PUBLICATIONS ON METALLURGY

• Document Type: CREST
• Collection: General CIA Records
• Document Number (FOIA) /ESDN (CREST): CIA-RDP80S01540R002600110005-2
• Release Decision: RIPPUB
• Original Classification: C
• Document Page Count: 191
• Document Creation Date: December 22, 2016
• Document Release Date: May 11, 2012
• Sequence Number: 5
• Publication Date: September 11, 1953
• Content Type: REPORT

50X1-HIJM
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SECURITY INFORAV.TION
COUNTRY East Germany
Publications on Metallurgy
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DATE DISTR.
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REFERENCES
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THE APPRAISAL OF CONTENT IS TENTATIVE.
Publication by Prof. Dr. 0. Erbacher and Dr. N. Ebert, entitled Ueber
ejilatomare Deckenschichten auf Uranmetall bei Temeraturen bis 220? C,
No. /+ of Metallkundliche Berichte, published by Verlag Technik, Berlin
in 1951 (T booklet) 50X1-HUM
CONFI?) TT JLYC014TROL - U.S. OFF IC ONLY
?54 f~~ ~~ 6 dn
AIR FBI J JAEC OCD
(Note: Washington Distribution Indicated By "X"; Field Distribution 110* ! Form # 61-61 Jaauurp 10 53
11 September 1953
(A) Book entitled Elektrometallurizie der waessrigen Loesungen by W G. Ageyenkov
and J. A. Kakovski, published by Verlag Technik, Berlin in 19521 (1 book)
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50X1-HUM:
BAND 4
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Prof. Pr. 0. rbachei ui~dr Dr. X%1. Ebert,'.r`aMnngen
Declassified in Part - Sanitized Copy Approved for Release 2012/05/11 :
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Uber einatomare
Deckschichten anf Uranmeta,ll
bei Temperatnren his 20? (1
Prof. Dr. 0. Erbacher f and Dr. M. Ebert, Taifingen
9
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VEB Deutsche Graphische Werkstatten, Leipzig
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Die bisherigen Untersuchungen fiber den Korrosionsschutz, den die
einatomare Bedeckung eines unedlen Metalls mit edleren Atomen be-
wirkt, wurden bei Raumtemperatur durchgefuhrt. In der vorliegenden
Arbeit wird nun die Frage, ob dieser neuartige Korrosionsschutz unter
gewissen Bedingungen auch bei erhohter Temperatur eintritt, durch
Untersuchung des Systems Uranmetall/Kupferionen entschieden.
Uranmetall unterliegt in waBriger Losung bei erhohter Temperatur
(ohne Schutz) bekanntlich einer kraftigen Korrosion. Als Losungsmittel
wurde bei den nachstehend beschriebenen Versuchen konz. Ammoniak
gewahlt; doch ist zu erwarten, daB selbst eine starkere Herabsetzung
der Ammoniakkonzentration keine grundsatzliche Anderung in den Ver-
suchsergebnissen zur Folge haben wird. Bei Ausnfitzung der bei dieser
Untersuchung gewonnenen Erkenntnisse and Erfahrungen Mt rich
weiter erhoffen, daB der durch einatomare Bedeckung mit Kupfer-
atomen beim Uran erzielte Korrosionsschutz auch fur eine noch langere
Zeitdauer and bei noch hoheren Temperaturen bewirkt werden kann,
als dies in dieser Arbeit bereits gelungen ist.
Austauschvorgang: U + 2Cu2+ = U4+ + 2Cu.
Ionengleichgewicht des edleren Metalls besteht zwischen Cu2+
and Cu(NH3)42+ (Kupferamminkomplex).
Gewichtsbestimmung der Metalle:
Cu-Bestimmung. Die Cu-Bestimmung erfolgte, wie in der friiheren
Arbeit bei dent System II angegeben ist.
U- B e s t im rn u n g. Die Bestimmung der in Losung gegangenen
U-Menge erfolgte durch Wagung der verwendeten Uranbleche vor and
nach dem Versuch. Vor der Ruckwagung der Uranbleche wurde das
auf der Oberflache gebildete Uranoxyd entfernt, indem die Bleche 60 see
mit konz. Salpetersaure, 60 see mit Wasser and schlieflich nosh 60 sec
mit Methylalkohol behandelt wurden.
Ausfiihrung der Versuche:
Etwa 2 his 3 mm dicke U r a n p r o b e n wurden zunachst in Bleche von
etwa 3 X 7 min zersagt; die erhaltenen Bleche wurden sodann mit be-
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sonders gereinigten Feilen bearbeitet. DaB das Uran durch die Be-
arbeitung mit den geharteten Stahlfeilen nicht durch Spuren Eisen
verunreinigt wurde, konnte durch das Ausbleiben der Eisenreaktionen
bei der qualitativen Analyse der Feilspane and der Bleche sichergestellt
werden. Das Metall lauft an der Luft bereits in wenigen Stunden an,
nach zwei his drei Tagen hat es eine stahlblaue Farbe angenommen.
Die Herstellung der Kupfer-Tetramin l o s u n g e n erfolgte anfangs
durch Schutteln von metallisehem, durch Elektrolyse gereinigtem Kupfer
in konz. Ammoniak unter Luftzutritt. Spater wurde Kupferoxyd mit
konz. Ammoniak 2 Std. kraftig gesehiittelt; das nichtgeloste Kupfer-
oxyd wurde abfiltriert. Der Cu-Gehalt der Losungen wurde kolori-
metrisch bestimmt.
Bei den Versuchen wurden die Uranbleche in Glaskolbchen mit
2 em3 konz. Ammoniak (25 %) and 1 em3 Luft eingeschmolzen. Die
verschlossenen Kolbchen wurden dann, falls eine visuelle Beobachtung
erfolgen sollte, in ein gleichfalls mit Ammoniak gefulltes Bombenrohr
eingeschmolzen and im Wasser- bzw. Olbad erhitzt.
Die Mehrzahl der Kolbchen wurde in eisernen Autoklaven mit Blei-
dichtung eingeschlossen and im elektrischen Ofen erhitzt. Die Ofen
wurden vorgeheizt. Die T e m p e r a t u r verteilung in den Ofen wurde
vor and nach dem Versuch gemessen; hieraus ergab sich die Erhitzungs-
temperatur der Autoklaven.
Feststellung der Auflosungsgeschwindigkeit des Urans.
Zunachst wurde ohne Zugabe von Kupfer zur Losung das Auftreten
folgender Korrosionsstufen festgestellt:
S t u f e 1: Es treten Anlauffarben in folgender Reihenfolge auf: violett,
stahlblau, olivgrun; an der Metalloberflaehe bilden sich von Anfang an
kleine Gasblaschen, die langsam wachsen.
Stufe 2: Ein lebhafter ununterbrochener Gasstrom lost sich von der
Metalloberflache ab, and sichtbare starke Korrosion setzt ein. Dabei
tritt an der Oberflache LochfraB ein. Weiter entstehen in den dicken
Blechen explosionsartig tiefe Krater, die das auBere Metall in scharfen
Zacken wegbiegen. Erst vom Beginn der Stufe 2 ab war ein Gewichts-
verlust der Uranbleche feststellbar. Die Abhangigkeit des Beginns der
sturmischen Gasentwicklung von der jeweiligen Temperatur ist aus
Tafel 1 ersichtlich.
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Tafel 1
Auflosungsgeschwindigkeit der Uranbleche
Nr.
Temperatur
? C
Einsetzen
der heftigen
Gasentwick-
lung nach
min
Beginn der
Schlamm-
ausseheidung
nach
min
Ein-
waage
g
Verlust
mg
Verlust/
Ober-
flach^
mg/inn 2
1
100
15
85
2,8970
4,1
2
100
15
85
2,9597
5,6
3
120
34
2,0761
0,9
4
120
34
1,7070
1,4
5
130
30
2,3900
3,0
6
130
30
2,3263
3,4
7
140
23
2,6573
4,2
8
140
23
3,0174
5,0
9
150
17
3,1238
4,8
10
150
17
4,3148
5,2
11
150-155
3,5
17
2,1300
7,8
0,054
12
150-155
3,5
17
2,3793
8,3
0,046
13
160
14
3,0835
5,3
14
160
14
3,0656
5,8
15
170
12
2,2441
7,8
16
170
12
2,2981
7,5
17
172-175
4
11,5
2,2073
7,5
0,0506
18
180
10
2,8798
9,5
19
180
10
1,9952
8,4
20
180-182
2,5-3
10 (9,5)
2,7894
9,4
21
180-182
2;5-3
10(9,5)
2,1316
8,4
22
190
8
2,2492
3,9
23
190
8
1,9500
4,6
24
190
2,5
8
2,8942
14,1
0,0765
25
190
2,5
8
2,9321
13,9
0,0765
26
200
6
2,1937
5,8
27
200
6
2,8282
6,5
28
210
5
3,0126
3,0
29
210
5
3,0372
4,7
30
210-215
1,5
4,5
2,3359
11,0
31
210-215
1,5
4,5
2,5342
10.8
Stufe 3: Schwarzer Schlamm, der im wesentlichen aus Urandioayd
besteht, wird gebildet. Die Temperaturabhangigkeit dieser Schlamrn-
bildung ist ebenfalls aus Tafel 1 ersichtlich.
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Weiterhin wurde der Zeitpunkt des Einsetzens der Korrosionsstufe 3
fur verschiedene Temperaturen festgestellt. Gleichzeitig wurde die Tem-
peraturabhangigkeit der Korrosionsgeschwindigkeit nach dem Beginn
der Stufe 3 gemessen.
Tafel 2
Auflosungsgeschwindigkeit
der Uranbleche bei kurzen Versuchszeiten
Tempe-
Ver-
sucks-
Ein-
Ver-
Verlust /
Ober-
Mittlerer
V
l
t
Verlust m
g
Nr.
ratur
zeit
waage
lust
flache
er
us
min
? C
min
g
mg
mg/mm2
rng
1
150
17
2,1300
7,8
0,054
1 8,05
2
150
17
2,3793
8,3
0,046
J
3,05: 5 = 0,61
3
150
22
2,6983
11,6
0,065
l
l
11,1
4
150
22
1,7529
10,6
0,071
J
} 5,8 : 5 = 1,16
5
150
27
2,5707
17,0
0,081
} 16,9
6
150
27
2,6518
16,8
0,0815
7
172-175
11,5
2,2073
7,5
0,0506
7,5
} 3,6 : 5 = 0,72
8
172-175
16,5
2,1604
10,6
0,0663
l 11,1
9
172-175
16,5
2,7797
11,6
0,0818
J
1 4,7 ; 5 = 0,94
10
172-175
21,5
2,9841
15,8
0,0755
15,8
J
11
182
10
2,7894
9,4
0,048
1 8,9
7
12
182
10
2,1316
8,4
0,045
1
5,65: 5 = 1,13
13
182
15
2,4670
14,4
0,073
} 14,55
14
182
15
2,7377
14,7
0,070
} 1,45: 5 = 0,29
15
182
20
1,7248
16,2
0,114
l
l 16,0
16
182
20
1,2650
15,8
0,114
J
17
190
8
2,8942
14,1
0,0765
l 14,0
18
190
8
2,9460
13,9
0,0765
(
1,7 : 5 = 0,34
19
190
13
1,5652
15,8
0,1091
l
t 15,7
20
190
13
1,7908
15,6
0,1121
J
} 2,8 : 5 = 0,56
21
190
18
1,2852
18,3
0,143
} 18,5
22
190
18
4,1898
18,7
0,0824
23
212
4,5
2,3359
11,0
0,065
10,9
24
212
4,5
2,5234
10,8
0,056
5,7 : 3 = 1,9
25
212
7,5
2,1942
16,2
0,099
16,6
26
212
7,5
2,8837
17,0
0,089
l 5,0 : 3 = 1,6
27
212
10,5
1,9854
21,6
0,15
l
l 21,6
1
17
28
212
10,5
2,8681
21,6
0,111
Differenz der Versuchszeiten min
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In den ersten 10 min nach Beginn der Korrosionsstufe 3 betragt der
Gewichtsverlust je Blech and min im Mittel 0,93 mg. Aus der starken
Streuung der berechneten, auf die Oberflacheneinheit bezogenen Ver-
luste ist zu entnehmen, da13 die Korrosion keine Funktion der
urspriinglich vorliegenden Oberflache ist, sondern daB die absolute
Oberflaehe in unkontrollierbarer Weise and in zufalligern AusrnaB durch
Korrosion bzw. LochfraB verandert wird.
UngewiB war zunachst die Steigerung des Gewichtsverlustes
je min, die bei zunehmender Versuchsdauer eintreten muBte, infolge
der durch die Korrosion bedingten Oberflachenvergroi3erung.
Aufklarung hieriiber brachten fiber langere Zeiten ausgedehnte Ver-
suche, deren Ergebnisse in der Tafel 3 wiedergegeben sind.
Tafel 3
Auflosungsgeschwindigkeit der Uranbleche bei langen
Versuchszeiten
Temp.
?C
Versuchszeit Einwaage
min g
Verlust
mg/min
1
100
2100
3,6334
1543,1
0,735
2
100
2100
3,3078
1231,2
0,586
3
132
150
1,8458
1434,6
9,564
4
136
285
3,5568
323,4
1,131
5
145
1140
2,3938
1241,2
1,09
6
149
*1140
1,7290
1327,6
1,165
7
152
*285
2,6784
342,0
1,20
8
159
150
1,4112
233,0
1,55
9
171
*285
2,7834
290,3
1,02
10
172
150
1,6356
182,1
1,214
11
180
*150
1,7835
141,0
0,94
12
190
150
1,4592
311,2
2,075
13
201
150
1,5256
1325,6
8,837
Die rift * bezeichneten Versuche wurden vor Ablauf der angegebenen
Versuchszeit abgebrochen. Die Versuchskolbchen waren geplatzt; das
Losungsmittel war bei den hohen Temperaturen sofort verdampft. Es
muB daher angenommen werden, daB die Mr these Mille angegebenen
Werte zu tief liegen. Die iiberaus hohen Werte, die in Spalte 5 fiir die
Versuche Nr. 3 and 13 einzusetzen waren, wurden nicht in den Mittel-
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wert aufgenommen, um sicher zu gehen, daB der Mittelwert nicht zu
hoch gegriffen ist.
Der erhaltene Mittelwert von 1,155 mg/min zeigt eine einleuchtende
Erhohung gegenuber dem Anfangsverlust von 0,93 mg/min. Der Wert
von 0,93 mg/min ist sicher nicht zu hoch, wenn wir ihn beim Vergleich
mit den Uranverlusten, die bei den nachstehend beschriebenen Korro-
sionsversuchen mit Kupferionen auftraten, als Dauerverlust annehmen.
Versuchsergebnisse: In den folgenden Tafeln 4 bis 8 sind die
Ergebnisse der Korrosionsversuche mit Uran wiedergegeben, die
bei Anwesenheit von Kupferionen in der Losung durchgefuhrt
wurden. Die Versuche sind nach steigenden Temperaturen geordnet,
wobei in den Tafeln 4, 5 and 6 die Versuche aufgefuhrt sind, bei denen
die anwesende Kupferionenmenge einen Korrosionsschutz bewirkt, wo-
bei die Uranbleehe, die einen Verlust von nur 2,1 mg and darunter
erlitten haben, noch metallischen Glanz and Anlauffarben zeigten.
AnschlieBend bringt die Tafel 7 die Versuche, bei denen infolge zu
hoher Kupferkonzentration Lokalelemente wirksam waren and eine
verstarkte Korrosion des Urans zur Folge hatten. Der gleiche Effekt
wurde bei den in der Tafel 8 aufgefuhrten Versuchen bewirkt, nur
durfte dabei der Grund in der zu geringen Kupferkonzentration ge-
legen haben, die nicht ausreichte, um eine einatomare Bedeckung der
Uranoberflache mit Kupferatomen zu erzielen.
Tafel 4
Korrosionsschutz von Uran durch einatomare Bedeckung
mit Kupfer bei 100? C (Versuchsdauer: 200 Std,)
Zugegebene Cu-Menge
mg/cm3
0,6
3,2132
3,2
0,7
3,3876
3,0
0,8
3,6984
4,0
0,9
3,5146
2,8
1,0
3,3372
4,0
1,1
3,7920
3,8
1,19
4,1323
4,1
1,19
3,8654
3,2
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Zugebene Cu-Menge
mg/c m3
Einwaage
g
1,2
3,6950
21,4
1,3
3,3704
3,0
1,4
4,3262
4,4
1,6
3,8574
12,2
1,61
3,1212
3,7
1,61
3,3651
3,6
1,8
4,7526
4,4
2
5,7582
8,2
Title] 5
Korrosionsschutz von Uran durch einatomare Bedeckung
mit Kupfer bei 120? C (Versuchsdauer: 14 Std.)
Zugegebene Cu-Menge
Einwaage
Verlust
mg/cm3
g
mg
0,6
2,9758
13,6
0,68
3,2577
4,5
0,68
2,9878
6,6
0,7
3,2860
0,8
0,8
3,1256
3,6
0,9
2,1884
34,6
1
2,1902
86,0
1,09
3,3621
156,8
1,09
3,1933
121,4
1,1
2,7048
164,0
1,2
2,0002
141,4
1,3
3,0806
19,8
1,4
3, 7604
17,0
1,6
3,1946
2,2
1,8
3,7392
2,0
2
3,5922
0,8
2,5
3,1048
0,1
2,75
3,1820
0,0
2,75
3,0519
0,0
3
2,4037
0,8
3
2,4597
0,3
Declassified in Part - Sanitized Copy Approved for Release 2012/05/11: CIA-RDP80S01540R002600110005-2
 Declassified in Part - Sanitized Copy Approved for Release 2012/05/11: CIA-RDP80S01540R002600110005-2
Tafel 6
Korrosionsschutz von Uran durch einatomare Bedeckung
mit Kupfer bei 130 bis 221?C
Nr.
Temp.
? C
Versuchs-
dauer
Std.
Zugegeb.
Cu-Menge
mg/cm3
Einwaage
g
Verlust
mg
Verlust/
Oberfl.
mg/mm2
Berechn.
Verlust
ohne Cu-
Zugabe
rna
1
130
2,5
0,146
1,5530
1,2
0,00812
111,6
2
130
2
0,261
1,3100
1,8
0,011
83,7
3
130
1,25
0,287
1,0146
0,8
0,0089
41,9
4
136
2,5
0,146
2,6040
10,8
0,0487
115,2
5
137
2
0,502
2,7750
1,0
0,005
87,5
6
139
2,5
0,287
1,5646
0,8
0,00563
117,1
7
139
2,5
0,287
1,6100
1,3
0,0123
89,3
8
139
2
0,502
3,2632
8,8
0,04
89,3
9
145
2,5
0,146
3,1595
2,4
0,0131
120,9
10
145
2,5
0,146
1,3982
6,0
0,0632
120,9
11
145
4,75
0,19
1,7138
51,4
0,0524
246,5
12
145
2
0,435
2,1506
11,2
0,0656
93,0
13
147
2
0,435
1,2126
1,6
0,0104
93,9
14
147
2
0,435
1,9118
7,8
0,0444
93,9
15
149
2
0,348
0,6866
0,0
0,0000
94,8
16
150
2,5
0,146
1,8202
0,4
0,0025
123,7
17
150
4,75
0,285
2,0358
4,0
0,442
249,3
18
150
1,25
0,287
0,7958
0,8
0,0114
53,9
19
150
2
0,348
1,1848
19,0
0,134
95,8
20
151
1,5
0,146
1,3206
1,6
0,016
77,2
21
152
2,5
0,146
2,5952
6,8
0,0345
123,7
22
152
2,5
0,146
1,7152
1,4
0,0115
123,7
23
153
2
0,435
3,9220
2,0
0,848
95,8
24
154
4,75
0,19
2,6072
95,8
0,651
249,3
25
155
2,5
0,146
1,6498
1,8
0,00641
123,7
26
155
4,75
0,557
3,4834
55,4
0,0268
249,3
27
158
4,75
0,285
2,1878
55,0
0,342
251,3
28
158
2,5
0,287
2,4254
17,4
0,121
125,5
29
158
2
0,348
0,8934
0,8
0,007
97,6
30
160
2
0,261
4,5368
7,6
0,028
98,6
31
160
1,25
0,287
2,5058
1,4
0,009
56,7
32
160
2
0,502
1,3606
0,8
0,0059
98,6
33
161
2,5
0,146
2,8382
24,4
0,112
126,5
34
162
2
0,502
2,0532
12,3
0,075
98,6
Declassified in Part - Sanitized Copy Approved for Release 2012/05/11: CIA-RDP80S01540R002600110005-2
 Declassified in Part - Sanitized Copy Approved for Release 2012/05/11: CIA-RDP80S01540R002600110005-2
Nr,
Temp.
o c
Versuchs-
dauer
Std.
Zugegeb.
Cu-Menge
mg/cm3
Einwaage Verlust
g mg
Verlust/
Oberfl.
mg/mm2
Berechn.
Verlust
ohne Cu-
Zugabe
mg
35
165
2,5
0,146
2,2604
1,4
0,0103
127,3
36
165
2,5
0,146
1,3882
15,8
0,133
127,3
37
165
2
j 0,261
2,1340
19.6
0,111
99,5
38
165
1,25
0,287
2,2622
1,4
0,095
57,5
39
165
2
0,502
2,9844
24,3
0,117
99,5
40
166
2
0,435
3,1426
24,8
0,106
99,5
41
167
2,5
0,287
2,7128
12,8
0,094
127,3
42
167
2,5
0,287
2,4282
68,9
0,380
127,3+
43
167
2
0,435
2,5564
14,4
0,0763
99,5
44
168
2,5
0,146
1,9362
36,2
0,225
128,3
45
170
2,5
0,146
3,1744
21,4
0,0877
128,3
46
170
2,5
0,287
2,0874
21,8
0,179
128,3
47
170
2
0,348
0,8152
2,0
0,002
100,4
48
171
2
0,435
2,2736
10,6
0,0716
100,4
49
172
2,5
0,146
1,4516
1,2
0,0105
128,8
50
172
2
0,261
3,7894
5,0
0,0210
100,9
51
172
2,5
0,287
1,6802
43,0
0,406
128,8
52
172
2
0,348
1,3196
25,6
0,180
100,9
53
173
2
0,261
2,2828
1,0
0,0056
100,9
54
173
2
0,435
3,9854
1,4
0,0589
100,9
55
174
2,5
0,146
3,0716
19,8
0,0818
128,8
56
174
1,25
0,287
0,0606
0,2
0,0000
59,1
57
174
2
0,502
2,7560
17,9
0,0889
100,9
58
176
2,5
0,146
2,2454
11,0
0,0590
128,8
59
176
2
0,502 1
2,4400
9,8
0,055
100,9
60
177
2,5
0,287
2,0280
27,0
0,233
129,2
61
177
2,5
0,287
2,0146
58,2
0,458
129,2
62
178
2
0,261
3,8346
40,3
0,181
101,3
63
178
1,25
0,287
1,7632
8,4
0,058
59,6
64
178
2
0,502
2,5936
5,2
0,0472
101,3
65
180
2,5
0,146
1,5602
36,0
0,268
130,2
66
180
2,5
0,146
3,3286
37,6
0,158
130,2
67
180
1,25
0,287
2,4726
5,0
0,0293
60,4
68
180
2
0,435
4.4340
36,6
0,1355
102,3
69
181
2,5
0,146
1,5608
18,2
0,108
130,2
70
182
2,5
0,146
2,3490
28,6
0,156
130,2
71
182
2,5
0,146
3,4244
32,4
0,140
130,2
Declassified in Part - Sanitized Copy Approved for Release 2012/05/11: CIA-RDP80S01540R002600110005-2
 Declassified in Part - Sanitized Copy Approved for Release 2012/05/11: CIA-RDP80S01540R002600110005-2
Nr.
Temp.
? C
Versuchs-
dauer C
Std.
Zugegeb.
u-Menge
mg/cm3
Einwaage
g
Verlust
mg
Verlust/
Oberfl.
mg/mmz
Berechn.
Verlust
ohne Cu-
Zugabe
mg
72
182
2
0,435
3,3448
0,8
0,00018
102,3
73
183
2,5
0,146
1,9362
36,2
0,225
130,2
74
183
1,25
0,287
3,1554
11,0
0,053
60,9
75
183
2
0,486
0,8640
14,0
0,124
102,3
76
184
1
0,146
3,1266
14,8
0,665
45,2
77
184
2
0,502
2,8580
26,0
0,123
103,2
78
185
2,5
0,146
1,4460
16,0
0,134
131,1
79
185
2
0,435
3,9828
36,2
0,152
103,2
80
186
2,5
0,146
2,1826
36,8
0,25
131,1
81
186
1,25
0,287
2,3582
12,0
0,0722
61,4
82
186
1,25
0,287
2,0554
4,2
0,0287
61,4
83
186
2
0,348
1,6354
7,8
0,0571
103,2
84
186
2
0,348
2,7236
57,2
0,254
103,2
85
186
2
0,435
2,8668
26,8
0,117
103,2
86
186
2
0,502
3,1800
20,2
0,0858
103,2
87
186
2
0,502
3,0140
29,7
0,137
103,2
88
186
2
0,435
3,8970
36,0
0,01455
103,2
89
186
2
0,435
3,5180
34,8
0,1416
103,2
90
187
2
0,261
4,1714
5,0
0,0186
103,2
91
187
4,75
0,285
2,1914
52,6
0,342
256,5
92
188
1
0,146
2,5180
6,0
0,03
47,8
93
188
2,5
0,146
2,0316
14,4
0,1
131,8
94
188
1,25
0,287
2,1872
7,0
0,044
61,8
95
188
2
0,502
2,2760
0,2
0,00112
103,7
96
189
2
0,261
2,9294
1,6
0,00853
104,1
97
190
2,5
0,146
1,6948
36,0
0,277
132,1
98
190
1,25
0,287
1,5102
0,8
0,00715
62,3
99
190
2
0,348
3,3224
51,2
0,203
104,1+
100
190
2
0,502
2,6380
34,5
0,16
104,1
101
191
1,25
0,287
1,7926
10,4
0,084
62,3
102
191
1,25
0,287
3,0380
22,0
0,113
62,3
103
191
2
0,435
3,1826
36,0
0,168
104,1
104
192
2,5
0,146
1,3428
33,6
0,317
132,1
105
192
2
0,502
1,3888
10,2
0,0638
104,1
106
193
1
0,261
4,0844
25,0
0,0999
49,3+
107
193
1,25
0,287
3,2968
28,0
0,130
63,2
108
193
2
0,348
1,3478
29,0
0,215
105,1
Declassified in Part - Sanitized Copy Approved for Release 2012/05/11: CIA-RDP80S01540R002600110005-2
 Declassified in Part - Sanitized Copy Approved for Release 2012/05/11: CIA-RDP80S01540R002600110005-2
Nr.
Temp.
? C
Versuchs-
dauer
Std.
Zugegeb.
Cu-Menge
mg/em3
Einwaage
g
Verlust
mg
Verlust/
Oberfl.
mg/mm2
Berechn.
Verlust
ohne Cu-
Zuugabe
mg
109
195
2
0,348
1,3918
32,8
0,0219
105,1
110
196
1
0,348
1,7834
4,0
0,0225
49,3
111
197
1
0,146
3,0658
22,0
0,128
49,3
112
197
2,5
0,0287
2,0314
62,8
0,435
133,0+
113
198
2
0,261
3,4752
9,6
0,0419
106,0
114
198
2
0,348
1,3872
12,2
0,089
106,3
115
200
2,5
0,207
1,3722
84
0,83
133,0+
116
200
2
0,435
4,3250
41,4
0,1675
106,0
117
201
1
0,146
2,1004
4
0,0023
50,2
118
201
1
0,146
3,5476
12,2
0,0485
50,2
119
202
2
0,435
4,1116
19,0
0,0742
106,0
120
203
1
0,146
1,9818
11,8
0,108
50,2
121
205
0,75
0,287
1,0780
11,2
0,148
36,7
122
205
2
0,502
1,9530
0,6
0,00387
106,4
123
207
2
0,435
3,5916
24,2
0,1025
106,4
124
207
2
0,502
1,6458
14,5
0,0905
106,4
125
208
0,75
0,287
1,4722
13,8
0,128
37,2
126
208
2
0,435
3,5072
28,8
0,1125
107,0
127
209
1
0,261
4,2566
14,0
0,0515
51,2
128
209
1
0,261
4,2356
64,6
0,234
51,2+
129
210
1
0,146
2,9356
28,6
0,167
51,7
130
210
0,75
0,287
1,4746
11,0
0,095
37,7
131
211
1
0,348
1,8470
32,2
0,141
51,71-
132
211
2
0,502
2,6000
8,4
0,0254
107,4
133
212
1
0,146
2,4118
19,8
0,159
51,7
134
212
0,75
0,287
1,8766
15,0
0,125
37,7
135
214
1
0,348
1,8608
13,8
0,0775
51,7
136
216
1
0,261
4,6106
17,2
0,0670
51,7
137
217
1
0,261
4,3736
0,6
0,0022
51,7
138
221
1
0,348
2,0760 1
26,4
0,129
52,0
Die in Spalte 7 der Tafel 6 and in Spalte 6 der Tafeln 7 and 8 an-
gegebenen Verlustwerte wurden unter Zugrundelegung von 0,93 mg
Ablosung/min (ohne Schutz) berechnet, and zwar beginnend mit der
Korrosionsstufe 3 (Spalte 3 in Tafel 1). Die in Spalte 7 der Tafel 6
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mit einem Kreuz versehenen Versuche haben eine Gewichtsabnahme
gezeigt, die fiber den halben berechneten Wert (ohne Schutz) hin-
ausgeht.
Korrosion von Uran infolge zu hoher Kupferionenkonzentration
bei 141 bis 210?C
Nr.
Temp.
? C
Versuchs-
dauer
Std
Zugegeb.
Cu-Menge
mg/cm3
Einwaage
g
Verlust
mg
Berechneter
Verlust ohne
Cu-Zugabe
mg
1
141
1
3
1,9588
610,7
344+
2
141
1
3,25
3,8331
701,0
344
3
141
1
3,5
3,7892
760,9
344+
4
152
1
3
2,7983
799,0
400
5
152
1
3,25
3,7695
933,4
400
6
152
1
3,5
2,7294
1231,3
400
7
156
1
3
2,8988
763,1
409
8
156
1
3,25
2,8581
981,3
409
9
156
1
3,5
3,5366
1003,4
409
10
165
1
3
3,9652
601,8
437
11
165
1
3,25
3,7695
933,4
437
12
165
1
3,5
3,7610
1089,6
437
13
177
1
3
3,0774
810,3
456
14
177
1
3,25
3,2145
896,7
456
15
177
1
3,5
3,9276
673,5
456
16
180
1
3
2,8137
837,6
465
17
180
1
3,25
3,7977
830,6
465
18
180
1
3,5
3,7610
988,9
465
19
198
1
3
2,9491
678,5
502
20
198
1
3,25
3,3485
867,3
502
21
198
1
3,5
3,1405
976,3
502
22
210
1
3
4,1350
911,4
512
23
210
1
3,25
4,2721
910,3
512
24
210
1
3,5
3,0421
432,1
512
+ Die Versuche hatten, da die Reaktionskolbehen noch vor Ablauf 1 Std.
geplatzt waren, eine geringere Versuchsdauer als die in der 3. Spalte angegebene.
Der zu erwartende Gewichtsverlust wurde jedoch auf die Versuchsdauer von
1 Std. berechnet.
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Tafel 8
Korrosion von Uran infolge zu niedriger Kupferionenkonzentration
bei 142 bis 211?C
Nr.
Temp.
? C
Versuchs-
dauer
Std.
Zugegeb.
