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Aufgabe:

Ich soll mithilfe der Faraday'schen Gesetze bei einer Elektrolysespannung von 3 V den Energiebedarf (E) für die Elektrolyse von 500 t Natriumchlorid berechnen.

Benötigte Formeln:

I*t = n*z*F

n = m/M

n= I*t/z*F

P= U*I

E=P*I

U = spannung (Volt)

I = Stromstärke (Ampere)

P = Elektrische Leitung (Watt)

E = Elektrische Energie (Joule)

außerdem soll ich die Elektrische Energie die für die Elektrolyse von 1 kg Aluminium benötigt wird ausrechnen.Hierzu soll ich die benötigte Zeit berechnen bei einer SPannung von 5 V und einer Stromstärke von 200 000 A.

ich bin Momentan echt unter druck durch home office und komme bei manchen fächern nicht mehr mit, kann mir jemand helfen?

von

1 Antwort

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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

$$H_{2}O  +  e^{(-)}  \rightarrow  \frac{1}{2} H_{2}$$

___________________________________________________________________
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

von 3,2 k

Hier chemweazle,

Noch eine Korrektur,

Fehler beim Hochstellen der Exponenten, Hochzahl 7

Wel = U * Qel = 5 V * 1,072773228816 * 10 7 As = 5,36386614408 10 7 VAs

korrigiert

Wel = U * Qel = 5 V * 1,072773228816 * 10 7 As = 5,36386614408 10 7 VAs

Hi, here chemweazle again,

Noch zwei Korrekturen mit den nicht erfolgreich hochgestellten Exponenten

Fehler:


Faradaykonstante: F = 96.484,56 As / mol = 9,648456 * 104 As / mol

Korrektur:

Faradaykonstante: F = 96.484,56 As / mol = 9,648456 * 104 As / mol

Fehler:
I = 200.000 A = 2 * 105 A

Korrektur:

I = 200.000 A = 2 * 105


Gruß chemwazle

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