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Aufgabe:

Das bei der Chloralkalielektrolyse gebildete Chlor wird auch bei organischen Synthesen verwendet. Dabei bildet sich als Nebenprodukt Chlorwasserstoffgas, das mit Wasser als Salzsäure ausgewaschen wird. Daraus kann elektrolytisch wieder Chlor hergestellt werden.

1) Wie lauten die Reaktionsgleichungen für die Elektrolyse und die Teilreaktionen (Oxidation/Reduktion)?

2) Wie lautet die Zersetzungsspannung unter Standardbedingungen ohne Überspannung?

3) Ist eine Überspannung bei diesem Prozess von Relevanz?

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Elektrolyse in der Chloralkalielektrolyse

Die Chloralkalielektrolyse ist ein industrieller Prozess zur Produktion von Chlor (Cl₂), Natronlauge (NaOH) und Wasserstoff (H₂) aus gesättigter Kochsalzlösung (NaCl). Dabei finden an den Elektroden eine Reduktion und eine Oxidation statt.

1) Reaktionsgleichungen für die Elektrolyse und die Teilreaktionen

Die gesamte Elektrolyse kann in zwei Teilreaktionen, Oxidation und Reduktion, unterteilt werden. Beim Prozess spielen die Elektrodenmaterialien und Betriebsbedingungen eine wesentliche Rolle für die Effizienz und Selektivität der Reaktionen.

- An der Anode (Oxidation):

Bei der Oxidation werden Chlorid-Ionen (Cl⁻) in Chlor (Cl₂) umgewandelt und Elektronen abgegeben:

\(2 \text{Cl}^- \rightarrow \text{Cl}_2 + 2 \text{e}^-\)

- An der Kathode (Reduktion):

Die Reduktion erfolgt durch die Reaktion von Wasser, wobei Hydroxid-Ionen (OH⁻) und Wasserstoffgas (H₂) erzeugt werden. Die genaue Reaktion kann von der Art des Elektrolyseprozesses abhängen, doch oft lautet sie:

\(2 \text{H}_2\text{O} + 2 \text{e}^- \rightarrow \text{H}_2 + 2 \text{OH}^-\)

Setzt man diese beiden Halbreaktionen zusammen, erhält man die Gesamtreaktion der Chloralkalielektrolyse:

\(2 \text{NaCl} + 2 \text{H}_2\text{O} \rightarrow 2 \text{NaOH} + \text{H}_2 + \text{Cl}_2\)

2) Zersetzungsspannung unter Standardbedingungen ohne Überspannung

Um die Zersetzungsspannung zu berechnen, muss man die Standard-Elektrodenpotenziale (\(E^0\)) der Teilreaktionen kennen. Unter Standardbedingungen (25°C, 1M Lösung) gelten für die Bildung von Chlor und Wasserstoff die folgenden Potentiale:

- Chlor (Cl₂/Cl⁻): \(E^0\) = +1,36 V
- Wasserstoff (H₂/H⁺): \(E^0\) = 0 V

Die Zersetzungsspannung ist die Differenz zwischen den Elektrodenpotentialen:

\(E_{\text{Zersetzung}}^0 = E_{\text{Anode}}^0 - E_{\text{Kathode}}^0\)

\(E_{\text{Zersetzung}}^0 = 1,36 \, \text{V} - 0 \, \text{V} = 1,36 \, \text{V}\)

3) Relevanz der Überspannung bei diesem Prozess

Ja, die Überspannung ist bei der Chloralkalielektrolyse von großer Bedeutung, insbesondere für die Effizienz und Wirtschaftlichkeit des Prozesses. Die Überspannung bezieht sich auf die Differenz zwischen der tatsächlichen angelegten Spannung und der erwarteten Spannung, basierend auf dem Standard-Elektrodenpotential. Verschiedene Faktoren, wie Elektrodenmaterial, Temperatur und die Konzentration der Elektrolytlösung, können die Überspannung beeinflussen. Bei der Chlorproduktion kann die Überspannung am Anodenmaterial (oft Titandioxid beschichtet mit Rutheniumoxid) die tatsächliche erforderliche Spannung erhöhen, um die Elektrolyse effizient zu betreiben. Dies kann die Energiekosten steigern und erfordert sorgfältige Auswahl und Wartung der Anlagenkomponenten.
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