EL-MO Elemente und Moleküle, Schulbuch

KM-6: Übertragung – Umgang mit Materie 151 151 Elektrolytische Prozesse: Metallgewinnung – Galvanisierung – Passivierung von Oberflächen 6.8 Die Anwendung der Elektrolyse Gewinnung unedler Metalle Da die Ionen unedler Metalle sehr schwache Oxidationsmittel sind, können die- se Metalle nur durch Schmelzflusselektrolyse aus dem gereinigten Erz gewon- nen werden. Die Gewinnung von Aluminium aus Bauxit wird im Exkurs auf den folgenden Seiten besprochen. Reinigung edler Metalle Edle Metalle werden für viele Anwendungen in sehr reiner Form benötigt. Man schließt daher nach der Gewinnung des Metalls aus dem Erz noch eine elektroly- tische Reinigung an. Diese ermöglicht – entsprechend der Stellung in der Span- nungsreihe – eine Abtrennung der unedlen und edlen „Verschmutzungen“. Beispiel Elektrolytische Kupferreinigung (Abb. 153–1) Das verunreinigte Rohkupfer wird als Anode und hochreines Kupfer als Katode eingesetzt. Der Elektrolyt ist schwefelsäurehältige Kupfer(II)-sulfat-Lösung. Zu Beginn werden alle im Vergleich zu Kupfer unedleren Metalle oxidiert (stär- kere Reduktionsmittel). Diese Metall-Ionen sind aber im Vergleich zu den Cu 2+ - Ionen schwächere Oxidationsmittel und können daher nicht an der Katode re- agieren. An der Katode scheidet sich hochreines (Massenanteil Cu: 99,98 %) Kupfer ab. Die im Vergleich zu Kupfer edleren Metalle können als schwache Reduktionsmittel nicht oxidiert werden und sinken im Zuge der Reaktion in me- tallischer Form zu Boden und bilden dort den „Anodenschlamm“, aus dem die wertvollen Metalle gewonnen werden können. Die Kupferreinigung ist ein Bei- spiel einer Elektrolyse, bei der die Anode als Reduktionsmittel beteiligt ist. Die Reinigung edler Metalle nach dem Schema der Kupferreinigung wird auch für Silber und andere Edelmetalle angewandt. Elektrolytisches Aufbringen von Metallüberzügen – Galvanisieren Das elektrolytische Aufbringen von Metallüberzügen zur Oberflächenverede- lung kann ebenfalls nach dem Schema der Kupferreinigung erfolgen (Galvani- sieren). Als Anode verwendet man dabei das aufzubringende Metall in reiner Form. Dadurch ändert das Elektrolysebad während des Galvanisierens seine Konzentration nicht. Verstärkung der Passivierungsschicht des Aluminiums Zur Verstärkung der Passivierungsschicht des Aluminiums schaltet man das zu passivierende Werkstück als Anode in verdünnten Schwefelsäure-Elektrolyten. Solcherart behandeltes Aluminium wird Eloxal (= elektrolytisch oxidiertes Alu- minium) genannt. Chloralkalielektrolyse nach dem Membranverfahren Einer der wichtigsten großtechnischen Prozesse ist die Elektrolyse wässriger Natriumchlorid-Lösung. Sie dient zur Produktion von Natronlauge, Chlor und Wasserstoff. Bei diesem Verfahren wird eine etwa 27%ige NaCl-Lösung (Sole) eingesetzt. Als Anodenmaterial dient Titan, als Katodenmaterial Stahl. An der Anode scheidet sich Chlor ab, da der Sauerstoff am Elektrodenmaterial eine beträchtliche Über- spannung hat. Geringe Sauerstoffverunreinigungen des Chlors sind allerdings nicht zu vermeiden. An der Katode scheidet sich Wasserstoff direkt ab. Katoden- und Anodenraum sind durch eine für Hydroxid-Ionen praktisch un- durchlässige Membran getrennt. Man verhindert durch dieses Verfahren, dass der pH-Wert im Anodenraum ansteigt und Chlor dadurch zu Chlorid und Hy- pochlorit disproportioniert. Die Konzentration der gebildeten Natronlauge im Katodenraum beträgt ca. 30 %. Die Donau-Chemie in Brückl (Kärnten) hat 1999 ihre Anlage auf dieses Memb- ranverfahren umgerüstet. Abb. 151–1: Elektrolytische Kupferreinigung Abb. 151–2: Schema des Membran-Verfahrens Abb. 151–3: Verwendung der Produkte der Chlor-Alkali-Elektrolyse 2 Na + 2 Cl 2 e – + Cl 2 2 H 2 O + 2 e – 2 OH – + H 2 2 NaOH H 2 Cl 2 NaOH H 2 O NaCl 30 % NaOH 50 % Reinsole Sole im Kreislauf Ionentauscher Na + Na + OH – Cl – Konzentrieren NaOH Cl 2 H 2 Natronlauge 50 % NaOH Bleichlauge 13,5 % Aktivchlor Chlor flüssig Salzsäure 33 % Wasserstoff Zellwolle Kunstseide Papier/Cellulose Seifen/Waschmittel Ionentauscher Papier/Cellulose Textilindustrie Seifen/Waschmittel Metallurgie PVC Cellulose Pestizide Holzschutzmittel Textilindustrie Metallurgie Papier/Cellulose Lebensmittel Pharmazeutika Ammoniak Cracken Methanol Fetthärtung Reduktionsmittel Anodenschlamm Reinst- kupfer Roh- kupfer Kupfer-Atome Cu 2+ -Ionen Edelmetall-Atome ... zB Ag, Au, Pt, Ir Atome unedler Metalle, zB Fe, Ni Ionen unedler Metalle, zB Fe 2+ -Ionen Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv