Aufgaben
- Skizzieren Sie in M2 Abb. 1 schematisch die Elektrolysezelle bei einer elektrolytischen Raffination von Kupfer so genau wie möglich. Berücksichtigen Sie in ihrer Skizze auch die unedleren und edleren Metalle im Rohkupfer. Beschriften Sie ihre Skizze.
- Notieren Sie alle denkbaren Elektrodenreaktionen an der Anode und Kathode. Notieren Sie zu jeder Reaktion das Standardelektrodenpotential.
- Kennzeichnen Sie farbig zu Aufgabe 2 freiwillig ablaufende Reaktionen, nicht ablaufende Reaktionen und Reaktionen, die zusammen die geringste und zweitgeringste Zersetzungsspannung erfordern.
- Bereiten Sie sich auf eine Präsentation vor, in der Sie begründen, warum sich an der Kathode ausschließlich Kupfer abscheidet. Verwenden Sie bei ihrer Präsentation in jedem Fall die Fachbegriffe in M2 in beliebiger Reihenfolge.
Lösungen
An der Anode (Plus-Pol) wird das Rohkupfer abgetragen. Hier finden zwei Arten von Reaktionen statt:
- Die Metalle Zink, Eisen, Zinn, Blei und Arsen sind unedler als Kupfer. Sie weisen ein geringeres Standardelektrodenpotential auf. Sobald das Rohkupfer in die kupferionenhaltige Lösung eintaucht, reagieren sie auch ohne Stromfluss und reduzieren Kupfer-Ionen in der Lösung direkt an der Anoden-Oberfläche. Die Metalle gehen dabei in Lösung. Die Blei-Ionen fallen sofort als schwerlösliches Bleisulfat (PbSO4) aus.
- Durch die angelegte Spannung wird das Kupfergitter aufgelöst. Die Metalle Silber, Platin und Gold sind edler als Kupfer. Sie besitzen ein höheres Standardelektrodenpotential. Die angelegte Zellspannung wird so gewählt, dass sie nicht ausreicht, um diese Metalle zu oxidieren. Sie fallen als Anodenschlamm zu Boden.
An der Kathode (Minus-Pol) konkurrieren alle in der Lösung befindlichen Ionen um die Elektronen. Hierbei wird zuerst das Element reduziert, das das höchste (positivste) Abscheidungspotential besitzt. Hierbei gilt jedoch:
- Alle Stoffe mit einem höheren Standardelektrodenpotential als Kupfer liegen nicht in der Lösung vor, da sie zuvor an der Anode nicht gebildet wurden.
- Die Kupfer-Ionen in der Lösung haben demnach das höchste Abscheidungspotential der vorhandenen Ionen in der Lösung. Ihre Abscheidung findet statt.
- Die unedleren Metalle wie Zink, Eisen, Zinn, Blei und Arsen könnten sich zwar abscheiden, doch man hält die Zellspannung so gering, dass deren Abscheidung unter Berücksichtigung von Verlusten und Überpotentialen effektiv nicht erreicht wird. Zudem erfolgt ohnehin immer zuerst eine Kupfer-Abscheidung, so lange Kupfer-Ionen vorhanden sind. Erst wenn das gelöste Kupfer nahezu aufgebraucht wäre, würden sich andere Metalle an der Kathode abscheiden, was jedoch durch die geringe Zellspannung unterbunden wird.
Gemäß der Standardelektrodenpontiale beträgt die ideale Zellspannung 0 V:
Doch ohne eine äußere Spannung gibt es keinen Nettostromfluss. In der Praxis wird die Spannung auf 0,2 – 0,3 V eingestellt, um den elektrischen Widerstand des Elektrolyten, der Kabel, der Elektroden und Überpotentiale zu überwinden.
