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Reduktion von Metallen oder Halogenen aus einer Salzschmelze Aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Die Schmelzflusselektrolyse ist ein Elektrolyseverfahren, bei dem kein wässriges Medium, sondern eine heiße Salzschmelze als Elektrolyt dient. Sie dient zur Herstellung bzw. Gewinnung von Aluminium, aller Alkalimetalle und der meisten Erdalkalimetalle, außerdem auch von einigen Kunststoffen. Auch liefert das Verfahren Fluor und Chlor.
Da die sogenannten „unedlen“ Metalle Kalium, Natrium, Magnesium und Aluminium in der elektrochemischen Spannungsreihe unter dem Wasser (H2O) stehen, können sie nicht durch Elektrolyse aus wässrigen Lösungen abgeschieden werden, da somit eher Wasser zu H2 + 2 OH− reduziert werden würde. Um die Salze zu schmelzen, benötigt man sehr hohe Temperaturen: für die Aluminiumherstellung mit Kryolith benötigt man 960 °C, für Natrium aus Natriumchlorid ca. 620 °C, für Magnesium aus MgCl2 und Zusätzen ca. 670 °C. Auch Fluor kann nicht aus wässrigen Lösungen von Fluoriden mittels Elektrolyse abgeschieden werden, da statt Fluor Sauerstoff entsteht.
Zur Herstellung u. a. dieser Stoffe wendet man deshalb die Elektrolyse aus einer Schmelze ihrer Salze an, was dem Verfahren seinen Namen gab. Beispielhaft ist die Schmelzflusselektrolyse im Hall-Héroult-Prozess beschrieben.
Im Labormaßstab werden Salzschmelzen mitunter im gebogenen V-Rohr aus hochschmelzenden Pyrex, Jenaer Glas oder Porzellan im elektrischen Ofen durchgeführt. Als Kathodenmaterial kann ein Eisenstab dienen, als Anode wird häufig ebenfalls ein Eisen- oder ein Kohlestab (Acheson-Graphit) verwendet. Kohleanoden können durch Einwirkung von Sauerstoff oder Fluor bei der Schmelzflusselektrolyse angegriffen werden, wobei CO und CO2 bzw. Fluorverbindungen entstehen, wobei die Elektrode nach und nach abgetragen wird.
In der Produktion nutzt man häufig Elektrolysezellen, bei denen die eine Elektrode (meist Kathode) im Boden eingelassen ist, die andere Elektrode (Anode) taucht parallel zur ersteren in die Salzschmelze. Als Zellmaterialien eignen sich Beton, Steinzeug, Schamott, Porzellan oder Glas. Als Elektrodenmaterialien können Kohle oder Eisen dienen.
Am Beispiel einer Natriumchlorid-Schmelze:
An der positiv geladenen Anode spielt sich folgende Reaktion ab:
An der negativ geladenen Kathode findet folgende Reaktion statt:
Die gesamte Redoxreaktion sieht wie folgt aus:
Das Chloridion gibt Elektronen ab und das Natriumion nimmt diese auf. Dabei kommt es also zu einem Elektronenübergang, der sich in der Redoxreaktion widerspiegelt.
Metall | Ausgangssalze | Temperatur (°C) | Spannung (V) |
---|---|---|---|
Natrium | Natriumchlorid mit CaCl2 und BaCl2 | 600 | 7 |
Kalium | Kaliumchlorid | 360–380 | 4–7 |
Magnesium | MgCl2, KCl, 1 % CaF2 | 670–730 | 12 |
Calcium | CaCl2, CaF2 | 680–800 | 25–40 |
Beryllium | 5 BeF2, 2 BeO | 600 | 55 |
Seltene Erden (Ce, La, Nd) | Entsprechende Chloride, NaCl | 800–900 | 8–15 |
Aluminium: Hall-Héroult-Prozess | Kryolith, Tonerde | 935 | 5,5–7 |
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