Cu-Menge
mg/Cm3
Einwaage
g
Verlust
mg
Berechneter
Verlust ohne
Cu-Zugabe
mg
1
142
1
0,056
1,9039 516,3
344
2
142
1
0,036
3,2330 898,9
344
3
142
1
0,027
3,3508 497,1
344
4
153
1
0,056
3,0151 681,4
400
5
153
1
0,036
2,1698 811,7
400
6
153
1
0,027
i 3,3695 705,8
400
7
157
1
0,056
3,4020 638,7
409
8
157
1
0,036
2,3409 613,6
409
9
157
1
0,027
3,2502 706,4
409
10
166
1
0,056
2,6334 497,6
437
11
166
1
0,036
2,2167 481,1
437
12
166
1
0,027
3,3468 631,2
437
13
178
1
0,056
2,8028 435,1
456
14
178
1
0,036
2,1140 700,4
456
15
178
1
0,027
3,3529 639,2
456
16
181
1
0,056
2,9513 588,1
465
17
181
1
0,036
2,4235 903,5
465
18
181
1
0,027
3,8325 801,0
465
19
199
1
0,056
2,8535 764,3
502
20
199
1
0,036
2,2151 583,7
502
21
199
1
0,027
3,4613 816,2
502
22
211
1
0,056
3,2910 977,6
512
23
211
1
0,036
2,2247 773,6
512
24
211
1
0,027
2,9571 961,0
512
Bei einer Betrachtung der in den Tafeln 4 bis 8 wiedergegebenen Ver-
suchsergebnisse ergibt sich folgendes Bild. Die bei 100? C durchgefiihrten
Versuche (Tafel 4) ergeben alle, trotz ihrer langen Versuchsdauer von
reichlich 8 Tagen, einen ausgezeichneten Korrosionsschutz. Ohne Schutz
waren bei einem Gewichtsverlust von durchschnittlich 0,92 mg/min
in 200 Std. rd. 11,0 g Uran gelost worden, wahrend der tatsachliche
Gesamtverlust bei Gegenwart von 0,6 bis 2 mg Cu/em3 Losung nur
einige Milligramm betrug. Bin sehr guter Korrosionsschutz tritt auch
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noch bei den bei 120? C durchgefiihrten Versuchen (Tafel 5) zutage,
wo den 14 Std. Versuchsdauer ohne Schutz (bei 0,92 mg/min) ein
Gewichtsverlust von rd. 0,74 g Uran entsprechen wurde and der wirk-
liche Gewichtsverlust bei Gegenwart von 2 bis 3 mg Cu unter 1 mg blieb.
Bei den Versuchen von Temperaturen fiber 130? C (Tafel 6) wurde
aus Zweckmal3igkeitsgrunden mit kiirzeren Versuchszeiten gearbeitet,
um nur orientierende Versuchsergebnisse zu erhalten. Immerhin zeigt
ein Vergleich des tatsachlich eingetretenen Verlustes (Spalte 5) mit
dem berechneten ohne Schutz eingetretenen Verlust (Spalte 7), daB
in den weitaus meisten Fallen trotz der Hohe der Versuchstempera-
turen ein beachtlicher Korrosionsschutz durch die einatomare Kupfer-
abscheidung bewirkt wird.
Bei den beschriebenen Versuchen hat sich unter anderem heraus-
gestellt, daB durch die neuverwendeten Glaser eine weitgehende Zer-
setzung des Ammoniaks, die den Korrosionsschutz stort, bewirkt wird.
Bei Wiederholung der Versuche muBte dieser Umstand durch Ver-
besserung des Korrosionsschutzes berucksichtigt werden.
Bemerkenswert ist noch, daB bei Anwesenheit von 3 mg Cu/cm3
Losung bei 120? C (Tafel 5) noch ein praktisch vollkommener Korro-
sionsschutz zu beobachten war, wahrend bei der gleichen Cu-Konzen-
tration bei 141 bis 210? bereits eine erhebliche Korrosion eingetreten
war. Auch these Erscheinung durfte mit der durch hohere Temperatur
begunstigten Zersetzung des Ammoniaks an frischen Glaswanden in Zu-
sammenhang zu bringen sein; es ist anzunehmen, daB die eine Lokal-
elementwirkung noch nicht gestattenden Hochstmengen von Kupfer
mit sinkender Ammoniakkonzentration ebenfalls kleiner werden.
Bei alien beschriebenen and bei Gegenwart von Kupferionen durch-
gefuhrten Versuchen, bei denen der Korrosionsschutz infolge Lokal-
elernentwirkung ausblieb, trat infolge der Cu-Ausseheidung eine an-
fanglich langsame Entfarbung der blauen Kupfertetraminlosung
ein. Dabei fiihrt die Cu-Ausscheidung bei hohen Cu-Konzentrationen
schlieBlich zu kleinen Cu-Kristalliten, die im auffallenden Licht glanzen.
Versuche, die Verarmung der Losung an Kupfer durch Miteinsehmelzen
von metallischem Kupfer (unter Vermeidung jeglicher Beruhrung mit
dem Uran) zuruckzuhalten, fiihrten nicht zurn Ziel: Es erfolgte trotzdern
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in alien Fallen Entfarbung der Losungen. Daraufhin wurden die blauen
Tetraminlosungen ohne Uranbleche in die Glaskolbchen eingeschniolzen
and erhitzt. Es trat, obwohl also Uran in diesen Fallen abwesend war,
gleichfalls Entfarbung der Losungen ein. In der Folge zeigte rich, daB
die Zersetzung der Tetraminlosungen im wesentlichen durch die Be-
riihrung mit der Glasoberflache der verwendeten Kolbchen bewirkt
wurde, insbesondere bei Verwendung frischer, noch unbeniitzter Glas-
oberflachen. Am geringsten war die Zersetzung der Ammoniaklosungen
bei Verwendung von Thuringer Hartglas, nachdem dieses mit einer
Ammoniaklosung ohne Kupferionen bereits mindestens eininal erhitzt
worden war.
Die Ammoniakkonzentrationen in den einzelnen Kolbchen waren nur
gr6l3enordnungsrnal3ig die gleichen, da beim Zuschmelzen der kleinen
GefaBe, 1 em oberhalb der Fliissigkeitsoberflache, imruer etwas wech-
selnde Mengen an Ammoniak durch Verfluchtigung verlorengingen.
Eine Wiederholung der Versuche mit langen Kolbchen, die unter gleich-
zeitiger starker Kiihlung zugeschmolzen wurden, zeigte keine Anderung
der Versuchsergebnisse. SchlieBlich wurden auch bei Aussehaltung von
Luftsauerstoff durch Fullung der GefaBe mit Stickstoff unterschied-
liche Ergebnisse erzielt.
Zusammenfassung
Das Ergebnis dieser Arbeit ist der Befund, daB bei Uran durch die
einatomare Bedeckung mit Kupferatomen auch noch bei hoheren Tempe-
raturen (bis 220? C) ein guter Korrosionsschutz moglich ist.
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METALLURGIE UND GIESSEREITECHNIK
informiert Sie uber Fragen der Aufbereitung and Verhut-
tung von Erzen sowohl fur die Erzeugung von Eisen and
Stahl als auch fur samtliche Nichteisen-Metalle. Sie widmet
sich ferner u. a. dem Erfahrungsaustausch zwischen
Arbeiterschaft and technischer Intelligenz, der Qualifi-
zierung von Arbeitskraften and der Forderung des Nach-
wuchses auf dem metallurgischen Gebiet
Herausgeber: ]Kammer der Technik
Erscheinungsweise:
Monatlich einmal im Lmfang von 32 Seiten and 4 Seiten Referatkartei
Bezugspreis: 4.80 DM viertel,jahrlich
Bestellungen nehmen alle Postanstalten and Buchhandlungen entgegen
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METALLKUNDLICHE BERICHTE
Diese wissenschaftlichen Berichte erscheinen in Einzelbanden. Jeder Band
(Format DIN A 5) ist kartoniert and einzeln beziehbar.
Fur die Sammlung stehen praktische Buchkassetten in Ganzleinen zum
Preise von DM 2.- zur Verfiigung.
Die Reihe unt fait zundchst folgende Bdnde:
1. Mikroskopische KorngroBenmessung
von Dr.-Ing. Muller, Berlin . . . . . . . . . . . . . . . DM 2.50
2. Eine neue Atzung auf die Zementit- and Austenit-Phase, insbeson-
dere auf ihre Ausscheidungen im Hartegefuge
von H. Klemm, Freiberg . . . . . . . . . . . . . . . . DM 2.-
3. t'ber das plastische Verhalten der Metalle bei tiefer Temperatur
von H. to Gude, Hamburg . . . . . . . . . . . . . . . DM 2.--
4. Vber einatomare Deckschichten auf Uranmetall bei Temperaturen
bis 2200 C
von 0. Erbacher u. M. Ebert, Taifingen . . . . . . . . . DDI 2.-
5. Natriumthiosulfatlosung, ein neues Atzmittel zum Nachweis der
Phosphorverteilung
von H. Klemm, Freiberg . . . . . . . . . . . . . . . . DM 2.--
6. Rohrlieizkorper als Bauelemente fur Metallschmelzeinrichtunven
von Ob.-Ing. I. F. Kesper, Offenbach . . . . . . . . .
. DM 2.--
7. Die spektrochemische Stahluntersuchung
von 0. Niezoldi, Berlin . . . . . . . . . . . . . . . .
. DM 2.-
8. Versuche zur Verwertung serpentinischer Gesteine fdr die Nickel-
gewinnung
von R. M. Muller, Leoben . . . . . . . . . . . . . . . DM 2.S0
9. Beitrag zur Priifung der Bindung von VerbundguBteilen, insbeson-
dere von VerbundguBlagern
von Ob.-Ing. 0. H. Hummel, Frankfurt a. M . . . . . . . . DM 2.-
10. tlber ein neues Gerat zur Herstellung von VerbundguBlagern mit
niedrig schmelzenden AusguBmetallen
von Ob.-Ing. 0. H. Hummel, Frankfurt a. M. . . . . . . . DM 2.-
11. Ein neues PrazisionsgieBverfahren
von Dr. E. W. Pleines, Braunschweig . . . . . . . .
. . DM 2.80
12. ttber die Hartbarkeit von Borstahlen
von Ob.-Ing. W. Kohler, Berlin
Borierung von Eisen aus der Gasphase
von Dr.-Ing. Eipeltauer . . . . . . . . . . . . . .
. . Dill 2.80
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13. Die wirtschaftliche Gemenge- and Forderkontrolle in derMetallurgie.
Die pneumatische Forderung in der Hiitten- and GieBereiindustrie
von Ob.-Ing. Kesper, Offenbach . . . . . . . . . . . . . DM 2.80
14. Die rontgenographische Mengenanalyse and die Erkennbarkeit von
Gemischen kristalliner Stoffe im Rontgen-Fein-Struktur-Diagramm
von Prof. Dr. IF. Lihl, Wien . . . . . . . . . . . . . .
. DM 2.80
15. Entwicklung, Stand and Zukunft des Guleisens
von R. Roll, Duisburg . . . . . . . . . . . . . . . .
. DM 2.80
16. Die Beeinflussung der elektrischen Leitfahigkeit sehr thinner Metall-
drahte durch das umgebende Medium
von Prof. Dr. G. F. Hiittig, Graz . . . . . . . . . . .
. DM 2.-
17. Druckguflgerechtes Gestalten
von Dr. E. W. Pleines, Braunschweig . . . . . . . . .
. DM 2.80
18. Die Gefiige des Eisen-Kohlenstoff-Systems
von H. Klemm, Freiberg . . . . . . . . . . . . . . .
. DM 3.60
19. Das Verhalten verschiedener Stahle bei Flussigkeitsschlagbeanspru-
chung infolge O1-Kavitation
von M. Vater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DM 2.80
20. Die Struktur von mit Ruckzug gezogenem Kupferdraht
von G. Ohlrich, Hamburg . . . . . . . . . . . . . . . DM 2.-
21. Technik and Chemie der metallographischen Gefugeentwicklung
von H. Klemm, Freiberg . . . . . . . . . . . . . . . . DM 3.60
22. Uber die Bildung von Ferro- Silizium- Schutzschichten auf Eisen
von Dr. E. Fitzer - Prof. M. Niesner . . . . . . . . . . . DM 2.-
23. Die Wasserstoffbestimmung in Magnesiumlegierungen, ein Beitrag
zur Frage der Keimbildung bei ihrer Erstarrung
von Dr. Walter Mannchen, Dessau . . . . . . . . . . . . DM 2.--
24. Wolframkarbidfreie Hartmetalle
von Dr. R. Kieffer - Dr. F. Kolbl, Reutte/Tirol . . . . . . DM 2.-
25. Verfahren zur Messung der magnetischen Eigenschaften von Eisen-
kernen bei kleinen Feldstarken mit Wechselstrom
von W. Holleufer, Berlin . . . . . . . . . . . . . . . DM 2.-
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ELEKTROMETALLURGIE DER WASSRIGEN LOSUNGEN
(BERECHNUNGEN)
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IIpoc. B. P. APEEHKOB
H xaHR. TexH. Hayti ICI. A. KAKOBCKI411
9JI E RTP O M ETAJIJIYPI'HH
BOZ(HLIX PACTBOPOB
(PACLIETbI)
I' OCY)JAPCTBEHHOE
HAYT3HO-TEXHHgECHOE H3z[ATEJIbCTBO
JIHTEPATYPbI IIO iIEPHOIT H IIBETHOLI METAJIJIYPFHH
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PROF. W. G. AGEJENKOW
KAND. D. TECHN. WISS. I. A. KAKOWSKI
ELEKTROMETALLURGIE
DER WASSRIGEN LOSUNGEN
(BERECHNUNGEN)
9
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Das Budi ist ein systematisdier Leitfaden fur die Berechnungen der
waf3rigen Lt sungen der Buntmetallsalze in der Elektrometallurgie,
zusammengestellt auf der Grundlage des modernen Standes der
Elektrodlemie.
Es ist fur die Studenten der tedinischen Hodisdiulen, fur die Inge-
nieure and Techniker in den Projektierungs- and Forschungsinsti-
tuten sowie fur die Betriebe der Buntmetallurgie bestimmt.
Verantwortlicher Lektor; Hans Rodner
Verantwortlicher Verlagsredakteur; Gerhard Schulz
Alle Rechte vorbehalten
Copyright 1952 Verlag Technik GmbH, Berlin NW 7. Lizenz Nr. 2o1
Dg. Nr. 370/189/52 Deutsche Demokratische Republik
Satz and Druck: Philipp Reclam jun. Leipzig
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Der Minister fur Eisenmetallurgie in der Regicrung der UdSSR, Tewossjan, be-
zeichnete auf dem XIX. Parteitag der Kommunistischen Partei der Sowjetunion als
eine auf3erordentlich widttige Aufgabe die breite Anwendung der Elektrolyse in der
Huttenindustrie. Diese Forderung trifft vollinhaltlidi auch auf die metallurgisd e
Industrie der Deutschen Demokratisdien Republik zu, weil die elektrolytisdien Ver-
fahren geeignet sind, die Ausbeute and Qualitat unserer Produktion zu steigern.
Aul3erdem ist es notwendig, side die Erfahrungen der sowjetischen Neuerer zunutze zu
machen and auf breiter Basis zu verwerten.
Deshalb ubergibt der Verlag Tedmik den deutsdien Metallurgen das vorliegende
Buch, das auf eine in Deutschland nicht allgemein geubte Art die Theorie mit der
Praxis verbindet. Die Verfasser erlautern in knapper Form die chemisdi-physikalischen
Prozesse der Elektrometallurgie and ersparen unseren Lesern die Ableitung der For-
meln. Der gro13e Vorteil der Darstellungsweise besteht jedodi darin, dai3 in auger-
ordentlidh zahlreidten Beispielen die wissenschaftlidien Erkenntnisse dargelegt werden.
Einzelne fur uns besonders wichtige Prozesse der elektrolytischen Gewinnung von
Buntmetallen werden zusammen mit der Darlegung and wissensdhaftlidhen Begrundung
neuer Arbeitsmethoden von Stadianowarbeitern auf ihre Wirtsdhaftlidhkeit uberpruft.
Damit ist unserer Buntmetallurgie die Moglichkeit geboten, Selbstkosten zu senken
and das Prinzip der wirtschaftlichen Redinungsfuhrung einzufuhren.
Der Verlag ist uberzeugt, daf3 die hier gebotenen reichen sowjetisdien Erfahrungen
auf dem Gebiet der Elektrometallurgie dazu beitragen werden, in unserer metallur-
gisdien Industrie die Arbeitsproduktivitat zu steigern. So moge das Werk mithelfen,
die okonomisdhen Grundlagen fur den Aufbau des Sozialismus in der Deutsdhen Demo-
kratisdien Republik zu schaffen.
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Mit der Vergr6f3erung des Anteils der elektrolytischen Prozesse in unserer Bunt-
metallurgie erhohen sich auch die Anforderungen in bezug auf die Ausbildung des
technischen Personals fur die Arbeit in den Abteilungen der Elektrolyse, da ohne
eingehende, vertiefte Kenntnisse in den Fragen der Elektrometallurgie die Ausfiih-
rung der Prozesse der Elektrolyse sehr schwierig ist. Eines der Mittel zur Ver-
breiterung der erwahnten Kenntnisse bei den Studenten sind die Ubungen in
den Berechnungen der Elektrolyse. Es ist ganz verstandlich, daf3 man den Anfangern
Beispiele von Berechnungen angeben mug, unter deren Benutzung sie allmahlidi das
Fach mit einer genugenden Gr{ ndlidikeit erlernen konnen. Derartige Beispiele be-
finden side teilweise in den verschiedenen Leitfaden der Elektrometallurgie, aber
ihre Benutzung ist Behr ersdiwert infolge der Zerstreutheit and der verschiedenen
Art der Darstellung.
Der Extrakt dieses Buches ist ein systematischer Leitfaden fur die Elektrometall-
urgie mit Berechnungsbeispielen, die in der benotigten Reihenfolge verteilt sind -
beginnend von den einfachsten elektrochemischen Beredhnungen bis zu den kotnpli-
ziertesten betrieblidien Berechnungen. Bei den letzteren hielten wir es fur ausrei-
chend, nur die Beispiele der Berechnungen bei der Elektrolyse der drei wichtigsten
Metalle: Kupfer, Zink and Blei einzusdiliegen. An Hand dieser Beispiele ist es nicht
sdiwer, zur Berechnung der Elektrolyse der ubrigen Metalle uberzugehen. Alle Bei-
spiele sind von uns ganz neu aufgestellt. Die Auswahl der Beispiele ist in Oberein-
stimmung mit der Notwendigkeit der Illustrierung derjenigen Prozesse, die zu der
Elektrometallurgie der waBrigen Losungen gehoren and den modernen Kenntnissen
in der Elektrochemie entsprechen, getroffen worden.
Der vorliegende Leitfaden wird nidit nur fur die Studenten von Nutzen sein,
sondern audi fur die Betriebsingenieure. Alle Hinweise auf die Mangel des vor-
liegenden Buches werden die Verfasser mit Dank entgegennehmen.
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1. Anwendung der Gesetze der Elektrothemie in technischen Berechnungen ... 11
1. Elektrische Einheiten ............................. 11
2. Grundgesetze der Elektrochemie ................ ....... 14
3. Kathodische Stromausbeute (Stromausntitzung) .............. 22
11. Elektrische Leit f ihigkeit ............................. 25
4. Elektrische Leitfahigkeit verschiedener Leiter ................ 25
5. Berechnung der Stromschienen and Leiter ........... ....... 28
6. Elektrisdte Leitfahigkeit w96riger Losungen ................ 37
7. Bestimmung des Widerstandes des Elektrolyten nach der Methode von
Skowronski .................................. 42
111. Theoretische Grundlagen des Elektrolyseprozesses ............... 51
8. Normales Potential ...................... ........ 51
9. Elektrolytische Polarisation ......................... 56
10. Zersetzungsspannung and Cberspannung .......... ........ 62
11. Energieausbeute ........................ ........ 78
IV. Berechnung der technischen Elektrolyseprozesse ................. 83
12. Einleitung ...................... ............. 83
13. Elektroraffinierung von Kupfer ............... ........ 85
14. Elektroraffinierung von Blei ..... ............. ........ 121
V. Elektrische Erzaufbereitung ........................... 129
15. Elektrolytische Abscheidung von Zink ........... ........ 129
16. Elektrolytische Gewinnung von Kupfer ................... 155
Anlagen ...................... ................... 165
Literaturverzeidinis ...................... ..... ....... 168
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1. Anwendung der Gesetze
der Elektrochemie in technischen Berechnungen
Stromstdrke
Als die Einheit der Stromstarke wird das Ampere (A) verwendet. Die Me-
thode des Messens der Stromstarke and des Bestimmens ihrer Einheit ist auf
den Erscheinungen der Elektrolyse'begriindet. Das internationale Ampere ist
jene Stromstarke, die in einer Sekunde aus einer Silbernitratlosung 0,001118 g
Silber ausscheidet, and zwar in einem Spezialgerat, das man Coulombmeter oder
Voltameters) nennt.
Elektrizitatsmenge
Als die Einheit der Elektrizitatsmenge wird das Coulomb verwendet. Das In-
ternationale Coulomb ist diejenige Elektrizitatsmenge, die vom Strom mit der
Starke von 1 Ampere in einer Sekunde ubertragen wird.
Widerstand
Die Einheit des elektrischen Widerstandes ist das Ohm. Das internationale
Ohm ist der Widerstand einer 106,3 cm langen Quecksilbersaule von 1 mm2
Querschnitt bei 0' C and einem Gewidlt von 14,4521 g.
Elektromotorische Krafl
Als die Einheit der elektromotorischen Kraft gilt das Volt (V). Das Inter-
nationale Volt ist diejenige Differenz der Potentiale, die in einem Leiter von
I Ohm Widerstand einen Strom von der Starke eines Amperes hervorruft.
Aus dem Gesagten folgt, daft das Ampere and das Ohm als die Hauptein-
heiten erscheinen and das Volt eine Funktion dieser Haupteinheiten ist.
Elektriscbe Energie
Die Einheit der elektrischen Energie ist das joule oder das Volt-Coulomb. Ein
Joule ist diejenige Energie, die beim Durchgang der Elektrizitatsmenge von
einem Coulomb durch den Leiter bei der elektromotorisdlen Kraft von einem
Volt iibertragen wird. Ein internationales joule ist 1,00032 107 erg oder 0,2390
Kalorien equivalent. Die Dimension eines joule ist die Dimension der Arbeit.
Leistung
Die Einheit der Leistung ist das Watt. Ein Watt ist die standige Leistung
eines elektrischen Stromes von der Starke eines Amperes bei der elektromotori-
schen Kraft (Spannung) von einem Volt. Eine Watt-Sekunde ist einem joule
') Dieses Ger$t darf man nicht mit dem Voltmeter verwecbseln, das ein Ger$t zum Messen der Poten-
tialdifferenz oder der Voltzahl ist.
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12 1. Anwendung der Gesetze der Elektrochemie in technischen Berechnungen
gleich, da die Leistung, multipliziert mit der Zeit, die Arbeit darstellt oder,.
umgekehrt, die Arbeit in der Zeiteinheit die Leistung ist.
Die obenerwahnten internationalen Einheiten sind fur die Laborpraxis and
fur die theoretisdien Berechnungen bequem. In der Tedinik werden folgende-
groBen Einheiten benutzt:
Einheit der Elektrizitatsmenge: 1 Ampere-Stunde = 3600 Coulomb, 1 Farad =
96500 Coulomb = 26,8 Ampere-Stunden;
Einheiten der Leistung: 1 Kilowatt (kW) = 1000 Watt = 1,359 Pferde-
starken, 1 Pferdestarke = 0,736 Kilowatt;
Einheiten der elektrischen Energie: 1 Kilowattstunde (kWh) = 3,6. 100 Joule
(J) = 1,359 Pferdestarken-Stunden (PS/h).
Man mug den Unterschied zwischen den Grundbegriffen: Menge der Elek-
trizitat, Menge der elektrischen Energie and Leistung streng untersdieiden and
fest im Auge behaken. Die Einheiten far die Messung dieser GroBen haben
ganz versdziedene Dimensionen: ist die Einheit der Elektrizitatsmenge (ein
Coulomb, eine Amperestunde, ein Farad) von der Dimension2)
and die Einheit der Menge der elektrisdien Energie (ein joule oder eine Kilo-
wattstunde) istL$MT-a dagegen ist die Einheit der Leistung (ein Watt oder ein
Kilowatt) von der Dimension PMT-'.
In den unten angegebenen Beispielen wird der Untersdiied zwisdien den,
Grundbegriffen unterstridien and das Anwendungsgebiet jeder Einheit an-
gegeben.
Beispiel 1: Ein Laborofen.verbraudit 13 A. Die Voltzahl in der Kraftleirtung
betragt 110 V. Der Ofen arbeitete 10 Stunden. Welche Energiemenge ist vom..
Ofen verbraudit worden?
Losung: Die Stunden redmen wir in Sekunden um:
10.60.60 = 36000 s.
Der Ofen verbrauditealso U = IVh = 13.110.36000 = 5,148.10' Joule-
5,148. 10' 3,6 ? 108 = 14,3 kWh.
Die Losung konnen wirraudi auf anderesn Wege erhalten, wenn wir be--
denken, dal ein Watt einem Volt-Ampere and ein Kilowatt 1000 Watt gleich
sind. Das Produkt der Voltzahl and der Amperezahl sowie der Stundenzahl.
geteilt durch 1000 ergibt sofort die Menge der verbrauchten Energie in Kilo-
wattstunden:
U_I?V?h_ 13-110. 1000 10
lo00 =14,3 kWh.
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Beispiel 2: Wir bestimmen die Elektrizitatsmenge, die entsprechend der vor-
hergehenden Aufgabe durch den Ofen geflossen ist.
Losung: Die durch den Ofen geflossene Elektrizitatsmenge kann man ent-
weder in Coulomb (Ampere-Sekunden), in Ampere-Stunden oder in Farad
ausdrucken.
Durch den Ofen war geflossen:
Q= 13.10.3600=4,68.10?C
13.10 130 =
4,85 F
26,80 = 2680
4 , 6 8 -1 0b 96 500 = 4,85 F.
Beispiel 3: Es mug die elektrische Leistung desselben Ofens was auch in den
vorhergehenden Beispielen bestimmt werden.
Losung: Die Leistung des Ofens kann man entweder in Watt oder in Kilo-
watt ausdrucken:
N = El = 110. 13 = 1430 W = 1 430 = 1,43 kW.
1000
Beispiel 4: Durch das Bad fur die Elektrolyse von Zink flieLit ein Strom von
der Starke 9000 A. Der Spannungsabfall iris Bad betragt 3,5 V. Es sollen die
Elektrizitatsmenge, die das Bad in 24 Stunden durchflieLit, die Menge der elek-
trischen Energie, die vom Bad in 24 Stunden verbraucht wird, and die elek-
trische Leistung des Bades bestimmt werden.
Losung: Die Elektrizitatsmenge betragt:
9000. 24 = 2,16. 105Ah = 2,16 ? 105.3600
= 7,776 108 C = 2,16. 106 _ 7,776.108
26,80 96500
= 8,06 ?103 F.
Die Menge der elektrisdien Energise betragt:
U= 9000 ?3,5 ? 24.3600 = 2,72 ? 109 Ws
2,72 108 = 756 kWh,
3,6
oder U 9000 1- 3,5 000 ' 24 = 756 kWh.
Die Leistung des Bades ist:
W= 9000 .3,5 = 3,15 . 104 W = 3,15 104 = 31,5 kW.
1000
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14 1. Anwendung der Gesetze der Elektrochemie in technischen Berechnungen
Das Ohmsche Gesetz
Nach dem Ohmschen Gesetz ist die Starke des elektrischen Stromes (1) der
Potentialdifferenz an den Enden des Leiters (E) oder der elektromotorischen
Kraft, die einen Strom von der Starke
I=aE. (1)
erzeugt, proportional. Der Proportionalitatskoeffizient a in der Formel (1)
gibt die elektrische Leitfahigkeit des gegebenen Werkstoffes (Leiters) an. Ge-
wohnlich wird der reziproke Wert der elektrisdien Leitfahigkeit (der Wider-
stand) verwendet:
R=
(2)
Dann kann das Ohmsdie Gesetz durch folgende Formeln ausgedrUckt wer-
den:
I= R;
(3)
E=IR;
(4)
R=I.
(5)
In Worten ausgedruckt heif3t es z. B.: Die Stromstarke ist gleich der Quotien-
ten aus Spannung and Widerstand usw.
In diesen Formeln ist I in Ampere, E in Volt and R in Ohm ausgedruckt.
Das Ohmsdie Gesetz ist in gleidier Weise bei festen Leitern wie bei Losungen
von Elektrolyten anwendbar. Bei der Anwendung des Ohmsdien Gesetzes kann
man den Spannungsabfall in einem Absdulitt des Stromkreises, der dem Wider-
stand dieses Abschnitts multipliziert mit der Stromstarke im Stromkreis gleidi
ist, bestimmen, and zwar
V2 - Vi = IR. (6)
Beispiel 5: Die Netzspannung ist 100 V. In den Stromkreis ist eine Glah-
lampe mit dem Widerstand von 220 9 eingeschaltet. Es sollen die Strom-
starke, die durdi die Gluhlampe flief3t, and ihre Leistung bestimmt werden.
Losung: Aus der Formel (3):
E 110
220 = 0,5 A.
I R
Die Leistung der Glahlampe betragt:
N=E1=110.0,5=55W
Beispiel 6: Durch ein Bad far die Elektrolyse von Zink flief3t ein Strom von
11000 A. Der Spannungsabfall im Bad betragt 3,45 V. Es ist der Widerstand
des Bades zu bestimmen.
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Losung: Aus der Formel (5) erhalten wir:
E 3,45
= 11000 = 0,000314 D
R = I
Beispiel 7: In den Stromkreis ist ein Regelwiderstand von 8 dd eingeschaltet.
Der Strommesser zeigt 10 A. Es soil der Spannungsabfall am Regelwiderstand
bestimmt werden.
Losung: Aus der Formel (6) erhalten wir:
V2 - V1 = IR = 10.8 ='80 V.
Beispiel 8: Durch ein Bad fur die elektrolytisdie Raffinierung von Kupfer
flielh ein Strom von der Starke 10000 A. Der Widerstand des Bades betragt
0,00003 9. Es soil der Spannungsabfall im Bad bestimmt werden.
Losung: V2 - Vi = IR = 10000 = 0,3 V.
Parallel- and Reihenschaltung der Widerstande
Als Reihenschaltung bezeidmet man eine soldie Verbindung von Wider-
standen, in der das Ende eines Widerstandes mit dem Anfang des zweiten and
das Ende des zweiten mit dem Anfang des dritten nisw. verbunden ist. Bei einer
Reihenschaltung betragt der Gesamtwiderstand des Stromkreises die Summe der
Widerstande der einzelnen Elemente des Stromkreises, and der Gesamt-
spannungsabfall setzt side aus den Spannungsabfallen in den einzelnen Absduiit-
ten des Stromkreises zusammen; die Stromstarke ist in alien Elementen des
Stromkreises die gleiche:
R= r. +r2+r3.+.'+.rn; (7)
E = ei -I- e2 -f- to + ? ? + en (8)
Im besonderen Fall, beim Einschalten von gleichen Widerstanden, konnen
die Formeln (7) and (8) wie folgt gesdirieben werden:
R = nr; (9)
E = ne, (10)
wo R der Gesamtwiderstand des Stromkreises,
r der Widerstand des einen Elementes des Stromkreises,
n die Anzahl der Elemente,
E der Spannungsabfall im gesamten Stromkreis,
e der Spannungsabfall in einem Element des Stromkreises
ist.
Bei einer Paralleischaitung der Widerstande, d. h. wenn der Anfang samt-
licher Widerstande von einem Punkt ausgeht and die Enden samtlicher Wider-
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16 1. Anwendung der Gesetze der Elektrochemie in technischen Berecbnungen
stande in einem anderen Punkt zusammengefuhrt werden, hangt die Strom-
starke in den einzelnen Abzweigungen des Stromkreises (i) von den Wider-
standen dieser Abzweigungen ab, and die Stromstarke im nicht verzweigten
Teil des Stromkreises ist der Summe der Stromstarken, die alle Abzweigungen
durdifliegen, gleich. Im besonderen Fall, bei einer Paralle1schaltung von n glei-
chen Widerstanden, wird die Stromstarke betragen:
1 = ni. (11)
Der Spannungsabfall des gesamten Stromkreises bei einer Parallelsdialtung
von n gleichen Widerstanden ist dem Spannungsabfall in einer Abzweigung
des Stromkreises gleich. Der Widerstand des Stromkreises, der aus mehreren
parallelgeschalteten Widerstanden besteht, ist immer kleiner als der Wider-
stand der einzelnen Elemente. Es ist einfacher, die elektrische Leitfahigkeit zu
benutzen. Die Leitf ahigkeit des Stromkreises ist der Summe der Leitf ihigkeit
der einzelnen Elemente gleidi:
ao=al+a2+a3+...+a,,, (12)
and bei einer Parallelschaltung von n gleidien Widerstanden erhalten wir:
ao=na (13)
g=' (14)
wo R der Gesamtwiderstand der Gruppe aus n gleichen parallelgeschalteten
Widerstanden,
r der Widerstand der einen Abzweigung
ist.
Beispiel 9: Der Spannungsabfall in einem Bad zur elektrolytischen Raffi-
nierung von Kupfer betragt 0,27 V. Die Zahl der in Reihe gesdialteten Bader
betragt 367. Es mug die notwendige Spannung des Gleidistromgenerators be-
stimmt werden.
Losung: Nach der Formel (10) erhalten wir:
E=ne=367.0,27=99V.
Beispiel 10: In einem Werk fur elektrolytische Gewinnung von Zink befindet
side ein Quecksilbergleidirichter, der den Gleichstrom mit einer Spannung von
525 V liefert. Der Spannungsabfall in jedem Bad betragt 3,5 V. Wieviel Bader
kann man an diesen Gleidiriditer in Reihensdlaltung ansdilief3en?
Losung: Aus der Formel (10) erhalten wir:
E = ne;
fins
n - e - 3-s -150 Bader.
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Beispiel 11: Der Widerstand jedes Bades fur die Elektrolyse von Zink be-
tragt 0,00035 D. Es sand 150 Bader in Reihe gesdialtet. Wie grog ist der
Gesamtwiderstand der ganzen Serie von Badern?
Losung: Aus der Formel (9) folgt:
R = nr = 150 = 0,0525 D.
Beispiel 12: Durch ein Bad fur die elektrolytisdie Raffinierung von Kupfer
flief3t ein Strom in der Starke von 7772 A. Das Bad hat 28 parallelgeschaltete
Kathoden. Mit welcher Stromstarke flie9t der Strom durch jede Kathode?
Losung: Aus der Formel (11) folgt:
I = ni;
n = 282 = 277,5 A.
Beispiel 13: In einem Bad fur elektrolytisdie Raffinierung von Kupfer wird
der Strom durch 30 parallelgeschaltete Kathodenstangen zugefiihrt. Der Wider-
stand jeder Stange betragt 0,000065 Ohm. Es ist der Widerstand samtlicher
30 parallelgesdialteter Stangen zu bestimmen.
Losung: Aus der Formel (14) folgt:
R _ n _ 0,000065 = 0,00000217 D. 3-0
Beispiel 14: In einem Werk befinden sich zwei parallelgeschaltete Quecksilber-
gleidiridrter. Jeder Gleichrichter liefert den Gleidistrom mit einerSpannung von
540 V and in einer Starke von 4500 A.
Wie grog ist die Starke des Stromes, der die zum Werk fiihrendenSdrienen
durchflief3t?
Losung: Aus der Formel (11) folgt:
I=ni=2.4500=9000A,
E=e=540V.
Das Joulesahe Gesetz
Das Joulesche Gesetz besagt, daf3 die Warmemenge (in Kalorien), die beim
Durdiflief3en eines Stromes durdi einen Leiter erzeugt wird, dem Quadrat der
Stromstarke (1E) dem Widerstand des Leiters (R) and der Zeit (t) des Durch-
flief3ens des Stromes (in Sekunden) proportional ist:
Q = 0,2391E Rt. (15)
Ersetzen wir die Gr6f3e IR in der Formel (15) durdi den Wert E, erhalten wir:
Q = 0,239 EIt, (16)
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18 1. Anwendung der Gesetze der Elektrochemie in techniscben Bercdnungen
und a statt 1:
aus der Formel (16) erhalten wir lurch Einsatz von R
Q = 0,239 RE t.
(17)
Beispiel 15: Durch einen Leiter mit einem Widerstand von 8 Ohm fliefit ein
Strom in der Starke von 10 A. Es soil die in einer Stunde ausgeschiedene Warme-
menge bestimmt werden.
Losung: Aus der Formel (15) folgt:
Q = 0,239 IERt = 0,239.10E ? 8.3600 = 688000 cat = 688 kcal.
Beispiel 16: Durdi ein Bad fur die elektrolytische Raffinierung von Kupfer
flief3t ein Strom in der Starke von 9790 A. Der voile Widerstand des Elektro-
lyten and des Schlamms im Bad betragt 0, 000015 Ohm. Wieviel Werme mug
man der Wanne zufiihren, wenn sie an die Atmosphere in einer Stunde 4700 kcal
verliert, damit die Temperatur im Bad nicht abfallen kann?
Losung: Aus der Formel (15) folgt:
Q = 0,239.9790E ? 0,000015 = 1,24.10? cat = 1240 kcal.
QZUS = 4700 - 1240 = 3460 kcal/h.
Beispiel 17: Der Widerstand des Elektrolyten, des Schlamms and der Elektro-
den im Bad fur die Elektrolyse von Zink ruft einen Spannungsabfall in Hohe
von 0,82 V bei einer Stromsterke in der Wanne von 1000 A hervor. Es sollen
dabei die in einer Stunde ausgesdiiedene Wermemenge and ihre Bilanz bestimmt
werden, wenn das Bad 3100 kcal/h verliert.
Losung: Aus der Formal (16) folgt:
Q = 0,239 Elt = 0,239 = 706.106 cat = 7060 kcal/h.
Das Bad verliert 3100 kcal/h, folglich muff man aus dem Bad je Stunde eine
Warmemenge von: Q;;b = 7060 - 3100 = 3960 kcal abfiihren.
Beispiel 18: Um 0,751 Wasser von 14 ? his auf 70 ? C zu erwarmen, ist in das
Wasser ein Widerstand R = 19,6 Ohm eingetaudrt. Es sollen die notwendige
Stromsterke and die Spannung bestimmt warden, wenn das Wasser bis auf die
erforderlidie Temperatur innerhalb von 5 Minuten erwarmt werden soil and
der Warmeverlust bei der Erwarmung 206/o betragt. Auflerdem mussen die
Selbstkosten der Erwarmung von 11 Wasser bis auf die verlangte Temperatur
bei einem Preis fur 1 kWh von 20 Kop. bestimmt werden.
Losung: Die Erhohung der Temperatur betragt: t = tz - ti = 70 - 14 =
56k C. Fur die Erwarmung von 750 g Wasser um 56? C muff man folgende
Warmemenge zufuhren:
Q1= 750.56 = 42000 cat = 42 kcal.
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(In diesem Beispiel vernachlassigen wir die Anderung der Warmekapazitat des
Wassers bei einer Temperaturerhohung and nehmen zwecks Vereinfadiung der
Beredinung an, dal fur die Erwarmung von 1 g Wasser um 1 ? C tine Kalorie
erforderlich ist.)
Da die Warmeverluste durch Ausstrahlung, Erwarmung der Gef allwande usw.,
wie angegeben, 20?/a betragen, ist die erforderliche Warmemenge:
Q = 8 = 420080 = 52500 cal.
Aus der Formel (15):
0,23914Rt
finden wir:
52500 =61A
I= I/ -Q =
0,239 Rt V 0,239.1 9,6.60,5
V
Die fur die Erzeugung eines Stromes in einer soldien Starke notwendige Span-
nung berechnen wir aus der Formel (4):
E=1R=6,1.19,6= 119,6.,: 120 V.
Der Energieverbrauch fur die Erwarmung von 1 1 Wasser auf 70? C betragt:
Bit 6,1.120.5
0 ?0,75 = 0,0815 kWh
U- 1000 ? 60 .0,75 = 1000.6"75-
and der Selbstkostenpreis fur 1 1 Heilwasser:
0,0815 = 1,63 Kop.
Das erste Faraday-Gesetz lautet: Die Menge des bei der Elektrolyse zersetzten
Stoff es ist der Elektrizitatsmenge, die den Elektrolyten durch flieJt, proportional.
Die Menge des zersetzten Stoffes hangt von keinen anderen Faktoren ab (Tem-
peratur, Stromdichte, Form der Gefalle, Werkstoff der Elektroden usw.). Dieses
Faraday-Gesetz (wie audi das zweite) gehort zu den exakten Naturgesetzen
and bildet die Grundlage der Bestimmung der Einheit der Stromstarke - des
Amperes.
Das zweite Faraday-Gesetz lautet: Bei der Zersetzung verschiedener Verbin-
dungen mittels einer gleichen Elektrizitatsmenge sind die Gewichte der erhal-
tenen Zersetzungsprodukte ihren chemischen Aquivalenten proportional. Die
Menge des Stoffes, die von 1 Coulomb ausgesdieden wird, bezeidinet man als
das elektrodiemisdie Aquivalent des betreffenden Stoffes. Die elektrodiemischen
Aquivalente sind den diemisdien Aquivalenten der entsprechenden Stoffe pro-
portional.
Ein Farad (96500 Coulomb) scheidet ein Gramm-Aquivalent des Stoffes
beim Durdigang durdi den entsprechenden Elektrolyten aus.
Das elektrochemisdie Aquivalent (mg/Coulomb) ergibt sick durdi Division
des Atomgewichtes des vorliegenden Stoffes durdi die Wertigkeit des gegebenen
Ions and durdi 96 500 Coulomb.
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20 1. Anwendung der Gesetze der Elektrochemie in technischen Bergchnungen
7afel i
Elektrochemische Aquivalente
21
Z
Element
Wertig-
keit
Atom-
gewicht
Menge des
von I C
ausgeschied.
Stoffes
mg
Menge des
von 1 Ah
ausgeschied.
Stoffes
g
1.
Aluminium . . . . .
3
26,97
0,0932
0,3356
2.
Barium . . . . . .
2
137,36
0,7117
2,5636
3.
Brom . . . . . ? .
1
79,92
0,8282
2,9832
4.
Wismut . . . . .
3
209,00
0,7219
2,6005
5.
Wasserstoff . . . . .
1
1,008
0,010446
0,037626
6.
Eisen . . . . .
2
55,85
0,2894
1,0424
3
0,1929
0,6949
7.
Gold . . . . . . .
1
197,20
2,0435
7,3610
3
0,6812
2,4537
8.
Jod . . . . . .
1
126,92
1,3152
4,7376
9.
Kadmium . . . . . .
2
112,41
0,5824
2,0980
10.
Kalium . . . . . . .
1
39,10
0,4052
1,4595
11.
Kalzium . . . . . .
2
40,08
0,2077
0,7480
12.
Sauerstoff . . . . . .
2
16,00
0,0829
0,2986
13.
Kobalt . . . . . . .
2
58,94
0,3054
1,1000
14.
Magnesium . . .
2
24,32
0,1260
0,4539
15.
Mangan . . . . . .
2
54,93
0,2846
1,0252
16.
Arsen . . . . .
3
74,91
0,2588
0,9321
17.
Kupfer . . . . . .
1
63,57
0,6588
2,3729
2
0,3294
1,1864
18.
Natrium . . . . . .
1
23,00
0,2383
0,8585
19.
Nickel . . . . . . .
2
58,69
0,3041
1,0954
20.
Zinn .. . . . . . .
2
118,70
0,6150
2,2154
4
0,3075
1,1077
.
Palladium . . . . . .
2
106,70
0,5528
1,9914
4
0,2764
0,9957
22.
Platin . . . . . . .
2
195,23
1,0116
3,6437
4
0,5058
1,8219
23.
Quecksilber . . . . .
1
200,61
2,0789
7,4882
2
1,0395
3,7441
24.
Blei . . . . . . . .
2
207,21
1,0736
3,8673
25.
Selen . . . . .
2
78,96
0,4091
1,4737
26.
Sdiwefel . . . . .
2
32,06
0,1661
0,5983
27.
Silber . . . . . . .
1
107,88
1,1179
4,0269
28.
Strontium . . . . . .
2
87,63
0,4540
1,6355
29.
Antimon . . . . .
3
121,76
0,4206
1,5150
30.
Tallium . . . . . .
1
204,39
2,1180
7,6293
M.
Tellur . . . . . . .
2
127,61
0,6614
2,3817
32.
Fluor . . . . . . .
1
19,00
0,1969
0,7092
33.
Chlor . . . . . . .
1
35,46
0,3675
1,3236
34.
Chrom . . . . . . .
3
52,01
0,1797
0,6471
6
0,898
0,3236
35.
Zink . . . . . .
2
65,38
0,3388
1,2202
Bemerkungen. x. Die Atomgewichte der Elemente sind bis auf zwei Dezimalstellen abgerundet.
2. Ein Farad ist gleich 965ooC and 26,99Ah.
3. Die elektrochemischen Aquivalente sind his auf vier Dezimalstellen hinter dem Komma abgerundet.
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2. Grundgesetze der Elektrochemie 21
Auger den elektrochemischen Aquivalenten, die in Milligramm auf I Cou-
lomb ausgedriidit werden, werden des ofteren (besonders bei tedinischen Berech-
ntmgen) elektrochemische Aquivalente, ausgedruckt in Gramm auf eine Ampere-
Stunde, benutzt. Man kann von der ersten Bezeidinung zur zweiten iibergehen
durdi Multiplikation des elektrochemischen Aquivalents in Milligramm auf ein
Coulomb mit einem konstanten Faktor 3,6, da in einem Gramm 1000 mg ent-
halten rind and sine Ampere-Stunde 3600 Coulomb gleich ist.
Die Faraday-Gesetze konnen mathematisch durdi die folgende Formel aus-
gedrnckt werden:
M = q1t, (18)
wo M die Menge des ausgeschiedenen Stoffes,
q das elektrochemische Aquivalent des gegebenen Metalls oder des Ions,
I die Stromstarke,
t die Dauer des Durchfliegens des Stromes
ist.
Die Dimension von t mug immer mit der Dimension q verbunden sein. Wenn
q in mg/Coulomb genommen worden ist, so mug t in Sekunden ausgedrudct
werden, and der Wert von M lautet dann in mg. Wenn dagegen q in g/Ah lau-
tet, so mug t in Stunden genommen werden, and der Wert von M ergibt sidiin g.
In Tafel l sind die elektrochemisdien Aquivalente der verschiedenen Elemente
angegeben.
Beispiel 19: Wieviel Silber wird aus einer Silbernitratlosung im Laufe von
15 Man. bei einer Stromstarke von 5 A ausgesdueden?
Losung: Aus der Formel (18) erhalten wir unter Anwendung des elektro-
diemischen Aquivalents (in mg/Coulomb):
M=q1t=1,118.5.15.60=5030 mg.
Bei der Anwendung des elektrochemischen Aquivalents in g/Ah erhalten wir:
M= qlt = 4,025 ? 5 ? so = 5,03 g.
Beispiel 20: Der gewichtsma&ge Zuwadis der Kathode eines Voltameters be-
tragt nach 2 Arbeitsstunden 5,28 g. Es soil die Stromstarke, die durch das Gerat
geflossen ist, bestimmt werden:
Losung: Aus der Formel (18):
folgt:
M = qit
M _ 5,28_2,23A
qt 1,155.2
Beispiel'21: .
In einem Werk fur die elektrolytische Gewinnung von Zink be-
tragt die Stromstarke in jedem Bad 9000 A. Wieviel Zink mug jedes Bad inner-
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22 I. Anwendung der Gesetze der Elektrochemie in technischen Bergchnungen
halb von 24 Stunden liefern (ohne Berncksichtigung des Koeffizienten der Strom-
ausnutzung)?
Losung:
M = qlt = 1,219.9000.24 = 263310 g.
Beispiel 22: In der Elektrolytabteilung eines Bleiwerkes betragt die Strom-
starke in jedem Bad 1450 A. Es soil die Leistungsfahigkeit jedes Bades in
24 Stunden ohne Berilcksichtigung der Stromausnutzung bestimmt werden. Das
Blei befindet sich in der Losung in Form von zweiwertigen Ionen.
Losung:
M = qlt = 3,862. 1450.24 = 134 500 g.
;. Kathodische Stromausbeute (Stromausnutzung)
Fur das Ausscheiden eines Gramm-Aquivalentes eines Stoffes ist in der Praxis
erforderlidi, daft durdl den Elektrolyten eine Elektrizitatsmenge, die grofer als
1 Farad ist, flief3t. Diese Tatsache stellt keine Verletzung des Faraday-Gesetzes
dar, sondern ist dadurch zu erklaren, da13 an der Kathode nidit nur Metall, son-
dern auch Wasserstoff abgeschieden wird, dal die Kathode oxydiert and sick
lost, dal Nebenreaktionen (besonders bei den Metallen mit mehreren Oxyda-
tionsstufen) stattfinden, daft Verunreinigungen in den Elektrolyten enthalten rind
and daft schlief3lich Stromverluste and Kurzschliisse im Stromkreis auftreten
konnen.
Als Stromausbeute (es darf nicht verwediselt werden mit der Energieausbeute)
bezeichnet man das Verhaltnis der Metallmenge, die an der Kathode tatsachlidi
niedergesdllagen ist, zu derjenigen Metallmenge, die (theoretisch) erzeugt wor-
den ware beim DurchflieIen der gleichen Elektrizitatsmenge unter idealen Be-
dingungen (ohne Einflu1 der Nebenvorgange).
Die kathodische Stromausbeute betragt in der Praxis meistens 90 bis 95?/?,
nur unter den Laboratoriumsbedingungen (Coulombmeter) kann die Ausbeute
100?/o erreichen.
In der Praxis unterscheidet man manchmal eine kathodische and eine anod-
ische Stromausbeute. Diese Untersdieidung hat einen Sinn bei der Verwendung
loslidier Anoden. In diesem Falle wird die anodische Stromausbeute als das Ver-
haltnis der Menge des an der Anode gelosten Metalls zu derjenigen Metall-
menge, die an der Anode gelost oder an der Kathode niedergeschiagen ware im
Falle des Durchflief3ens der gleidhen Elektrizitatsmenge unter idealen Bedingun-
gen, definiert.
In normalen Fallen, wenn die Anode nicht passiv ist, ist die anodische Strom-
ausbeute etwas groBer als die kathodisdies), and im Elektrolyt vergroBert side
3) Der umgekelirte Fall tritt bei der Verwendung von Anoden aus Feinstein, bei der Elektrolyse
von Nickel oder bei der Elektroraffinierung einiger Legierungen ein. In diesem Falle wird der Gehalt
des raffinierten Metalls im Elektrolyt verringert.
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dabei allmahlid- die Konzentration des raffinierten Metalls, wie das beispiels-
weise bei der Elektroraffinierung von Kupfer der Fall ist.
Es mug bemerkt werden, dag wir es in der Praxis der Elektrometallurgie von
Buntmetallen meistens mit der kathodisdien Stromausbeute zu tun haben, da
der Kathodensatz als ein Fertigprodukt des Werkes ersdieint. In Zukunft war-
den wir unter der Bezeidmung ,Stromausbeute" gerade die kathodisdie Strom-
ausbeute verstehen, wenn nichts anderes gesagt ist. Die Stromausbeute wird nadi
folgender Formel bestimmt:
17i = 26,80 ? b 100,
Its
(19)
wo b die gewidatsmagigeMetallmenge in g, die an der Kathode ausgeschieden ist,
I die Stromstarke in A,
t die Dauer des Durdifliegens des Stromes in Stunden,
e das aquivalente Metallgewicht in g,
26,80 die Anzahl der Ampere-Stunden, die einem Farad entspricht, ist.
Man kann auch eine andere Formel benutzen:
b
na = q It 100, (20)
wo b das Gewicht des Niedersdilages an der Kathode in g,
I die Stromstarke in A,
t die Dauer des Durchfliegens des Stromes in Stunden,
q das elektrodiemische Aquivalent in g/A h
ist.
Beispiel 23: Durdi eine Losung von Kupfervitriol ist ein Strom in der Starke
von 5 A im Laufe einer Stunde durchgeflossen. An der Kathode sind 5,65 g
Kupfer ausgeschieden. Es soil die Stromausbeute bestimmt werden.
Losung: Aus der Formel (19) erhalten wir:
26,80 . 5,65 15125
Ali = _5 ? 1 ? 31,785_ 100 - 158,925 = 95,30/0.
Aus der Formel (20) erhalten wir:
5,65 IN = 5 .1 1,185 100 = 6,925 = 95,3 010.
Beispiel 24: Das Bad eines Werkes fur die elektrolytische Gewinnung von
Zink liefert in 24 Stunden 240 kg Zink. Es soil die Stromausbeute bestimmt
werden, wenn die Stromstarke im Bad 9000 A betragt.
Losung: Aus der Formel (20) erhalten wir:
77, _ 240000 100 = 91,20/0.
9000 ? 44 . 1,219
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24 I. Anwendung der Gesetze der Elektrochemie in technischen Bergchnungen
Beispiel 25: In einem Werk fur die elektrolytische Gewinnung von Kupfer
betragt die Stromstarke in jedem Bad 7772 A. Die Kathodenperiode dauert
10 mal 24 Stunden. Die Anzahl der Kathoden im Bad betragt 29 and die der
Anoden 28. Das Gewicht des Niederschlages an der Kathode ist 72,7 kg. Es soil
die Stromausbeute bestimmt werden.
Losung: Aus der Formel (20) erhalten wir:
72700 ? 28 100 = 92,00/?.
7772.10.24. 1,185
Die Anzahl der Kathoden ist bei der Bestimmung des Gesamtgewichts des
Kupfers mit 28 angenommen, da von den 29 Kathoden beim Vorhandensein
von nur 28 Anoden (wie dies beim Elektroraffinieren des Kupfers der Fall 1st)
nur 27 Kathoden von beiden Seiten beschlagen werden. Die beiden auf;ersten
Kathoden werden nur von einer Seite beschlagen and haben zusammen ein
Gewicht der vollen Kathode, d. h., im Bad sind 27 voile and 2 halbe Kathoden.
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H. Elektrische Leitfahigkeit
4. Elektrische Leitfahigkeit verschiedener Leiter
Man unterscheidet eine metallisdie elektrische Leitfahigkeit ohne Zersetzung
and ohne Oberfiihrung des Stoffes, die mit Hilfe der ?freien Elektronen" er-
folgt, and eine elektrolytische Leitfahigkeit, die mit einer Cberfiihrung der
Ionen sowie mit einer Ausscheidung derselben in Form elektroneutraler Stoffe
nur an den Elektroden4) begleitet wird.
Die elektrische Leitfahigkeit der Metalle folgt ziemlich genau dem Ohmsdien
Gesetz. Als die elektrische Leitf ihigkeit eines Stoffes bezeidmet man die Grofie,
die dem Widerstand reziprok ist and in Siemens (S) gemessen wird (S = ).
Der Widerstand eines Leiters, der die Form eines Zylinders odor eines Prismas
hat, steht im direkten Verhaltnis zu seiner Lange L and im umgekehrten Ver-
haltnis zur Flache des Quersdmitts F:
L L
~F - a --F
(21)
Den Proportionalitatskoeffizienten a bezeichnet man als den spezifisdien
Widerstand (bei L = 1 cm and F = 1 cm'). Er ist zahlenm:igig dem Wider-
stand eines Wiirfels mit einer Kantenlange von 1 cm, ausgefuhrt aus dem be-
treffenden Werkstoff, gleich. Die dem spezifischen Widerstand reziproke Gr8f3e
o = e (22)
bezeicmet man als die spezifische elektrische Leitfahigkeit and wird in Siemens
je 1 cm ausgedruckt.
Unter Anwendung der oben angegebenen Bezeidlnungen kann man das
Ohmsdle Gesetz wie folgt ausschreiben:
I= E = eL aEF (23)
In der Tafel 2 sind die Mittelwerte der spezifisdlen elektrisdien Leitfahig-
keit der reinen Metalle in cm -1 S angefiihrt. Mit Hilfe der Formel (21) and der
Tafel 2 kann man leicht den Widerstand des Leiters beredinen, wenn der Werk-
stoff, aus dem er angefertigt ist, and seine Abmessungen bekannt sind. Man mug
stets im Auge behalten, daf3 bei der Benutzung des Koeffizienten aus der Taf el 2
die Abmessungen L and F in die Formel 21 in cm eingesetzt werden miissen.
4) Die elektrische Leitfahigkeit der Gase interessiert uns nicht, da dort die Entladung an den
Elektroden and an den Wandungen des Gefafles sowie auch im Gasmedium selbst beim Zusammen-
stoB der ionisierten Teilchen erfolgt.
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Tafel 2
Spezifische elektrisdie Leitfahigkeit der reinen Metalle
Metall
MeB-
temp.
?C
Spezifische
Leitfahigkeit
Siemens
Metall
i
Me3-
temp.
?C
Spezifische
Leitfahigkeit
Siemens
Aluminium . .
0
3,82.105
Nickel . . .
0
1,48.105
Wismut . . .
19
0,88.104
Zinn . . . .
0
0,766- 105
Wolfram . . .
0
2,0. 106
Osmium . . .
20
1,05-105
Gallium
0
1,9.104
Palladium . .
0
0,96.106
Eisen
elektrolyt
20
1,0-1011
Platin . . . .
0
0,89-1,02. 105
,
Gold . . . .
0
4,5.105
Rhodium. . .
0
2,15.106
Indium .
0
1,195-105
Quedksilber . .
18
1,063-104
Iridium .
18
1,89.105
Rubidium . .
0
0,78-0,86.105
Kalium . . .
0
1,43-1,64.105
Ruthenium . .
0
0,69.105
Kadmium. . .
18
1,29-1,32.105
Blei . . . .
0
0,505.105
Kalzium . . .
, 20
0,95-2,18. 105
Silber . . . .
0
6,64-105
Kobalt. . . .
0
1,61 ? 10'
Strontium . .
0
0,33-105
Lanthan .
18
0,17-105
Antimon . . .
0
0,266,105
Lithium . . .
0
1,15.105
Tantal .
0
0,57-0,68.105
Magnesium
0
2,31-106
Tallium .
0
0,57-105
w fer . . .
0
6,34.105
Zesium . . .
0
0,535.105
ybdan . .
0
1,99.105
Zink . . . .
0
0,174.106
Arsen . . . .
0
0,285.105
Zerium . . .
-
0,133.106
Natrium . . .
0
2,22.105
Chrom .
0
0,385.105
Bei elektrotechnischen Beredmungen wird des ofleren in die Formel (21) die
Lange in Metern and die Gr8f3e F in Quadratmillimetern eingesetzt. Es ist ver-
standlich, daf3 rich dabei die Grof3e des Koeffizienten (der spezifische Widerstand)
verandert. Unter dem spezifischen Widerstand versteht man in der Elektro-
technik den Widerstand des Leiters aus einem gegebenen Werkstoff bei einer
Lange von 1 m and mit dem Querschnitt von 1 mm2 bei der Temperatur von
150 C.
In der Tafel 3,sind die Werte der spezifischen Widerstande el angegeben, sie
konnen benutzt werden, wenn L in Metern and F in Quadratmillimetern aus-
gedruckt wird. Man darf nur nidit vergessen, in welchen Fallen die We-rte e
aus der Tafel 2 and in welchen Fallen el aus der Tafel 3 entnommen werden
mussen. Der Widerstand der Leiter erhoht sick bei einer Erhohung der Tem-
peratur, allerdings gibs es darin einige Ausnahmen. Diese Anderung in den
Grenzen von 0 his 50? and sogar his 100? C ist ungefahr der Temperatur-
erhohung proportional.
Die Anderung des Widerstandes eines gegebenen Leiters in der Gro& von
1 Ohm bei einer Temperaturerhohung um 1 ? C bezeichnet man als einen Tem-
peraturkoeffizienten a. Der Koeffizient a ist negativ, wenn der Widerstand silt
mit der Temperaturerhohung verringert.
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Tafel 3
Spezifisdter Widerstand (ei)
einiger tedtnischer Werkstoffe bei einer Temperatur von 15? C
Kupfer, diemisdi rein . . .
Kupfer fiir Leitungen . . .
Eisendraht . . . . . . .
Blei . . . . . . .
Quecksilber . . . . .
Silber, geglnht . . . . . .
Aluminium . . . . . . .
Stahldraht . . . . . . .
Zink, gepre8t . . . . . .
Zinn . . . . . . . . .
Spezi-
fischer Wi-
derstand
0,0162
0,0175
0,1324
0,2076
0,9500
0,0159
0,0287
0,1843
0,059
0,1420
Kruppin . . . . . . .
Neusilber . . . . .
Nickel . . . . . . .
Nidcelin . . . . . . .
Manganin . . . . . .
Konstantan . . . . . .
Mid,rom
Messing (700/o Cu, 300/o Zn)
Platin, geglnht . . . .
Spezi-
fischer Wi-
derstand
0,8483
0,3010
0,1306
0,4500
0,4300
0,4900
1,0-1,1
0,07
0,0937
Venn wir den Widerstand des Leiters bei einer beliebigen Temperatur ken-
nen, ki nnen wir leicht seinen Widerstand audi bei einer anderen Temperatur
berechnen, and zwar nach der Formel:
Re =P, [1+a(t-t?)l? (24)
In der Tafel 4 sind die Temperaturkoeffizienten der Elektroleitfahigkeit eini-
ger Metalle and Legierungen im Bereich von 0 bis 100' C angegeben.
7afel 4
Werte der Temperaturkoeffizienten der elektrisdien Leitfahigkeit von Metallen
1 emperatur-
koeffizient
Temp
koeff
eratur-
izient
Aluminium . . .
0,00423-0,00774
Natrium
0,00509
Wismut ' . . . .
0,00391
Nickel
0,00620
-0,00675
Wolfram . . . .
0,00453-0,00510
Zinn.
0,00447
-0,00465
Gallium . . . .
0,00396
Osmium
0,00420
Eisen . . . . .
0,00621-0,0C657
Palladium
0,00354
-0,00377
Gold . . . . .
0,00377-0,00400
Platin .
0,00367
-0,00392
Indium . . . .
0,00407-0,00474
Rhodium
0,00421
-0,00443
Iridium . . . .
0,00393-0,00411
Quecksilber
0,00090
Kalium . . . .
0,00512-0,00581
Rubidium
0,00520
Kadmium . . . .
0,00419-0,00425
Blei
0,00406
-0,00428
Kalzium . . . .
0,00333
Silber
0,00400
-0,00410
Kobalt . . . . .
0,00658
Strontium
0,00383
Lithium . . . .
0,00435-0,00489
Antimon
0,00473
-0,00511
Magnesium . . .
0,00381-0,00412
Tantal .
0,00347
-0,00350
Kupfer .
0,00426-0,00433
Tallium.
0,00478
-0,00517
Kupfer, tecmisdtes
0,0040
Caesium
0,00443
Molybdan . . .
0,00435
Zink
0,00404
-0,00417
Arsen . . . . .
0,00389
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28
Die Werte des Temperaturkoeffizienten erhohen sich mit der Verbesserung
der Reinheit des Metalls. Dadurch wird der Umstand erklart, daf3 in der Tafel4
die Grenzen der Veranderung des Wertes a angegeben sind.
Beispiel 26: Es soil der Widerstand einer Kathodenstange mit der Lange von
1,25 m and dem Querschnitt von 390 mm4 bestimmt werden. Die. Stange ist aus
gewohnlidiem Leitungskupfer angefertigt.
Losung: Wir benutzen die Formel (21). Da L in Metern and F in Quadrat-
millimetern angegeben sind, mussen wir den Wert el aus der Tafel 3 entnehmen:
R = el F = 0,0175 390 = 0,0000561 D bei 15?.
Beispiel 27: Es soil der Widerstand einer Kathodenstange aus einem Bad fur
die elektrolytische Raffinierung von Kupfer mit den Abmessungen wie im vor-
hergehenden Beispiel bei 40? C bestimmt werden. (Die Stange befindet sich unter
einer Amperebelastung fiber einem heif3en Elektrolyt, dessen Temperatur 55 ? C
ist.)
Losung: Aus der Formel (24) and Tafel 4 erhalten wir:
Rt - Ro [1 + a(t - to)] = 0,0000561 [1 + 0,0040 (40 - 15)]
= 0,0000561 (1 + 0,1025) = 0,0000619 Q.
Wenn die Stange aus reinem Kupfer hergestellt ware, warden wir aus der For-
mel (24), Tafel 2 and Tafel 4 erhalten:
L _ 125" _5,04.10-512;
Ro aF 6,34106 ? 3,9
Rt = Ro [1 + a (t - to)] = 0,0000504 [1 + 0,0043 (40 - 0)]
= 0,0000504 (1 -I- 0,172) = 0,000059 D.
Beispiel 28: Es soil der Widerstand der gleichen Kathodenstange (Beispiel 26>
bestimmt werden, falls these aus Aluminium hergestellt ware.
Losung: Aus den Formeln (21), (24) and den Tafein 2 and 4 erhalten wir:
RO -- L 125 = 8,4 .10-5.Q = 0,000084 Q;
aF 3,82 . 106 ? 3,9
Rt = Ro [1 + a (t - to)] = 0,000084 [1 + 0,0045 (40 - 0)]
= 0,000084 (1 + 0,18) = 0,0000991 S2,
d. h. bedeutend mehr als im vorhergehenden Beispiel.
5. Berechnung der Stromsdiienen and Leiter
Bei der Beredmung der Schienen and Leiter mug man zwei Faktoren be-
rudssichtigen: Die Wahl des Querschnitts der Scl iene fur eine gegebene Strom-
starke wird durch den Grad der Erwarmung der Schiene dutch den Strom be-
einfluf3t, and als zweiter Faktor erscheint die wirtschaftliche Seite der Frage. Die
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Menge der elektrisdien Energie, die in Warme umgewandelt wird, hangt vom
Widerstand der Schiene ab; der letztere erhoht sich mit der Verkleinerung des
Quersdmitts. Die Temperatur der Schiene darf die Temperatur der umgeben-
den Luft nicht mehr als um 20 his 40 ? C ubersteigen.
In der Tafel 5 sind die zulassigen Belastungen durch Gleichstrom fur Kupfer-
schienen bei einer 10berhitzung derselben um 20, 30 and 40' C angefuhrt.
7'a f el 5
Zu1as'sige Belastungen fur Kupferschienen
25X 3
40X 4
50X 5
60X 8
100X 10
C7~
0,660
1,420
2,22
4,27
8,89
v=0,5 v=0,7
228
285
328
397
495
570
570
656
608
700
652
750
545
694
800
800
920
856
989
914
1052
822
1030
1185
1185
1360
1265
1455
1355
1560
1490
1860
2140
2140
2460
2285
2630
2440
2830
1. Die hochste Temperatur der umgebenden Luft ist mit 30 ? C angenommen.
2. Die Belastungen sind fur solche Schienen angegeben, die such in einem ge-
schlossenen Raum befinden; dabei liegt die Schiene hochkant, and die venti-
lierende Luft bewegt sick von unten nadi oben.
3. Die Leitfahigkeit des Kupfers ist mit 950/o der Leitfahigkeit eines ein-
wandfreigegluhten Kupfers angenommen. (elg= 0,0184 Q/m/mm2).
Mit der Vergrof3erung des Quersduutts der Schiene verkleinert side die fur
these zulassige Stromdidite, da sidi die grof3en Schienen viel sdilechter abkuhlen.
Deswegen werden die Shcienen des ofteren als zusammengesetzte Sduenen aus-
gefuhrt. In Erganzung zur Tafel 5 mug man bemerken, daf3, wenn im Paket
zwei, drei, vier Sd ienen vorhanden sind, die zulassigen Belastungen im Paket
durch eine Multiplikation der Tafelangaben fur eine einzelne Schiene mit dem
Koeffizienten a ermittelt werden konnen. Bei zwei Schienen im Paket ist
a = 1,9, bei dreien a = 2,8 and bei vier Schienen a = 3,65.
Die zulassige Belastung fur ein beliebiges anderes Metall kann beredinet wer-
den, wenn die zulassige Belastung fur eine Kupferschiene bekannt ist. Die Be-
redinung erfolgt nach folgender Formel:
Iz = Icu I/ ,.... ' (25)
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wo 'Cu die aus der Tabelle entnommene zulassige Belastung fur eine Kupfer-
sduene oder fur einen Leiter mit gleichem Quersdinitt,
Ix die gesucbte zulassige Belastung,
ax die Leitfahigkeit des gegebenen Metalls,
acu die Leitfahigkeit des Kupfers
ist.
Umgekehrt, wenn die Kupferschiene durch eine Schiene aus einem anderen
Metall unter Beibehalten der gleichen Amperebelastung ersetzt werden mug, so
kann man den erforderlichen Querschnitt der Schiene aus einem anderen Metall
bestimmen, wenn der Querschnitt der Kupfersduene bekannt ist. Die Bered--
nung erfolgtnach folgender Formel:
F. = Fcu (axu )2. (26)
In der Praxis der Elektrometallurgie schwerer Buntmetalle werden infolge
der besonders schweren Arbeitsbedingungen der Schienen gewohnlidi etwas
niedrigere Belastungen zugelassen.
Fur die Sdiienen, die den Elektroden Strom zufuhren, wird im Durdisdmitt
in den groflen Werken die Stromdidhte in den Schienen mit ungefahr 1 A/mmt
zugelassen. In den Werken fur die Raffinierung von Kupfer, die mit einer
hoheren Badtemperatur arbeiten, wird die Stromdichte mit 0,8 his 1,0 A/mm2
and in groi3en Werken fur die elektrolytische Gewinnung von Zink mit 1,0 his
1,2 A/mm2 zugelassen. Ist die Stromstarke nidit sehr hoch, l0t man die Strom-
didite in den Schienen his auf 1,4 his 1,6 A/mm2 zu. Die Stromdidite in den
Kathoden- and Anodenstangen wird gewohnlich mit 1,0 bis 1,25 Almmz zu-
gelassen, da, obgleich durch jede Stange der Strom in einer bedeutend kleineren
Starke flief3t, sie sick doch fiber dem Elektrolyten unter sehr schweren Arbeits-
bedingungen befindet.
' Wie bereits oben erwahnt, ist der zweite Faktor,, der die Wahl der Quer-
schnittsfladie der Sduene 1 his 3 beeinflu8t, bei gegebener Stromstarke die wirt-
schaftliche Seite der Frage.
Beim Durdiflief3en des Stromes durch die Sduene wird ein Teil der elektri-
sdien Energie unwiderruflich verlorengehen, da er side in Warmeenergie um-
wandelt. Die Menge der dabei erzeugten Warme steht in direktem Verhaltnis
zur Stromstarke, die durch die Schiene flies t (bei einer unveranderlichen Span-
nung and bei einem unveranderlichen Querschnitt der Sdiiene). Aus der For-
met (15) folgt:
Q = 0,239 I2Rt = 0,239 IUt.
Die Erhohung der Temperatur des Leiters steht dagegen im direkten Verhaltnis
zum Quadrat der Stromstarke and im umgekehrten Verhaltnis zur dritten Po-
tenz des Durchmessers, hangt also nicht von dessen Lange ab.
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Die Formel von Kannely5) fur einen Beharrungszustand des Warmegleidl-
gewidits lautet:
(27)
H die Differenz zwisdien der Temperatur des Leiters and der umgeben-
den Lufl in ? C,
C der Koeffizient der Warmeabgabe, der fur die Leiter in der freien
Atmosphere mit 0,16 and fur die Leiter in geschlossenen Raumen mit
0,6 angenommen wird,
i die Stromstarke in A,
d der Durdimesser des Leiters in mm
ist.
Die Formel ist fur Kupferleiter mit einem runden Quersdlnitt anwendbar.
Eine Universalformel lautet:
e_kJ2e
Fn
ist.
(28) .
wo I die Stromstarke in A,
p der spezifisdle Widerstand des Werkstoffes, aus dem die Schiene an-
gefertigt ist,
k der Koeffizient der Warmeabgabe (k wird fur Leitungen in der freien
Atmosphere mit 25 and fur Leitungen in gesdilossenen Raumen mit
85 angenommen; diese Werte sind aus den Werten C der vorhergehen-
den Formel ermittelt),
F die Quersdmittsflache der Sduene in mm2,
n der Umfang des Quersdmittes der Sdiiene in mm
Einigermal3en genaue Ergebnisse erhalt man aus dieser Formel Bann, wenn
fur die dicken Leiter (500 bis 1000 mm2) die Anderung der Leitfahigkeit mit der
Temperatur beri cksidltigt wird and fur die dunnen Leiter diese Anderung
vernachlassigt werden kann.
Viel genauere Ergebnisse erhalt man nach der Formel von Teichmuller and
Humann:
12 Is
3,95F-}- 1,72F'/+
(29)
Die Formel ist fur dunne and audi fur dicke, nidit isolierte Kupferleiter mit
rundem Querschnitt anwendbar.
Ausgehend davon, daf3 beim Durdlflief3en des Stromes durdi die Shcienen
ein Teil der elektrischen Energie fur die Erwermung der Sdriene verlorengeht,
and davon, daf3, je gr6f3er die Querschnittsfladle der Sd iene ist, desto kleiner
5) Die Formel liefert gute Ergebnisse nur far dicke Leiter.
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32 II. Elektrische Leitfahigkeit
diese Verluste sind, kann man den sogenannten giinstigsten (vom wirtsdiafc-
lichen Standpunkt) Quersdulitt der Schiene berechnen. Dieser Querschnitt wird
durch folgende Voraussetzungen bestimmt: Wir nehmen an, dal die Kosten
der jahrlichen Verluste an elektrischer Energie in den Schienen den jahrlidien
Ausgaben fur die Leitungen gleich sind. Diese letzten Ausgaben sind ihrerseits
dem Gewicht derLeitungen proportional. Dann werden dieKosten derEnergie-
verluste fur I m der Schiene betragen:
2 L a =.12 100 a Ilea
P = I e F 1000 e F 1000 - 10 F
wo I die Stromstarke,
e der spezifische Widerstand der Sduene,
L die ,Lange (in unserem Falle 1 m),
a die Kosten fur ein kW/Jahr in Kop.
? ist.
Die jahrlichen Ausgaben fur die Leitungen setzen rich aus Kapitalinvestie-
rungen and aus der Amortisation fur 1 m der Schiene sowie aus den Ausgaben
fur die Instandsetzung and Bedienung der Leitungen zusammen:
k?FyL p _ k?FV100 p _ k?Fp?y
1000 100 1000 100 1000
wo k die Kosten fur 1 kg der Schiene in Kop.,
y das spezifische Gewidit des Leiters,
F der Querschnitt der Sdhiene,
p die Ausgaben fur die Leitung in 0io der Kosten der Sdiiene
ist.
Die gunstigste Variante erhalten wir dann, wenn R = P ist, d. h.
I2ea k?F?p?Y
1O F 1000
(30)
d. h., these Formel ergibt die gunstigste Stromdichte in den Schienen. Es mui3
bemerkt werden, daf3 auf den Werken der Buntmetallurgie nicht immer die
wirtsdiafftlichste Stromdichte in den Schienen eingehalten wird, and zwar aus
dem Grunde, weil hier ein Strom grof3er Starke, mit einer niedrigen Spannung
and auf verhaltnisma1 ig kurze Entfernungen flie&t.
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. Die dritte Methode der Berechnung der Leiter nadi dem Spannungsabfall,
der fur die Beredhnung von Beleuditungsnetzen angewandt wird, ist in der
metallurgisdien Praxis uberhaupt nicht anwendbar, da man es hier mit kurzen
Schienen and grolem Querschnitt zu tun hat.
Die Beredhnung auf Sicherheit bei der Erwarmung stellt somit die entschei-
dende Berechnung dar.
Beispiel 29: Durch eine Kupfersdriene wird ein Strom in der Starke von
1000 A geleitet. Es soil der Quersdinitt der Sduene bestimmt werden unter
Benutzung der Tafel 5, wenn eine [7berhitzung der Sduene von nur 20' C
zugelassen wird and eine Zirkulation der Luft um die Sduene herum nicht vor-
handen ist.
Losung: In Tafel 5 Emden wir, dal . durch die Schiene mit einem Quer-
sdinitt von 100 mal 10 = 1000 mm2 ein Strom von 1490 A and durch eine
Schiene mit dem Quersdinitt 60 mal 8 = 480 mm2 ein Strom von 822 A
geleitet werden kann. Wir extrapolieren: (1490 - 822) = 668 A-:- (1000
weniger 480) = 520 mAi2;
(1000 - 822) =178 A ---X:
X= 5266878 =140mm2;
F = 480 + 140 = 620 mm2,
d. h. ungefahr 77,5 mal 8 mm. Die Stromdichte in der Schiene betragt:
i 1000
1,61 A/mm2.
Beispiel 30: Die Kupfersdiiene aus dem Beispiel 29 mug durdi eine Alu-
miniumsdliene ersetzt werden, zu diesem Zweck sollen ihr Querschnitt and
auch die Stromdichte in der Sdiiene bestimmt werden. Die Berechnung wird fur
die Erwarmung durchgefuhrt.
Losung: Unter Benutzung der Formel (26) and der Tafel 2 linden wir:
3
(0c. 2= 620 6,34 ? 10 2 = 870 mm2
ax) ~C3,82 ? 106)
1000 = 1,15 A/mm2.
870
Beispiel 31: Wie grog ist die Stromstarke, die durch die Schiene in Beispiel 29
geschickt werden kann, wenn dieselbe nicht aus Kupfer, sondern aus Aluminium
hergestellt wird ohne Abanderung der Abmessungen des Quersdinittes?
3 Agejenkow, Elektrometallurgie
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Losung: Aus der Formel (25) and der Tafel 2 erhalten wir:
Ix = ICU a x 1000 V 6,34 ? lob 776 A ;
Cu
776 : = 620 = 1,25 A/mm2.
Beispiel 32: Bis auf welche Temperatur wird sick die Sdiiene im Beispiel 29
erwarmen, wenn a) bei einem Quersduvitt von 620 mm2 ihre Abmessungen
77,5 mal 8 mm sind; b) bei einem Querschnitt von 620 mm2 die Sdiiene rund
ist? Die Temperatur im Werk in der Nahe der Sdiiene betragt 25 ? C. Die Leit-
fahiDgkeit des Kupfers muf; aus der Tafel 3 fur Leitungsmaterial entnommen
werden.
Losung: Fur eine rechtedtige Sdiiene erhalten wir nadi der Formel (28):
o- 85120
F?n
and nach der Formel (24):
X35 = X15[1+ 0,004 (35 -15)] = 0,0175 (1 + 0,08) - 0,0189 Sl/m/mm2.
Die Temperaturerhohung der Sduene betragt dann:
o _ 85.10002 ?0,0189 =15,15? C,
620. 171
d. h., die Temperatur der Schiene betragt 35 + 15 = 50 ? C, folglich erhalten
X50=0,0175[1+0,04(50-15)1=0,0175(1+0,14)
= 0,0200 Q/m/mm2
85 . 10002 . 0,02
= 16,05?C.
620. 171
Der Durchmesser der runden Schiene betragt:
4F 620 ? 4 28,1 mm,
and die Temperaturerhohung:
85 - 10002 -0,0189 = 29,4?C.
620?n-28,1
X65 = 0,0175 [1 + 0,004 (65 -15)] = 0,0175 (1 + 0,004 ? 50)
= 0,0175 1,2 = 0,0210.Q/m/mm2;
85 . 10002 . 0,021 = 32,6?C.
620?7g .28,1
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Wir prufen jetzt die Erwarmung der runden Kupfersduene nach der Formel
von Teichmuller and Humann.
12 10002
3,95 F + 1, 72 F3/2 = 3,95 ? 620 + 1,72 ? 6203/2
10002 - 34,4?C,
2450 + 1,72 . 15450'=
d. h., wir erhalten fast dasselbe Ergebnis wie auch nach der Formel von Kannely.
Aus den Berechnungen ist klar ersichtlich, daf3 die flachen rechteckigen
Schienen bedeutend vorteilhafter sired, well sic bei der gleidien Quersdmitts-
fladie einen gr6f3eren Umfang haben, d. h. eine grof3ere Kiihlfladie.
Beispiel 33: Bis auf weldie Temperatur wird side eine Aluminiumschiene aus
Beispiel 30 bei einer Querschnittsfladie von 870 mm2 erwarmen, wenn these
rediteckig mit den A:bmessungen 9,3 mal 93 mm ausgefuhrt wird?
Losung:
X35 = 0,029 [1 + 0,042 (35 - 15)] = 0,029 (1 + 0,084)
= 0,0315 Q/m/mm2,
85 . 10002 ? 0,0315
_ ?
870 ? 204,6 =15,05 C,
d. h., die Temperatur der Sdiiene betragt 35 + 15 = 50? C,
X50 = 0,029 [1 + 0,042 (50 -15)] = 0,029. 1,147
= 0,0333 .slim/mm2,
0 85 ? 10002 ? 0,0333
= 15,9?
,
= 870-204,6
d. h., sie wird sich his auf dieselbe Temperatur erwarmen wie auth die Kupfer-
sduene, was eigentlich selbstverstandlich ist, da these beiden Sd inen fur die
gleiche zulassige Erwarmung nadi den Formeln (25) and (26) beredinet sind.
Beispiel 34: Es soil die wirtschafElidiste Stromdichte in Sdiienen unter folgen-
den Bedingungen bestimmt werden: Der Preis fur gewalztes Leitungskupfer
betragt 2000 Rubel je Tonne; das spezifische Gewicht des Kupfers ist 8,9; der
Preis fur eine kWh betragt I Kop.; die Abschreibungen fur Kapitalinvestierung
and die Amortisation der Sdiienen and der Hilfseinrichtung, die mit dem
Gewidit der Leitungen in Verbindung stehen, betragen 10?/0.
Losung: Aus der Formel (30) erhalten wir:
kpy 200 ? ]0.8,9.10
100.12 - 100. 1 ?8760.1,75
= 108 A,cm2 =1,08 A/mm2.
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Beispiel 35: Es soil die wirtschaftlichste Stromdichte fur Aluminiumschienen
unter der Bedingung des vorhergehen.den Beispiels, wenn Aluminium um 100/.
teurer als Kupfer ist, bestimmt and die Kosten des Metalls fur die Uberleitung
auf eine Entfernung von 1000 m verglichen werden (den Vergleidh kann man
fiir einen laufenden Meter der Sduene anstellen).
00a p - V 100 . 1 - 8760. 2,87 . 10-6
kpy _ 220
= 48,7 AIcm2 = 0,487 A/mm2.
Zum Vergleidi nehmen wir die Gewidite der Schienen aus Kupfer and aus
Aluminium:
qcu _ VCu ycu _ Fcu Lycu
qAI VAI VAl FAl LVAI
tCu = I F
Cu
aAl = I
F AI
Aus diesen beiden Gleichungen finden wir: FCu = tu and setzen these
FAl 5Cu
Werte in die erste Gleichung ein:
qcu _ Fcu ycu _ QA1 ycu _ 0,487. 8,9 = 1,485,
qAl FAI VAI LCu VAI 1,08 ? 2,7
d. h., die Kupferschiene wiegt mehr als die Aluminiumschiene bei gleicher Wirt-
schaftlichkeitt, and zwar das 1,485fadhe.
In bezug auf die Kosten (Aluminium ist um 10?/o teurer als Kupfer) erhalten
war:
CC. _ qcu . I =1,485
CA! qAl ? 1,1
d. h., die Kosten der Kupferschiene sind um das 1,35fache hoher.
Dieses Beispiel illustriert sehr gut den Vorteil der Verwendung der Alu-
nliniumschienen, deren Kosten bei gleicher WirtschafElichkeit nur 75?/o der
Kosten .der Kupferschienen betragen. Als ein Nachteil der Aluminiumsduenen
ersdieint ihre leidite Zersetzbarkeit durch den Elektrolyten, aber als Strom-
zufiihrungssduenen von Gleichrichtern zu den Badern (oder von der Trans-
formatorenstation zu den Gleichridltern) sind sie sehr gut zu verwenden.
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6. Elektrische Leitfahigkeit waflriget Losungen
Beispiel 36: Fur einen Vergleich der Kupfer- and Aluminiumsdlienen soil
die Temperatur der Erwarmung der beiden Sdiienen bei einer Stromstarke von
1000 A unter Benutzung der Formel von Kannely bei einer Temperatur in den
Werkraumen von 25' C bestimmt werden.
Losung:
a) Kupferschiene:
F=-.- 1000 _ 926 mm2 = 92,6 ? 10 mm;
Z 1,08
e_ -2- 85.10002.0,0175
F - n _ 9.6.205,2
d. h., die Temperatur der Sduene bstragt 25 + 7,84 , 33?C,
R33 = 0,0175 [1 + 0,04 (33 - 15)] = 0,0175 ? 1,072
= 0,0188 Qlm/mm2,
p _ 85 . 10002 . 0,0188 8,40c;
ft 6 - 205,2
b) Aluminiumschiene:
F - 1000
0,487 2050 mm2 =137.15 mm2;
o _ 85 ? 10002 - 0,0287 = 3,950C,
2050 ? 302
d. h., die Temperatur der Schiene betragt 25 + 395 .:: 29?C;
R29 = R15 1'+ (29 - 15)] = 0,0287 [1 + 0,045 (29 -15)]
0,0287 = 0,0305 D/m/mm2
o _ 85 - 10002 . 0,0305
2050. 302 = 4,20 C.
Aus dem Beispiel ist ersichtlich, dal die Aluminiumschiene mit einem wirt-
schaftlichen Quersdmitt nur halb so stark erwarmt wird.
6. Elektrische Leitf5higkeitwal3riger Losungen
Die elektrisdie Leitfahigkeit der waIrigen Losungen der Elektrolyte wird
durch das Vorhandensein von Ionen, die die Elektrizitat ubertragen, erklart.
Vorlaufig kann man die Frage als ungeklart ansehen, ob der ganze Stoff, der
im Wasser gelost ist, vollstandig in Ionen zerfallt oder nur ein gewisser (dis-
soziierter) Teil. Ein teilweiser Zerfall (Dissoziation) in Ionen des im Wasser ge-
losten Stoffes erscheint als die Grundlage der Theorie der elektrolytischen
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Dissoziation von Svante-Arrhenius. Dagegen hatten mehrere experimentelle
Tatsachen die amerikanische Schule der Physiker and Chemiker (Lewis u. a.)
veranlaf3t, das Vorhandensein des gelosten Stoffes nur in Form von Ionen an-
zuerkennen, d. h. als vollkommen in der Losung zerfallene Stoffe.
Ohne die Einzelheiten der beiden Theorien zu beri1hren, mug man bemer-
ken, daf3 die Theorie von Arrhenius bei der Anwendung auf schwache Elektro-
lyte weniger Widerspriiche aufweist, wahrend die Theorie der starken Elektro-
lyte (begrundet von Debye, Hiickel, Millner, Onsager) in Anwendung auf
starke Elektrolyte bessere Ergebnisse erzielt.
Soweit wir bei den metallurgischen Beredinungen mit Losungen starker Elek-
trolyten zu tun haben werden, werden wir uns auf die Annahme stutzen, da13
der Stoff in der Losung nur in Form von Ionen vorhanden ist.
Die Losungen, ebenso auch die Metalle, besitzen einen bestimmten Wider-
stand, der in der Regel bei ihnen viel gro1 er ist als bei den Metallen. Vie auch
bei den Metallen wird die elektrisdie Leitfahigkeit bei den Losungen durch die
gleiche Formel ausgedruckt:
1
a=-.
Die spezifische elektrische Leitfahigkeit ist die elektrisdie Leitfahigkeit ernes
Wurfels alit der Kantenlange von 1 cm, d. h. die elektrisdie Leitfahigkeit von
I cm' der Losung. Die spezifische elektrische Leitfahigkeit der Losungen andert
sich sehr merklich mit der Anderung der Konzentration and der Temperatur.
Zum Untersdied von der elektrischen Leitfahigkeit der Metalle vergrof3ert sich
die elektrische Leitfahigkeit der Losungen bei einer Temperaturerhohung:
at = a18 [1 -t- (t - 18)],
wo a die elektrische Leitfahigkeit der Losung bei der Temperatur von t ? C,
a18 die bekannte elektrische Leitfahigkeit bei 18 ? C,
a der Temperaturkoeffizient der Anderung der elektrischen Leitfahigkeit
der Losung bei einer Temperaturerhohung um 1 ? C
ist.
Ganz genaue Ergebnisse liefert these Formel bei Temperaturen von 30 bis
35 ? C. Bea hoheren Temperaturen sind die berechneten Ergebnisse etwas grof3er
als die experimentellen.
In der Tafel 6 sind die Elektroleitfahigkeiten von Losungen einiger wichtiger
Salze in Abhangigkeit von der Konzentration der Losungen angegeben, auf3er-
dem sind die spezifischen Gewichte der Losungen d and der Temperatur-
koeffizient der Elektroleitfahigkeit a angegeben.
In Bild 1 sind die Werte der Elektroleitfahigkeit einiger typisdier Elektrolyte
and in Bild 2 die Werte des spezifischen Widerstandes 1 N der Losung des
sdiwefelsauren Nickels bei 25 ? C in Abhangigkeit vom Gehalt an Salzen der
Alkalimetalle, des Magnesiums and der Borsaure in.der Losung dargestellt.
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6. Elektrische Leitfahigkeit wairiger L6sungen 39
7afel6
Elektristhe Leitfahigkeit, spezifisches Gewicht
and Temperaturkoeffizient der elektrischen Leitfahigkeit einiger Salzlosungen.
2,5
5,0
10,0
15,0
17,5
5
10
15.
20
25
30
0,321
0,658
1,387
2,194
2,631
0,651
1,371
2,169
3,053
4,040
5,124
0,504
1,060
1,674
2,354
3,112
3,958
4,902
1,0246
1,0531
1,1073
1,1675
1,2003
1,0509
1,1069
1,1675
1,2323
1,3045
1,3788
1,0486
1,1026
1,1607
1,2245
1, 2950
1,3725
1,4575
0,0109
0,0189
0,0320
0,0421
0,0458
.0,0191
0,0321
0,0415
0,0468
0,0480
0,0444
0,0145
0,0247
0,0325
0,0388
0,0430
0,0436
0,0424
0,0213
0,0216
0,0218
0,0231
0,0236
0,0225
0,0223
0,0228
0,0241
0,0258
0,0273
0,0206
0,0206
0,0208
0,0214
0,0223
0,0236
0,0254
5,0
10,0
15,0
17,5
10
15
20
25
30
5
10
15
20
25
30
35
0,5
1,0
2,0
3,0
0,5
1,0
2,0
3,0
3,56
0,689
1,476
2,034
3,231
4,257
5,321
6,639
1,0379
1,0759
1,1503
1,2219
1,0344
1,0692
1,1375
1,2018
1,2359
1,0456
1,0982
1,1343
1,2108
1,2756
1,3400
1,4187
U
F -o
0,0153
0,0231
0,0254
0,0227
0,0385
0,0241
0,0452
0,0250
0,0154
0,0218
0,0258
0,0218
0,0390
0,0223
0,0461
0,0231
0,0470
0,0243
0,0190
0,0221
0,0315
0,0216
0,0372
0,0216
0,0433
0,0223
0,0425
0,0242
0,0383
0,0265
0,0300
0,0294
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11. Elektrische Leitfahigkeit
yo
KCl
N
H
aCt
CH ~
OR
3 4 5 6 7 8 9
lranientrvt/on g-Aquira/ent/l
Bild r. Abhangigkeit der spezi f ischen Leitfahigkeit
einiger Elektrolyte von der Konzentration
yy
s
Zs. ? SO
113 803
DSO
0,1 42 Q3 at 5 46 0,7 0,8 0,9 LO
lvnzentrat/on y Aquira/ent/l
Bald 2. Abhangigkeit des spezifischen Wider-
standes einer 1 n Nickelsulfatlosung bei 250C
vom Gehalt an Alkalimetallsalzen, Magnesium-
sulfat and Borsaure in der Losung
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6. Elektriscbe Leitfahigkeit wairiger Losungen
0 so NO !so
A"onrenlrat, on der Awl -Au, -WTrm totfaoure y/t
Bild 3. Abhangigkeit des spezifischenWiderstandes
einer Bleifluokieselsaurelosung (iooll Pb) von der
Temperatur and vom Gehalt an freier Fluokiesel-
saure
In Bild 3 ist die Abhangigkeit des spezifischen Widerstandes des kieselfluor-
sauren Bleielektrolyten, der 100 g Blei auf einen Liter Losung enthalt, von der
Temperatur and vom Gehalt der freien Kieselfluorwasserstoffsaure dargestellt.
Beispiel 37: Es soil die spezifische Leitfahigkeit einer 12,5?/oigen Losung
schwefelsauren Kadmiums bei 35 ? C bestimmt werden.
Losung: Zunadist bestimmen wir aus der Tafel 6 die spezifische Leitfahigkeit
einer 12,5?/oigen Losung schwefelsauren Kadmiums bei 18? C als das arith-
metische Mittel aus den Werten der elektrisdien Leitfahigkeit fur die 10- and
15?/oigen Losungen:
0,0247 ? 0,0325
O g= 2 ' = 0,0286 S cm3
Analog finden wir auch den Temperaturkoeffizienten der 12,50/oigen Losung:
a = 0,02(6 2 0,0208 _ 0,0207.
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Dann erhalten wir:
a35 = a18 [1 + a (35 -18)] = 0,0286 (1 + 0,0207 ? 17)
= 0,0286 . 1,352 = 0,0387 S
Beispiel 38: Es soil der spezifische Widerstand einer Kupfervitriollosung in
der Konzentration von 8,350/0 bei 31,50 C bestimmt werden.
Losung: Zunadist finden wir die spezifische Leitfahigkeit einer 8,35?/oigen
Kupfervitriollosung bei 180 C durch Interpolation der Werte der elektrisdien
Leitfihigkeiten der 5- and 10?/oigen Losungen. Eine Losung in der Konzen-
tration von 50/0 hat a = 0,0189 and die 10?/oige Losung a = 0,0320. Aus dem
Verhaltnis
folgt
5: 0,0131 = (8,35 - 5 = 3,35) : X
X_ 0,0131 ?3,35 = 0,0088.
5
Folglich wind die elektrische Leitfahigkeit einer 8,35?/oigen Losung bei 180 C
betragen:
a18 = 0,0189 + 0,0088 = 0,0277 S.
and bei einer Temperatur von 31,5 0 C
0'31,5 = 0'18 [1 + a (31,5 -18)] = 0,0277 (1 + 0,0217 ? 13,5)
0,0277 ? 1,293 = 0,0358 S
_ 1 = 1 =27,9Qcm3
- a 0,0358
Beispiel 39: Ein Elektrolyt im Bad fur die Elektroraffinierung von Blei hat
folgende Zusammensetzung: 100 g11 Pb and 100 gll HYSiFs (freie). Die Tem-
peratur des Elektrolyten betrigt 300 C. Es soil die spezifisdle Leitfahigkeit
eines solchen Elektrolyten bestimmt werden.
Losung: Aus dem Diagramm in Bild 3 finden wir fur 100 gli Pb and 100 g/l
H2SiF6 e30 = 5,54.Q/CM 3. Daraus folgt:
= 0,1805 S.
aso = Q30 = 5'.54
7. Die Bestimmung des Widerstandes des Elektrolyten
nadl der Methode von Skowronski
In der Praxis hat man nicht mit den reinen neutralen Losungen zu tun, son-
dern in der Regel snit angesiuerten and verunreinigten Elektrolyten. Die An-
sauerung, die Erwarmung des Elektrolyten and mandunal audl der Zusatz von
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Salzen bezwecken die Erhohung der elektrischen Leitfahigkeit der Losung. Aus
demselben Grunde wind das Ansammeln von Beimischungen in der Losung, die
ihre elektrische Leitfahigkeit herabdrUcken, verhindert.
Das Ansauern and auch das Erwarmen des Elektrolyten haben ihr techno-
logisches and wirtschaftliches Optimum, das gewohnlich auf eaperimentellem
Wege bestimmt wird. Die technologischen Faktoren (Auflosung des Kathoden-
satzes) zwingen sogar in manchen Fallen, die Losung his auf eine bestimmte
Temperatur abzukiihlen, obgleidt dadurch der Widerstand der Losung erhoht
wird (Elektrolyse von Zink).
Die Berednung der elektrischen Leitfahigkeit der Werkselektrolyten ist sehr
schwierig. Es gibt nosh keine Methoden, die die Beredinung der elektrisdhen
Leitfahigkeit and des Widerstandes der verunreinigten Werkselektrolyten unter
Berucksichtigung d'er Anderung der Konzentration der gelosten Komponenten
and der Temperatur des Elektrolyten ermoglidien. Nur fur die Elektrolyten
des Kupferraffinierungsbades ist eine solche Methode von Skowronski aus-
gearbeitet worden.
Diese Methode, die nadi der Analyse des Elektrolyten die Beredmung seines
Widerstandes gestattet, hat eine gro& praktische Bedeutung. Skowronski fiihrt
einen neuen Begriff ein: prozentualer Widerstand. Als den prozentualen
Widerstand bezeichnet er die Anderung des Widerstandes bei versdiedenen
Temperaturen, due mit dem Widerstand des Elektrolyten bei einer bestimm-
ten Temperatur verglichen wird, wobei er diesen Widerstand mit 1000/o an-
nummt.
Elektrolyse von Kup f er
Die Anderungen des Widerstandes, die durdi die Anderungen der Tempe-
ratur and den Sauregehalt des Kupferelektrolyten hervorgerufen werden, sind
in den Tafeln 7 and 8 angefiihrt. Fur die Elektroraffinierung von Kupfer wird
als die iibliche Temperatur des Bades 55' C angenommen.
?afel7
Einflul3 der Temperatur auf den prozentualen Widerstand
Konzentra-
tion der
Schwefelsaure
g/1
100
111,2
107,2
103,4
100
97,1
94,4
92,2
150
112,3
107,5
103,5
100
96,8
94,1
91,6
175
112,2
108,1
103,8
100
96,6
94,0
91,4
200
113,9
108,2
103,8
100
96,7
93,6
90,9
250
114,2
108,8
104,2
100
96,5
93,2
90,3
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Jaf el 8
Einfluli des S3uregehalts auf den prozentualen Widerstand
Konzentra-
tion der
Schwefelsaure
g/1
100
137.8
138,7
138,9
139,1
139,5
139,9
140
150
100
100
100
100
100
100
100
175
89,6
89,6
89,4
89,1
89,2
89,1
88,9
200
82,2
82,2
81,7
81,5
81,4
81,1
80,9
250
72,9
72,5
72,2
72,7
71,5
71,1
70,8
Aus Tafel 7 ist ersiditlidi, dag, wenn der Widerstand der Schwefelsaure-
losung bei 550 C mit 100% angenommen wird, der prozentuale Widerstand
bei den anderen Temperaturen von der Konzentration der Schwefelsaure fast
gar nicht abhangen wird. Aus Tafel 8 ist ersichtlich, daf3, wenn der Wider-
stand der Losung mit einem Gehalt von 150 gll H2SO4 mit 100?/o angenommen
wird, der prozentuale Widerstand der Losungen mit einem anderen Sauregehalt
von der Temperatur fast gar nicht abhangen wird.
Es mug be?nerkt werden, daf3 wir mat 100?/o nicht nur den Widerstand einer
Losung, die 150 gIl H2SO4 bei 55 0 C enthalt, annehmen konnen, sondern auch
den Widerstand einer beliebigen anderen Losung. Urn den spezifischen Wider-
stand einer Losung mat einem bekannten Sauregehalt bei gegebener Temperatur
zu bestimmen, wird die folgende Formel benutzt:
Rp1 ? p,
P - 100. 100
(31)
wo a der spezifische Widerstand der gesuchten Losung,
R der spezifisdie Widerstand der Losung, die 100 g/l enthalt and bei
55' C 1,364 Q /cm3 betragt,
p1 der prozentuale Widerstand der Losung mit einem gegebenen Gehalt
an H2SO4 - ?Beriditigung fur den Sauregehalt",
p2 der prozentuale Widerstand bei der Temperatur der gesuchten Losung
- ,Berichtigung fur die Temperatur"
ist.
Mit Hilfe der Tafeln 7 and 8 and der Formel (31) kann man die Aufgaben
der Bestimmung des spezifisrhen Widerstandes der Losungen mit versdviedenem
Sauregehalt im Temperaturbereich von 40 bis 70' C losen.
Wenn der Sauregehalt and die Temperatur der gesuchten Losung innerhalb
der in der Tafel angegebenen Zahlen liegen (z. B. t = 51,50 C Gehalt an
H2S04 - 127 g/l), so wird der entsprechende prozentuale Widerstand durch
Interpolation gefunden. Fur die Erleichterung der Beredinungen fuhren wir
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7. Bestimmung des Widerstandes der Elektrolyten nach der Methode Skowronski 45
hier eine genauere Tafel der Anderung des prozentualen Widerstands mit dem
Sauregehalt bei 55 o C an (Tafel 9).
Tafel 9
Anderung des prozentualen Widerstands mit der Anderung des Sauregehaltes
Schwefelsaure-
gehalt
g/1
Widerstand
Ohm/cm3
Prozentualer
Widerstand
Prozentuale
Differenz
1 g/1 d -Saure
100
1,903
139,48
1,082
110
1,755
128,66
0,950
120
1,625
119,16
0,742
130
1,524
111,74
0,669
140
1,433
105,05
0,505
150
1,264
100,00
0,495
160
1,296
95,05
0,403
170
1,240
91,02
0,2362
180
1,191
87,40
0,317
190
1,148
84,23
0,276
200
1,111
81,47
0,246
210
1,077
79,01
0,218
220
1,047
76,83
0,194
230
1,024
74,89
0,172
240
1,000
73,17
0,153
250
0,978
71,64
0,137
260
0,959
70,27
0,124
270 0,942
69,03
Die Werkselektrolyten sind keine reinen Losungen der Schwefelsaure, son-
dern enthalten eine grol3e Menge Kupfer and auch sine ganze Reihe von Bei-
mischungen: Nickel, Eisen, Arsen usw.
Durch die Versuche von Skowronski and Reinoso wurde bewiesen, da13, wens
der Schwefelsaurelosung eine gleiche Menge von Kupfer-, Nickel- und Eisen-
sulfaten oder vouch Arsensaure zugesetzt wird, der spezifische Widerstand bei ver-
schiedenen Temperaturen and Sauregehalten verandert, aber der prozentuale
Widerstand der Losungen nicht verandert wird. Andererseits ist die VergroBe-
rung des Widerstandes als Ergebnis des Zusatzes zur Losung von Kupfer, Nickel,
Eisen oder Arsen in einer Menge his zu 30 g/l der Menge des zugesetzten Salzes
proportional.
Nach den Angaben von Skowronski erhoht side der Widerstand des Elektro-
lyten wie folgt:
1 g/l Cu . . . . . . . um 0,657 0/0,
1 g/l Ni . . . . . . . um 0,766 0/o,
1 g/l Fe . . . . . . . um 0,808 0/0,
I g/l As . . . . . . . um 0,0725 0/0,
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Den Widerstand eines Werkselektrolyten kann man nach folgender Formel be-
rechnen:
2 _ (Rp1p2 (100 -}- 0,657 ? Cu) (100 -{- 0,766 ? Ni)
100. 100. 100. 100
?(100+0,818 ? Fe) (100+0,0725 ? As) (32)
100. 100
wo R1 der Widerstand der Losung mit cinem Gehalt an H2SO4 von 150 gll
bei 55 ? C, der 1,364 Q Icm3 betragt,
pl Berichtigung fur den Sauregehalt,
P2 Berichtigung fur die Temperatur,
Cu der Kupfergehalt im Elektrolyt, g1l,
Ni der Nickelgehalt im Elektrolyt, gll,
Fe der Eisengehalt im Elektrolyt, g/l,
As der Arsengehalt im Elektrolyt, g/l
ist.
Es mug bemerkt werden, daI3, soweit der Sdiwefelsauregehalt durch Titration
mit Alkali bestimmt wird, vom gesamten Sauregehalt 213 des Arsengehalts in
Elektrolyt abgezogen werden mussen. Diese Differenz ergibt audi den tatsach-
lichen Gehalt an Schwefelsaure im Elektrolyt.
Beispiel 40: Es ist der spezifisdie Widerstand einer Sdiwefelsaurelosung, die
125 gil an H2SO4 enthalt, bei einer Temperatur von 42,7 ? C zu bestimmen.
Losung: Wir finden zuerst den prozentualen Widerstand der Saure mit einer
Konzentration von 125 gll unter der Benutzung der Tafel 9:
p1=111,74 + 5 ?0,742 =115,45 ?/0.
Nach Tafel 7 finden wir den prozentualen Widerstand der Saure mit einer
Konzentration von 125 gll bei 42,7 ? C. Zu diesem Zweck entnehmen wir aus
der Tafel die mittleren Werte fur die Losungen, die 100 and 150 gIl H2SO4
enthalten, bei 40 and 45 ? C:
bei 40 ? C p = 111,2 2 112,3 = 111,75 010;
P _ 107,2 -}-107,5 2 =107,35 ?/?.
Der prozentuale Widerstand der Saure bei 42,7 ? C betragt dann:
p2 =107,35 + (111,75 - 107,35) ? 2,7
=107,35 + 2,37 =109,72 ?/o.
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7. Bestimmung des Widerstandes der Elektrolyten nach der Methode Skowronski 47
Aus der Formel (31) erhalten wir:
R pi ' p2 - 1,364 115,45 ? 109,72
100. 100 100 ? 100
1,364 ? 126,7 =1,728 Q/cm3.
Beispiel 41: Es ist der spezifisdie Widerstand des Elektrolyten m it folgender
Zusammensetzung (g/1) zu bestimmen: gesamter Sauregehalt 163,48; Kupfer
40,99; Nickel 21,49; Eisen 3,00; Arsen 13,72. Die Tamperatur des Elektrolyten
betragt 55 0 C. Der experimentell bestimmte spezifische Widerstand dieses Elek-
trolyten betragt 2,034 Q /cm3.
Losung: Wir bestimmen den Gehalt an Schwefelsaure im Elektrolyt:
163,48 - 2/3 ? 13,72 = 163,48 - 9,15 = 154,33 g/l.
Der prozentuale Widerstand der Schwefelsaure betragt:
PI = 100 - 4,33.0,495 = 100 - 2,14 = 97,86 ?/o.
Der prozentuale Widerstand des Kupfers betragt:
100 + 0,657 = 100 + 26,93 = 126,93%.
Der prozentuale Widerstand des Nickels betragt:
100 + 0,766 = 100 + 16,45 = 116,45 ?/o.
Der prozentuale Widerstand des Eisens betragt:
100 + 0,818.3 = 100 + 2,46 = 102,46 ?/o.
Der prozentuale Widerstand .des Arsens betragt:
100 + 0,0725. 13,72 = 100 + 1,00 = 101,0?/o.
Dann erhalten wir:
97,86 ? 126,93 ? 116,45 ? 102,46 ? 101
e _ R 100 ? 100 ? 100. 100. 100
=1,364 ? 1,497 = 2,04 Q/cm3.
Die Zusammensetzung der Losungen im Bad fur die Elektrolyse von Zink
sdiwankt in sehr grog ern Bereidi, wodurdi sic side von den Losungen fur die
Elektroraffinierung von Kupfer untersdieidet, bei denen die analytischeMethode
von Skowronski anwendbar ist. Die Formeln fur die Bestimmung des Wider-
standes des Zinkelektrolyten sind sehr kompliziert, deswegen geben wir den
spezifisdien Widerstand des Elektrolyten (bei 25 and 400 C) in Form von zwei
Tafeln (Tafel 10 and 11) in Abhangigkeit von der Konzentration der Saure
and des Zinks an. Die Zahlenangaben sind als Ergebnis der Auswertung der
experimentellen Angaben von Tartar and Keii sowie von Prof. Baimakow
and Kosunow ermittelt worden.
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9afel to
Spezifischer Widerstand der sauren Loswngen des Zinksulfats bei 25? C in Sllcm3
der
Schwefelsaure
g/1
30 I
40
60
80
100
50
5,43
5,79
6,10
6,38
6,70
60
4,68
5,00
5,33
5,66
6,00
70
4,12
4,42
4,73
5,12
5,45
80
3,65
3,97
4,26
4,65
5,00
90
3,29
3,59
3,89
4,27
4,64
100
3,00
3,28
3,56
3,95
4,33
110
2,74
3,02
3,30
3,70
4,06
120
2,56
2,80
3,08
3,42
3,82
130
2,42
2,64
2,90
3,23
3,62
140
2,31
2,51
2,74
3,01
3,45
150
2,21
2,40
2,63
2,92
3,29
160
2,13
2,31
2,52
2,80
3,15
170
2,05
2,22
2,43
2,69
3,03
180
1,98
2,15
2,35
2,59
2,91
190
1,92
2,08
2,27
2,51
2,80
200
1,86
2,03
2,21
2,44
2,70
210
1,83
1,97
2,16
2,37
2,63
220
1,79
1 1,92
2,11
2,31
2,57
230
1,76
1,88
2,08
2,27
2,52
Konzentration
der
Schwefelsaure
g/1
30
40
60
80
100
50
4,96
5,15
5,26
5,57
5,71
60
4,17
4,41
4,69
4,99
5,25
70
3,63
3,88
4,16
4,49
4,78
80
3,22
3,47
3,74
4,07
4,38
90
2,92
3,15
3,41
3,75
4,04
100
2,65
2,88
3,14
3,47
3,73
110
2,43
2,65
2,92
3,23
3,49
120
2,24
2,44
2,70
3,00
3,25
130
2,09
2,28
2,53
2,82
3,07
140
1,97
2,16
2,38
2,65
2,90
150
1,87
2,05
2,25
2,50
2,76
160
1,79
1,96
2,16
2,39
2,64
170
1,72
1,87
2,C6
2,28
2,52
180
1,66
1,81
1,99
2,20
2,42
190
1,61
1,74
1, 92
2,12
2,33
200
1,56
1,69
1,85
2,04
2,25
210
1,52
1,65
1,79
1,97
2,18
220
1,48
1 1,60
1,74
1 1,92
2,12
230
1,42
1,55
1,70
1,87
2,05
Konzentration
Zinkgehalt in der Losung, gl1
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7. Bestimmung des Widerstandes der Elektrolyten nach der Methode Skowronski 49
Beispiel 42: Es ist der spezifisdie Widerstand des Elektrolyten, der 54 g/l Zn
and 104 gll H2SO4 enthalt, bei einer Temperatur von 40 ? C zu bestimmen.
Losung: Die benotigte Zahlenangabe finden wir durch Interpolierung: Die
Losung, die 40 g/1 Zn and 100 g/l H2SO4 enthalt, hat einen spezifischen Wider-
stand von 2,88 Q and die Losung mit 60 g/l Zn and 100 g/1 H2SO4 einen
solchen von 3,14 D. Fur je 20 g/l Zn erhoht side der spezifisdhe Widerstand
um 3,14 - 2,88 = 0,261 and fur je 14 g/l Zn (54 his 40):
X = 0,26 - 14 = 0,181.
Der spezifische Widerstand der Losung mit 54 g/l Zn and 100 g/1 H2SO4
betragt:
2,88 -i- 0,18 = 3,061.
Analog finden wir den Widerstand der Losung mit 54g/l Zn and l l0 g/1 H2SO4:
40 g/l Zn and 110 g/l H2SO4 Lo=2,65.Q
60 g/ l Zn and 110 g/l H 2SO4 e = 2,9212
Auf je 20 g/l Zn erhoht side der spezifische Widerstand um 0,27 12 and auf je
14 g/l Zn:
X- 0,27? 0,14 = 0,19 fl.
0,20
Der spezifische Widerstand der Losung mit 54 g/l Zn and 110 g/l H2SO4
betragt:
e=2,65+0,19=2,8412.
Jetzt interpolieren wir nach dem Sauregehalt:
54 g(1 Zn and 100 g/l H 2SO4 Lo=0,306D
54 g/l Zn and 110 g/l H2SO4 Lo=0,284.Q
auf 10 g/l H2SO4 de = 0,22 Q
auf 4 gel H 2SO4 X
X = ?'210 4 = 0,0912.
Somit betragt der spezifische Widerstand der Losung mit 54 g/l Zn and 104 g/l
H2SO4:
e = 3,06 - 0,09 = 2,97Q/cm3
Cr = e = 2 97 = 0,337 Siemens.
Beispiel 43: Es ist der spezifisdbe Widerstand eines Elektrolyten mit 55 gll Zn
and 110 g/l H2SO4 bei einer Temperatur von 35 o C zu bestimmen.
4 Agejenkow, Elektrometallurgie
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Losung: Wie auch im vorhergehenden Beispiel finden wir zuerst den spezifi-
schen Widerstand des Elektrolyten mit 55 g/1 Zn and 110 g/1 H2SO4 bei 25 ? C:
40 g/l Zn and 110 g/l H2SO4 e = 3,02 S2
60 g/1 Zn and 110 g/l H2S04 e = 3,3051
auf 20 g/1 Zn de = 0,28
auf 15 g/l Zn X:
X= 0'220i5=0,215.
Der Widerstand des Elektrolyten bei 25 ? C betragt:
e = 3,02 + 0,21 = 3,2352.
Analog finden wir auch den Widerstand bei 40' C:
40 g/l Zn and 110 g/l H2S04
e = 2,65
60 g/l Zn and 110 gel H2SO4
e=2,95
auf 20 gll Zn
ee = 0,30
auf 15 g/l Zn
X:
0,30 - X 20 = 0,23s?.
Der Widerstand des Elektrolyten betragt also bei 40? C:
e = 2,65 + 0,23 = 2,88 D.
Durch Interpolation aus den beiden ermittelten Zahlen (2,88 and 3,23 S1)
bestimmen wir den Widerstand bei 35 ? C:
bei 400c 2,88.Q
bei 25?C 3,2312
auf 15?C de = 0,35.Q
auf 5? C (40 - 35)X:
X=0,315.5=0,12.12
Folglich betragt der spezifische Widerstand des Elektrolyten mit einem Gehalt
von 55 ,g/1 Zn and 110 g/l H2SO4 bei einer Temperatur von 35 ? C:
e = 2,88 + 0,12 = 3,00 9/cm3,
and die spezifische Leitfahigkeit ist:
? = e = 3,00 = 0,333 S.
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III. Theoretische Grundlagen des Elektrolyseprozesses
S. Normales Potential
Auf Grund der Formel von Nernst erhalt ein in die Losung seines Salzes ge-
taudites Metall eine Ladung von einer bestimmten Gro& and mit einem be-
stimmten Vorzeichen, d. h., an der Grenze Metall - Losung seines Salzes ent-
steht ein Potentialsprung:
(33)
ist. 'das elektrochemische Aquivalent (ein Faraday = 96500 Coulomb)
.
Wenn P grofier ist als p, sendet das Metall die lonen in die Losung and wind
dabei selber negativ aufgeladen. Wenn P kleiner ist als p, so werden die Ionen
aus der Losung auf dem Metall niedergeschlagen and laden es positiv auf.
Der physikalisdle Sinn der Gr6f3e P ist unklar, and in den modernen Lehr-
budiern der physikalischen Chemic wird fur den Potentialsprung an derGrenze
Metall - Losung seines Salzes ein anderer Ausdruck angefiihrt:
E = R In k - n F In [Me" (+)] (34)
In dieser Formel bedeuten R, T, n and F die gleidhen Gr6f3en wie oben.
(Me"(+)] bedeutet dieAktivitat (Konzentration) der Melallionen in der Losung
[sie wird auch mit aMe bezeichnet), and k = [Me" (+)] ist die Aktivitat (oder
die Konzentration) der Metallionen, bei welcher an der Grenze Metall - Losung
der Potentialsprung nidit eintritt, d. h., die lonen in der Losung and auf der
Oberfladie des Metalls befinden side im Gleidigewicht.
E= FInP
P
wo P der elektrolytische Losungsdruck des Metalls,
p der osmotische Druck der Metallionen in der Losung,
R die Gaskonstante,
T die absolute Temperatur,
n die Wertigkeit des Metalls,
RT "(+)
E=Eo- nF In [Me ] =Eo- nF In axe"(+l). (35)
Eotragt die Bezeichnung eines Normalpotentials, and das zweite Glied derGlei-
diung gibt ein Korrekturglied fur die Konzentration der Metallionen in der
Losung.
zeidulet wird. Dann erhalt die Formel (34) folgendes Aussehen:
Die Grof3e R
T In k ist bei T= const eine konstante GrOf3e, die mitE0 be-
tiT
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52 111. Theoretische Grundlagen des Elektrolyseprozesses
Gewohnlich werden die Normalpotentiale der Metalle in der Losung ihrer
Salze mit einer Konzentration von 1 g Ion in 1 1 gemessen. Bei genaueren Mes-
sungen bezieht sick das Normalpotential auf eine Losung, in der die eAlaNull,
der Metallionen gleidz 1 ist, d. h., das zweite Glied der Gleichung (3) w
and das beobachtete Potential E ist dem Normalpotential Eo gleich.
Die Aktivitat der Metallionen in der Losung erhslt man durdi Multiplikation
der stochiometrischen Konzentration des Ions mit dem Koeffizienten der Aktivi-
tat diesel Ions in der Losung der gegebenen Konzentration.
Bei den Salzen ist der Koeffizient der Aktivitat gewohnlich kleiner als eins,
and die Aktivitat der Metallionen in der Losung ist kleiner als ihre stodiio-
metrische Konzentration. In Tafel 12 sind die Werte der Normalpotentiale bei
25o C angefuhrt.
Es mug bemerkt werden, daf3 das Normalpotential eine relative Gr6f3e ist,
well es in bezug auf die Wasserstoffelektrode, deren Normalpotential'mit Null
angenommen wird, gemessen wurde and weil zum Potentialsprung an der Grenze
Metall - Losung nosh ein unbefannter Potentialsprung an der Grenze Metall
- Metall, and zwar an der Kontaktstelle des Metalls der Elektrode and der
Kupferleiter mit den Gersten, zugeschlagen wurde. Die Vorzeichen der Poten-
tiale sind ebenfalls nur bedingt. Nach Luther 1st diejenige Elektrode positiv, die
sich bei einer Verbindung mit der Wasserstoffelektrode positiv aufladt, aber
nails Lewis 1st das Potential der Elektrode positiv, bei dem die Reaktion an der
Elektrode ohne Stromzufuhr von aufien verlauft, d. h. dieElektrodeinL.osung
geht. Die Bezeidsnungen nadi Lewis erlangen eine immer grofiere Verbreitung
and rind auch in das vorliegende Lehrbuch eingefiihrt, da sie thermodynamisch
besser begrundet sind.
Als das Nullpotential ist das Potential der Ausscheidung von Wasserstoff
am Platinschwamm aus einer Schwefelsaurelosung mit einer Aktivitat der
Wasserstoffionen gleids 1 (ca 2-normal) bei einem Wasserstoffdruck von I at an-
genommen. Die elektrochemisdien Prozesse sind mit einer Umwandlung der
elektrischen Energie in chemische and auch umgekehrt met der Umwandlung der
chemischen Energie in die elektrische verbunden.
Die Energiemenge, die fur I g ?equivalent des Stoffes bei der einen oder ande-
ren Umwandlung aufgewendet oder erzeugt wird, ist dem Produkt von einem
Farad, d. h. der Elektrizitatsmenge, mit dem Normalpotential der Umwand-
lung (Spannung) gleich oder, in allgemeiner Form:
A = FE,, = 96 500 ?0,23876) . Eo = 23 060 Ee,
A = 23060 nEo, (36)
wo n die Wertigkeit des Metalls,
A die maximale Arbeit der Reaktion
ist.
6) 1 Joule (Volt-Coulomb) = 0,2387 cal.
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Diese Formel gibt den Zusammenhang der maximalen Arbeit der Umwandlung
(bei einem umkehrbaren Prozef) in Kalorien mit dem Normalpotential.
9'afel f2
Normalpotentiale bei 25 ?. (Spannungsreihe)
Elektrode
Normal-Potential
V
Li I
Li+
Li -+Li++e*
+ 2,959
Rb
Rb+
Rb -. Rb++e
+2,926
K
Sr
K+
++
S
K -, K++e
S
++
+ 2,9284
I
Ba I
Ca I
r
Ba++
++
C
r -- Sr
+2e
Ba -? Ba+++2e
C
++
+2,99
+ 2,90
a
a -. Ca
+2e
+2,76
Na I
Na+
Na -,. Na++e
+2,7185
Mg I
Mg++
Mg-. Mg++-}-2e
+ 1,55
Al
Al+++
Al --A1++++3e
+ 1,33
Mn
Mn++
Mn-. Mn+++2e
10
+ 1
Pt(H)2
1OH-
1/2H2 + OH--+ H2O+ e
,
+0,828
Zn
F
I
I
Zn++
++
F
Zn -. Zn+++2e
++
+ 0,762
e
e
Fe Fe
+2e
+0,441
Cd
I
Cd++
Cd - Cd+++2e
+ 0,401
Ti
C
I
I
Tl+
++
C
TI -+ Tl++e
++
+ 0,33
o
Ni
I
o
Ni++
Co -- Co
+2e
++
+ 0,29
S
I
++
S
Ni -- Ni
+2e
++
+ 0,231
n
Pb
I
n
Pb++
Sn . + Sn
+2e
++
+ 0,136
Pb Pb
+2e
+ 0,122
Pt(H2)
H+
1/2H2 H + + e
0,0000
Cu
Cu++
Cu -. Cu+++2e
- 0, 344
Cu
Cu+
Cu-.Cu++e
51
- 0
1-
112
21- --.12+2e
,
-0,535
Hg
I
Hg+
Hg-. Hg++e
- 0,799
Ag
I
Ag+
Ag--Ag++e
- 0,798
Hg-
I
Hg++
Hg-- Hg+++2e
- 0,86
Br-
Br2
2Br -+ Br2 + 2e
- 1,066
Cl-
I
C12
2C1--. C12 + 2e
- 1,359
Au
Au+
Au-.Au++e
- 1,5
F-
F2
2F--+F2+2e
- 2,8
Pt(OH-)
102
OH- -+ H2O + 1/202
- 0,398
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54 111. Theoretische Grundlagen des Elektrolyseprozesses
Tenn wir die maximale Arbeit in joule ausdriicken wollen and nicht in
Kalorien, so besitzt these Formel nur einen anderen Koeffizienten:
A = 96500 nEo. (37)
Die Metalle, die in der Spannungsreihe hoher stehen (weniger edle Metalle),
sind befahigt, die Metalle, die tiefer stehen (edlere Metalle), aus der Losung zu
verdrangen (zementieren). Fur die aktive Verdrangung ist ein Zwischenraum
zwischen den reagierenden Metallen von drei oder vier Gliedern der Reihe not-
wendig.
Die Formeln (36) and (37) geben den Zusammenhang zwisdien der maxi-
malen Arbeit der Reaktion and dem Normalpotential an. Da die maximale
Arbeit dem Verlust an freier Energie oder des thermodynamischen Potentials
gleidi ist (A = - d Z), bezeichnet man die Grof3e A mat umgekehrtem Vor-
zeichen als die molare freie Energie eines Ions. Zum Beispiel ist, wenn Zink in
Form von Ionen in die Losung ubergeht (Zn -. Zn++ + 2e),A=23060nEo
= 23060.2 ? (+ 0,762) = + 35140 cal, d. h., es wird Energie abgegeben.
Da aber die maximale Arbeit der Abnahme des thermodynamisdien Potentials
gleich ist:
A = -AZ=Z1-Z2,
betragt die molare freie Energie der Zinkionen:
AZ=-A=-35140 cal.
Das gleidie Ergebnis erhalten wir aus der Gleichung A = Zt - Z2, wo Zi das
thermodynamische Potential des festen Zinks, das gleich Null ist, darstellt (die
freien Energien der festen Elemente im genormten Zustand sind bei 25? C
gleich Null), and Z2 ist das thermodynamische Potential oder die freie Energie
der Zinkionen:
A= Z1-Z2 = 0-Z2 = -I- 35140 cal,
Z2 = - 35140 cal.
Bei der Benutzung der Tafeln der freien Energien, der maximalen Arbeiten
and der Normalpotentiale kann man leicht die freien Energien in maximale
Arbeiten and in Normalpotentiale iiberfiihren, wobei die Anderung des Vor-
zeichens nidit vergessen werden darf.
An den Elektroden konnen nicht nur solche Prozesse stattfinden, die mit dem
Abscheiden des Stoffes an der Elektrode in einer elektroneutralen Form Oder
mit einem Cbergang des Werkstoffes von der Oberfladie der Elektrode in die
Losung in Form von Ionen verbunden sind, sondern audi andere Prozesse, die
nur mit der Anderung der Wertigkeit der Ionen, die side an den Elektroden be-
finden (Oxydation oder Reduktion), verbunden sind.
Selbstverstandlich stellen auch das Ausscheiden des Elements an der Elek-
trode oder das Auflosen der Elektrode ebenfalls Vorgange der Reduktion and
der Oxydation dar, aber unter der Bezeidznung Oxydations- and Reduktions-
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55
vorgange versteht man gewohnlich eine viel engere Gruppe von Prozessen,
wenn die Elektrode selbst an -der Reaktion nicht beteiligt ist, sondern nur die
Rolle eines Obertragers der Elektronen spielt and an der Elektrode ein Gemisdt
des Oxydations- and des Reduktionsmittels vorhanden ist. In Tafel 13 sind
die Werte einiger normaler Oxydationspotentiale bei 25 o C angefiihrt, mit
denen wir auf die gleiche Art and nach den gleichen Formeln operieren kon-
nen, w:ie audi mit den in Tafel 12 angefiihrten Potentialen.
7afe1 13
Normale Oxydationspotentiale
Normales
Potential
V
Temp.
des
Proz.
oC
Co+++ Co++ I Pt
Co++++ E _, Co++
+ 1,817
15NH2SO4, Mn++++ Mn+++ I Pt
++++
Mn -{- E -. Mn+++
+ 1,642
15NH2SO4, Mn++++ Mn++ Pt
t/2Mn++++ E
-i t/2Mn++
+ 1,577
12
15NH2S04, Mn+++ Mn++ Pt
+
Mn++++- E -, Mn++
+1,511
12
+++ Cl+++ I Pt
H2SO4, Cl
++
Cl+++++ 2E Cl..
+ 1,431
17
+ Tl+ Pt
Tl
++
Tl++++ 2E --, Tl+ +1,211
18
Hg
, Hg2++ Pt
+++
Hg +++ E -+ 1/2Hg++
+0,901
25
Fe
, Fe++ Pt
++
Fe++++ E -, Fe++
+0,748
25
++ Sn++ I Pt
HCI, Sn
++++
Sn+++++ 2E -, Sn++
+-0,013
25
Ti
Ti+++ I Pt
Ti+++++ E -+ Ti...
+0,004
25
JNH2SO4, V+++ v++ I Pt
+4 +
V++++ -V++
-0,204
18
Cr
Cr++ I Pt
Cr++++ E -, Cr++
-0,400 25
Die Oxydations- and Reduktionsvorgange iiben einen gro1 en Einflul3 auf
den Vorgang der Elektrolyse aus. Sehr oft erscheinen sie als die Ursachen des
erhohten Energieverbrauches bei der Elektrolyse. Als ein Beispiel eines negativen
Einflusses der Oxydations- and Reduktionsvorgange auf die Elektrolyse kann
man das Verhalten des Eisens im Bad fiir die Kupferelektrolyse betraditen. Die
Spannung in jedem Bad betragt gewohnlich 1,8 bis 2,2 V, d. h., die Spannung
ist gro1 er als das Oxydationspotential Fe++. Das im Bad vorhandene zwei-
wertige Eisen wird an der Anode in dreiwertiges Eisen oxydiert. Die oxydier-
ten Ionen erreichen die Kathode, wo sie den Niederschlag des Kupfers Iosen
and dabei selbst wieder bis zum zweiwertigen Zustand reduziert werden. Soniit
ergibt side eine Wirkung, als ob die Eisenionen die elektrisdie Energie von der
Anode auf die Kathode iibertragen, wobei these Energie, die von den Eisen-
ionen iibertragen wird, iiberhaupt keinen Nutzeffekt (Kupferabscheidung) er-
zeugt.
