Wasserzerlegung im Hofmann-Apparat
AFB I–IIIm Hofmann-Apparat wird verdünnte Schwefelsäure zwischen Platinelektroden elektrolysiert. Die Spannung wird schrittweise erhöht und die Stromstärke gemessen (M1). Oberhalb der Zersetzungsspannung werden die Gasvolumina in beiden Schenkeln abgelesen (M2). \(E^\circ(\ce{O2}/\ce{H2O}) = +1{,}23\,\mathrm{V}\), \(E^\circ(\ce{H3O+}/\ce{H2}) = 0{,}00\,\mathrm{V}\).
| Zeit in min | 2 | 4 | 6 | 8 |
|---|---|---|---|---|
| Volumen am Minuspol in mL | 4,1 | 8,0 | 12,2 | 16,0 |
| Volumen am Pluspol in mL | 2,0 | 4,1 | 6,0 | 8,1 |
- Formulieren Sie die Reaktionen an Kathode und Anode sowie die Gesamtreaktion und ordnen Sie die Elektroden den Polen zu.
- Ermitteln Sie aus M1 die Zersetzungsspannung.
- Vergleichen Sie den Wert aus b) mit der aus den Standardpotenzialen berechneten Spannung \(\Delta E\).
- Erklären Sie das Volumenverhältnis der Gase in M2.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Kathode (Minuspol): \(\ce{4 H3O+ + 4 e- -> 2 H2 + 4 H2O}\)
Anode (Pluspol): \(\ce{6 H2O -> O2 + 4 H3O+ + 4 e-}\)
Gesamt: \(\ce{2 H2O -> 2 H2 + O2}\); die Schwefelsäure wird nicht verbraucht.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Der lineare Teil (ab etwa 1,8 V) verlängert schneidet die U-Achse bei \(U_Z \approx 1{,}6\,\mathrm{V}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Die Produkte bilden eine Wasserstoff-Sauerstoff-Zelle mit \(\Delta E = 1{,}23\,\mathrm{V} - 0{,}00\,\mathrm{V} = 1{,}23\,\mathrm{V}\). Die Zersetzungsspannung ist rund 0,4 V größer: \(\Delta E\) liefert nur die Untergrenze; zusätzlich werden Spannungen zur Überwindung von Hemmungen an den Elektroden (besonders bei der Sauerstoffbildung) und des Widerstands der Lösung benötigt. Gemeinsam ist beiden Werten, dass sie die Gegenspannung der entstehenden galvanischen Zelle beschreiben.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Am Minuspol entsteht stets etwa doppelt so viel Gas (Wasserstoff) wie am Pluspol (Sauerstoff): 16,0 mL zu 8,1 mL ≈ 2 : 1. Für 4 übertragene Elektronen entstehen 2 \(\ce{H2}\) und 1 \(\ce{O2}\); gleiche Volumina enthalten bei gleichen Bedingungen gleich viele Moleküle, also 2 : 1.
Aluminium aus der Schmelze
AFB II–IIIAluminium wird durch Schmelzflusselektrolyse gewonnen: Aluminiumoxid \(\ce{Al2O3}\) wird in geschmolzenem Kryolith bei etwa 960 °C gelöst; die Schmelze enthält \(\ce{Al^3+}\)- und \(\ce{O^2-}\)-Ionen. Am Boden der Wanne (Minuspol) sammelt sich flüssiges Aluminium; die Anoden aus Kohlenstoff reagieren mit dem gebildeten Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid und müssen regelmäßig ersetzt werden. M3 enthält Daten.
| Größe | Wert |
|---|---|
| \(E^\circ(\ce{Al^3+}/\ce{Al})\) | \(-1{,}66\,\mathrm{V}\) |
| \(M(\ce{Al})\), \(M(\ce{C})\) | \(26{,}98\) bzw. \(12{,}01\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\) |
| elektrische Energie für 1 kg Aluminium aus Oxid | etwa 14 kWh |
| Energie für 1 kg Aluminium aus Schrott (Umschmelzen) | etwa 5 % davon |
- Begründen Sie, warum Aluminium nicht durch Elektrolyse einer wässrigen Aluminiumsalz-Lösung gewonnen werden kann.
- Stellen Sie die Gleichungen für die Vorgänge an Kathode und Anode sowie die Gesamtgleichung einschließlich der Reaktion der Anodenkohle auf.
- Berechnen Sie die Masse an Anodenkohlenstoff, die bei der Herstellung von 1,00 t Aluminium mindestens verbraucht wird.
- Bewerten Sie das Recycling von Aluminium aus ökologischer Sicht.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Aluminium ist sehr unedel (−1,66 V). In wässriger Lösung würden an der Kathode statt \(\ce{Al^3+}\) die viel leichter reduzierbaren Oxonium-Ionen bzw. Wassermoleküle reduziert: Es entstünde Wasserstoff, kein Aluminium. In der wasserfreien Schmelze gibt es diese Konkurrenz nicht.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Kathode (−): \(\ce{Al^3+ + 3 e- -> Al}\) \(|\cdot 4\); Anode (+): \(\ce{2 O^2- -> O2 + 4 e-}\) \(|\cdot 3\); an der Anode: \(\ce{C + O2 -> CO2}\).
Gesamt: \(\ce{2 Al2O3 -> 4 Al + 3 O2}\), mit Anodenabbrand: \(\ce{2 Al2O3 + 3 C -> 4 Al + 3 CO2}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(n(\ce{Al}) = 1{,}00\cdot10^6\,\mathrm{g}/26{,}98\,\mathrm{g\,mol^{-1}} = 3{,}71\cdot10^4\,\mathrm{mol}\); \(n(\ce{C}) = \tfrac{3}{4}\,n(\ce{Al}) = 2{,}78\cdot10^4\,\mathrm{mol}\); \(m(\ce{C}) = 2{,}78\cdot10^4\cdot 12{,}01\,\mathrm{g} \approx 334\,\mathrm{kg}\) (in der Praxis mehr, da Kohle auch mit Luft abbrennt).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Recycling spart etwa 95 % der Energie (≈ 0,7 statt 14 kWh je kg), vermeidet den Anodenabbrand und damit rund 1,2 t \(\ce{CO2}\) je t Aluminium aus der Elektrolysereaktion (plus Emissionen der Stromerzeugung) sowie den Abbau von Bauxit mit seinen Rückständen (Rotschlamm). Einschränkungen: Sammlung und Sortierung von Legierungen, Verluste durch Oxidation beim Umschmelzen. Urteil: Recycling ist ökologisch klar vorteilhaft; Aluminium ist fast beliebig oft ohne Qualitätsverlust wiederverwertbar, sofern sortenrein gesammelt wird.