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. 

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Inhaltsangabe

    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

    Schmelzflusselektrolyse Aufbauschema StudySmarterAbbildung 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.

    Ein Eutektikum ist eine Mischung von Stoffen in einem bestimmten Verhältnis, welches bei einer bestimmten Temperatur (eutektischer Punkt) schmilzt. Dabei schmelzen alle Komponenten gleichzeitig. Der Schmelzpunkt eines Eutektikums ist dabei niedriger als die Schmelzpunkte der Einzelkomponenten. Bei dem Eutektikum der Darstellung von Aluminium verwendet man 10,5 % Aluminiumoxid (Schmelzpunkt 2058 °C) und 89,5 % Kryolith (Schmelzpunkt ca. 1000 °C).

    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:

    Schmelzflusselektrolyse Reaktionsgleichung StudySmarter

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

    Al3+ + 3 e- 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.

    Schmelzflusselektrolyse Borgruppe Reaktionsgleichung StudySmarter

    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.

    Laut der elektrochemischen Spannungsreihe ließe sich zwar Aluminiumoxid mittels Erdalkali- oder Alkalimetalle zu Aluminium reduzieren – denn diese haben ein negativeres Standardpotential – jedoch ist es noch schwieriger, diese anderweitig zu reduzieren. Daher ist die Schmelzflusselektrolyse die einzige Methode, die großtechnisch genutzt wird, um aus Erzen (z. B. Bauxit) Aluminium zu gewinnen.

    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 Cl- 2 e- + Cl2

    Eisenkathode: 2 Na+ + 2 e- 2 Na

    Schmelzflusselektrolyse - Das Wichtigste

    • Die Schmelzflusselektrolyse ist ein elektrolytisches Verfahren, bei dem der Elektrolyt eine Salzschmelze ist.
    • Bestandteile einer Schmelzflusselektrolyse sind positive und negative Elektroden sowie der Elektrolyt.
    • Verwendet wird die Schmelzflusselektrolyse für die Darstellung von Metallen mit einer hohen Sauerstoffaffinität.
    • Bei der Reaktion in der Schmelzflusselektrolyse handelt es sich um eine Redoxreaktion.
    • Beim Hall-Héroult-Prozess wird aus Aluminiumoxid elementares Aluminium gewonnen.
    • Mittels Schmelzflusselektrolyse wird Natrium aus Natriumchlorid gewonnen.
    Häufig gestellte Fragen zum Thema Schmelzflusselektrolyse

    Welche Nachteile hat die Aluminiumgewinnung durch die Schmelzflusselektrolyse?

    Zum Einen ist die Aluminiumgewinnung durch die Schmelzflusselektrolyse sehr energieaufwendig, zum Anderen entstehen Nebenprodukte wie perfluorierte Kohlenwasserstoffe, welche starke Treibhausgase sind.

    Wie wird Aluminium durch Elektrolyse gewonnen?

    Beim Hall-Héroult-Prozess wird aus Aluminiumoxid in einer Salzschmelze durch eine Redoxreaktion elementares Aluminium an der Kathode abgeschieden. 

    Warum ist die Schmelzflusselektrolyse eine Redoxreaktion?

    Durch Stromzufuhr werden bei der Schmelzflusselektrolyse an der Kathode Kationen reduziert, während an der Anode Anionen oxidiert werden. Es handelt sich um eine erzwungene Redoxreaktion.

    Welches Metall kommt für die Reduktion von Aluminiumoxid infrage?

    Theoretisch kämen für die Reduktion von Aluminiumoxid Metalle mit einem negativeren Standardpotential in Frage. Großtechnisch betrachtet, wäre dies jedoch ineffizient, denn diese Metalle lassen sich noch schwerer reduzieren. 

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