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56 111. Theoretisehe Grundlagen des Elektrolyseprozesses
9. Elektrolytisdie Polarisation
Wenn wir durdi den Elektrolyten einen Strom bei E = 1 V sduds;en, ~6n-
nen wir feststellen, daft mit der Zeit die Stromstarke des durch das Bad flief3en-
den Stromes abf allt und praktisdi verschwindet. Als die Hauptursache dieser Er-
sdieinung ist der Abfall der elektromotorischen Kraft infolge der Entstehung
einer neuen elektromotorisdien Kraft, die in entgegengesetzter Riditung wirkt,
anzusehen, wobei die wirkepde elektromotorische Gegenkraft als die elektro-
motorische Kraft der Polarisation bezeidmet wird. Am wenigsten werden die
umkehrbaren Elektroden polarisiert, d. h. die Metalle, die in die Losung ihrer
Salze getaudit sind. Trotzdem wird audi in diesem Falle eine sogenannte Kon-
zentrationspolarisation infolge der Verringerung der Konzentration der Me-
tallionen an der Kathode und infolge der Vergrof3erung dieser Konzentration
an der Anode beobaditet. An den Elektroden bildet sich ein Konzentrations-
stromkreis mit einer bestimmten elektromotorischen Kraft, die vom Verhaltnis
dieser Konzentrationen abhangt.
Wenn dagegen bei der Elektrolyse Gase ausgesdneden werden, bildet sick
eine ziemlidi bedeutende diemisdte Polarisation -, es erscheint eine Gas-
elektrode; die elektromotorisdie Kraft der Polarisation ist dabei ebenfalls in
entgegengesetzter Riditung der wirkenden Kraft geriditet und ruft eine Er-
hohung des Energieverbraudtes bei der Elektrolyse hervor.
Die Konzentrationspolarisation wird verringert, wird aber nicht vollstandig
durdi das energisdie Vermischen und durdi die Temperaturerhohung des Elek-
trolyten verniditet, da diese Vermisdiung und die Temperaturerhohung die
Diffusion fi rdern (eine voile Vernichtung der Konzentrationspolarisation ist
infolge des Auftretens ewer doppelten Diffusionssdiicht an der Grenze Me-
tall - Liisung unmogiich). In den Tafeln 14, 15 und 16 ist der Einflufi der
Temperatur, der Stromdichte und des Kupfergehalts im Elektrolyt auf die Po-
larisation angegeben.
7af el 14
EinfluS der Temperatur auf die Polarisation bei einer Stromdiehte von 190 A/m
Temperatur
oC
Polarisation
V
Zusammensetzung
des Elektrolyten
gll
25
30
35
40
50
60
0,110
0,090
0,070
0,045
0,025
0,018
42 Cu
14,8 Ni
0,5 Fe
3,8 As
185,5 H2SO4
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9. Elektrolytische Polarisation - 57
7af el 15
Einflufi der Stromdidtte auf die Polarisation
(der Elektrolyt enthalt 32 g/1 Cu and 100 g/1 H2SO4)
Stromdichte
A/ms
0
+ 0,303
+
0,303
0
60
+0,265
+
0,325
0,060
100
+0,250
+
0,331
0,081
150
+0,232
+
0,335
0,103
Temperatur*50? C
0
+ 0,335
+
0,335
0
60
+0,307
+
0,340
0,033
100
+0,300
+
0,343
0,043
150
+0,295
+
0,345
0,050
7afel 16
EinfluE des Kupfergehalts in der Losung auf die Polarisation
bei einer Stromdidite von 190 A/mn and bei einer Temperatur von 57? C
Kupfergehalt
g/1
Polarisation
V
Zusatnmen-
setzung des
Elektrolyts, g/1
0,191
0,045
0,025
0,020
14,8 Ni
0,5 Fe
3,8 As
185,5 HaSO4
Die Angaben in den Tafeln 14 bis 16 illustrieren die Polarisation beim Elek-
troraffinieren von Kupfer, wo bei einer niedrigen Spannung je Bad (in
der Grof3enordnung von 0,3 V) die elektromotorisdie Kraft der Polarisation
als eine merkliche GroBe in der elektrisdien Bilanz des Bades erscheint.
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Die diemisdle Polarisation kann man vernidnen durch Zusatz von Verbin-
dungen, die sehr schnell mit den die Polarisation hervorrufenden Stoffen in
Reaktion treten.
Als Behr geistreiche Verfahren zur Depolarisation and folglich auch zur Ver-
ringerung des Energieverbrauches erscheinen die in der heutigen Zeit nicht mehr
angewandten veralteten Prozesse von Siemens-Halske, Hopfner, Bodi and
Kogen. Das 'Wesen dieser Prozesse besteht darin, daf3 die elektrolytische Ab-
schei,dung des Kupfers aus einer Sulfat- oder aus der Chloridlosung (Sulfat-
losung: Siemens-Halske; Chloridlosung: Hopfner, Kogen) in Gegenwart von
Eisensalzen erfolgt. Zur Vermeidung eines schadlichen Einflusses der t)ber-
tragung der elektrisdien Energie durch die Eisenionen zwischen der Kathode
and der Anode ist aber eine Blende eingebaut, die die Ionen des dreiwertigen
Eisens hindert, die Kathode wieder zu erreichen and folglich auch die Aus-
nutzung des Stromes zu verringern. Der Elektrolyt flie8t um die Kathode, da-
bei wird aus ihm Kupfer ausgeschieden, dagegen bleibt das Eisen in der zwei-
wertigen Form, in der es sick im Elektrolyt befand. Aus der Umgebung der
Kathode flief3t der Elektrolyt in die Umgebung der Anode. Hier wirkt das
zweiwertige Eisen als ein Depolarisator and verwandelt sick in dreiwertiges
Eisen, wobei das Potential an der Anode dadurch stark gesenkt wird. Der
Elektrolyt aus dem Anodenraum wird fur das Auslaugen des Erzes benutzt.
Dabei losen die Salze des dreiwertigen Eisens sehr aktiv den Chalkosin, der
im Erz enthalten ist, and verwandeln sick selbst in Salze des zweiwertigen
Eisens,? die man wieder in die Umgebung der Kathode and spit ter in die Um-
gebung der Anode des Elektrolytbades leiten kann.
Die Schwierigkeit des Ausgliihens des Erzes bis zur benotigten Zusammen-
setzung, die konstruktiven Schwierigkeiten beim Projektieren der Bader and
die Schwierigkeit einer harmonischen Zusammenwirkung des Auslaugen and
der Elektrolyse hatten die Entwiddung dieser Prozesse gehemmt. In dem Werk
?Inspiration" wird z. B. im Elektrolyt absichtlich eine gewisse Eisenmenge be-
halten, da sie, wenn sie auch die Stromausnutzung verringert (im Bad gibt es
keine Blenden, die -die Anode von der Kathode trennen), doch als ein Depola-
risator an der Anode wirkt, in der Hauptsache deswegen, weil die Salze des
Eisenoxyds die Ausbeute an Kupfer aus dem Erz beim Auslaugen auf Rech-
nung der gelosten Kupfersulfide stark erhohen.
Beispiel 44: Unter Benutzung der Tafel der Normalpotentiale soil bestimmt
werden, durch welshes Metall man aus dem Elektrolyten bei seiner Reinigung
das Kadmium and durdi welches Metall man das Kupfer unter Berucksichti-
gung der praktisch moglidien Verwirklishung des Prozesses verdrangen kann;
auf3erdem soil die elektromotorische Kraft der dabei auftretenden Reaktionen
bestimmt werden.
. Losung: Das Kadmium kann aus der Losung durch Zink verdrangt werden
and selbstverstandlich auch durch Metalle, die in der Spannungsreihe hoher als
Zink liegen: Mangan, Aluminium, Magnesium, Natrium, Kaizium usw. Von
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9. Elektrolytische Polarisation 59
alien diesen Metallen ist Zink am geeignetsten, weil es bei der nachfolgenden
Elektrolyse ausgezogen werden kann. Die in der Spannungsreihe hoher stehen-
den Metalle sind weniger geeignet, well sie erstens den Elektrolyten verun-
reinigen and zweitens f ihig sind, das Zink zu verdrangen.
Zwischen dem Zink and Kadmium befindet sich nur das Eisen, abet der Po-
tentialunterschied zwischen Kadmium and Eisen (0,441 - 0,401 = 0,04 V)
ist so klein, dais die Reaktion nur langsam and unvollstandig verlaufen wird.
Daraus folgt, dais Zink das geeignetste Metall fur die Reinigung des Elektro-
lyten vom Kadmium ist.
In der Losung erfolgt folgende Reaktion:
Cd++ --- Zn Zn++ .+. Cd,
die aus zwei Prozessen besteht:
1. Zn -. Zn++ -I-- 2e; EO, Zn = -I- 0,762 V
2. Cd++ -{- 2s --. Cd; - E0, Cd7) 0,401 V
Cd+++ Zn Zn++-I- Cd E = Eo, Z. -Ep, cd = 0,361 V.
Das Kupfer kann durch Blei ausgeschieden werden (diese Reaktion wird in
der analytischen Chemie angewandt) and auch durch Zinn, Nickel, Kobalt,
Kadmium, Eisen and wiederum durch Zink.
Beim Aussdieiden des Kupfers aus erzhaltigen Losungen benutzt man ge-
wohnlidi das Eisen and bei der Reinigung der zinkhaltigen Elektrolyten das
Zink, um den Elektrolyten nidit durdi Fremdmetalle, die der Elektrolyse
sdtadlich sind, zu verunreinigen.
Bei der Reinigung mit Zink veriauft die Reaktion wie folgt:
1. Cu++ -}- 2e --. CU; - Eo, cu = - (- 0,344 V)
2. Zn Zn+++ 2e; Eo, Zn _ + 0,762 V
Cu++ - Zn -. Zn++ + CuE = Eo, Z. - E0, Cu = + 1,106 V.
Die Ergebnisse der Berechnungen zeugen davon, dais aus der Losung in
erster Linie das Kupfer beseitigt wird and erst danach das Kadmium; das Vor-
zeichen + beim Potential der Reaktion zeugt davon, dais die Reaktion ohne
Energieaufwand von selbst verlauft.
Beispiel 45: Unter Benutzung der Tafel der normalen Potentiale soil die
molare freie Energie des Ions eines zweiwertigen Kupfers bestimmt werden.
Losung: A = nFE0, Cu = 2 . 23060 (-0,344) = -15865 cal;
AZ = - A = - (- 15,865) _ + 15865 cal.
7) Das Vorzeichen , -" bei E,,Cd ist deswegen eingesetzt, weil der ElektrodenprozeB in umgekehrter
Richtung als der in Tafel 12 angegebene verlauft.
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60 111. Theoretische Grundlagen des Elektrolyseprozesses
Beispiel 46: Unter Benutzung der Tafel der Normalpotentiale soil die maxi-
male Arbeit, die man beim Niedersdilagen von Zink auf der Kathode (bei
Reversibilitat des Prozesses) aufwenden muff, bestimmt werden.
Losung: An der Kathode verlauft folgende Reaktion:
Zn++ -}- 2e = Zn; E Eo, zn 0,762 V,
and die maximale Arbeit ist:
A = nFE = 2.23060 (- 0,762) = 35140 cal, d. h., es miissen 35140 cal
fur 1 Mol des niedergeschlagenen Zinks aufgewendet werden.
Beispiel 47: Es soil das Potential einer Kupferelektrode, die in einen Elektro-
lyten mit 30 g/l Cu and mat 165 gll H2SO4 bei einer Temperatur von 25 ? C
eingetaucht ist, bestimmt werden.
Der Koeffizient der Aktivitat der Kupferionen fiir die Losung der gegebenen
Konzentration betragt 0,0576.
Losung: Zunachst bestimmen wir die Aktivitat der Kupferionen in unserem
Elektrolyt, indem wir die Konzentration aus gil in g-Molll iiberfiihren and sie
mat dem Koeffizienten der Aktivitat multiplizieren:
30
a = y c = 0,0576 g3 57 = 0,0576 ? 0,472 = 0,0272 g-Moll.
Jetzt bestimmen wir das Potential der Elektrode nach der Formel (35):
8,3 6 . 298. 2,3038) l g E=Eo- BT lnacn=-0,344- ? 96500 g
_
- 0,344
- 0,02957 lg 0,0272 =
- 0,344 - 0,02957
(2,435)
_
- 0,344
- 0,02957 (- 1,565)
- 0,344 + 0,0463
= - 0,298 V
d. h., im gegebenen Elektrolyt ist das Kupfer unedler als in einer Losung der
Aktivitat 1.
Beispiel 48: Aus der Spannungsreihe ist ersiditlich, daf3 das Silber edler ist als
das Kupfer and aus diesem Grunde an der Kathode fruher als das Kupfer
niederschlagen miifite. Andererseits wissen wir, da13 mit der Verringerung der
Konzentration des Silbers in der Losung dasselbe in bezug auf das Normal-
potential unedler wird. Es soil nun diejenige maximale Konzentration des
Silbers in der Losung bestimmt werden, bei der das Silber weniger edel als das
8) 2,303 ist der Umrechnungskoeffizient beim Obergang von den naturlichen zu den Dezimalloga-
rithmen.
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Kupfer wird. Das Potential der Kupferelektrode kann dem Beispiel 47 ent-
nommen werden.
Losung:
EAg = Eo Ag - 0,05915 19 aAg = - 0,798 - 0,059151g aAg.
Nach der Bedingung der Aufgabe ist EAg < EcU, d. h.
- 0,798 - 0,059151g aAg < 0,298 1,5 - 0,0591518 aAg < 0,518 aAg - 0,05915 8,46
aAg < 10-8,46 = 2,9 - 10-9.
Wenn wir den Aktivitatskoeffizienten des Silberions in der Losung der ge-
gebenen Konzentration sdiatzungsweise mit 0,1 annehmen, konnen wir die
zulassige Konzentration des Silbers bestimmen:
a=Yc;
c = a = 2,9 ? 10-9; 10-I ? c = 2,9 ? 10-9;
c = 2,9 ? 10-8 g-Moll.
So grog ist z. B. die Konzentration in einer gesittigten Jodsilberlosung.
Beispiel 49: Es soil die Gleichgewichtskonstante der Reaktion
Zn -}- Cd++ , Cd + Zn++
bestimmt werden.
Losung: E. = Eo, Z. -Em Cd
Da aber
= + 0,762 - (+ 0,401) = 0,361 v.
E = BT Ink = 2,303BT I g _ 0,05915 1 k
nF nF g n g
Beispiel 50: Es soil bewiesen werden, dag?das Eisen fur die Reinigung der
Losung vom Kadmium nicht verwendbar ist. Zum Beweis mug man die Gleidr
gewichtskonstanten der Reaktion des Eisens mit dem Kadmium sowie des Zinks
mit dem Kadmium benutzen.
I g = nE? = 2 ? 0,361 = 12,2
g 0,05915 0,05915
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111. Theoretische Grundlagen des Elektrolyseprozesses
Losung: Die Gleichgewichtskonstante der Reaktion Zn + Cd++ -,
+ Zn++ 1st im vorhergehenden Beispiel bestimmt worden and betragt
k 1 = _ 1012,2.
Die Gleichgewichtskonstante der zweiten Reaktion
Cd+?+Fe=Fe+++Cd
wird auf eine ahnliche Weise bestimmt:
E0 =EO,Fe -Eo,cd = + 0,441 - (+ 0,401) = 0,040 V;
nE, 2.0,04
lg k = 0,05
915 0,05915 - 1,352;
k2 =101,352 = 22,5
Aus der physikalisdien Chemie ist bekannt, dafg die Reaktionsgeschwindig-
keiten im selben Verhaltnis stehen wie die Konstanten der Gleidlgewichte:
V 1012,2
,
IL - 1 - 1010,85 = 7 ? 1010,
Vz kz 101, 55
d. h., bei gleichen Bedingungen wind das Zink aus der Losung das Kadmium
um das 1010,85_fache schneller ausscheiden als das Eisen.
io. Zersetzungsspannung and Uberspannung
Wenn wir die Elektrodenpotentiale der einzelnen Elektroden kennen, kon-
nen wir die elektromotorische Kraft der galvanischen Elemente, d. h. der Kom-
bin.ationen zweier Elektroden, in Richtung der Reaktionen in ihnen ohne Vor-
handensein einer aufgeren elektromotorischen Kraft and beim Auftreten einer
soichen bestimmen. Die algebraische Summe der Elektrodenpotentiale der bei-
den Elektroden bezeidinet man als die elektromotorische Kraft des Elements
(oder der Reaktion); das Vorzeichen der EMK zeigt die Richtung der Re-
aktion an.
Wie bereits oben erwahnt, bedeutet das Vorzeichen ?+" der EMK, dai3 die
Reaktion in der ausgeschriebenen Richtung (von links nach rechts) ohne Energie-
zufuhr von aufgen (elektrische Energie) verlauft. Das Vorzeichen,,-" zeigt an,
dafg die Reaktion ohne Vorhandensein einer aufgeren elektromotorischen Kraft
in umgekehrter Richtung (von rechts ,nach links) verlauft, and in der direkten
Richtung kann man die Reaktion zwingen, nur in dem Falle zu verlaufen,
wenn wir eine aufgere elektromotorische Kraft angreifen Lassen, d. h., wenn wir
die elektrische Energie in chemische Energie umwandeln. Diese aufgere elektro-
motorische Kraft, die die Elektrolyse hervorruft and die die Reaktion zwingt,
in der dem Reaktionsverlauf entgegengesetzten Richtung ohne Stromzufuhr
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to. Zersetzungsspannung and tjberspannung 63
von augen zu verlaufen, bezeichnet man als die Zersetzungsspannung (um these
mit Eder EMK nicht zu verwechseln, werden wir sie mit V bezeichnen). Die
Zersetzungsspannung V ist nach Gr613e and Vorzeichen entgegengesetzt gleich
der EMK E. Die Zersetzungsspannung kann man auch als die kleinste elektro-
motorische Kraft, die man an die Elektroden anlegen m6f3te, um das Durch-
flie6en eines ununterbrochenen Stromes durch den gegebenen Elektrolyten (bei
nicht losbaren Elektroden) hervorzurufen, definieren.
Auf these beiden oben angegebenen Definitionen rind aud- die zwei Metho-
den des Bestimmens der Zersetzungsspannung begriindet: die direkte Bestim-
mung and die Bestimmung der rudiwirkenden elektromotorischen Kraft im
Augenblick der Unterbrechung des Stromkreises (Beobachtung der EMK).
Diese beiden Methoden liefern fur die gleichen Elektrolyten nidit ganz iiber-
einstimmende Ergebnisse, dadurch werden auch die Unstimmigkeiten in den
Zahlenangaben, die von versduedenen Forschern angefiihrt werden, erklart.
Die EMK ist der Summe der im Gleichgewiditszustand befindlichen Elektroden-
potentiale gleich, jedoch nur in dem Fall, wenn die Elektroden nicht polarisiert
sind (der Stromkreis ist umkehrbar).
Der Zusammenhang zwischen der elektrisdien and der chemischen Energie
eines umkehrbaren Stromkreises wird durch folgende Gleidiung (36) aus-
gedri ckt:
A = 23 060 nE,
wo E die von dem umkehrbaren Stromkreis erzeugte Spannung, die elektro-
motorische Kraft des Elements (der Reaktion),
A die freie Energie der Reaktion (bei einem Koeffizienten von 23060 wird
these Energie in kleinen Kalorien ausgedriickt),
n die Wertigkeit des sick umwandelnden Stoffes
Fur die Zersetzungsspannung erhalten wir:
V=-E=- A (38)
23 (,6u n
Wenn wir in die Gleichung (36) staff der freien Energie deren Wert aus der
Gleichung von Gibbs-Helmholtz einsetzen:
A=Q+T dT'
so erhalten wir die folgende Gleidiung:
.Q dE
E 23060n + T dT
(39)
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64 111. Theoretische Grundlagen des Elektrolyseprozesses
wo Q die Warmetonung der Reaktion in kleinen Kalorien auf I g/MoI des
sich umwandelnden Stoffes ist.
Leider verfugen wir nicht fiber eine genugende Menge von Versuchsu to -
lagen fiber das zweite Glied der Gleichung, den Temperaturkoeffizienten dl-,
and benutzen deswegen des ofteren die vereinfachte Form der Gleichung (39),
die unter der Bezeichnung Thompsonregel bekannt ist:
E- 23 OOn ' V 23C60n (40)
Diese Formel liefert nur einen angenaherten Wert ffir die Gr6f3e der Zer-
setzungsspannung auf Grund rein thermochemischer Angaben; der gelieferte
Wert ist des ofteren sehr nahe der Spannung, die in der Praxis auftritt (unter
Beriicksichtigung der Polarisation).
War mussen jedoch bemerken, daf3 die Formeln (38), (39) and (40) die Kon-
zentration and die Zusammensetzung des Elektrolyten nicht beriicksichtigen,9)
obgleich davon die Zersetzungsspannung abhangt. Bei genauen Berechnungen
mug man bei jedem Elektrodenpotential eine Berichtigung fur die Konzen-
tration nach der Formel (35) vornehmen. Auf3erdem darf man nicht vergessen,
daf3 die Zersetzungsspannung nur bei den elektrolytischen Zersetzungsreaktionen
auftreten kann (mit negatives EMK), wenn die Hug ere elektrische Energie ffir
die Uberwindung der chemischen Bindungen aufgewendet wird and folglich
die Zersetzungsspannung immer positiv ist.
In Tafel 17 sind die Werte der Zersetzungsspannung einiger Elektrolyte
nach Creighton [2] and Rakowski [1] fur normale Losungen mit Platinelek-
troden bei 25 ? C angefi hrt.
Wie die Untersudiungen gezeigt haben, andert sich die Zersetzungsspannung
nicht nur mit der Anderung der Konzentration des Elektrolyten and mit der
Temperatur, sondern audi in Abhangigkeit vom Werkstoff, aus dem die Elek-
troden angefertigt sind, von der Natur des elektrolytischen Vorganges, von der
Stromdichte bei der Elektrolyse usw.
Auf3erdem haben die praktisdien Erfahrungen gezeigt, daf3 einige Metalle,
die in der Spannungsreihe hoher als der Wasserstoff stehen, z. B. Zink, Kad-
mium, aus der Losung durch die Elektrolyse friiher als der Wasserstoff aus-
geschieden werden konnen. Die Ursache dieser Ersdieinungen (die Uberspan-
nung) ist die Differenz zwischen dem Potential der Elektrode, das ffir den
Durchfluf3 des Stromes notwendig ist, and dem Gleichgewichtspotential. Die
Uberspannung in fur die irreversiblen Elektrodenprozesse charakteristisch.
9) Da these Formeln fur die Losungen mit einer Aktivitat des Elektrolyten, die gleich r ist, abgeleitet
wurden.
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ro. Zersetzungsspannung and Uberspannung
Die Oberspannung ist u. U. sehr betradltlich in den Fallen, in denen an den
Elektroden Gase ausgesdiieden werden (besonders Sauerstoff and Wasserstoff),
obgleich sie auch bed einigen Metallen (Eisen, Nickel, Kobalt) auftritt.
Tafel 17
Zersetzungsspannung einiger Elektrolyte
Natriumnitrat
Kaliumnitrat
Zer-
setzungs-
spannung
Silbersulfat . . . . . .
Silbernitrat . . . . . .
Bad-
spannung
2,15
2,17
2,11
Natriumsulfat . . . . . 2,21
Kaliumsulfat . . . . . . 2,20
Zinksulf at . . . . . . . 2,55
Bromzink . . . . . . . . 1,80
Nickelnitrat . . . . . . 2,09
Chlornickel . . . . . . 1,85
Bleinitrat . . . . . . . . 1,52
Kadmiumsulfat . . . . 2,03
Kadmiumnitrat . . . . . . 1,98
Kobaltsulf at . . . . . . . 1, 92
Chlorkobalt . . . . . . . 1,78
Kupfersulfat . . . . . . 1,49
0,80
0,70
Atznatrium . . . . . 1,69
Atzkalium . . . . . .. 1,67
Ammoniumhydroxyd . . . 1,74
Shcwefelsaure . . . . .. 1,67
Salpetersaure . . . . . ~ 1,69
Phosphorsaure . . . . .. 1,70
Essigsaure . . . . . . 1,57
Monodiloressigsaure . . . 1,72
Perdllorsaure . . . . . 1,65
Salzsaure (2 n) . . . . .. 1,26
Salzsaure (1/u n) . . . . 1,69
Bromwasserstoffsaure . . . ; 0,94
Jodwasserstoffsaure . . . i 0,52
In der Technik spielen die Oberspannung des Wasserstoffs an der Kathode
and die Oberspannung des Sauerstoffs an der Anode eine grof3e Rolle. Der
erste Prozef3 ist erwunscht, da er die Gewinnung von weniger edlen Metallen
als Wasserstoff .mittels Elektrolyse gestattet, der zweite ProzeG ist meistens un-
erwiinscht, weil dabei die Zersetzungsspannung erhoht wird. In den Tafeln 18
and 19 ist die Oberspannung des Wasserstoffs and des Sauerstoffs in Abhangig-
keit von der Stromdichte and vom Werkstoff der Elektroden bei 25' C nach
Creighton [2] angegeben.
5 Agejenkow, Elektrometallurgie
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?afel 18
Uberspannung des Wasserstoffs bei 25 ? C
Strom-
dichte
Alma
Au
Cd
Cu
plad-
niertes
Pt
blankes
Pt
Al
Graphit
Ag
Sn
Fe
Zn
Bi
Ni
Pb
0
-
0,466
-
-
-
-
-
-
0,2411
0,2026
-
-
-
-
1
0,122
0,651
0,351
0,0034
-
0,499
0,3166
0,2981
0,3995
0,2183
-
-
-
-
10
0,241
0,981
0,479
0,0154
0,024
0,565
0,5995
0,4751
0,8561
0,4036
0,716
0,78
0,563
0,52
20
-
-
-
0,0208
0,034
0,625
0,6520
0,5987
0,9469
0,4474
0,726
-
0,633
-
50
0,332
1,086
0,548
0,0272
0,051
0,745
0,7250
0,6922
1,0258
0,5024
0,726
0,98
0,705
1,560
100
0,390
1,134
0,584
0,0300
0,068
0,826
0,7788
0,7618
1,0767
0,5571
0,746
1,05
0,747
1,090
500
0,507
1,211
-
0,0376
0,186
0,968
0,9032-
0,8300
1,1851
0,7000
0,926
1,15
0,890
1,168
1000
0,588
1,216
0,801
0,0405
0,288
1,066
0,9774
0,8749
1,2230
0,8184
1,064
1,14
1,048
1,179
2000
0,688
1,228
0,988
0,0420
0,355
1,176
1,0794
0,9379
1,2342
0,9854
1,168
1,20
1,130.
1,217
5000
0,770
1,246
1,186
0,0448
0,573
1,237
1,1710
1,0300
1,2380
1,2561
1,201
1,21
1,208
1,235
10000
0,798
1,254
1,254
0,0483
0,676
1,286
1,2200
1,0890
1,2306
1,2915
1,229
1,23
1,241
1,262
15000
0,807
1,257
1,269
0,0495
0,768
1,292
1,2208
1,0841
1,2286
1,2908
1,243
1,29
1,254
1,290
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ro. Zersetzungsspannung und Uberspannung 67
?af el 19
Dberspannung des Sauerstoffs bei 25 ? C
Uberspannung, V
Strom-
dichte
Alms
blankes
Pt
plati-
niertes
Pt
10
0,525
0,673
0,442
0,58
0,721
0,398
0
353
0
414
50
0,705
0,927
0,546
0,674
0,80
0,480
,
0,461
,
0,511
100
0,896
0,963
0,580
0,729
0,85
0,521
0,519
0,563
200
0,963
0,996
0,605
0,813
0,92
0,561
500
1,064
0,637
0,912
1,16
0,605
0,670
0,653
1000
1,091
1,244
0,660
0,984
1,28
0,638
0,726
0,687
2000
1,142
0,687
1,038
1,34
0,775
0,714
5000
1,186
1,527
0,735
1,080
1,43
0,705
0,821
0,740
10000
1,240
1,63
0,793
1,131
1,49
0,766
0,853
0,762
15000
1,282
1,68
0,836
1,14
1,38
0,786
0,871
0,759
Eine besonders grof3e Bedeutung besitzt die Uberspa.nnung des Wasserstoffs.
Aus der Spannungsreihe ist ersichtlich, da13 Blei, Zinn oder Nickel, Kobalt,
Kadmium, Eisen, Zink weniger edle Metalle sind als Wasserstoff. Somit mute
bei der Elektrolyse in erster Linie der Wasserstoff aus der Losung aussdieiden
and nidit irdendein anderes von den obenerwahnten Metallen. Da aber dem
Wasserstoff eine betrachtliche Uberspannung eigen ist, d. h. seine Abscheidungs-
spannung ganz bedeutend sein Gleichgewichtspotential ubersteigt, gelingt es,
aus der Losung sogar ein derartig unedles Metall, wie Zink, mittels Elektrolyse
auszuschedden.
Vie aus den Tafeln 18und 19 ersiditlidi ist, vergrof3ert side dieUberspannung
sehr schnell mit der Erhohung der Stromdichte. Beispielsweise betragt bei nied-
rigen Stromdichten die Uberspannung des Wasserstoffs am Zink 0,65 bis 0,7 V,
folglich wird aus der Losung der Wasserstoff in einer groBeren Menge als Zink
ausgesdueden, and die Stromausbeute des Metalls wird sehr niedrig sein. Zur
Erzielung einer hoheren Stromausbeute mug man die gro&moglidisten Hinder-
nisse fur die Wasserstoffabsdieidung gleidhzeitig am Zink erzeugen, d. h., man
mug eine hohe Uberspannung des Wasserstoffs haben.
Wir wollen die verschiedenen Theorien der Uberspannung des Wasserstoffs
nicht ausfuhrlich betrachten and erwahnen nur die Theorie von Tafel, die die
Uberspannung dadurdi erklart, daf3 die Reaktion der Molekulbildung aus den
Wasserstoffatomen (2H - -- H2) sehr langsam verlaufft.
Die verschiedenen Metalle uben eine versduedene katalytische Einwirkung
auf these Reaktion aus and besitzen folgldch versduedene Uberspannung der
Wasserstoffabsdiei dun g.
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68 111. Theoretiscbe Grundlagen des Elektrolyseprozesses
Diese Theorie liefert Behr gute Erklarungen fur verschiedene Erscheinungen,
die in der Praxis beobachtet werden, aber trotzdem kann sic einige Tatsachen
nicht vollstandig erklaren. Die zweite Theorie, die Theorie der verzogerten
Entladung (Volmer), nach der die Ionen H+ sick bei ihrem Eintreffen an der
Kathode nicht sofort entladen, sondern sich in einer elektrischen Doppelschicht
ansammeln and dabei die Ladung der Elektrodenoberflidie verandern, kann
ebenfalls nicht alle Tatsachen erklaren. Je groBer die Menge dieser pgesammel-
ten Ionen ist, desto groBer ist der Potentialsprung an der Trennungsgrenze
Elektrode - Losung, um so groBer ist aud7 selbstverstandlidi das Potential der
Wasserstoffabscheidung im Vergleich zum Gleichgewichtspotential; ebenfalls ist
auch die Diff erenz dieser Potentiale, d. h. die Uberspannung der Wasserstoff-
ausscheidung, groBer. Mit der VergroCerung der Stromdichte vergroCert sich auch
die Menge der noch nicht entladenen Ionen, d. h., es vergrOBert sick die Uber-
spannung des Wasserstoffs.
Weiter unten sind mehrere Kurven angefuhrt, die die Abhangigkeit der Uber-
spannung des Wasserstoffs am Zink von der Stromdichte, von der Temperatur
des Elektrolyten, von der Konzentration der neutralen Salze and der Kolloide
angeben.
1,32
128
X24
f,20
20~~
1500 2000 2580 .1&Z7 3500 4000
Bild 4. Uberspannung des Wasserstoff s an Zinkkathoden in
einer Schwefelsaurelosung and Einfluf3 der Tempcratur-
anderung des Elektrolyten
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so. Zersetzungsspannung and Uberspannung
q34
090
138
V2
05~?
X128
Q1~
0 n
114
O1XZn
Q1%Zn
41
v.20
its
01.
