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  Die Wirkungen des elektrischen Stromes ( 2 )  
   

3. Die chemische Wirkung
    Fließt Gleichstrom durch einen Elektrolyt, so wird die Flüssigkeit zersetzt.
    Wechselstrom erwärmt den Elektrolyt nur. Die Ionen werden hin- und hergeschoben.


    Beispiel 1:
    Wässrige Lösungen aus Säuren, Salzen oder Laugen
    sind Elektrolyte, d.h. die Moleküle sind in Ionen aufgespaltet.
    Wasserstoff und Metalle verlieren dabei Elektronen und werden
    zu positiven Ionen.
    Sauerstoff, Säurereste und Laugenreste reißen diese Elektronen
    an sich und werden zu negativen Ionen.
    Ionen sind somit geladene Teilmoleküle. Sie wanderen zum jeweils
    anderen Pol, sobald eine Gleichspannung angelegt wird.
    Positive Ionen wandern zum Minuspol = Katode.
    Sie heißen daher Kationen.
    Negative Ionen wandern zum Pluspol = Anode.
    Sie heißen daher Anionen.
    An der Katode bildet sich molekularer Wasserstoff H2, der in Form von Gasblasen aufsteigt.
    An der Anode entsteht gasförmiger Sauerstoff O2 , der Schwefel bleibt im Elektrolyt als
    H2So3 (schwefelige Säure) und H2SO4 (Schwefelsäure) .

    Beispiel 2:
    Ist der Elektrolyt eine Kupfersulfatlösung, so wandern die positiven
    Cu-Ionen zum Minuspol, nehmen dort wieder Elektronen auf,
    werden zu Kupferatomen und lagern sich an der Katode als
    metallischer Kupferbelag ab. Die negativen SO4 -Ionen wandern
    zur Anode, greifen diese an und lösen Material aus dieser heraus,
    wenn es eine Metall-Elektrode ist. Ist die Anode eine Kupfer-
    elektrode, so geht Cu wieder in Lösung. Es wird also Kupfer von
    der Anode an die Katode transportiert. Die Katode erhält einen Cu-
    Überzug. Dieser Vorgang heißt Galvanisieren. Nach dieser
    Methode kann man verkupfern, versilbern, verchromen, verzinken,
    vernickeln, vercadmen usw.

Beispiel 3: => Schmelzfluss-Elektrolyse zur Aluminium-Gewinnung
Bauxit ist der wichtigste Rohstoff für die Aluminiumherstellung durch Schmelzflusselektrolyse. Bauxit besteht zu 50 bis 80% aus Al2O3
= Aluminiumoxid. Die Reduktion von Aluminiumoxid erfolgt in der Schmelzflusselektrolyse. Die Elektrolysezelle besteht dabei aus einer Graphitwanne. In diese Wanne reichen von oben Graphitblöcke, die an den positiven Pol einer Stromquelle angeschlossen sind. Die Graphitwanne dagegen ist am negativen Pol angeschlossen. Die Spannung beträgt nur etwa 4V - 6V, die Stromstärke dagegen bis zu 200000A. Da reines Aluminiumoxid einen Schmelzpunkt von 2045 °C hat, wird es dazu in einer Kryolith-Schmelze gelöst. => 1)
Für diese Schmelze aus etwa 8% Aluminiumoxid und 80% Kryolith reichen 950 °C. Die positiv geladenen Aluminiumionen Al3+ wandern zur Katode. Dort nehmen sie Elektronen auf und werden zu Aluminiumatomen. Die negativen Sauerstoffionen (O2-) wandern zur Anode. Dort geben sie ihre überschüssigen Elektronen ab. Sie werden zu Sauerstoffatomen. Diese reagieren mit dem Kohlenstoff der Graphitanode und bilden Kohlenmonoxid CO und Kohlendioxid CO2, die dann als Gase entweichen.
Das reduzierte Aluminium ist schwerer als das geschmolzene Aluminiumoxid-Kryolith-Gemisch. Das Aluminium sammelt sich daher auf dem Boden der Graphitwanne. Von dort wird es mit einem Saugrohr abgezogen. Das so entstandene Reinaluminium enthält noch etwa 0,1 bis 1% Verunreinigungen. Diese sind im wesentlichen Eisen, Silizium und Titan. Für 1kg Aluminium werden etwa 14–15kWh Elektroenergie benötigt.
1) Chemische Formel für Kryolith: Na3AlF6   bzw. genauer AlF3 · 3 NaF
Aufgabe:
Silizium wird aus einer Schmelze von Quarzsand = SiO2 durch Schmelzfluss-Elektrolyse gewonnen.
Im natürlich vorkommenden Quarz ist das gewünschte Rohmaterial Silizium mit Sauerstoff zu Siliziumdioxid SiO2 gebunden. Zur Gewinnung des reinen Elementes setzt man daher eine chemische Reaktion in Gang, die den Sauerstoff der Verbindung abspaltet.
Bei einer Temperatur von 1460°C, knapp über dem Schmelzpunkt von Quarz (1413°C) nutzt man folgende Reaktion:
SiO2 + 2C -> Si + 2CO
Es kann also bei Anwesenheit von Kohlenstoff das Element Silizium getrennt werden. Dessen Kombination mit Kohlenstoff zu Siliziumkarbid (SiC), wird durch der Schmelze zugegebenes Eisen als Katalysator unterbunden.
Da das isolierte Silizium eine hohe Dichte aufweist, sinkt es nach unten ab, wo es dann von den übrigen Komponenten separiert werden kann.
Das so gewonnene Material nennt man Rohsilizium oder auch technisches Silizium. Es weist eine Konzentration von 2 bis 4 % an Fremdatomen auf, unter anderem von Kohlenstoff, Eisen, Aluminium, Bor und Phosphor. Zur Herstellung elektrischer Bauteile kann es daher noch nicht verwertet werden, weshalb weitere Schritte zur Erhöhung der Reinheit unternommen werden müssen.
(Quelle: http://www.halbleiter-scout.de/halbleitertechnologie/das-grundsubstrat-der-wafer/gewinnung-von-hochreinem-silizium.html ) oder/und siehe auch:
http://www.sunclass-solar.de/m1/das-solarmodul/solar-wissen-von-a-z/rohstoffgewinnung-der-stoff-aus-dem-die-zellen-sind.html )

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