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Schmelzflusselektrolyse

WebinarTerminankündigung aus unserem Online-Kurs Thermodynamik:
 Am 13.12.2016 (ab 16:00 Uhr) findet unser nächstes Webinar statt.
Gratis-Webinar (Thermodynamik) Innere Energie, Wärme, Arbeit
- Innerhalb dieses 60-minütigen Webinares wird der 1. Hauptsatz der Thermodynamik für geschlossene Systeme behandelt und auf die innere Energie, Wärme und Arbeit eingegangen.
[weitere Informationen] [Terminübersicht]

Bei der Schmelzflusselektrolyse kommt im Gegensatz zu anderen Verfahren kein wasserhaltiges Medium zum Einsatz. Stattdessen verwendet man eine Salzschmelze, die als Elektrolyt dient. Der Grund für die Verwendung einer Salzschmelze liegt darin, dass sehr unedle Metalle nicht aus wasserhaltigen Elektrolyten abgeschieden werden können. Ferner würde das Wasser infolge der sehr hohen notwendigen Potentiale zersetzt werden. 

Merke

Zu den unedlen Metallen zählen Metalle wie Aluminium, Kalium, Magnesium oder Kalium. 

Möchte man beispielsweise aus Aluminiumoxid reines Aluminium mit dem geschmolzenen Mineral Kryolith [Aluminiumtrinatriumhexafluorid] gewinnen, sind dazu hohe Temperaturen von bis zu 962 °C erforderlich. 

Merke

Für die Gewinnung von Natrium aus Natriumchlorid ist eine Temperatur von ca. 620°C und für Magnesium aus $\ MgCl_2 $ ist eine Temperatur von 670° C notwendig. 

Die Gewinnung von Metallen mit einer Schmelzflusselektrolyse ist ein sehr energieintensives Unterfangen. So wird für die Herstellung eines Kilogramms Aluminium ein Stromfluss von 16,5 kWh benötigt. Wären die Hersteller von Aluminium oder anderen mit Schmelzflusselektrolyse gewonnen Metallen bei der Stromabnahme nicht besonders begünstigt, wären diese Metalle auf dem Weltmarkt nicht konkurrenzfähig gegenüber konventionell hergestellten Metallen. 

Schmelzelektrolyse
Schmelzelektrolyse

Reines Aluminiumoxid $Al_2O_3$ hat einen sehr hohen Schmelzpunkt von 2050 °C. Durch Zuführung von geschmolzenem Kryolith $Na_3AlF_6$ lässt sich dieses aber sehr gut lösen und damit die Schmelztemperatur erniedrigen auf 950°C. Es wird also eine Lösung des Aluminiumoxids (mit künstlich hergestelltem Kryolith mit einem Anteil von 10-20 % $Al_2O_3$ bei einer Temperatur von ca. 950 °C und einer Spannung von 5-6 V elektrolysiert. Zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit und Verbesserung der Energieausbeute werden der Schmelze außerdem $AlF_3$ und $LiF$ zugesetzt. Die Dichte der Schmelze ist geringer als die des elektrolysierten, flüssigen Aluminiums, so dass sich das Metall unter der Schmelze sammelt und so vor Luftoxidation geschützt ist. An der Anode (Pluspol) entsteht Sauerstoff $O_2$. Der entstehende Sauerstoff reagiert mit dem Kohlenstoff der Elektroden zu Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoffmonoxid. Aufgrund dessen wird die Anode während einer Elektrolyse verbraucht. Man verwendet deshalb lange zylindrische Stäbe, welche nach dem Verbrauch wieder angesetzt werden, so dass das Verfahren kontinuierlich stattfinden kann. 

Reaktionsgleichung

Reduktion an der Kathode:       $4Al^{3+} + 12 e^- \rightarrow 4 Al$

Oxidation an der Anode:            $3 C + 6 O^{2-} \rightarrow 3 CO_2 + 12e^-$

Gesamtreaktion:                       $2Al_2O_3 + 3C \rightarrow 4AL + 3 CO_2$

Gewonnenes Aluminium (versandfertig)
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Autor: Jan Morthorst

Dieses Dokument Schmelzflusselektrolyse ist Teil eines interaktiven Online-Kurses zum Thema Werkstofftechnik 2.

Jan Morthorst verfügt über langjährige Erfahrung auf diesem Themengebiet.
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