Schmelzfluss-Elektrolyse zur Gewinnung von Natrium oder Lithium

Der englische Chemiker Humphry Davy (1778–1829) führte im Jahr 1807 als Erster eine Schmelzflusselektrolyse durch. So konnte er das Element Kalium aus Kaliumhydroxid gewinnen. Das Natrium erhielt er durch eine Schmelzflusselektrolyse von Natriumhydroxid in einer Platinschale. Ein daran anknüpfender Versuch ist in einigen Experimentierbüchern beschrieben. Im Unterricht wird häufig die Schmelzflusselektrolyse von Zinkbromid durchgeführt, um zu zeigen, dass hierbei Bromdämpfe und ein Zinkbaum an einer Elektrode entstehen. [Literatur 1] Das Prinzip beruht darauf, das elektrisch geladene Ionen in Salzschmelzen frei beweglich sind und diese durch elektrischen Strom oxidiert oder reduziert werden können. Die Alkalimetalle Kalium, Rubidium und Caesium stellt man dagegen durch eine Reduktion mit anderen Metallen dar. Die Herstellung von Kalium gelingt beispielsweise durch eine Reduktion von Kaliumchlorid mit Natrium. [Literatur 2]

Natrium oder Lithium werden heute durch eine Schmelzflusselektrolyse von Natrium- oder Lithiumchlorid in einer Downszelle gewonnen. Dieses Verfahren geht auf ein Patent aus dem Jahr 1902 zurück, das James C. Downs anmeldete. [Literatur 5] Als Flussmittel zum Herabsetzen des Schmelzpunktes auf etwa 600 °C werden Calciumchlorid CaCl₂und Bariumchlorid BaCl₂ verwendet. In der Schmelze einer Downszelle befinden sich 30 bis 40% Massenanteile Natriumchlorid und 60 bis 70% Anteile des Flussmittelgemisches. Die Elektrolysezelle besteht aus einem Stahlbehälter, der innen mit Steinen ausgemauert ist. Die Anode aus Graphit ist ringförmig von einer Eisen-Kathode umgeben. Die Temperatur der Schmelze liegt bei etwa 600 °C, die Elektrolyse erfolgt bei etwa sieben Volt und Stromstärken von mehr als 40000 Ampere. [Literatur 2 und 3] Eine Glocke aus Nickel fängt das an der Graphit-Anode entstehende Chlor auf. An der Glocke hängt ein Drahtnetz als Diaphragma. Dieses trennt das Chlorgas vom entstehenden Natrium und verhindert die potenziell heftige Rückreaktion. Das flüssige Natrium sammelt sich oben im Diaphragma, es wird durch ein eisernes Steigrohr entnommen. Zur Herstellung von einer Tonne Natrium werden etwa 2,6 Tonnen Natriumchlorid und 10000 Kilowattstunden elektrische Energie benötigt. [Literatur 3] Das gewonnene Natrium wird in beheizbaren Waggons oder Containern transportiert und zur Weiterverarbeitung unter Paraffinöl geschmolzen. [Literatur 4]

Die positiv geladenen Natrium-Ionen wandern zur negativ geladenen Eisen-Kathode, sie nehmen Elektronen auf und werden zu Natrium-Atomen reduziert. Die negativ geladenen Chlorid-Ionen wandern in der Schmelze zur positiv geladenen Graphit-Anode. Sie geben Elektronen ab und werden zu Chlor-Atomen oxidiert.


Literatur

1 Seilnacht/Rehm (2009): Chemische Experimente erleben, Buch + 4 DVDs, Bern
2 Hollemann/Wiberg (2007): Lehrbuch der anorganischen Chemie, Berlin/New York
3 Binder (1999): Lexikon der chemischen Elemente, Stuttgart/Leipzig
4 Roempp (1995): Chemielexikon, Stuttgart
5 Glöckner/Jansen u.a. (1994): Handbuch der experimentellen Chemie, Band 2 Alkali- und Erdalkalimetalle, Köln