Vorkommen und Gewinnung durch Schmelzflusselektrolyse
Warum Alkalimetalle in der Natur nur als Salze vorkommen und warum man Natrium nur aus der Kochsalzschmelze elektrolytisch gewinnen kann.
Das Wichtigste in Kürze
- Alkalimetalle kommen wegen ihrer sehr kleinen Ionisierungsenergie in der Natur nur gebunden vor, etwa als Steinsalz \(\ce{NaCl}\) oder Sylvin \(\ce{KCl}\).
- Natrium wird durch Schmelzflusselektrolyse von \(\ce{NaCl}\) gewonnen: an der Kathode Reduktion zu Natrium, an der Anode Oxidation zu Chlor.
- In der Downs-Zelle senkt \(\ce{CaCl2}\) den Schmelzpunkt, flüssiges Natrium steigt auf, ein Diaphragma trennt es vom Chlor.
- Die Leitfähigkeit der NaCl-Schmelze steigt mit der Temperatur, weil die Ionen beweglicher werden.
- Aus wässriger Lösung entsteht an der Kathode Wasserstoff statt Natrium, da Wasser bei etwa −0,41 V leichter reduziert wird als \(\ce{Na+}\) (−2,71 V).
Dieses Kapitel ist für Supporter
Relaxed ins Stex ist ein kleines, unabhängiges Projekt. Mit einem Zugang unterstützt du uns und schaltest das ganze 1. Staatsexamen frei. ❤️
Bitte bestätige zuerst deine E-Mail-Adresse
Wir haben dir einen Link geschickt. Erst mit bestätigter E-Mail-Adresse kannst du einen Zugang freischalten und nutzen.
Worum es geht
Die Alkalimetalle sind die unedelsten Metalle des Periodensystems. Deshalb findet man sie nur als Salze, und das Metall muss man mit elektrischem Strom zurückgewinnen. Natrium braucht man in der Synthese etwa als starkes Reduktionsmittel.
Vorkommen
Alkalimetalle kommen in der Natur nie elementar vor, sondern nur gebunden in Verbindungen. Das gilt für Natrium ebenso wie für Kalium oder Caesium. Der Grund ist ihr einzelnes Valenzelektron. Es sitzt locker, die Ionisierungsenergie ist sehr klein.
Ein freies Alkalimetall reagiert deshalb sofort mit Sauerstoff oder Wasser. Es geht dabei in das einfach positive Kation \(\ce{M+}\) über. Über geologische Zeiträume hätte kein Metallkorn überlebt.
Man findet die Elemente daher als Salze. Natrium liegt vor allem als Steinsalz (\(\ce{NaCl}\)) und gelöst im Meerwasser vor. Kalium kommt als Sylvin (\(\ce{KCl}\)) und Carnallit (\(\ce{KCl*MgCl2*6H2O}\)) vor, Caesium in seltenen Silicaten wie Pollucit. Wer das Metall will, muss die Elektronenabgabe rückgängig machen. Für Natrium gelingt das technisch nur mit elektrischem Strom.
Schmelzflusselektrolyse von Kochsalz
Natrium gewinnt man durch Schmelzflusselektrolyse von Natriumchlorid. Das Prinzip kennst du vom Aluminium. Wie bei jeder Elektrolyse läuft an der Kathode die Reduktion und an der Anode die Oxidation ab.
An der Kathode (Minuspol) nehmen Natrium-Ionen Elektronen auf:
\[\ce{2Na+ + 2e- -> 2Na}\]
An der Anode (Pluspol) geben Chlorid-Ionen Elektronen ab:
\[\ce{2Cl- -> Cl2 ^ + 2e-}\]
Insgesamt entstehen metallisches Natrium an der Kathode und Chlor an der Anode:
\[\ce{2NaCl -> 2Na + Cl2}\]
Technisch nutzt man die Downs-Zelle. Eine Graphitanode steht in der Mitte, eine ringförmige Stahlkathode umgibt sie. Zugesetztes \(\ce{CaCl2}\) senkt den Schmelzpunkt von 801 °C auf rund 600 °C. Das flüssige Natrium ist leichter als die Schmelze, steigt auf und wird abgezogen. Ein Diaphragma hält es vom Chlor fern, sonst entstünde sofort wieder \(\ce{NaCl}\).
Strom fließt nur, weil die Ionen in der Schmelze beweglich sind. Im festen Kristall sitzen sie auf festen Gitterplätzen, festes \(\ce{NaCl}\) leitet daher praktisch nicht. Beim Erhitzen wird die Schmelze dünnflüssiger, und die Ionen wandern schneller. Die Leitfähigkeit nimmt mit steigender Temperatur zu.
Ionenleiter wie Salzschmelzen leiten warm besser, Metalle dagegen leiten warm schlechter.
Elektrolyse wässriger Lösungen
Aus wässriger Lösung lässt sich kein Alkalimetall abscheiden. Das gilt für Halogenid- wie für Hydroxidlösungen. Entscheidend sind die Potentiale. Das Paar \(\ce{Na+}\)/Na liegt bei −2,71 V, Wasser wird schon bei etwa −0,41 V (pH 7) reduziert. An der Kathode läuft zuerst die Reduktion, die am leichtesten gelingt. Es entsteht also Wasserstoff:
\[\ce{2H2O + 2e- -> H2 ^ + 2OH-}\]
Selbst gebildetes Natrium würde mit dem Wasser sofort weiterreagieren. Diesen Weg nutzt die Chloralkali-Elektrolyse wässriger Kochsalzlösung. An der Kathode entstehen Wasserstoff und Hydroxid-Ionen, an der Anode Chlor. Die Produkte sind Natronlauge, Chlor und Wasserstoff, aber kein metallisches Natrium. Warum an der Anode Chlor statt Sauerstoff entsteht, erklärt die Überspannung.
Quiz
Aussage 1
Erhitzt man eine Natriumchloridschmelze weiter, sinkt ihre elektrische Leitfähigkeit, ähnlich wie bei einem Metalldraht.
Die Leitfähigkeit der Schmelze steigt mit der Temperatur, weil die Ionen in der dünnflüssigeren Schmelze schneller wandern. Nur bei Metallen sinkt sie beim Erhitzen.
Aussage 2
Bei der Chloralkali-Elektrolyse wässriger Kochsalzlösung bildet sich an der Kathode Wasserstoff und kein metallisches Natrium.
Wasser wird bei weniger negativem Potential reduziert als \(\ce{Na+}\), daher entstehen an der Kathode \(\ce{H2}\) und \(\ce{OH-}\).
Aussage 3
Caesium findet man in der Natur ausschließlich in Form von Verbindungen.
Wie alle Alkalimetalle ist Caesium so unedel, dass es nur gebunden vorkommt, etwa im Silicat Pollucit.
Fehler entdeckt oder eine Idee? Wir verbessern die Inhalte laufend. Melde es uns gerne über dieses Formular ❤️
Teile der Inhalte wurden mithilfe von KI-Systemen erstellt und werden fortlaufend redaktionell geprüft. Trotz Sorgfalt können Fehler enthalten sein. Wichtige Informationen bitte anhand offizieller Quellen prüfen. Relaxed ins Stex ist ein unabhängiges Angebot und steht in keiner Kooperation mit dem IMPP. Das Angebot ist weder vom IMPP autorisiert noch mit diesem verbunden.