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a.) Skizzierung einer Elektrolysezelle für die Silber-Raffination und die Schaltung des Rohsilbers
Bei der elektrolytischen Raffination von Silber wird das Rohsilber als Anode in die Elektrolysezelle eingeführt. Diese Zelle besteht aus einem Elektrolyten, häufig einer Silbernitrat-Lösung (\(AgNO_3\)), und zwei Elektroden: der Rohsilber-Anode und einer reinen Silber-Kathode. Während des Prozesses lösen sich die Silberatome der Anode im Elektrolyten, indem sie ihre Elektronen abgeben und dadurch als \(Ag^+\)-Ionen in Lösung gehen. Diese \(Ag^+\)-Ionen bewegen sich zur Kathode, wo sie Elektronen aufnehmen und als reines Silber abscheiden. Die Begleitmetalle wie Gold und Kupfer fallen aus, da ihre Abscheidungspotentiale höher sind als das von Silber, und sammeln sich als Anodenschlamm.
b.) Teilgleichungen am Pluspol und Minuspol
Am Pluspol (Anode) finden Oxidationsreaktionen statt:
- \(Ag \rightarrow Ag^+ + e^-\) – Silber löst sich auf.
- \(Cu \rightarrow Cu^{2+} + 2e^-\) – Kupfer kann sich auch auflösen.
- \(Pb \rightarrow Pb^{2+} + 2e^-\) – Blei kann sich ebenso auflösen.
Am Minuspol (Kathode) finden Reduktionsreaktionen statt:
- \(Ag^+ + e^- \rightarrow Ag\) – Abscheidung von Silber.
- \(Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu\) – Theoretisch könnten sich auch Kupferionen wieder abscheiden, wenn sie in der Lösung vorhanden wären.
c.) Berechnung der Abscheidungspotentiale und tatsächliche Reaktionen in saurer Lösung (pH=0)
Die Abscheidungspotentiale der beteiligten Metalle sind entscheidend dafür, welche Stoffe elektrolytisch abgeschieden werden können. In saurer Lösung betrachten wir die Standardreduktionspotentiale \(E^\circ\):
- Für Silber: \(Ag^+ + e^- \rightarrow Ag\), \(E^\circ = +0,80V\)
- Für Kupfer: \(Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu\), \(E^\circ = +0,34V\)
- Für Blei: \(Pb^{2+} + 2e^- \rightarrow Pb\), \(E^\circ = -0,13V\)
Da in saurer Lösung das Potenzial für Wasserstoffentwicklung \(2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2\) bei \(0V\) liegt und die Silberionen ein positiveres Potenzial besitzen, werden sie zuerst reduziert und an der Kathode abgeschieden. Kupferionen würden ebenfalls reduziert werden, falls ihre Konzentration ausreichend hoch wäre und die Bedingungen dies zuließen. Blei und eventuell andere Metalle mit niedrigeren Potenzialen als \(0V\) würden in saurer Lösung erst nach der Wasserstoffentwicklung reduziert werden und tendenziell im Anodenschlamm bleiben.
Redoxgleichung in saurer Lösung:
Für den Raffinationsprozess ist vorrangig die Abscheidung von Silber relevant:
\(Ag^+ + e^- \rightarrow Ag\)
Da diese Reaktion in einer elektrolytischen Zelle abläuft, bei der das Rohsilber als Anode dient, kann diese Gleichung sowohl die Lösung der Silberanode als auch die Abscheidung an der Kathode beschreiben. Andere Metallionen im Anodenschlamm würden nicht in die Elektrolytlösung überführt, wenn ihre Abscheidungspotenziale höher als die Zersetzungsspannung für Wasser oder über dem Potential für die Reduktion von \(Ag^+\)-Ionen liegen.