Die angelegte Spannung ist zu gering um beispielsweise in der Lösung befindliche Eisen-Ionen zu reduzieren:
Zur Abscheidung von Arsen ist folgende theoretische Zellspannung notwendig:
Eine angelegte Zellspannung von 0,2 – 0,3 V würde also theoretisch ausreichen, um Arsen an der Kathode abzuscheiden. Dies wird in der Praxis jedoch unterbunden:
- Die Standardpotentiale gelten für Konzentrationen von 1 mol/L. In der Kupferraffination liegt die Ionen-Konzentration von Arsen jedoch deutlich darunter. Gemäß der Nernst-Gleichung verschiebt sich dadurch das Potential von Arsen ins Negative. Das Abscheidungspotential sinkt so weit ab, dass die angelegte Zersetzungsspannung nicht ausreicht, um Arsen abzuscheiden.
- Die Abscheidung von Arsen an einer Kupfer-Oberfläche ist mit einem Überpotential verknüpft. Dieses Überpotential bewirkt, dass die effektive Zersetzungsspannung für Arsen in der Realität deutlich höher liegt als die berechneten 0,11 V.
Material
Kupfer. Extrem rein!
Chemische Stabilität und ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit machen Kupfer zu einem unserer wichtigsten Werkstoffe.
99 % ist nicht genug.
Bei der Verhüttung von Kupfererzen nach Röst- und Reduktionsprozessen fällt 99 %iges Rohkupfer an. Neben edleren Metallen wie Silber, Gold und Platin enthält es auch unedle Metalle wie Zink, Eisen, Blei, Zinn und Arsen. Für die meisten Anwendungen ist das schlichtweg nicht rein genug!
Weiteres
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Die Anode (Rohkupfer)
Als Anodenmaterial verwendet man 4 cm dicke Platten des zu reinigenden Rohkupfers. Nach etwa einem Monat unter konstanter Stromeinwirkung ist die Anode zu 90 % aufgelöst.
Die Kathode (Edelstahl)
Die Kathoden bestehen häufig aus dünnen Edelstahlblechen. An ihnen scheidet sich das hochreine Kupfer ab. Eine Elektrolysezelle enthält bis zu 50 Kathoden-Anoden-Paare in einem Abstand von nur 4 mm.
Ökonomisch. Ökologisch.
Ein großer Teil der Betriebskosten entfällt auf den Umweltschutz. In Bezug auf Emissionen gelten Strenge Auflangen mit niedrigen Grenzwerten für Nebenprodukte:
Weiteres
Perfektion durch Elektrolyse.
Die Verunreinigungen werden durch eine elektrolytische Kupfer-Raffination weitestgehend entfernt. Eine Lösung von Kupfersulfat in verdünnter Schwefelsäure wird bei etwa 60 °C täglich 8 Stunden lang elektrolysiert.
Bereit für die Welt
Das an den Kathoden abgeschiedene, hochreine Kupfer wird maschinell von den Edelstahlblechen abgezogen. Anschließend wird es eingeschmolzen und zu Zylindern, Platten oder Barren gegossen, bevor es zur Weiterverarbeitung in den Handel gebracht wird.
Hilfsmittel
Weiteres
Leere Skizze einer Elektrolysezelle.
Fachbegriffe
- Rohkupfer
- Reinkupfer
- Zersetzungsspannung
- Gleichspannung
- Redoxpotential
- Oxidation / wird oxidiert
- Reduktion / wird reduziert
- Anode
- Kathode
- höheres / niedrigeres Oxidationsvermögen
- höheres / niedrigeres Reduktionsvermögen
- Anodenschlamm
Wie viel Kupfer kann täglich gewonnen werden?
Zur Lösung von Aufgabe A5 benötigen Sie das Hintergrundwissen zu den Faraday-Gesetzen.
- Berechnen Sie die täglich gewonnene Menge an Kupfer einer Elektrolysezelle, die aus 50 Anoden-Kathoden-Paaren besteht.
- Recherchieren Sie die Gesundheitsrisiken der Metalle Zink, Zinn, Blei und Arsen.