Wären unser Leben und unsere Technik ohne leitfähige Kupferdrähte, Aluminiumbehälter, verzinkte Bleche, mikroelektronische Schaltkreise und Magnesiumlegierungen dieselben?
Und was haben all diese Materialien mit vergoldetem oder versilbertem Schmuck und amerikanischen Pennies gemeinsam? Der gemeinsame Nenner ist, dass sie alle durch Elektrolyse hergestellt werden, ein industrielles Verfahren, das ein Beispiel für angewandte Chemie ist.
Um 1800 führte der Engländer Humphry Davy die ersten Studien zur Elektrochemie durch. Michael Faraday (1791-1867), Davys früher Assistent, formulierte die Gesetze zum Verständnis und zur Quantifizierung dieser Prozesse. Um 1842 entwickelte Werner von Siemens, ein preußischer Artillerieoffizier und Industriepionier, Verfahren zur Galvanisierung.
Was aber ist ein Elektrolyseprozess? Im Grunde handelt es sich um eine chemische Oxidations-Reduktionsreaktion, bei der Elektronen von einer chemischen Spezies auf eine andere übertragen werden. Da es sich um einen nicht spontanen chemischen Prozess handelt, muss elektrische Energie eingesetzt werden, damit die Reaktion abläuft. Dieser Stromverbrauch wird durch die Eigenschaften und Kosten der bei der Elektrolyse hergestellten Materialien ausgeglichen. Ein solches Verfahren ist in der Lage, so preiswerte Rohstoffe wie Salz und Wasser in industriell wertvolle Produkte wie NaOH (Natronlauge), Cl2 (Chlor) und H2 (Wasserstoff) umzuwandeln. Dieses Verfahren, das in der Industrie als Chloralkali bezeichnet wird, verbraucht 0,5 % der gesamten in den USA erzeugten elektrischen Energie.
Magnesium, das für die Herstellung von Leichtmetalllegierungen unentbehrlich ist, kommt hauptsächlich im Meerwasser vor, und zwar in Form eines gelösten Salzes, Magnesiumchlorid (MgCl2). Dieses Salz wird durch fraktionierte Kristallisation aus dem Meerwasser abgetrennt, aus dem das Magnesium durch Elektrolyse in metallischem Zustand gewonnen wird. Das kombinierte Element gewinnt so Elektronen (wird reduziert) und geht in den metallischen Zustand über. Gleichzeitig werden die Chloride oxidiert und als Nebenprodukt wird Chlor gewonnen.
Eine weitere Anwendung ist das elektrolytische Bad oder die elektrolytische Abscheidung. Bei diesem Verfahren wird ein Metall, das in der Regel billig ist, während eines elektrolytischen Prozesses mit einer dünnen Schicht eines anderen Metalls, das teurer ist und bessere Eigenschaften aufweist, zu dekorativen Zwecken oder als Korrosionsschutz überzogen.
Das industrielle Verfahren der elektrolytischen Raffination ist eine weitere Anwendung der Elektrolyse. Auf diese Weise wird reines metallisches Kupfer gewonnen.
In diesem Fall werden eine Anode aus unreinem Kupfer und eine Kathode aus reinem Kupfer in eine Lösung aus einer Kupferverbindung getaucht. Wenn der elektrische Strom fließt, löst sich die unreine Anode auf, und das Kupfer lagert sich auf der Kathode ab, allerdings in seinem reinen Zustand. Die Verunreinigungen, die sich im Elektrolysekessel absetzen, werden als Anodenschlamm bezeichnet und sind reich an Gold und Silber. Durch die Rückgewinnung der Edelmetalle aus diesen Schlämmen werden die Kosten der Elektrolyse ausgeglichen.
Einige Kunststoffe können auch elektrolytisch mit Metall beschichtet werden. Dazu muss der Kunststoff zunächst leitfähig gemacht werden, indem eine Schicht Graphitpulver (eine allotrope Variante des Kohlenstoffs) auf seine Oberfläche aufgetragen wird. Die elektrolytische Abscheidung von Kupfer auf Kunststoff hat es ermöglicht, die Qualität mikroelektronischer Schaltungen zu verbessern.
Bis 1884 galt Aluminium als Halbedelmetall. Es kostete in der Herstellung etwa zwanzig Dollar pro Kilogramm und wurde ausschließlich für Schmuck und Ziergegenstände verwendet. Doch 1886, mit der Entwicklung des Hall-Héroult-Verfahrens, das die Gewinnung von hochreinem Aluminium durch ein elektrolytisches Verfahren ermöglichte, begannen sich die technologischen Anwendungen dieses Metalls zu entwickeln. In unserem Land ist eine der wichtigsten metallurgischen Industrien diejenige, die sich mit der elektrolytischen Herstellung von Aluminium beschäftigt. Das verwendete metallurgische Verfahren gewinnt das Metall aus Bauxit, einem Mineral, das Aluminiumoxid (Al2O3) als Rohstoff und Eisenoxid (Fe2O3) als Hauptverunreinigung enthält. Die Oxide werden durch alkalisches Auflösen des Aluminiums abgetrennt, und es wird wieder reines Aluminiumoxid gewonnen. Dieses wird einem elektrolytischen Prozess unterzogen, der mit Kryolith (Na3AlF6) gemischt wird, um den hohen Schmelzpunkt des Oxids zu senken. So entsteht Aluminium mit einem Reinheitsgrad von über 99 %.
Die Installation solcher Aluminiumwerke erfolgt in der Regel in der Nähe von Wasserkraftwerken, da pro Tonne Aluminium etwa 15.000 kWh verbraucht werden.
Quelle: Estela Mónica López Sardi Dozentin an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften - UP