Magnesium aus Meerwasser
AFB I–IIBeim Dow-Verfahren wird Magnesium aus Meerwasser gewonnen: Mit Kalkmilch fällt man Magnesiumhydroxid, löst es in Salzsäure und trocknet das entstandene Magnesiumchlorid. Dieses wird bei etwa 700 °C geschmolzen und zwischen Graphitanoden und Stahlkathoden elektrolysiert. Das flüssige Magnesium schwimmt auf der Schmelze und wird abgeschöpft; das Chlor wird abgesaugt.
\(M(\ce{Mg}) = 24{,}31\,\text{g/mol}\), \(M(\ce{Cl2}) = 70{,}90\,\text{g/mol}\), \(E^\circ(\ce{Mg^2+}/\ce{Mg}) = -2{,}37\,\text{V}\)
- Beschreiben Sie die Ionenwanderung in der Schmelze und formulieren Sie die Elektrodenreaktionen und die Gesamtreaktion.
- Berechnen Sie die Masse an Chlor, die bei der Gewinnung von 1,0 t Magnesium entsteht.
- Begründen Sie, warum man eine Schmelze und keine wässrige Magnesiumchlorid-Lösung elektrolysiert.
- Erläutern Sie, wie das Chlor im Gesamtverfahren genutzt werden kann.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Mg²⁺ wandert zur Kathode (Minuspol), Cl⁻ zur Anode (Pluspol). Kathode: \(\ce{Mg^2+ + 2 e- -> Mg}\); Anode: \(\ce{2 Cl- -> Cl2 + 2 e-}\); gesamt: \(\ce{MgCl2 -> Mg + Cl2}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(n(\ce{Mg}) = \frac{1{,}0 \cdot 10^6\,\text{g}}{24{,}31\,\text{g/mol}} = 4{,}11 \cdot 10^4\,\text{mol} = n(\ce{Cl2})\); \(m(\ce{Cl2}) = 4{,}11 \cdot 10^4\,\text{mol} \cdot 70{,}90\,\tfrac{\text{g}}{\text{mol}} = 2{,}9\,\text{t}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Magnesium ist sehr unedel (E° = −2,37 V). In wässriger Lösung würde an der Kathode Wasser zu Wasserstoff reduziert (2 H₂O + 2 e⁻ → H₂ + 2 OH⁻) statt Mg²⁺; zudem reagiert entstandenes Magnesium mit Wasser. In der wasserfreien Schmelze sind nur Mg²⁺ und Cl⁻ vorhanden.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Das Chlor wird mit Wasserstoff zu Chlorwasserstoff umgesetzt (\(\ce{H2 + Cl2 -> 2 HCl}\)); die Salzsäure löst das Magnesiumhydroxid (\(\ce{Mg(OH)2 + 2 HCl -> MgCl2 + 2 H2O}\)). So wird das Chlor im Kreislauf geführt, Abfall und Rohstoffkosten sinken.
Elektrolytische Kupferraffination
AFB II–IIIRohkupfer aus der Hütte enthält etwa 1 % Verunreinigungen, u. a. Zink, Silber und Gold. Für Stromkabel wird es elektrolytisch gereinigt: Rohkupferplatten bilden die Anode, dünne Reinkupferbleche die Kathode, Elektrolyt ist schwefelsaure Kupfersulfat-Lösung. Die Zellspannung beträgt nur etwa 0,3 V. Unter der Anode sammelt sich ein Anodenschlamm.
| Paar | Zn²⁺/Zn | Cu²⁺/Cu | Ag⁺/Ag | Au³⁺/Au |
|---|---|---|---|---|
| E° in V | −0,76 | +0,34 | +0,80 | +1,50 |
Eine Zelle wird 24 h mit \(I = 20\,\text{kA}\) betrieben; \(F = 96\,485\,\text{C/mol}\), \(M(\ce{Cu}) = 63{,}55\,\text{g/mol}\), Ladung \(Q = I \cdot t\).
- Formulieren Sie die Reaktionen an Anode und Kathode für das Kupfer.
- Erklären Sie mithilfe der Standardpotenziale das Verhalten von Zink, Silber und Gold.
- Berechnen Sie die Masse an Reinkupfer, die in 24 h abgeschieden wird, wenn die Stromausbeute 95 % beträgt.
- Beurteilen Sie, warum schon 0,3 V ausreichen und warum der Anodenschlamm wirtschaftlich bedeutsam ist.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Anode (+): \(\ce{Cu -> Cu^2+ + 2 e-}\); Kathode (−): \(\ce{Cu^2+ + 2 e- -> Cu}\). Kupfer wird von der Anode zur Kathode „umgelagert“.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Zink (E° < E°(Cu)) wird an der Anode mit oxidiert und geht als Zn²⁺ in Lösung, wird an der Kathode aber nicht abgeschieden, weil das edlere Cu²⁺ bevorzugt reduziert wird. Silber und Gold sind edler als Kupfer, werden bei der kleinen Spannung nicht oxidiert und fallen beim Auflösen der Anode als Anodenschlamm heraus.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(Q = 2{,}0 \cdot 10^4\,\text{A} \cdot 86\,400\,\text{s} = 1{,}73 \cdot 10^9\,\text{C}\); \(n(\ce{e-}) = 1{,}79 \cdot 10^4\,\text{mol}\); \(n(\ce{Cu}) = 8{,}95 \cdot 10^3\,\text{mol}\) → \(m = 569\,\text{kg}\); bei 95 %: \(m \approx 541\,\text{kg}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
An beiden Elektroden liegt dasselbe Paar Cu²⁺/Cu vor; es entsteht (anders als bei ZnI₂) kaum eine Gegenspannung — die Spannung muss nur den Widerstand des Elektrolyten überwinden. Das spart Energie und verhindert, dass edlere Metalle mitoxidiert werden. Der Anodenschlamm enthält Silber, Gold und Platinmetalle; ihr Verkaufserlös deckt einen großen Teil der Raffinationskosten.