Frage von lateinchiller, 58

Wie kann man so eine Reaktionsgleichung formulieren?

Natronlauge wird durch die Elektrolyse einer Kochsalzlösung gewonnen. Bei dieser Elektrolyse entstehen außerdem die Gase Wasserstoff und Chlor. Jede Elektrolysezelle besteht aus einer flachen Stahlwanne. Über ihren Boden fließt eine 3-5 mm dicke Quecksilberschicht. Weil diese Schicht den elektrischen Strom leitet, dient sie als eine Elektrode. Damit kein Gas entweichen kann, ist die Zelle mit einem Stahldeckel verschlossen. Die Stromzuleitungen führen durch Bohrungen im Deckel zu den Elektrodenplatten. _Während die Salzlösungen durch die geneigt stehende Zelle fließt, wird das Salz durch elektrischen Gleichstrom zerlegt. Das entstandene Chlorgas und die nur noch schwache Kochsalzlösung werden aus der Zelle abgeleitet. Das Natrium löst sich im Quecksilber und es entsteht eine flüssige Natriumlegierung. Diese fließt zu einem Zersetzer, der jeder Zelle zugeordnet ist. Im Zersetzer reagiert die Natriumlegierung mit Wasser zu Natronlauge und Wasserstoff. Das zurückgewonnene Quecksilber wird in die Elektrolysezelle zurückgepumpt. Die entstandene Natronlauge hat eine Konzentration von 50 %. ___ Meine Aufgabe ist es nun, die Reaktionsgleichungen für die einzelnen Schritte aufzustellen. Leider hab ich keine Ahnung, wie ich das genau angehen soll... Ich hätte jetzt so angefangen: 2 NaCl + 2 H2O -> 2 NaOH + H2 + Cl2; das erscheint mir aber falsch, da ja im Text steht, dass nur Chlorgas entsteht und nicht wie bei mir auch noch Wasserstoffgas. Was ist denn dann eine schwache Kochsalzlösung, die da entstehen soll ? "[...] Im Zersetzer reagiert die Natriumlegierung mit Wasser zu Natronlauge und Wasserstoff." Wie soll denn eine Natriumlegierung (NaK) mit Wasser (H2O) zu Natronlauge (NaOH) und Wasserstoff (H2) reagieren ? Was passiert mit dem Kalium der Natronlegierung ?! Ich würde mich riesig freuen, wenn mir jemand so die einzelnen Schritte aufschreiben könnte, ich will nichts vorgesagt haben, aber ich bin ich verzweifelt... wir schreiben nach den Ferien direkt eine Schulaufgabe. :(

Vielen Dank schonmal.

Hilfreichste Antwort - ausgezeichnet vom Fragesteller
von Kaeselocher, Community-Experte für Chemie, 31

2 NaCl + 2 H2O -> 2 NaOH + H2 + Cl2

Was soll ich denn da noch verbessern?

Die Natriumlegierung enthalt kein Kalium (wo soll das auch her kommen?) sondern Natrium und Quecksilber, welches katalytisch eingesetzt wird. Um dies kenntlich zu machen wäre ein "kat. Hg" auf dem Reaktionspfeil sinnvoll.

Kommentar von lateinchiller ,

Ist das die ganze Reaktion, die in dem Text passiert ??

Kommentar von ThomasJNewton ,

Konfusius sagt In der Ruhe liegt die Kraft!

Nicht nur Käselocher, sondern auch ich haben dir bestätigt, dass die Gleichung richtig ist.

Warum fragst du dann noch nach? Es ist ja auch nicht deine erste Frage, und du solltest schon wissen, wer hier etwas weiß.

Zieh dir erst mal in Ruhe die Antworten rein, bevor du Gegenfragen stellst. Das "Reinziehen" ist selten in wenigen Minuten erledigt.

Kommentar von lateinchiller ,

Und was ist hiermit: "In diesem Zersetzer reagiert die Natriumlegierung mit Wasser zu Natronlauge und Wasserstoff" ?

Kommentar von Kaeselocher ,

Ist das die ganze Reaktion, die in dem Text passiert ??

So sieht es aus ;-)

Und was ist hiermit: "In diesem Zersetzer reagiert die Natriumlegierung mit Wasser zu Natronlauge und Wasserstoff" ?

Naja das NaCl bildet zunächst mit Hg eine Legierung, welche dann wieder zersetzt wird. Das ist ein Zwischenschritt, der der katalyse dient. Man kann es natürlich auch noch ausformulieren:

2 NaCl → 2 Na + Cl2

Wobei sich das Cl2-Gas verabschiedet. Das Natrium reagiert dann mit dem Quecksilber zu einer Legierung:

Na + Hg → NaHg

und die Legierung wird dann mit Wasser zersetzt

2 NaHg + 2 H2O → 2 NaOH + 2 Hg + H2

Die Nettoreaktion lautet

2 NaCl + 2 H2O -> 2 NaOH + H2 + Cl2

Da das Quecksilber ja sowohl eingesetzt wird, als auch entsteht und die Legierung ja nur ein Zwischenprodukt ist.

