Hi, here chemweazle,
Chlor-Alkali-Elektrolyse, Elektrolyse von wässr. NaCl-Lsg.
Oxidation der Chloridionen an der Anode
$$Cl^{(-)} \rightarrow \frac{1}{2} Cl_{2} + e^{(-)}$$
Reduktion des Wassers an der Katode
in der abgekürzteren Form
$$H_{2}O + e^{(-)} \rightarrow \frac{1}{2} H_{2}$$
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in Brutto
$$Cl^{(-)} + H_{2}O + Wel \rightarrow OH^{(-)} + \frac{1}{2} H_{2} + \frac{1}{2} Cl_{2}$$
$$NaCl + H_{2}O + Wel \rightarrow NaOH + \frac{1}{2} H_{2} + \frac{1}{2} Cl_{2}$$
1 mol NaCl Formeleinheiten liegen in Wasser in Form von aquatisierten Natriumionen (1mol) und 1 mol aquatisierten Chloridionen vor.
1mol Chloridionen geben an der Anode 1mol Elektronen mit der negativen Gesamtladung von 1 Faraday ab. Diese Elektronenmenge wird mit Hilfe der Gleichstromquelle zur Katode „gepumpt“. Dort wird das Wasser zu Wasserstoff reduziert, wobei Hydroxidionen entstehen.
Wel: elektrische Arbeit
Wertigkeit z: z = 1
An der Elektrolysezelle wird somit elektrische Arbeit, Wel, verrichtet oder elektrische Energie hineingesteckt.
Stellt man die Teilgleichungen mit ganzzahligen stöchiometrischen Koeffizienten auf. So ergibt sich formal die Wertigkeit z, die Anzahl der übertragenen, der stöchiometr. Koeffizient, der Elektronen zu 2.
Stöchiometr. Zusammenhänge:
n(e(-)) = n(Cl(-)) = n(NaCl)
m(NaCl) 500 t = = 500.000 kg = 5 * 10 5 kg = 5 *108 g
M(NaCl) = 58,44277 g / mol
$$n(NaCl) = \dfrac{5\cdot 10^{8}g\cdot mol}{58,44277\cdot g} $$
n(NaCl) = 8,555378193 * 106 mol
Die Kommastellenzahl ist bis auf die 3 mmol abgebrochen.
Faradaykonstante: F = 96.484,56 As / mol = 9,648456 * 104 As / mol
Für die umgesetzte und von Anode zur Katode gepumpte elektrische Ladung, Qel, gilt:
Qel = 1*n(NaCl) * F
$$Qel = 1\cdot 8,555378193\cdot 10^{6} mol\cdot 9,648456\cdot 10^{4}\cdot \dfrac{As}{mol}$$
Qel = 82,546190058520008 * 1010 As = 8,2546190058520008 * 1011 As
Für die elektrische Arbeit, Wel, gilt, bei einer elektrischen Spannung von U = 3V:
Wel = U * Qel = 3 V * 8,2546190058520008 * 1011 As
Wel = 2,47638570175560024 1012 VAs = 2,47638570175560024 109 KJ, mit 1 J = VAs
b). Schmelzelektrolyse von Aluminiumoxid
Reduktion an der Katode
Al(3 +) + 3 e(-) → Al(0)(Metall)
z = 3
1 mol Aluminiumkationen nimmt bei der Reduktion zum Metall 3mol Elektronen auf.
m(Al) = 1 kg, M(Al) = 26,98154 g / mol
n(Al) = = 37,062 mol
Qel = z * n * F = 3 * n(Al) * F
Qel = 3 * 37,062 mol * 96.484,56 As / mol = 10.727.732,28816 As
Qel = 1,072773228816 * 10 7 As
Bei zeitlich konstanten Strom, gilt: Q = I * t
I = 200.000 A = 2 * 105 A
U = 5V
$$t = \frac{Qel}{I}$$
$$t = \dfrac{1,072773228816\cdot 10^{7}\cdot 10^{-5} A\cdot s}{2\cdot A}$$
t = 0,536386614408 * 10 2 s ≈ 53,64 s
Wel = U * Qel = 5 V * 1,072773228816 * 107 As = 5,36386614408 *107 VAs
Wel = 53.638,66144 KJ
