><li>Reinigung der Sole von groben Feststoffen durch Sedimentation und Ausfällen </li></ul>
    7. 7. Filtrierstation <ul><li>Reinigen der Sole von feinen Fremdstoffen durch Filtration </li></ul>
    8. 8. Elektrolysezelle <ul><li>Erzwingen der Elektronenübertragung von Chlorid- auf Natriumionen (Chlor und Natrium entstehen) </li></ul><ul><li>Legierungsbildung: Na (s) + Hg (s)  NaHg (s) </li></ul>
    9. 9. <ul><li>Mögliche Kathodenvorgänge/Reduktion: </li></ul><ul><ul><li>Na + (aq) + 1e -  Na (s) (UA=-2,66V ) </li></ul></ul><ul><ul><li>2 H+(aq) + 2e-  H 2(g) (UA= -1,61V ) </li></ul></ul><ul><li>Mögliche Anodenvorgänge/Oxidation: </li></ul><ul><ul><li>2Cl - (aq)  Cl 2(g) + 2e - (UA= 1,31V) </li></ul></ul><ul><ul><li>4OH- (aq)  O 2(g) + 2H 2 O (l) + 4e- (UA= 0,82V ) </li></ul></ul>
    10. 10. <ul><li>Geringste Zersetzungsspannung bei UA(Cl-/Cl2) und UA (H2/H+) </li></ul><ul><li>Aber: Bindungsbildung des Natriumamalgams vermindert die für die Abscheidung der Na+-Ionen nötige Energie um 0,87 V </li></ul><ul><li> Dann geringste Zersetzungsspannung bei UA(Cl-/Cl2) und UA (Na+/Na) </li></ul>
    11. 11. <ul><li>Mögliche Kathodenvorgänge/Reduktion: </li></ul><ul><ul><li>Na + (aq) + 1e -  Na (s) (UA=-2,66V  -1,79V) </li></ul></ul><ul><ul><li>2 H+(aq) + 2e-  H 2(g) (UA= -1,61V  -1,849V) </li></ul></ul><ul><li>Mögliche Anodenvorgänge/Oxidation: </li></ul><ul><ul><li>2Cl - (aq)  Cl 2(g) + 2e - (UA= 1,31V  1,81V) </li></ul></ul><ul><ul><li>4OH- (aq)  O 2(g) + 2H 2 O (l) + 4e- (UA= 0,82V  2,06V) </li></ul></ul><ul><li>Gesamtreaktion </li></ul><ul><ul><li>2Cl- (aq) + 2Na+ (aq) + 2H 2 O (l)  Cl2 (g) + 2NaOH (aq) + H 2(g) </li></ul></ul>
    12. 12. Amalgamzersetzer <ul><li>Trennen des Quecksilbers aus Natriumamalgam-Legierung </li></ul><ul><li>2H 2 O (l) + 2NaHg (s)  H 2(g) + 2 NaOH (aq) + 2 Hg (s) </li></ul>
    13. 13. Chlorabscheider <ul><li>Abscheiden des in Sole gelösten Chlorgases </li></ul><ul><li>Cl 2(aq) Cl 2(g) </li></ul><ul><li>durch Rühren, Temperaturerhöhung oder Druckverringerung </li></ul>
    14. 14. Aufgabe <ul><li>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. </li></ul><ul><li>Hinweis: </li></ul><ul><li>Q= I t = F n z ; n= (I t ) / (F z ) </li></ul><ul><li>F = 96 500 As / mol </li></ul>
    15. 15. <ul><li>Problem: </li></ul><ul><ul><li>Anlagen emittieren ca. 0,2-3 g Hg pro Tonne produzierten Chlorgases </li></ul></ul><ul><ul><li>Hg ist giftig! </li></ul></ul><ul><li>Lösung: Diaphragmaverfahren </li></ul>
    16. 16. Diaphragmaverfahren <ul><li>Anstelle von Hg-Kathode eine Fe-Kathode </li></ul><ul><li>Uü von H2 an Fe geringer als an Hg, Kathodenreaktion daher mit H+/H2 </li></ul><ul><li>Anodenvorgang bleibt unverändert </li></ul><ul><li>Diaphragma um Wanderung der OH- -Ionen vom Kathoden- in den Anodenraum zu verhindern </li></ul>