112
1
08
,
1a4
100
496
Stromdchth4/me
StinmdehteA/mz
Bild f. tberspannung des Wasserstoffs an Zinkkathoden
a - Einfluf{ der Konzentration des Zinks im Elektrolyten mit
570/o HSO*; b-Einflull des Gelatinegehalts im Elektrolyten "lit
1 nH2SOa
Aus diesen Kurven ist ersichtlich, data side die Oberspannung des Wasser-
stoffs mit der Vergrof3erung der Stromdidite, mit dem Abfall der Temperatur
and mit dem Einfiihren von kolloidalen Zusatzen erhoht. Umgekehrt, die neu-
tralen Salze (Zinksulfat) senken die Oberspannung. Beim Einfiihren von Kup-
fer, Antimon, Eisen, Kobalt in die Losung fallt die Oberspannung des Wasser-
stoffs sehr stark ab. Augerdem hangt die Oberpannung vom Werkstoff der
Kathode and von der Struktur ihrer Oberflache ab. An den angerauhten Katho-
den ist die Oberspannung immer niedriger, was durch die niedrigere tatsad 1idie
Stromdichte erklart wird.
Es ist wichtig, im Auge zu behalten, data dieOberspannung der Wasserstoff-
absdieidung in direkter Verbindung mit der Stromausbeute des Metalls steht
and die Ma13nahmen, die die Oberspannung des Wasserstoffs vergro13ern, auch
die Stromausbeute des Metalls vergrof3ern. Zum Beispiel vergr68ern die Ver-
grof3erung der Stromdichte, das Senken der Temperatur, die Herstellung einer
glatten Oberfladie des Niederschlages an der Kathode, die Verringerung des
Sauregehalts and das Verhuten des Absdieidens von Metallen an der Kathode
mit einer niedrigen Oberspannung des Wasserstoffs (die, nadidem sic an der
138
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492
4w
484
4w
072
0 1000 2000 3000
J/romdichte A/ma
Bild 6. Einflufi der versahiedenen Beimischungen auf
die Uberspannung des Wassersto ffs an derZinkkatbode
in 1 n Schwefelsiurelosung
Kathode niedergeschlagen worden sired, Quellen der Absdheidung des Wasser-
stoffs bilden) die Stromausbeute des Metalls.
Mittels einer entsprechenden Kombination der positiven Faktoren kann
man die negativen Faktoren sdiwachen, beispielsweise kann man dutch tine
hohe Stromdichte den schadlidien Einfluf3 eines hohen Sauregehalts dutch
Senkung der Temperatur des Elektrolyten paralysieren oder mittels Zusatz von
Kolloiden audz den sdiadlidien ?influf3 einiger Beimischungen beseitigen.
Beispiel 5i: Es soil die Zersetzungsspannung der waf3rigen Losungen von
Sauren and Alkalien unter Verwendung von Platinelektroden and ureter Be-
nutzung der thermochemischen Angaben sowie der Tafel der maximalen Arbei-
ten bestimmt werden.
Losung: Heute wird angenommen, daf3 die Zersetzung von Wasser bei der
Elektrolyse, die snit einer Abscheidung von Sauerstoff and Wasserstoff begleitet
111. Theoretiscbe Grundlagen des Elektrolyseprozesses
-
g0=.
ti
Ee
0
11'gJ
H
L-
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so. Zersetzungsspannung and llberspannung 71
ist, einen primaren Proze13 darstellt (friiher wurde angenommen, da13 sidt die
Ionen des Elektrolyten an den Elektroden unter Ausscheidung von H2 and 02
entladen) and die Zersetzungsspannung einer beliebigen waErigen Losung un-
ter Abscheidung des Wasserstoffs an der Kathode and des Sauerstoffs an der
Anode nicht von der Natur des Elektrolyten abhangt. In der Praxis hangs die
Zersetzungsspannung in gewissem Malie von der Natur des Elektrolyten ab,
da sich die Natur des Elektrolyten an den GrS1 en der Uberspannung des Was-
serstoffs and des Sauerstoffs bemerkbar macht.
Die im Bad vor side gehende Reaktion kann auf Grund des oben Gesagten
wie folgt geschrieben werden:
H2O --, H2 + 1/2 02
Wir bestimmen jetzt die maximale Arbeit der Zersetzungsreaktion des Was-
sers. Die maximale Arbeit der Reaktion ist der Summe der maximalen Arbeit der
Bildung von Stoffen, die side im redtten Teil der Reaktionsgleichung befinden,
unter Abzug der Summe der maximalen Arbeit der Stoffe im linken Teil gleidi:
A=+As,+Ao,-Ax,o=0+0-56560=-56560 cal.
Die EMK der Reaktion ist:
A -56560
23060 ? n - 23060 . 2 = 1,22 V.
Das Vorzeichen ?-" der EMK zeigt, da13 in der von uns erwnnsdtten Riditung
die Reaktion nur unter der Einwirkung einer Nugeren elektromotorisdten Kraft
verlaufen wird. Die Zersetzungsspannung ist:
V = - E = - (-1,22) = 1,22 V.
Die Uberspannung des Sauerstoffs an Platin bei niedrigen Stromdidtten be-
trig ungefahr 0,46 V. Unter di sen Bedingungen kann man die Uberspannung
des Wasserstoffs vernachlassigen, folglidi wird die voile praktische Zersetzungs-
spannung betragen:
V = 1,22 + 0,46 = 1,68 V.
Wie aus Tafel 17 ersichtlich ist, sdiwankt die Zersetzungsspannung der
meisten Sauerstoffsauren and Sauerstoffalkalien zwischen 1,65 and 1,70 V.
Wenn wir die Gleidiung von Thompson benutzen, erhalten wir:
Q -- 68 330
E 2 ? 23 060 46120 - 1,48 V ;
V = - E = - (-1,48) =1,48 v
Diese Zahl nimmt eine Mittelstellung zwisdten der Zersetzungsspannung ohne
Berucksichtigung der tiberspannung (1,22 V) and der Zersetzungsspannung
mit Beriidcsiditigung der Uberspannung des Sauerstoffs (1,68 V) ein.
Wenn wir zu der Zahlenangabe, die wir aus der Gleichung von Thompson
ermittelt haben, node die Y7berspannung des Sauerstoffs an den Eisen- Oder
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72 111. Tbeoretische Grundlagen des Elektrolyseprozesses
Nickelanoden (0,72 V) bei einer Stromdichte von etwa 1000 Alm' zuschlagen.
so wird der ermittelte Zahlenwert:
V = 1,48 + 0,72 = 2,2 V
sick dem in der Praxis beobachteten Spannungsabfall in einem modernen Bad
(1,9 bis 2,54 V) nahern, wobei in diesen letzteren Zahlenwerten auch samtliche
ubrigen Spannungsabfalle (in den Kontakten, im Elektrolyt usw.) enthalten sind.
Beispiel 52: Es soil folgendes bestimmt werden: 1. Wird das Silbernitrat
durch die Salze des Eisenoxyduls reduziert, d. h., in welcher Richtung wird die
nadifolgende Reaktion verlaufen?
AgNO3 + Fe(NO3)2 = Ag + Fe(N03)3
auf3erdem soil die Gleichgewichtskonstante dieser Reaktion berechnet werden.
2. In welcher Riditung wird die nachfolgende Reaktion verlaufen?
CuSO4 + 2FeSO4 = Fe2(SO4)3 + Cu
?Losung: 1. Wir schreiben die Reaktionsgleichung in folgender Ionenform:
+++
++ - Ag+Fe
Ag+Fe
Diese Reaktion setzt side aus zwei Teilreaktionen zusammen, fu; die wir die
Normalpotentiale aus den Tafeln 12 and 13 entnehmen:
1. Ag + Eo, ng = - (- 0,798) V.
+ it -? Ag; -
++ +++
2. Fe Fe +.-; -E0, Fe..., Fe.. - - (0,748)V.
+++ -- +++
Ag + Fe Ag + Fe ; Eo = + 0,050 V.
Das Vorzeichen ,,+" der EMK der Reaktion zeigt, daf3 die gegebene Reaktion
in der von uns erforderlichen Richtung (von links nach redits) von selbst ohne
Wirkung einer auf3eren elektromotorischen Kraft verlauft and die Reaktion
selbst f ahig ist, einen Strom abzugeben, d. h., sie kann als Grundlage eines galva-
nisdien Elements dienen. Auf Grund der ermittelten EMK bestimmen wir die
Gleidbgewichtskonstante der Reaktion:
Eo = RF In k.
Bei 25 ? C and bei n = l erhalten wir:
Bo = 0,059151g k;
EO - 0,05 = 0,845 V.
lg k = 0,05915 0,05916
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io. Zersetzungsspannung and tJberspannung 73
Daraus erhalten wir k = 7,00 (experimentell ist k = 7,8 bestimmt worden).
2. Die Ionengleidtungen far die zweite Reaktion lauten:
++
1. Cu -!- 2 e -. Cu; - E0 cu = - (- 0,344) V.
2. Fe++--- Fe++++ e; - 2Eo, Fe... - Fe.. 2 ? (0,748) V
++ ++ +++
Cu +2Fe -.Cu+2Fe ; E_-1,152V.
Das Vorzeichen des Potentials zeigt, daf3 die Reaktion nur in der umgekehrten
Riditung verlaufen wird (von rechts nach links), d. h., das Ferrisulfat wird das
metallische Kupfer losen.
In der Tat, in der Praxis (z. B. die Korrosion der Kathoden bei der Elektrolyse
des Kupfers in Anwesenheit von Salzen des Fe++ +) beobachten wir gerade ein
Auflosen des Kupfers im Ferrisulfat; in der Hydrometallurgie des Kupfers be-
nutzt man das Zementkupfer far die Reduzierung des Ferrisulfats his zur Er-
zielung des Ferrosulfats.
Die Gleidtgewichtskonstante der Reaktion Cu + 2Fe+++ Cu+++ 2Fe++
bei 25 ? C and bei n = 2 betragt:
E _ 0,05915 I g o_ 2 g
1gk= -2.E0 _ 2. 1,152
0,05915 0,05915 = 38'9'
k =1038,9 = 7,9.10?.
Beispiel 53: Es sollen die Potentiale an der Kathode and an der Anode bei
der Elektrolyse von Wasser bestimmt werden, and zwar a) aus einer sauren
Losung aH+ = (H+) = 1; b) aus einer neutralen Losung; c) aus einer Alkali-
losung aoH- = (OH-) = I bei 220 C. Die Elektroden sind aus platiniertem
Platen hergestellt.
Losung a) auf Grund der Bedingung ist in der sauren Losung die Konzen-
tration der Wasserstoffionen (die Aktivitat) I gleich (1 g-Ion auf 11). Die Kon-
stante der Dissoziation des Wassers bei 22? C betragt k,0 = 1. 10 - ".
Folglich erhalten wir:
ao k. _ 1.10-14 = 10-14
H = [OH-] = 1H+] 1
eK = eo, H.- F In aH+ +I) H,= 0 - 0 + - 0 = 0.
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74 III. Theoretische Grxndlagen des Elektrolyseprozesses
eA = eo, o, + F In aoH - n o. = - 0.398
+ 8,316 ? 295 ? 2,303 1g 10-14 - 0,46
96500
0,398+0,0583(-14)-0,46=-0,398-0,816-0,46
_ -1,674 V.
Die EMK der Reaktion ist:
E=eA-eK=-1,674-0=- 1,674 V.
Das Vorzeichen ?-" der EMK zeigt, dal die Wasserzersetzung nur unter der
Einwirkung einer auiieren elektromotorischen Kraft eintreten kann. Die Zer-
setzungsspannung ist:
V= -E = - (-1,674) = + 1,674 V;
b) in einer neutralen Losung:
aH+ = aoH - =10-7;
eK=eo,H.- FT InaH++nH,=0-0,0583Ig10-7+0
=-0,0583 (-7) =+ 0,408V;
eA=eo,o,+ FT inaoH-no,=-0,398+ 0,0583lg10-7-0,46
=-0,398+0,0583(-7)-0,46
0,398 - 0,408 - 0,46 = -1,266 V;
E = eA-eK = -1,266 - (+ 0,408) = -1,674 V.
V= -E (-1,674) = + 1,674 V ;
c) in einer Alkalilosung unter der Bedingung aoH- = 1:
aH+ = 10-14;
eK = eo H, - 0,0583 Ig aH+ + nH, = 0 - 0,0583 Ig 10-14 + 0
_ - 0,0583 (-14) = + 0,816 V;
eA = e0, o, + 0,05831g aoH- - n o, = -0,398 + 0,0583 Ig 1 - 0,46
_ - 0,398 + 0 - 0,46 = -0,858 V;
E = eA - eK = -0,858 - (+0,816) = -1,674 V;
V= - E = - (-1,674) = + 1,674 V ;
Wie aus diesem Beispiel ersidltlich, andern side die Potentiale der Elektroden
sehr stark mit der Anderung des Sauregehalts des Mediums, and die Zer-
setzungsspannung bleibt dabei unverandert.
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to. Zersetzungsspannung and Uberspannung 75
Beispiel54: Es soil die Zersetzungsspannung von Bromzink in einer normalen
Ldsung bei 25? C bestimmt werden (die Uberspannung des Broms and des Zinks
kann vernachlassigt werden).
Ldsung: Die Gleichung der Reaktion
Zn++ + 2Br- = Zn + Br2
stellen wir in zwei Teilreaktionen dar and entnehmen die Normalpotentiale
dieser Reaktionen aus Tafel 12:
1) Zn++ + 2e -. Zn;
-Eo, zn = -(+0,762) V
2) 2Br -. Br2 + 2e; Eo, Br = -1,066 V
Zn++ + 2Br--- Zn + Br2; E = -1,828 V;
V= - E = - (- 1,828) = 1,828 V.
Man kann die Aufgabe auch unter Benutzung der Formel (38) fur die maxi-
male Arbeit der Reaktion losen:
V=-E= A
23060. n
Die maximale Arbeit der Reaktion bestimmen wir aus den maximalen Ar-
beiten der einzelnen Reaktionen:
A = Azo + ABr, - Azn++ -2ABr- = 0 + 0 - 35143 - 2 ? 24595
= - 84333 cal.
V= - -j3-060-, A -84333 1,828 V.
? n 2 . 23060
Dieexperimentellermittelte Zersetzungsspannung (sieheTafel 17) betragt 1,80V.
Beispiel 55: Es soil die Zersetzungsspannung einer neutralen Ldsung von
ZinksulfatmiteinerAktivitatderZinkionenvon azn++ gleich 1unterBenutzung
der thermodiemischen Angaben and der maximalen Arbeit der Reaktion be-
stimmt werden.
Ldsung: a) Wir ermitteln die Zersetzungsspannung mit Hilfe der thermo-
chemischen Angaben and berechnen zuerst die Warmetonung der Reaktion:
ZnSO4 + H2O -. Zn + 1/202 + H2SO4.
Q =Q (H2SO4) -Q (ZnSO4) -Q(H2O) = 208 000 - 248060 - 68380
_ -108 440 cal.
__ Q -108440_
V- n ? 23060 = 2 ? 23060 + 2,35 V;
-
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III. Theoretische Grundlagen des Elektrolyseprozesses
die maximale Arbeit der Reaktion betragt:
Zn+++ SO4 - + H 20 -i Zn + 11202 + 2H++ SO4-;
A = Azn ? Ao, + 2AH+ + Aso, - - Azn++-Aso,- - - AH,o =
Azn++ - AH,o.
Da + Aso,-- and - Aso,-- sick gegenseitig aufheben and die Groben von
Azn, Ao,, AH+ gleich Null sind, so erhalten wir:
A = - Azn++- AH,o = - 35143 - 56560 = - 91703 cal;
A -91703 V- n ? 23060 ? 23060 = + 1,99 v.
Wenn wir zum ermittelten Wert der Zersetzungsspannung nosh die Ober-
spannung des Sauerstoffs an Platin (0,46 V) zuschlagen, erhalten wir:
V= 1,99 + 0,46 = 2,45 V,
d. h. einen Zahlenwert, der sehr nape an den Versuchsergebnissen liegt.
Beispiel 56: Es soll die Zersetzungsspannung einer Kupfervitriollosung mit
der Aktivitat der Kupferionen von acu++ = 1 unter Benutzung der thermo-
diemisdven Angaben and der maximalen Arbeit der Reaktion bestimmt wer-
den, wobei die iibrigen Bedingungen den Bedingungen im vorhergehenden
Beispiel analog sind. .
Losung: Wir beredmen die Warmetonung der Reaktion:
CUSO4 + H2O -- CU + 1i202 + H2SO4;
Q =Q (H2SO4) -Q (CUSO4) -Q (H2O) = 208 000 -194 650 - 68 380
_ - 58 030 cal.
Aus der Formel (40) erhalten wir:
V -- Q -58030 = + 1,26 V;
2 ? 23C60 2 . 23060
die maximale Arbeit der Reaktion betragt:
Cu++ + SO4 -+ H2O Cu + 1'2 02 + 2H+ + SO4
wie auch im vorhergehenden Beispiel berechnen wir:
A = - Acu - AH,o (-15865) - 56560 = + 15865 - 56560
= 40695 cal;
A -40695
V- -1. 23060 _ 2.23060 = + 0,884 V,
and zusammen mit der 17berspannung des Sauerstoffs:
V = 0,884 + 0,46 = 1,344 V.
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to. Zersetzungsspannung and Uberspannung 77
Beispiel 57: Es soil die Zersetzungsspannung einer sauren Zinksulfatlosung,
die 50 g/l Zink and 110 g/l Schwefelsaure (Werkselektrolyt) enthalt, bestimmt
werden. Die Temperatur der Losung ist 40? C. Die Anode ist aus Blei her-
gestellt.
Losung: Die Konzentration der Wasserstoffionen in der Losung ist:
110
,05. 2 = 2,245 g-Ionen/1,
CH = 98
and die Konzentration der OH--Ionen:
COH- = 3 .10-14 = 1,335 ? 10-14 g-Ionen/l;
2,245
da bei 400 C die Konstante der Dissoziation des Wassersk., = 3.10-14 ist.
Wenn der Koeffizient der Aktivitat des OH--Ions in der Losung der ge-
gebenen Konzentration mit 0,75 angenommen wird, so betragt die Aktivitat
des OH--Ions:
a011- = 0,75 ? 1,335 ? 10-14 = 1 ? 10-14.
Die Uberspannung des Sauerstoffes am Blei betragt bei einer Stromdichte von
400 A/m2 0,5 V. Dann ist das Potential der Anode
.eA = eo,o, + FT In aoH- -70, 0,398 -}-
8,316 . 313. 2,303
96500 lg 10-14 - 0,5 = - 0,398 + 0,0621g 10-14 - 0.5
_ - 0,398 + 0,062 (-14) - 0,5 = -1,766 V.
Die Konzentration der Zinkionen in der Losung betragt 65,37 = 0,765 g-
Ionen/l and der Koeffizient der Aktivitat in der Losung mit einem Gehalt
von 110 g/1 H2SO4 Bowie mit 50 g/l Zn bei einer Temperatur von 40? C 0,047.
Dann ist das Potential der Kathode:
eK = e0,zn - 02 2 19 azn = + 0,762 - 0,0311g 0,047 ?0,765
= + 0,762 - 0,0311g 0,036 = 0,762 - 0,031 (- 1,444) = 0,807 V.
Die elektromotorische Kraft betragt:
E = eA - eK =- 1,766 - 0,807 =-2,573 V.
Die Zersetzungsspannung ist:
V=-E=-(-2,573)- + 2,573 V.
Der ermittelte Zahlenwert stimmt gut mit den Versuehsergebnissen (6) uberein.
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78 111. Theoretiste Grundlagen des Elektrolyseprozesses
ii. Die Energieausbeute
Wir haben bereits einen Begriff untersucht, der als Kriterium der Arbeit der
elektrolytischen Anlagen dient, and zwar die Stromausbeute des Metalls. Es
gibt nosh einen zweiten Begriff: die Energieausbeute, der ein sehr widitiges
Kriterium, das die technologische and die wirtschafthdie Seite des Elektrolyse-
prozesses sehr gut kennzeichnet, darstellt. Als Energieausbeute bezeiduiet man
das Verhaltnis der theoretisch notwendigen Energiemenge Wo, die. fur die
Durdifahrung des Prozesses der Elektrolyse erforderlich ist, zur tatsadilidi
verbrauchten Energiemenge W fur eine Gewichtseinheit des erzeugten Metalls:
B = W? 100. (40a)
Die Menge der theoretisd- notwendigen elektrischen Energie Wo erhalten
wir durdz Multiplikation der Elektrizitatsmenge, die fur den Niedersdilag des
Metalls (io) mit der Zersetzungsspannung erforderlici ist (ohneBeradisichtigung
der Uberspannung von Gasen an den Elektroden, d. h. unter idealen Bedin-
gungen). Dagegen konnen wir die Menge der tatsadilich verbraudrten Energie
durdi Multiplikation der gesamten Elektrizitatsmenge, die durdi das Bad ge-
flossen ist (i) mit der Spannung an den Elektroden des Bades finden. Folglich
erhalten wir:
B B 100 = r ~ ; E 100, (41)
wo's = $0 die kathodisdie Stromausbeute ist.
Vo ist die Zersetzungsspannung, die aus der Gleichung der maximalen Arbeit
der Reaktion, aber ohne Berucksiditigung der Uberspannungen erredinet wird.
Die Spannung an den Elektroden des Bades setzt side aus der Zersetzungs-
spannung Vo, aus der Uberspannung der Gasabsdieidung an den Elektroden,
aus dem Spannungsabfall infolge des Widerstandes des Elektrolyten (IR) and
aus den Stromverlusten in den Kontakten infolge des Widerstandes der Elek-
troden, der Stromverteilungsschienen, des Sdilamms usw. - d - zusammen.
Deswegen kann man die Formel (41) wie folgt sdireiben:
B _ 100 V?,7: (42)
Vo -I- xo, -f- IlR +d
Die Energieausbeute kann man auch auf Grund der Anzahl der Kilowatt-
stunden, die fur die Erzeugung einer Gewichtseinheit des Metalls (eines Kilo-
gramms, einer Tonne) aufgewendet worden ist, sdiatzen. Man mug den Unter-
sdued zwischen der kathodisdien Stromausbeute and der Energieausbeute her-
vorheben.
Die kathodische Stromausbeute, die die Ausnutzung der Energiemenge be-
rucksidnigt (die Bedingungen der Entladung), erreidit bei gut arbeitenden Wer-
ken eine Hiihe von 90.bis 95% and bei Werken der Elektroraffinierung 95 bis
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97?/?, bei besonders gunstigenBedingungen kann die kathodisdieStromausbeute
sogar 100?/o erreidien (in Coulombmetern oder Voltametern).
Dagegen erreicht die Energieausbeute, die die Ausnutzung der elektrischen
Energiemenge (der Arbeit) angibt, in keinem Fall 100?/o infolge der Irreversi-
bilitat des praktisdien Elektrolyseprozesses and infolge des unvermeidlichen
Ohmsdlen Spannungsabfalls im Bad. Die Erhohung der Energieausbeute wird,
wie aus der Formel (42) ersiditlich ist, durdi die Senkung der Arbeitsspannung
im Bad and durdl eine Erhohung der kathodischen Stromausbeute erreidit. Zur
Senkung der Arbeitsspannung mug der Widerstand des Elektrolyten durdi Er-
hohung der spezifisdien Leitfahigkeit, durdl Temperaturerhohung and durch
tin didites Zusammenbringen der Elektroden verringert werden, aulerdem
mull auch die Polarisation der Elektroden eine Verringerung erfahren. Es mug
gesagt werden, dal3 der allgemein gebraudilidie Begriff ,Energieausbeute" die
gegebene Anlage fur die Elektrolyse nicht vollstandig diarakterisiert, well in
ihm die Polarisation, die als eine unvermeidlidie Quelle des Energieverbrauchs
ersdleint, nidit berucksidltigt wird. Nadi dem Wesen der Sadie mull man bei
der Ermittlung des Wirkungsgrades der Elektrolyseanlage die Menge der elek-
trisdlen Energise, die fur samtlidie elektrodlemischen Prozesse (bei einem irre-
versiblen Prozell) verbraudlt wurde, berucksichtigen, and zwar in bezug auf
die gesamte verbraudite Elektroenergie, d. h., unter dem Wirkungsgrad eines
Elektrolysebades mug man das Verhaltnis der vollen Zersetzungsspannung V
unter Berudcsiditigung der Uberspannungen and der Konzentration des Elek-
trolyten zur Spannung an den Elektroden des Bades, multipliziert mit der
kathodisdlen Stromausbeute, verstehen:
k_ziVP ?100.
EB
Im weiteren werden wir zwei Begriffe unterscheiden: die Energieausbeute
and den Wirkungsgrad des Bades9).
Beispiel 58: Es sollen die Energieausbeute and der Wirkungsgrad des Bades
bei der Zinkelektrolyse bestimmt werden, wenn die Arbeitsspannung des Bades
3,4 V and die kathodisdie Stromausbeute 92?/o betragen. Die theoretische Zer-
setzungsspannung (siehe Beispiel 55) betragt ohne Berudtsiditigung der Uber-
spannung des Sauerstoffs an der Anode 1,99 V. Die voile Zersetzungsspannung
unter Berudssiditigung der Oberspannung des Sauerstoffs an der Anode and des:
Sauregehalts des Elektrolyten (siehe Beispiel 57) kann man nit 2,57 V an-
nehmen.
Losung: War bestimmen die Energieausbeute nadl der Formel (41):
B V? 100 - 0,92 ? 1,99 ? 100 = 53,9 f
BB 3.4
9) Es muB bemerkt werden, daB bei dem allgemein fblichen Verfahren der Berechnung der Energie-
ausbeute Zahlen herauskommen, die viel naher bel den Zahlen des Wirkungsgrades des Bades liegen,
als bpi der tatsachlichen Energieausbeute. Diese Tatsache ist dadurch zu erklAren, daB die Zersetzungs-
spannung gewbhnlich nach der Tompson-Regel berechnet wird, aber nicht aus der Gleichung der
mazimalen Arbeit.
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Den Wirkungsgrad des Bades bestimmen wir nach der Formel (43):
Vp 100 0,92 2,57 100 0
k = IN EB - 3,4 = 69,6/o.
Beispiel 59: Es sind die Energieausbeute and der Wirkungsgrad des Bades bei
der Elektrolyse von Kupfer mit unloslichen Bleianoden enter folgenden Be-
dingungen zu bestimmen:
1. spezifisdier Widerstand des Elektrolyten: 5 Qlcm',
2. Entfernung zwischen den Elektroden: 4,2 cm,
3. Stromdichte: 165 Aim',
4. kathodische Stromausbeute: 850/0,
5. Verluste in den Kontakten, Spannungsabfall in den Elektroden and in
den Kathodenstangen: 0,2 V.
Losung: Die theoretische Zersetzungsspannung nehmen wir auf Grund des
Beispiels 56 mit 0,884 V an.
Unter Berucksichtigung der Uberspannung des Sauerstoffs am Blei von 0,5 V
erhalten wir die voile Zersetzungsspannung: Vp = 0,884 + 0,5 = 1,384 V.
Wir bestimmen jetzt die Spannung an den Elektroden des Bades:
EB = Vp -}- IR -I- d.
Wir bestimmen den Spannungsabfall infolge des Widerstandes des Elektro-
lyten (IR). Die Berechnung fiihren wir fur 1 m2 durch:
R = e F = 5 1004,2 00 = 0,0021 ?1,
1= IR =165 ?0,0021 = 0,346 V.
Dann ist die Arbeitsspannung des Bades:
EB = Vp + III + d = 1,384 + 0,346 + 0,2 = 1,92 V.
Die Energieausbeute betragt:
= o>s6 ? 0,884 ? loo
B 77; -K.- 100 = = 38,90/0
. E B 1,93
Der Wirkungsgrad des Bades betragt:
k = n; vp 100 = 0,85 ? loo, = 610'0.
EB 1,93
Beispiel 60: Fur das Niederschlagen von 1 Tonne Zink sind 3300 kWh ver-
braucht worden. Es sind die Energieausbeute and der Wirkungsgrad des Bades
enter Benutzung der Angaben in den Beispielen (55) and (57) fiir die Berech
nung der Zersetzungsspannung zu bestimmen.
(V0=1,99V, V p = 2,57V).
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Losung: Wir bestimmen den theoretischen Energieverbrauch fur das Nieder-
sdilagen von 1 Tonne Zink: 1 Ah setzt an der Kathode 1,2194 g Zink ab, also
werden 108 Ah 1,2194 t Zink absetzen.
Fur die Beredmung der Energieausbeute setzen wir die Spannung mit 1,99 V
ein. Dabei wird fur die Erzeugung von 1 t Zink die folgende Energiemenge
aufgewendet:
1,99
WO = 108 ?
94 = 1,633 ? 108 Wh = 1633 kWh.
1,2194
Die Energieausbeute betragt:
B = WB 100 = 1633 100 = 49,58/0.
W 3300
Fur die Bestimmung des Wirkungsgrades des Bades setzen wir die voile Zer-
setzungsspannung V, = 2,57 V ein.
Fur die Erzeugung von 1 t Zink wind (theoretisch) die nadifolgende Energie-
menge verbraucht:
WO 106.2,57 =2110kWh.
1 . 2194. 1000
Der Wirkungsgrad des Bades betragt:
k= WB 100 - 3300 100 = 63,90%
Beispiel 61: In einem Werk fur die Elektrolyse von Zink iiefert jedes Bad in
24 Stunden 245 kg Zink. 26 in Reihe geschaltete Bader bilden eine Anlage,
durdi die ein Strom von 9000 A flie&.
Der Spannungsabfall in der ganzen Anlage betragt 91 V. Es sollen die katho-
dische Stromausbeute, die Energieausbeute and der Wirkungsgrad des Bades
bestimmt werden.
Losung: Wir berechnen zunachst die kathodische Stromausbeute (Formel20):
r!y = Q - 1
Itg 000 100 = 90004 25 4101 2194 100 = 93,10/0?
Die Energieausbeute kann auf zweierlei Weise ermittelt werden: 1. Man
kann den Spannungsabfall in jedem Bad der Anlage finden and dann die
Gr56e B nach der Formel (41) beredrnen:
EB =Y6 = 3,5 V,
2. Man kann den Energieverbrauch fur eine Tonne Zink direkt bestimmen and
dann die Gr66e B aus der Formel (40a) beredmen:
W = nQ It = 91 2 9002045 24 = 3090 kWh fur 1 T Zink.
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82 111. Theoretisdhe Grundlagen des Elektrolyseprozesses
Dann betragt die Energieausbeute:
B = 31633 090 100 = 52,9?%.
Den Wirkungsgrad des Bades bestimmen wir auf ahnliche Weise:
k .riff VP B 100 = 0,931 .2,57 100 = 68,4%,
odcr
k = 2110 - w100 = 3090 100 = 68,4 %.
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IV. Berethnung der technischen Elektrolyseprozesse
In der Praxis der Metallurgic wird die Elektrolyse fur zwei Zwecke an-
gewandt: fur die Gewinnung der Metalle aus Erzlosungen and fur die Gewin-
nung von reinen Metallen aus Gemischen, d. h. fur die Trennung der Metalle
von den Zusatzen 10). Dementsprechend gibt es zwei ganz versdliedene Elektro-
lyseprozesse: 1. elektrische Abscheidung der Metalle aus Erzlosungen, 2. Elektro-
raffinierung der nidit reinen Metalle. Man mug die Hauptunterschiede be-
achten, die these Prozesse voneinander ganz wesentlidi untersdleiden. Die widt-
tigsten Unterschiede sind folgende:
1. Die' Elektroraffinierung wird mit loslidhen Anoden, die sick unter der Ein-
wirkung des Strome; auflosen, durchgefuhrt; beim elektrischen Niedersdilag
rind die Anoden dagegen nidlt loslidi and dienen nur fur die Stromzufuhr in
den Elektrolyten sowie fur die Entladung der Anionen.
2. Im Prozef der Elektroraffinierung besitzt der Elektrolyt eine fast un-
veranderliche Zusammensetzung (wenn man die allmahlidie Anreicherung einer
gewissen Menge von Beimischungen nidlt beriidcsiditigt). Beim elektrisdien
Niedersdilag wird der Elektrolyt armer am Ionengehalt des niedergesdilagenen
Metalls. Mit der Verarmung verschleditern side die Kennwerte der Arbeit des
Bades, wodurch man sich gezwungen sieht, die Zusammensetzung des Elektro-
lyten dutch die Einfuhrung von frischer Losung in das Bad unveranderlidi zu
halten oder die Elektrolyse unter unvollst indiger Abscheidung des Metalls aus
'der Losung auszufiihren.
Das letztere Verfahren macht die Anwendung einer Zirkulation der Arbeits-
losungen wahrend des Prozesses notwendig, wodurdl die Materialkosten and
die Betriebsausgaben fur eine Tonne Metall erhoht werden.
