Schmelzflusselektrolyse

Die Schmelzflusselektrolyse ist ein elektrolytischer Prozess, bei dem eine Salzschmelze als Elektrolyt verwendet wird. Genutzt wird sie in der Industrie unter anderem zur Darstellung von Aluminium und der Alkalimetalle (z. B. Natrium). Bei der Gewinnung von Aluminium spricht man dabei auch vom Hall-Héroult-Prozess.

Schmelzflusselektrolyse – Aufbau

Wie bei jedem Elektrolyseverfahren benötigt man bei der Schmelzflusselektrolyse eine positive und eine negative Elektrode, an welchen eine Redoxreaktion ablaufen kann. Daneben wird ein Elektrolyt benötigt. In einer Schmelzflusselektrolyse ist der Elektrolyt eine Salzschmelze. Dabei handelt es sich um geschmolzenes Salz.

Die Schmelzflusselektrolyse des Hall-Héroult-Prozesses

Abbildung 1: Aufbauschema der Schmelzflusselektrolyse für die Aluminiumdarstellung

Bei der Gewinnung von Aluminium mittels Hall-Héroult-Prozess nutzt man als Salzschmelze Kryolith (Na₃AlF₆) mit dem gelösten Edukt Aluminiumoxid. Das Eutektikum hat einen Schmelzpunkt von ungefähr 950 °C. Die Kathode der Schmelze ist die Kohlenstoffauskleidung, die eine Kupferplatte beinhaltet, welche an den Minuspol angeschlossen ist. Die Anoden bestehen ebenfalls aus Kohlenstoff und sind an den Pluspol angeschlossen. Das Aluminium, welches bei der Elektrolyse entsteht, sinkt auf den Boden der Kathodenwanne und wird über ein Saugrohr abgesaugt.

Schmelzflusselektrolyse – Erklärung

Bei einer Elektrolyse läuft eine Redoxreaktion ab. Diese wird durch eine Stromquelle erzwungen und ist nicht spontan. Durch den externen Strom werden am Pluspol der Elektrolyse Elektronen der Anode entzogen. Durch den Minuspol werden Elektronen der Kathode zugeführt. Die positiven Ionen im Elektrolyt wandern an die Kathode, da die Kathode durch den Elektronenüberschuss negativ geladen ist und nehmen dort Elektronen auf. Sie werden also reduziert. Negative Ionen wandern an die Anode und geben dort Elektronen ab. Sie werden oxidiert.

Die Reaktionsgleichungen im Hall-Héroult-Prozess

Das Aluminiumoxid liegt in der Schmelze dissoziiert als Aluminium- und Sauerstoff-Ionen vor:

Die dreifach positiv geladenen Aluminium-Ionen wandern an die Kathode (Kohlenstoffauskleidung der Wanne), wo sie Elektronen aufnehmen und so zum elementaren Aluminium reduziert werden.

${\mathrm{Al}}^{3+}+3{\mathrm{e}}^{-}\to \mathrm{Al}$

Die negativ geladenen Sauerstoff-Ionen fließen zur Anode. Dort reagieren sie mit dem Elektrodenmaterial Kohlenstoff zu Kohlenstoffdioxid und geben dabei zwei Elektronen ab. Das bedeutet, dass die Sauerstoff-Ionen oxidiert werden. Da das Elektrodenmaterial verbraucht wird, müssen die Anoden regelmäßig ausgetauscht werden.

Nachteile der Gewinnung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse

Die Darstellung von Aluminium mittels Schmelzflusselektrolyse ist sehr energieaufwendig. Außerdem entstehen bei dem Hall-Héroult-Prozess eine hohe Menge an Fluoridabfällen, wie unter anderem perfluorierte Kohlenwasserstoffe und Fluorwasserstoffe als Gase. Fluorwasserstoffe sind giftig für die Vegetation, während die perfluorierten Kohlenwasserstoffe wie Tetrafluormethan (CF₄) starke Treibhausgase sind. Damit ist festzuhalten, dass das Verfahren eine schlechte Umweltbilanz hat.

Schmelzflusselektrolyse – Vorteile

Mit der Schmelzflusselektrolyse kann man unedle Metalle wie Aluminium, Alkalimetalle oder Erdalkalimetalle elektrolytisch gewinnen. Diese Metalle haben eine sehr hohe Sauerstoffaffinität, wodurch es schwer bzw. unmöglich ist, diese Metalle anderweitig zu gewinnen. Eine reguläre wässrige Elektrolyse kommt ebenso nicht in Frage, denn die Metalle haben ein negativeres Standardpotential als Wasser. Bei einer Elektrolyse eines heterogenen Gemisches wird nämlich immer nur der Stoff reduziert, der ein positiveres Potential hat. So würde Wasser zersetzt werden.

Weitere Anwendungen der Schmelzflusselektrolyse

Neben der Aluminiumdarstellung wird die Schmelzflusselektrolyse auch zur Gewinnung anderer Metalle mit einem hohen negativen Standardpotential wie die Alkalimetalle (z. B. Natrium) und Erdalkalimetalle verwendet. Daneben werden Bor und Fluor mittels Schmelzflusselektrolyse hergestellt.

Gewinnung von Natrium mittels Schmelzflusselektrolyse

Natrium wird aus Natriumchlorid in einer Downs-Zelle gewonnen. Die Schmelze besteht zu 40 % aus Natriumchlorid und zu 60 % aus Calciumchlorid. Dieses Gemisch hat den eutektischen Punkt von etwa 600 °C. An der Anode werden Chloridionen zu Chlor oxidiert, während an der Kathode die Ionen von Natrium zu elementarem Natrium reduziert werden.

Graphitanode: $2{\mathrm{Cl}}^{-}\to 2{\mathrm{e}}^{-}+{\mathrm{Cl}}_2$

Eisenkathode: $2{\mathrm{Na}}^{+}+2{\mathrm{e}}^{-}\to 2\mathrm{Na}$