Elektrolytkupfer schwefelsaure Kupfersulfat-Lösung Kathode Rohkupfer Anode Anodenschlamm Cu2+ Fe2+ Pt Au Ag 109Redoxreaktionen – Elektrochemie Elektrolysen in der Metallurgie Elektrolytische Kupfer-Raffination2 Kupfer ist nach Eisen und Aluminium das drittwichtigste Gebrauchsmetall. Es wird beispielsweise für Stromkabel, Münzen und Wasserrohre genutzt. Etwa die Hälfte des gewonnenen Kupfers wird wegen seiner guten elektrischen Leitfähigkeit in der Elektrotechnik verwendet. Da die elektrische Leitfähigkeit des Kupfers durch Spuren von Fremdmetallen stark beeinträchtigt wird, muss das durch Verhüttung gewonnene Rohkupfer erst elektrolytisch gereinigt werden. Die elektrolytische Raffination des Kupfers beruht auf der Trennung der Metalle nach ihren Redoxpotenzialen. Dazu wird das Rohkupfer, das neben anderen Metallen auch Eisen, Zink, Nickel, Chrom, Arsen, Silber und Gold enthält, in Form von Blechen als Anode geschaltet. Reinkupferbleche bilden die Kathode (B3). Als Elektrolyt-Lösung dient schwefelsaure KupfersulfatLösung. Bei der elektrolytischen Kupfer-Raffination laufen folgende Vorgänge ab: Anode: Cu(s)roh Cu2+(aq) + 2 e– ; E° = 0,35 V Kathode: Cu2+(aq) + 2 e– Cu(s)rein; E° = 0,35 V Die Zersetzungsspannung (vgl. S. 112, 113) dieser Elektrolyse ist theoretisch null. Während der Elektrolyse steigt aber die Konzentration der Kupfer-Ionen an der Anode und sinkt an der Kathode, da an der Anode ständig Kupfer-Ionen in Lösung gehen und an der Kathode aus der Lösung durch Reduktion entfernt werden. Aufgrund dieses Konzentrationsgefälles ist das Elektrodenpotenzial zwischen den beiden Elektroden wie bei einer Konzentrationszelle nicht gleich. Es muss also eine geringe Elektrolysespannung von 0,2 V bis 0,3 V angelegt werden. An der Anode werden außer Kupfer auch andere, unedlere Metalle oxidiert und gehen als Metall-Ionen in Lösung. Die edleren Metalle wie Silber, Gold oder Platin werden bei den niedrigen Elektrolysespannungen nicht oxidiert. Sie werden aus dem metallischen Kristallverband der sich auflösenden Kupfer-Anode freigesetzt und fallen als wertvoller Anodenschlamm auf den Boden. An der Kathode werden von allen in der Lösung befindlichen, aus der Rohkupfer-Elektrode stammenden Metall-Ionen nur die Kupfer-Ionen reduziert, da Kupfer das größte Elektrodenpotenzial aufweist. An der Kupfer-Kathode wird daher hochreines Elektrolytkupfer abgeschieden. Aufgaben A1 Erläutern Sie, weshalb man die Elektrolysespannung bei der Kupfer-Raffination möglichst gering hält. A2 Berechnen Sie, wie lange elektrolysiert muss, um bei einer Stromstärke von I = 10 000 A eine Masse von m = 10 g Kupfer abzuscheiden (Hinweis: vgl. FaradayGesetze, S. 106, 107). A3 In der Praxis verwendet man bei der elektrolytischen Kupfer-Raffination eine mit Schwefelsäure angesäuerte Kupfersulfat-Lösung. Erklären Sie, welche Vorteile der Schwefelsäurezusatz hat und warum an den Elektroden dennoch nur Reaktionen ablaufen, an denen die Ionen aus der Schwefelsäure nicht beteiligt sind. A4 Bei der elektrolytischen Kupfer-Raffination können Schwierigkeiten auftreten, wenn die Arsen-Ionenkonzentration in der Lösung stark ansteigt. Erklären Sie diesen Sachverhalt und berechnen Sie die ArsenIonenkonzentra tion, bei der die Abscheidung von Arsen und Kupfer gleichberechtigt ist, wenn man eine Kupfer-Ionen konzentration von c = 0,01 mol/L annimmt (Hinweis: E° (As/As3+ = 0,30 V). ERW EITERUNG·VERTIEFUNG·ANW ENDUNG B3 Elektrolytische Raffination von Kupfer 2 von raffiner (franz.) = verfeinern 3377_01_01_2012_Kap2_058_123 23.09.14 06:27 Seite 109 Nu r z u Pr üf zw ec ke n Ei g nt um d es C .C . B uc hn r V er la gs