    17. 17. <ul><li>Kathodenvorgang </li></ul><ul><ul><li>2 H+ (aq) + 2e-  H 2(g) </li></ul></ul><ul><li>Anodenvorgang </li></ul><ul><ul><ul><li>2Cl - (aq)  Cl 2(g) + 2e - </li></ul></ul></ul><ul><li>Gesamt: </li></ul><ul><ul><li>2H+ (aq) + 2Cl- (aq)  Cl 2(g) + H 2(g) </li></ul></ul>
    18. 18. Diaphragma Anode (Titan) Kathode (Eisen) Cl 2 H 2 NaCl NaOH Cl- OH- Na+ Pluspol Minuspol
    19. 19. Kupferraffination <ul><li>in der Natur vorkommendes Kupfer ist nicht rein genug </li></ul><ul><li>Daher: Elektrolyse </li></ul>
    20. 20. <ul><li>Mögliche Anodenvorgänge: </li></ul><ul><ul><li>Cu(roh)(s)  Cu2+(aq) + 2e- (UA=0,35V) </li></ul></ul><ul><ul><li>2H2O(l)  O2(g) + 4 H+(aq) + 4e- (UA=0,82V) </li></ul></ul><ul><li>Mögliche Kathodenvorgänge: </li></ul><ul><ul><li>Cu2+(aq) + 2e-  Cu(rein)(s) (UA=0,35V) </li></ul></ul><ul><ul><li>2H2O(l) + 2e-  H2(g) + 2OH-(aq) (UA=-0,41V) </li></ul></ul><ul><li>Gesamtreaktion: </li></ul><ul><ul><li>Cu (roh)(s)  Cu (rein)(s) </li></ul></ul><ul><li>Geringste Zersetzungsspannung zwischen Oxidation und Reduktion von Kupfer </li></ul>
    21. 21. Rohkupferanode Reinkupferkathode Zn2+ Fe2+ Cu2+ Anodenschlamm (Ag, Au, Pt) Schwefelsaure CuSO 4 -Lsg. SO 4 - 2e- 2e- Cu Cu Cu
    22. 22. <ul><li>eigentlich müsste Reaktion ohne anlegen einer Spannung ablaufen (da Uz=0V), aber </li></ul><ul><ul><li>Spannung von 0,3V benötigt um Widerstand der Lösung zu überwinden! </li></ul></ul><ul><ul><li>c(Cu2+) an Anode höher als an Kathode (daher Unterschiede in Elektrodenpotential) </li></ul></ul>
    23. 23. Wasserstoffgewinnung <ul><li>Katalytische Dampfspaltung </li></ul><ul><ul><li>CH4(g) + H2O(g)  3H2(g) + CO(g) </li></ul></ul><ul><ul><li>CO(g) + H2O(g)  CO2(g) + H2(g) </li></ul></ul><ul><li>Elektrolytische Gewinnung durch </li></ul><ul><ul><li>Chlor-Alkali-Elektrolyse </li></ul></ul><ul><ul><li>Wasserstoffelektrolyse </li></ul></ul>
    24. 24. Wasserstoffelektrolyse <ul><li>Zerlegung von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff an platinierten Platinelektroden </li></ul><ul><li>Anodenvorgang: </li></ul><ul><ul><li>4OH- (aq)  O 2(g) + H 2 O (l) + 4e- </li></ul></ul><ul><li>Kathodenvorgang: </li></ul><ul><ul><li>2H+ (aq) + 2e-  H 2(g) </li></ul></ul><ul><li>Gesamt: </li></ul><ul><ul><li>4OH- (aq) + 2H+ (aq)  O 2(g) + H 2 O (l) + H 2(g) </li></ul></ul>
    25. 25. Anode Kathode Kathode Anode OH- H+ K+ 4OH- H+ O 2 +2H 2 O H 2 e- e- Pluspol Minuspol KOH-Lsg. (pH=9)
    26. 26. Quellen <ul><li>Musterlösung Chemieklausur Nr. 3 </li></ul><ul><li>Chemiemappe </li></ul>

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