Versuch 81: Zink- und Bromsynthese durch Elektrolyse - Einleitung

Die Elektrolyse (griechisch für "mittels Elektrizität trennen") ist ein Vorgang, bei dem Strom an eine Lösung oder ein flüssiges Salz gelegt wird. Man erlebt dabei chemische Reaktionen.

Im Experiment „Zink- und Bromsynthese durch Elektrolyse“ ist deutlich zu erkennen, wie sich aus den „unsichtbaren“, in Wasser gelösten Salzen die Elemente bilden. Verfahrenstechnisch dient die Elektrolyse in der Metallurgie zur Reduktion unedler Metalle. Man benötigt dazu keine wässrigen Lösungen, die gerade bei den unedlen Metallsalzen mitreagieren würden.

Man nutzt daher hohe Temperaturen um, bei der Schmelzflusselektrolyse, Metallsalze direkt zu reduzieren. Unedle Metalle, wie Natrium oder Aluminium lassen sich nicht durch Reduktion mit Kohlenstoff herstellen. Sie werden durch Elektrolyse ihrer Salzschmelzen hergestellt. Befassen wir uns ein wenig mit der technischen Anwendung der Elektrolyse:

Die Downs-Elektrolysezelle zur Natriumherstellung besteht aus einem zylindrischen Eisenbehälter, der mit feuerfesten Ziegeln ausgemauert ist. Eine Graphitanode ist in den Zylinderboden eingelassen. Um diese Anode herum liegt die ringförmige Eisen-Kathode. Reines Natriumchlorid schmilzt erst bei 800°C. Durch Zugabe von Bariumchlorid und Calciumchlorid senkt man die Schmelztemperatur auf 600°C. Schließt man den Stromkreis, treten Reaktionen ein, die Natrium und Chlor bilden.

In der Castner Zelle wird aus Natriumhydroxid Natrium gewonnen. Dabei entstehen Natrium, Sauerstoff und Wasser als Produkte. Es muss darauf geachtet werden, dass sich Wasser und Natrium nicht berühren. Sie werden durch ein Eisendrahtnetz voneinander getrennt.

Rohstoff für die elektrolytische Aluminiumgewinnung ist Bauxit, eine Mischung aus Aluminiumoxidmonohydrat, Aluminiumoxidhydroxid und Eisen(III)oxid sowie einigen Siliziumverbindungen. Aus dem Bauxitgemisch wird mit Hilfe verschiedener Ausschlussverfahren reines Aluminiumoxid hergestellt. Die Salzschmelze des Aluminiumoxids wird dann durch Zufuhr hohen elektrischen Stroms reduziert. Man verwendet Eisenwannen, deren Innenfläche mit Kohle ausgelegt ist. Die Kohle wird als Kathode geschaltet. In die Wanne werden Graphitblöcke getaucht, die als Anode geschaltet werden. Wie bei der Natriumelektrolyse werden dem Aluminiumoxid Zusätze zugegeben, die dessen Schmelztemperatur von 2045°C auf 940°C senken.(Kryolith, Calciumoxid und Aluminiumfluorid) An der Graphitkathode am Boden werden Aluminiumionen zu Aluminium reduziert. An der Anode wird Kohlenstoff oxidiert und verbindet sich mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid. Durch den Verbrauch der Anode muss diese regelmäßig nachgeschoben und ersetzt werden. Entstehendes Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid sowie giftige Fluorverbindungen werden abgesaugt und einer Gasreinigungsanlage zugeführt. Entstehendes Aluminium sammelt sich auf Grund seiner höheren Dichte unter der Salzschmelze, wird so vor Oxidation an der Oberfläche geschützt und wird in regelmäßigen Abständen abgeleitet. Nach dem Reinigen und abgießen in Barren erhält man 99.6% reines Aluminium.

Sicherheitssymbole

Als Schülerversuch geeignet. Schutzbrille tragen! Im Abzug arbeiten! Wasser-/Umweltgefährdend Schwermetalle im Sammelgefäß sammeln oder umwandeln.

Chemikalien

  • Zinkbromid

Materialien

  • U-Rohr mit Fritte
  • Stativ
  • 2 Kohleelektroden
  • Spannungsquelle
  • Kabel
  • durchbohrte Stopfen
  • Krokodilklemmen

Durchführung

Ein U-Rohr mit Fritte wird im Abzug in ein Stativ gespannt. 2 Kohleelektroden werden in durchbohrte Stopfen gesteckt und mit einer Spannungsquelle verbunden.

Das U-Rohr füllt man zu 3/4 mit 1 molarer Zinkbromidlösung. Sollte Zinkbromid nicht in der Sammlung vorhanden sein lässt sich auch eine Lösung aus 1 molarer Zinksulfatlösung und 1 molarer Kaliumbromidlösung herstellen.

Zu Versuchsbeginn taucht man die Graphitelektroden ins U-Rohr und legt eine Gleichspannung von 9-12V an. Nach einigen Minuten sind Veränderungen im U-Rohr zu erkennen.

Entsorgung

Die Lösung wird in den Behälter für flüssige Schwermetallabfälle gegeben.

Ergebnisse

An einer Elektrode scheidet sich ein grauer metallischer Niederschlag ab, an der anderen Elektrode färbt sich die Lösung orange. Die Elektrolyse erzwingt elektrisch chemische Reaktionen, bei denen sich an den Elektroden die Produkte der Reaktionen bilden.

Am negativ geschalteten Pol (Kathode) herrscht ein Elektronenüberschuss. Dort werden Elektronen an die Zinkionen abgegeben, die sich als elementares Zink an der Kathode ablagern. Am positiv geschalteten Pol (Anode) herrscht ein Elektronenmangel. Negativ geladene Bromidionen werden angezogen und geben Elektronen ab. Es entsteht molekulares Brom, das sich im Wasser löst.

Auf Grund der unterschiedlichen Ladungsverhältnisse wandern fortwährend negative Ionen (Anionen) zur Anode und positive Ionen (Kationen) zur Kathode.

Anodenreaktion: 2Br-(aq) → Br2(aq) + 2e-

Kathodereaktion: Zn2+(aq) + 2e- → Zn(s)

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Hinweise

Da bei dem Versuch Bromdampf entsteht sollte der Versuch in einem Abzug durchgeführt werden.

Versuchsvideo

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Versuchsbild

Bild zu Versuch: Zink- und Bromsynthese durch Elektrolyse

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NEU

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