Kommentar von lateinchiller ,

Vielen Dank ! Hat mir sehr weitergeholfen ;)

Kommentar von TomRichter ,

> welches katalytisch eingesetzt wird

Na ja, wenn man den Begriff des Katalysators weit genug dehnt...

Zur Vermeidung falscher Vorstellungen sollte man sich auf jeden Fall

https://de.wikipedia.org/wiki/Chloralkali-Elektrolyse#Amalgamverfahren

ansehen. Und verstehen, was mit Überspannung bei der Elektrolyse gemeint ist.

Kommentar von lateinchiller ,

Mal eine dumme Frage: Warum werden so viele Zwischenreaktionen gemacht, anstatt nicht gerade Kochsalz in Wasser zu geben ? und daraus würde dann Natronlauge, Chlorgas und Wasserstoff: 2 NaCl + 2 H2O -> 2 NaOH + H2 + Cl2. Oder würde diese Reaktion so nicht stattfinden ??

Kommentar von TomRichter ,

Die Antwort weiß Wikipedia - lies nicht nur den Abschnitt, auf den mein link zeigt, sondern den gesamten Artikel.

Kommentar von lateinchiller ,

Oder müssen diese Zwischenschritte gemacht werden, damit sich überhaupt NaCl "zersetzt" ?

Kommentar von Kaeselocher ,

Hierzu ist der Link von TomRichter hilfreich.

Eine Redox-Reaktion kann immer in beide Richtungen ablaufen, jenachdem ob man eine Zersetzungsspannung anlegt oder die Reaktion freiwillig ablaufen lässt.

Die Quecksilberlegierung benötigt eine geringere Zersetzungsspannung als das Kochsalz selbst.

Antwort
von PFromage, 31

1) "Natriumlegierung (NaK) mit Wasser (H2O) zu..."
Kalium ist nicht im Spiel

2) Wegen Überspannung des Wasserstoffs an Quecksilber wird an der Quecksilberkathode tatsächlich Natrium reduziert:
2Na+      +    2e-    -------->      2Na
an der Anode entsprechend Chlor oxidiert
  2 Cl-       ----------->          Cl2

3) Das elementare Na "löst" sich d.h. legiert sich mit Hg zu einer nichtstöchiometrischen Verbindung  (Hg macht das als flüssiges Metall leicht, daher nimmt es auch derZahnarzt für Amalgamfüllungen)
Na     +    Hg             ---->     NaxHgy (x und y beliebig, y kann auch weg)

4) Da NaCl dadurch weniger wird, verdünnt sich die Lösung.

5) Man will aber NaOH nicht Na, also läßt man das Amalgam mit Wasser reagieren, dabei reagiert nur Na, Hg wird frei und kann wieder als Elektrode verwendet werden (Quasikatalysator)
2Na(Hg)     +      H2O      ---->      NaOH    +    H2      +    Hg

Hier steht es ausführlich:
https://de.wikipedia.org/wiki/Chloralkali-Elektrolyse#Amalgamverfahren

Kommentar von PFromage ,

Rechts 2 NaOH

Antwort
von ThomasJNewton, 17

Die Gleichung kommt erst zum Schluss, wenn du verstanden hast, was eigentlich passiert.

Und da ist die Quecksilbermethode zur Salzzerlegung schon sehr "besonders".

Denn im Normalfall entstehen bei der Elektrolyse von NaCl-Lösung an der Kathode Wasserstoff und an der Anode Chlor.
Übrig bleibt dann NaOH.
Oder genauer gesagt eine Mischung von NaCl und NaOH, und das ist das Problem. Reines NaOH daraus zu gewinnen ist nicht so einfach, beide Salze sind ja gut bis sehr gut löslich.

Und da kommen 2 Besonderheiten des Hg ins Spiel, die eben dazu führen, dass NaCl(aq) nicht zu H₂ und Cl₂ zerlegt wird, sondern zu Na(hg) und Cl₂:
1. Die Fähigkeit, das Na in einer Legierung zu binden
2. Die hohe Überspannung von Wasserstoff an einer Hg-Elektrode

Im Prinzip zerlegst du also Salz in Natrium und Chlor, was in wässriger Lösung eigentlich unmöglich ist.
Der Rest in dann Formsache, du schmeißt Na in Wasser und bekommst H₂ und NaOH.

Und die Formel ist immer die selbe, 2 NaCl + 2 H₂O -> 2 NaOH + H₂ + Cl₂. Du kannst nicht einfach Chlorid zu zu Chlor oxidieren, ohne auch was zu reduzieren. Nur sind Natronlauge und Chlor benötigte Chemikalien, Wasserstoff eher weniger. Von daher nennt sich das Verfahren Chlor-Alkali-Elektrolyse, weil das die Stoffe sind, die Geld bringen.
Das ist eher Chemietechnik/Ökonomie als Stöchiometrie.

Und Kalium gibt es da nicht. Ich habe Na in Hg-Legierung als Na(hg) bezeichnet, sicher nicht korrekt, aber analog (aq), was in wässiger Lösung bedeutet. DIe Schreibweise NaK ist mit nicht geläufig, ich würde das K aber nicht als Kalium interpretieren.

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