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Kupfer für Kabel
AFB I–IIKupfer für Stromkabel muss sehr rein sein. Bei der Kupferraffination hängen Platten aus Rohkupfer (etwa 99 % Cu, Rest unter anderem Zink, Eisen, Silber und Gold) als Anoden und dünne Reinkupferbleche als Kathoden in schwefelsaurer Kupfer(II)-sulfat-Lösung. Eine Zelle arbeitet mit I = 30 000 A bei einer Zellspannung von nur 0,30 V; die Stromausbeute beträgt 95 %.
\(E^\circ(\ce{Zn^2+}/\ce{Zn}) = -0{,}76\,\text{V}\), \(E^\circ(\ce{Fe^2+}/\ce{Fe}) = -0{,}41\,\text{V}\), \(E^\circ(\ce{Cu^2+}/\ce{Cu}) = +0{,}34\,\text{V}\), \(E^\circ(\ce{Ag+}/\ce{Ag}) = +0{,}80\,\text{V}\), \(E^\circ(\ce{Au^3+}/\ce{Au}) = +1{,}50\,\text{V}\); \(M(\ce{Cu}) = 63{,}55\,\text{g/mol}\), \(F = 96\,485\,\text{C/mol}\)
- Geben Sie die Hauptreaktionen an Anode und Kathode an.
- Berechnen Sie die Masse Kupfer, die eine Zelle an einem Tag (24 h) abscheidet.
- Erläutern Sie, warum Zink und Eisen als Ionen in Lösung gehen, ohne an der Kathode abgeschieden zu werden, während Silber und Gold als Anodenschlamm zurückbleiben.
- Ermitteln Sie die elektrische Energie in kWh, die für eine Tonne Reinkupfer nötig ist.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
An der Anode löst sich das Rohkupfer auf, an der Kathode wächst Reinkupfer.
Hinweis zu Aufgabe b)
m = M · I · t / (z · F), danach die Stromausbeute berücksichtigen.
Hinweis zu Aufgabe c)
Vergleichen Sie die Standardpotenziale mit dem von Kupfer — wer gibt leichter Elektronen ab, wer nimmt sie leichter auf?
Hinweis zu Aufgabe d)
Erst die Ladung für 106 g Kupfer mit 95 % Stromausbeute, dann W = Q · U.