3. Die Elektroraffinierung stellt den Vorgang der Ubertragung von Metall-
ionen von der Anode auf die Kathode durdi den Strom dar. Der grbSte Teil
der elektrischen Energie wird fur die Uberwindung des Widerstandes des Elek-
trolyten aufgewendet. Die Energie, die bei der Auflosung des Metalls an der
1) Die dritte Zweckbestimmung der Elektrolyse (dtr elektrolytische t}berzug mit einer Metall-
schicht der Fertigerzeugnisse. wobei dieser Metallilberzug aus anderen Metallen bestrbt and f,3r den
Korrosionsschutz bestimmt ist, dieses Verfahren nennt man die Galvanostegie) wird zur Metallbear-
beitung and nicht zur Metallurgie gerechnet and aus diesem Grunde bier nicht betrachtet.
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84 IV. Berechnung der techniscben Elektrolyseprozesse
Anode aufgewendet wird, wird durch diejenige Energie kompensiert, die von
den an der Kathode sick absetzenden lonen frei wird. Die Spannung an den
Elektroden des Bades ist sehr gering, and zwar in den Grenzen von Zehnteln
Volt, entsprechend gering ist auch der Energieverbrauch, and zwar in der Gr6-
f3enordnung von einigen hundert kWh fiir eine Tonne raffinierten Metalls.
Bei dem Elektroniedersdilag wird der gr;36te Teil der Energie fur die
Zersetzung des Salzes des abgeschiedenen Metalls verbraudit. Die Zersetzungs-
spannung ist eine Gr6Fe, die einige Volt betragt, and die Spannung, die fur die
(7berwindung des Widerstandes des Elektrolyten verbraudit wird, spielt eine
geningere Rolle. Der Energieverbraudi fur eine Tonne des niedergeschlagenen
Metalls liegt in der Gro1 enordnung einiger tausend kWh: Es werden bei der
Elektroraffinierung fur eine Tonne Kathodenkupfer ungefahr 300 kWh and
beim Elektroniedersdilag 2000 his 3000 kWh gebraucht.
4. Wahrend des Elektroniedersdilages sdieiden side an den Elektroden Gase
aus, die eine chemdsdie Polarisation mit einer entgegengesetzt wirkenden elektro-
motorischen Kraft hervorrufen. Fur die Uberwindung dieser elektromotorisdien
Kraft wird eine gewisse zusatzliche Menge der elektrisdien Energie verbraudit.
Bei der Elektroraffinierung ist die Polarisation unbedeutend.
5. Beim Elektroniedersd iag hat man es gewohnlidi mit viel starker ver-
sdunutzten Losungen zu tun als bei der Elektroraffinierung, wodurdi eine Kor-
rosion and eine riidclaufige Auflosung des Kathodenniederschlages (bis auf
seine fruhere Zusammensetzung) and audi wine niedrigere Strom- and Energie-
ausbeute hervorgerufen werden (z. B. sdiadlicher Einflul3 seitens Kobalt, Germa-
nium, Arsen and Antimon bei der Elektrolyse von Zink).
6. Fur die Beurteulung des Prozesses des Elektroniedersdilages werden zwei
Kriterien benutzt: kathodisdie Stromausbeute and die Energieausbeute, da-
gegen wird fur den Prozef3 der Elektroraffinierung nur ein Kriterium,? die
Stromausbeute, benutzt; die Energieausbeute ist pier nidit anwendba.r, da die
Zersetzungsspannung theoretisch gleidi Null ist.
Diese beiden Arten des Elektrolyseprozesses haben die gr68te Verwendung in
der Metallurgic des Kupfers gefunden: der Elektroniederschlag, fur das Nieder-
sdilagen des Kupfers aus Erzlosungen, die als Ergebnis einer hydrometallur-
gisdien Aufbereitung der Kupfererze gewonnen werden, and die Elektroraffi-
nierung fur das Reinigen des Rohkupfers, das von fast allen Kupferschmelz-
werken geliefert wird. Der Elektroniederschlag hat eine grof3e Bedeutung
in 'der Metallurgic des Zinks and Kadmiums, da er die Erzeugung von Metal-
len mit einem hodisten Reinheitsgrad gewahrleistet. Die gleiche Bedeutung
besitzt auds die Elektroraffinierung in der Metallurgic des Bleies and in der
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13. Elektroraff inierung von Kup f er
Metallurgie der Edelmetalle. Die Elektrolyse findet eine weite Verbreitung in
der Metallurgie des Nickels, Zinns, Antimons and anderer Metalle.
Wir werden nosh typische Bered-nungsbeispiele, insbesodere fur die Elek-
troraffinierung and fur den Elektroniederschlag aus den Gebieten der Metal-
lurgie, anfuhren, in denen these Prozesse in gro&em Male angewendet werden.
113. Elektroraffinierung von Kupfer
Das Ziel der Elektroraffinierung von Kupfer ist nidit nur die Gewinnung
des Metalls mit hodhstem Reinheitsgrad, sondern audi die Absdieidung and
Ausnutzung derjenigen wertvollen Komponenten, die im Rohkupfer als Bei-
mischungen (insbesondere die Edelmetalle) enthalten send.
Die Elektroraffinierung von Kupfer wird mit loslidien Anoden aus Roh-
kupfer durchgefiihrt; als Elektrolyt dient hier eine saure Losung von Kupfer-
sulfat (das Ansauern geschieht mit Schwefelsaure).
Bei einer Spannnung in jedem Bad von 0,25 his 0,3 V lost sick das Kupfer an
der Anode and setzt sick an der Kathode ab; die Kathode ist als eine dLnne
Metallplatte ausgefiihrt, die nach Erreichen eines bestimmten GewidLts durdi eine
neue Platte ersetzt wird. Die Beimischungen gehen dabei teilweise in den Elek-
trolyten fiber, werden aber meistens in Form von Sdilamm am Boden des Bades
niedergeschlagen.
Die Elektroraffinierung wollen wir am Beispiel einer tedinologisdien BeredL-
nung der Elektrolytabteilung in einer Elektroraffinetie betraditen, jedoch wollen
wir, bevor wir an die Beredmung herangehen, einige hauptsadilidie tedino-
logisdie Angaben, die gerade fiir den Prozel3 der elektrolytisdien Raffinierung
von Kupfer dLarakteristisdi rind, anfiihren.
Zusammensetzung des Elektrolyten
Zur wirtschaftlidLen Durchfuhrung des Prozesses (Verbilligung des Prozesses)
wird als Elektrolyt eine mit Sdiwefelsaure angesauerte Kupfervitriollosung
verwendet, da der spezifische Widerstand einer soldien Losung niedriger als
der einer neutralen Losung ist.
In der Praxis der modernen Werke fur die Elektroraffinierung von Kupfer
erreidit der Gehalt an Schwefelsaure 18 his 19?/o, jedodL nicht mehr, weil bei
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IV. Berechnung der technischen Elektrolyseprozesse
22?/o H2SO4 der spezifische Widerstand der Losung wieder zu steigen beginnt.
Was den Kupfergehalt im Elektrolyt betriffk, so wird er durch die Loslid-keit
des Kupfersulfats in Abhangigkeit vom Sdiwefelsauregehalt in der Losung
bestimmt.
.Obgleich mit der Temperaturerhohung die Loslidikeit des Kupfervitriols in
der Losung bei gleidiem Sauregehalt anwichst, mu{ man bei der Wahl der
Zusammensetzung des Elektrolyten von seiner Loslichkeit bei einer Temperatur
von 25? C ausgehen, da sidi der Elektrolyt wahrend der Arbeit abkiihlen kann
(in Reservegefa&n) and keine Kristallisation des Kupfervitriols aus der Lb-
sung auftreten darf.
In Tafel 20 ist die Abhangigkeit zwischen dem Sauregehalt des Elektrolyten
and dem Kupfergehalt bei 25? C angefuhrt.
In Tafel 21 rind die Analysen der Elektrolyte einiger sowjetischer and aus-
landisdier Werke fur die Kupferelektrolyse angefiihrt.
In Tafel 22 sind die au1 ersten Gehalte einiger Beimischungen nadi Addicks
enthalten.
7a f e1 20
Abhangigkeit zwischen dem Sauregehalt
des Elektrolyten and seinem Kupfergehalt bei 259 C
2,818
35,163
0,1488
2,784
0,7291
34,740
0,4208
2,634
2,0619
32,867
0,8680
2,457
4,2532
30,659
1,3450
2,320
6,5906
28,950
1,876
2,181
9,1924
27,215
1,914
2,154
9,3786
26,836
3,077
1,837
15,0773
22,923
3,659
1,649
17,9291
20,577
Spezifi-
Spezifische
sches
Leitfahigkeit
Gewicht
Siemens
1,2140
0,05555
1,2105
0,06884
1,2070
0,09845
1,2115
0,1458
1,2130
0,2023
1,2165
0,2608
1,2172
0,271
1,2229
0,4005
1,2267
0,4559
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?afel 21
Beispiele der Zusammensetzung der Elektrolyte einiger Werke fur die Elektrolyse von Kupfcr
-
Spezi
Gehalt an Haupt-
komponenten
Gehalt an Beimischungen, g/l
Werke
ratur, C
filches
Gewicht
Cu
H2 SO`
Zn
Ni
Fe
Al
Sb
As
Bi
CI
Kyschtymer Werk . 42
1,180
44,43
138,6
0,1044
2,402
0,62
0,06
0,03
0,017
O,CO6
0,003
Moskauer Molotow-Werk 42
-
35,0
170,0
1,5
15,0
0,02
-
0,07
1,0
-
0,03
Pyschminsker Werk 50
1,21
31,3
177,2
0,085
8,76
1,714
0,830
0,367
1,81
0,002
0,01
Pyschminsker Werk 50
-
31,7
164,65
0,585
10,96
0,513
1,68
0,348
1,235
0,004
0,01
Takomer . . . . . . 54-58
1,24
40,9
186,0
-
20,5
0,5
-
0,75
5,0
-
-
Raritan . . . . . . . 55
1,28
45,0
205,0
-
17,4
2,36
-
-
15,3
-
-
Anakonda . . . . . . 50
1,257
5350
220,0
-
7,0
2,70
-
0,5
5,0
-
-
Karterced 60
1,25
37,5
194,0
0,17
18,0
0,52
-
0,64
2,6
-
0,4
Hoboken. . . . . . . 52
-
35,0
150,0
-
-
-
-
-
-
-
-
L-Pasow . . . . . . . 57
-
29,5
170,0
-
- I
-
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IV. Berechnung der technischen Elektrolyseprozesse
7afel 22
Maximalgehalt an Beimischungen im Elektrolyten
Ni
0,96
12,0
Fe
0,24
3,0
As
1,20
15,0
Sb
0,48
6,0
In der Praxis der Arbeit amerikanisdler Werke beobachtet man manchmal
erne Cberschreitung der erwahnten Grenzen (siehe Tafel 21).
Leitfahigkeit des Elektrolyten
Die elektrische Leitfahigkeit des Elektrolyten wird nach der bereits then be-
handelten Methode von Skowronski beredmet.
Temperatur des Elektrolyten
104V
9000
lzux
7000
6 Ox
tin
Ai 4w
E.
,2&V
420
400
380
360
340
T */ p ,f umtempier~ d em Abp/ e3?Cn and
Bild 7. Abbangigkeit der Temperatur des Elektrolyten von
der Stromdichte .
0
0
of
0
1
2
0
0
1
0
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13. Elektrora$inierung von Kup f er
Neuerdings wird der Elektrolyt auf alien Werken erwarmt, da die Joulesche
Warme nidit ausreidit, um die Temperatur auf der erforderiidien Hohe zu
halten.
Die Temperatur des Elektrolyten sdtwankt bei verschiedenen Werken zwi-
sdien 42? and 55? C and erhoht sick manchmal bis auf 65? C (wenn die elek-
trisdte Energie sehr teuer and der Dampf billig ist).
Vorteile der Erwarmung des Elektrolyten:
1. VergroEerung der Leitfahigkeit des Elektrolyten,
2. Verbesserung der Qualitat des Kathodensatzes,
3. Senkung der Konzentrationspolarisation.
Mangel der Erwarmung des Elektrolyten:
1. Vergro1 erung der diemischen Losung der Elektroden im Elektrolyt,
2. Dampfverbraudi fur die Erwarmung des Elektrolyten,
3. Vergrofierung der Verdampfung des Elektrolyten, wodurdi die Ventila-
tion verteuert wird. (Zur Verhutung der Verdampfung des Elektrolyten
wird die Obertladie des letzteren mit einer diinnen 01schicht bedeckt).
Mt der Erhohung der Stromdidite vergro1 ern side auch die Joulesdie Warme
and die Temperaturdifferenz zwisdten dim Elektrolyt and der umgebenden
Luft. Diese Abhangigkeit ist in Bild 7 auf Grund der Angaben von Addicks
graphisdi dargestellt. In Tafel 23 ist der Dampfverbrauch fur die Erwarmung
des Elektrolyten bis auf 550 C in Abhangigkeit von der Stromdidtte angefiihrt.
20 30 40 50 60
Temp vtur ?'
Bild 8. Abbangigkeit der verdampfenden Elektrolyt-
menge von der Temperatur
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90 N. Berechnung der tedmischen Elektrolyseprozesse
Die Menge des verdampften Wassers (in kg/m= Oberflache in einer Stunde)
bei versduedenen Temperaturen des Elektrolyten (bei einer Zusammensetzung
des Elektrolyten von 18?/o H2SO4 and 12?/o CuSO4) ist in Bild 8 angegeben.
Die Kurve 1 entspridit den Versuchen, die ohne eine Sdiutzolsdudtt durch-
gefuhrt waren, die Kurve 2 den Versuchen beim tflverbraudi von 4,9 g/m2
Oberfladie des Elektrolyten and die Kurve 3 den Versuchen mit einer Sdiutz-
olsdudit von 9,8 g/m2.
Das Riihren des Elektrolyten and die Zirkulationsgeschwindigkeit.
Neuerdings wird die Zirkulation des Elektrolyten nur durdi Umruhren, das
durch das Umwalzen der Losung hervorgerufen wird, erzielt and nidit mit
Hilfe eines Luftstromes, wie das friiher der Fall war. Die Zirkulationsgeschwin-
digkeit hangt in der Hauptsache von der Stromdidhte ab. Je groI er die Strom-
dichte ist, desto intensiver mug die Zirkulation des Elektrolyten rein. Das er-
gibt sich aus Tafel 24, die die praktischen Erfahrungen mehrerer Werke dar-
stellt.
7afe1 23
Dampfverbrauch fur die Erwarmung des Elektrolyten
Stromdichte
Alma
Dampfverbrauch
auf 1 t Kupfer
t
150
180
200
210
250
1,44
1,20
1,05
1,00
0,7
7afe1 24
Abhangigkeit
der Zirkulationsgeschwindigkeit des Elektrolyten von der Stromdidtte
Stromdichte
A/ms
Geschwindig-
keit der Zir-
kulation 1/min
in jedem Bad
Great-Folls . . . . . . . . . .
284
27
Takoma . . . . . . . . . . .
215
20,5-22,5
Baltimore . . . . . . . . . .
205
20,5
Raritan . . . . . . . . . . .
194
18,0
Kartered . . . . . . . . . . .
188
18,0
Ontario . . . . . . . . .
188
18,0
Hoboken . . . . . . . .
168
15,0
Kyschtymer-Werk . . . . . . .
170
14,0
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13. Elektrora$inierung von Kupfer 91
Abhgngigkeit der Zirkulationsgeschwindigkeit.
Es mug bernerkt werden, dal die Zirkulationsgeschwindigkeit auch von der
Konstruktion des Bades abhgngt. Diese Geschwindigkeit muff ebenfalls nach der
Zusammensetzung des Anolyten and des Katholyten (12) gewghlt werden.
Auf losung der Anoden.
Mit der Auflosung der Anoden sind folgende tedinisdie Angaben eng ver-
bunden: die Ausbeute an Sdilamm, die Menge des Kupfers and der ubrigen
Metalle, die an der Anode aufgelost, sick aber nicht auf der Kathode abgesetzt
haben and nicht in den Schlamm uberfuhrt wurden, die Ausbeute an brauch-
baren Kathoden, die Menge des AnodenrUckstandes and die Verluste an Kup-
fer beim Vorgang der Elektroraffinierung.
Die Ausbeute an Schlamm hgngt von der Zusammensetzung des Anoden-
kupfers and von der Verteilung der Beimischungen zwischen den Losungen,
dem Schlamm and der Kathode ab. In Tafel 25 ist die Verteilung der Kompo-
nenten der Anode zwischen der Losung, dem Sdzlamm and der Kathode an-
gegeben. Mit Hilfe dieser Tafel kann man leidit die Schlammausbeute bei der
Elektrolyse des Kupfers mit einer beliebigen Zusammensetzung der Beimen-
gungen bestimmen.
Ta f el 25
Verteilung der Komponenten
der Anode zwischen der Losung, dem Sdilamm and der Kathode
Gold . . . . . .
Silber . . . . . .
Kupfer . . . . . . .
Selen and Tellur . . .
Blei . . . . . . .
Nickel . . . . . . .
Arsen . . . . . . .
Antimon and Zinn . . .
Sdtwefel . . . . . .
Eisen . . . . . . .
Zink. . . . . . . .
Aluminium . . . . .
Silicium. . . . . . .
Wismut. . . . . . .
in die
Losung
in den
Schlamm
in die
Kathoden
98,5-99,0 1,0-1,5
-
97,0-98,0 2,0-3,0
. 1,93
0,07 98,0 -
-
98,0-99,0
1,0-2,0
-
95,0-99,0
1,0-5,0
75,0
10,0
15,0
60,0
20,0
20,0
20,0
50,0-60,0
20,0-30,0
-
95,0-97,0
3,0-5,0
75,0
5,0-15,0
10,0-20,0
93,0
4,0
3,0
75,0
20,0
5,0
-
100,0
-
-
80,0
-
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92 W. Berethnung der technischen Elektrolyseprozesse
Die Menge der Beimischungen und des Kupfers, die side in der Liisung an-
sammelt (aber an der Kathode nidit abgesetzt wird), kann auch mit Hilfe der
Tafel 25 beredinet werden.
Mit Erhohung der Temperatur erhoht sid- auch die Auflosungsgesdiwindig-
keit der Beimisdwgen. Dieser Umstand hat eine besondere Bedeutung fur das
Kupfer. Im Laufe der Zeit vergroBert sick die Konzentration des Kupfers im
Elektrolyt, wodurdi die notwendige Beseitigung des Kupfers aus der Losung
oder in den Regenerationsbadern oder in der Kupfervitriolabteilung hervor-
gerufen wird.
Fur grobe Beredmungen kann man annehmen, daf3 in der Losung ungefahr
2?/? Kupfer and verschiedene Beimischungen vom Gewicht der aufgelosten
Anoden verbleiben. Von diesen 2?/0 entfallen bei den Ural-Werken auf den
Anteil des Kupfers ungefahr 1,8 bis 1,9?/0.
Fur genaue Berechnungen kann man die Angaben von Addicks benutzen,
aus denen ersid-tlidi ist, dais die Korrosion des Kupfers nidit vom Sauregehalt
des Elektrolyten abhangt, sondern in der Hauptsache von der Temperatur des-
selben (und auch von der Stromdidite). Die Ergebnisse der Versudie von Addicks
sind in der Tafel 26 zusammengestellt.
-74t el 26
Menge des Kupfers,
das einer Korrosion in Abhangigkeit von der Temperatur unterliegt
Temperatur des Elektrolyten
oc
Losbarkeit des Kupfers
in 24 Stunden auf 1 ms der Anode
S
35
52
8
20
25
30
60
Fur die Beredinungen ist es bequemer, nidit die Angaben der Tafel 26 zu be-
nutzen, sondern die Angaben aus dem Diagram:m (Bild 9), das die Temperatur-
abhangigkeit der Losbarkeit des Kupfers (in Prozenten der aufgelosten Anoden)
angibt.
Ausbeute an Anodenrackstanden
Die Ausbeute an Anodenriickstanden wird in Prozenten vom Anodengewidit
gesnessen. Von diesem Standpunkt aus ware es vorteilhafter, die Anoden dicker
auszufuhren und sie vollstandiger aufzulosen, andererseits wird dadurch die
Umsatzgesdiwindigkeit des Kupfers in der Produktion verringert und auger-
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dem mit der Auflosung des Kupfers der Widerstand des Bades erhoht sowie eine
Gefahr des Abreif3ens der Anoden erzeugt.
Did wirtsd3aftlidi vorteilhafte Ausbeute an Anodenriidcstanden wird lurch
das Verhaltnis der Gestehungskosten der elektrolytisdien Raffinierung der
Anoden and der, Feuerraffinierung mit nachfolgender Elektrolyse bestimmt.
30 *0 s0
Temperoirv ?f
Bild g. Abhangigkeit der Loslichkeit des Kupfers von der
Temperatur
Durch praktische Erfahrungen in modernen Werken wurde im Durdisdznitt
die gunstigste Ausbeute an Anodenrudcstanden mit 14 bis 16?/? vom Gewidzt
der eingetauchten Anoden festgestellt. In Tafel 27 ist die Ausbeute an Anoden-
riickstanden in Gewichtprozenten der Anoden bei vielen Werken angegeben.
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IV. Berechnung der tedmischen Elektrolyseprozesse
?a f el 27
Beispiele der Ausbeute an Anodenabfallen bei verschiedenen Werken
Kyschtymer Werk ......... .
Leningrader Werk. .. . . .
Moskauer Molotow-Werk .... .
Takomer .............. .
Baltimore ............. .
Maurer ... . .. . .. ... . . . .
Katered .............. .
L-Pasow . .. . . . . . .. . . . . .
Treil .. . . . . . . .. . . . . . . .
Ausbeute an Abfallen
in 0/0 vom Gewicht
der Anoden
15,5
14,0-15,5
14,0
15,0
16,0
15,0
14,0
13,5
20,0
Ausbeute an brauchbaren Kathoden
In den sowjetischen Werken betragt die Ausbeute an brauchbaren Kathoden
ungefahr 85?/0 vom Gewicht des Anodenkupfers. Die amerikanischen Werke
geben uns eine Ausbeute an braudibaren Kathoden in Hohe von 82 bis 83?/0
wegen Fehlens einer zweifachen Beschickung mit Anoden (Ersparnis an Arbeits-
kraft) an.
Verluste an Kupfer
Die Verluste an Kupfer betragen in den modernen Werken 0,05 bis 0,1 olo vom
zu verarbeitenden Anodengewidit.
Stromausbeute
Die Stromausbeute an Metall betragt gewohnlich 92?/0, in gut ausgeriisteten
Werken bis zu 94 bis 95?/0. In den sowjetisdien Werken erzielten die Stadia-
nowarbeiter eine Ausbeute von 95 bis 97?/0. Die Ursadien, die die Stromaus-
beute verringern, sind folgende: 1. Stromverluste durch Erdung (0,5 bis 2?/0);
2. Kurzsdiliisse als Ergebnis der Bildung von Dendriten an den Kathoden (diese
konnen die Stromausbeute im ungnnstigsten Falle bis um 10?/? verringern);
3. Auflosung der Kathode im Elektrolyt (2 bis 3?/o); 4. sdiadliche elektrisdie
Strome im System der Bider; 5. Nebenreaktionen (Aussdieidung von Wasser-
stoff, Vorhandensein von Ferrisulfat im Elektrolyt).
Stromdichte
Die Stromdichte wird durch tedinologische and wirtsdiaftliche Bedingungen
bestimmt. Die Bestimmung der wirtschaftlidien Stromdidhte gestattet nicht nur,
these festzulegen, sondern zeigt audi die erwunschten Anderungen des techno-
Iogischen Vorganges bei den produzierenden Werken zwecks Verringerung der
Selbstkosten der Verarbeitung auf.
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13. Elektrora$inierung von Kupfer 95
Die wirtschafflichste Stromdichte kann man nach der Methode der Selbst-
kostenkalkulation der Verarbeitung bei verschiedenen Stromdichten oder nach
den Formeln von Niiibaum and Prof. Awajew bestimmen.
Bei den Uralsdten Elektrolytwerken betragt die wirtsdiaftlidiste Stromdichte
200 his 250 Alma, bei den auslandischen Werken 170 his 190 Alma. Bei den
Werken, die fiber eine billige elektrisdie Energie verfugen, erhoht side die Strom-
dichte bis auf 250 Alma. Die grofite Stromdichte wird in dem Werk Great-Foils
angewandt (269 bis 284 Alma and infolge sehr billiger elektrisdier Energie so-
gar bis zu 430 Afm2).
Auger den wirtschaftlidien Faktoren spielt bei der Auswahl der Stromdidrte
audi die Reinheit des raffinierten Kupfers eine Rolle. Diese Abhangigkeit ist
aus Tafel 28 ersiditlich.
7'af el 28
Zusammenhang zwischen der Reinheit des Kupfers and der Stromdichte
Kupfergehalt in den Anoden
0/0
97 -96
98 -99
99,0-99,3
99,5-99,8
Zulassige Stromdichte
nicht hoher als Alma
85-90
1CO-120
120-130
200-400
Stromstdrke
In den modernen Werken ist man bestrebt, die Produktivitat des Bades zu
erhohen, indem man die Kathodenoberfladte and folglich audi die Stromstdrke
vergrof3ert. Fruher betrug die Stromstdrke in jedem Bad 2000 bis 3000 A, da-
gegen betragt sie heute 7000 bis 10000 A and bei den modernsten Werken bis
zu 12000 A, ja sogar bis zu 18000 A.
Widerstand and Spannungsabf all je Wanne
Der Spannungsabf all in der Wanne wird nach folgender Formel beredtnet:
EB = Ili' -f - EA - Ex + Er,
wo IR der Spannungsabfall im Elektrolyt,
EA-Ex die Differenz zwischen dem Anoden- and dem Kathodenpoten-
tial (im gegebenen Fall die Differenz, die durch die Konzentra-
tionspolarisation hervorgerufen wird),
Er der Spannungsverlust in den Kontakten and in den Leitungen des
ist.
Bades (emsdhliefSlich des Verlustes im Sdilamm)
Der spezifisdie Widerstand des Elektrolyten wird nadx der Methode von
Skowronski bestimmt, and nach dem spezifischen Widerstand wird audi der
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1V. Berecbnung der technischen Elektrolyseprozesse
Gesamtwiderstand des Backs in Abhangigkeit von den Abmessungen Bowie von
der Anzahl der Elektroden ermittelt.
Die Konzentrationspolarisation andert sick in Abhangigkeit von der Tempe-
ratur, von der Stromdichte and vom Kupfergehalt im Elektrolyt (sowie auch
in Abhangigkeit von den Zusatzen an Kolloiden). Diese Abhangigkeiten sind
in den Tafeln 14, 15 and 16 angegeben.
Der Widerstand des Schlamms ist sehr schwer zu erfassen. Im Laufe der
Elektrolyse alit der Schlamm auf den Boden des Bades. Naherungsweise kann
man den Widerstand des Sdilamms in Hohe von 6 bis 9?/o vom Gesamtwider-
stand des Bades annehmen.
Der Spannungsabfall in den Kontakten betragt bei den modernen, verbesser-
ten Schaltungssystemen (Whitehad, Baltimore) 10 his 15?/9 vom gesamten Span-
nungsabfall im Bad.
Das Beispiel einer Energiebilanz des Bades auf Grund von Angaben von
Gajew and Jessin [12] ist in Tafel 29 angefnhrt.
a'a f el 29
Beispiel einer Energiebilanz cines Bades
Spannungsabfall
V
Verteilung des
Spannungsabfalls
im Bad, ?/?
Spannungsabfall im Elektrolyten . . .
0,23850
80,5
Polarisation . . . .
0,01597
5,3
Spannungsabfall im Sdilamm . . . .
0,02025
6,7
Kathoden . . . . . . . . . .
0,00247
0,8
Anoden . . . . . . . . . . .
0,00090
0,3
Kathodenstangen . . . . . . .
0,00832
2,9
Kontakt Kathoden-Stange . . . . .
0,00700
2,4
Kontakt Anoden-Schiene . . . . .
0,00058
0,2
Kontakt Anoden-Stange . . . . .
0,00239
0,9
Der Gesgmtwiderstand des Bades betragt 0,000132 Ohm bei einer Stromstarke
von 2250 A je Bad
Energieverbrauoh
Der Energieverbrauch wird gewohnlidi in Kilowattstunden auf eine Tonne
des Kathodenkupfers angegeben. In erster Linie iiben die Stromdidite and der
Widerstand des Bades Einflufa auf den Energieverbraudi aus. Mit der Vergrolie-
rung der Stromdidite erhoht sidz audi der Spannungsabfall je Bad, folglidi also
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13. Elektrora$inierung von Kupfer 97
auch der Energieverbrauch. Der Energieverbrauch betragt gewohnlidl 250 bis
350 kWh auf eine Tonne Kupfer, and nur in alien Anlagen erhoht side der
Energieverbrauch bis auf 400 kWh je 1 Tonne. In den modernen Werken ist der
Energieverbraudl sogar unter 250 kWh. Die Senkung des Energieverbraudls
wird durch die Erhohung der Temperatur des Elektolyten, durdi die Reinheit
der Kontakte, durch die Verringerung der Stromverluste, durdl einen niedrigeren
spezifisdien Widerstand des Elektrolyten and dutch das Annahern der Elektro-
den begiinstigt.
Beispiel 62: Es soil die Arbeitsspannung eines Bades auf einem Raffinierwerk
bestimmt werden. Im Bad sind 31 Kathoden in der Abmessung 885mal860mm
vorhanden, die Entfernung zwisdlen den Elektroden ist 43 mm, die Strom-
starke im Bad betragt 7500 A, die Temperatur 506 C. Der Elektrolyt hat fol-
gende Zusammensetzung (in g je Liter): 31,7 Cu, 164,6 H2SO4, 10,96 Ni,
0,513 Fe, 1,68 Al, 1,24 As, 0,585 Zn.
Losung: Wir bestimmen zunadlst den spezifisdlen Widerstand des Elektroly-
ten nadt der Methode von Skowronski. Zuerst fuhren wir eine Korrektur fur
den Schwef elsauregehalt in bezug auf das Arsen ein: 1 g/1 As - 0,66 g/1 H2SO4,
1,24 g/1 As - X:
X = 0,66 ? 1 1,24 = 0,82 g/1.
Der tatsadllidle Gehalt an Shcwefelsaure betragt 164,6 - 0,8 = 163,8 g11.
Wir bestimmen jetzt den Widerstand der Schwefelsaure bei 500 C:
103,6
Rl 100 '
wo R0 der Widerstand der Saure 150 gl1 bei 550 C, der 1,364 Ohm betragt, ist.
Wir fuhren nods sine Beridltigung fiir die Konzentration der Sure ein:
R2 = Rl 95,05-3,4 . 0,495 R 95,05-1,68
100 = i 100
93,37 - _ 103,6 ? 93,37
1 100 R0 100 . 100
Rc?=100+0,657Cu=100+0,657 ? 31,7=120,861;
RNi+zn = 100 + 0,766 (10,96 + 0,585) = 108,8 Q;
RFe=100+0,818Fe=100+0,818 ?0,513=100,451;
RAS=100+ 0,0725 As=100 +0,0725.1,24=100,161;
RA1=100+5u)Q;
R- 1,364-103,6.93,37 1,364.103,6.93,37.120,8.108,8.100,4.100,1. 105 = 1,8350 D'
] 00 . 100. 100. 100. 100. 100. 100
1 r) Nach den Angaben von Prof. Baimakow erhohen 1,68 g/1 Al den Widerstand um 58/,
7 Agejenkow, Elektrometallurgie
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98 IV. Berechnung der technischen Elektrolyseprozesse
Folglich betragt der Widerstand von lcros des Elektrolyten 1,835 Ohm. Der
Widerstand der Elektrolytschicht zwisdien den Elektroden betragt:
R F =1,835 86-8a 5 = 0,00105,Q,
and die Leitf ahigkeit dicer Elektrolytsdudit ist:
o = e = 000105 = 950 Siemens
Im Bad sind parallel 30 Elektrodenpaare geschaltet (60 Zwischenraume zwi-
schen den Elektroden), die gesamte Leitfahigkeit des Bades ist der Summe der
Leitfahigkeiten samtlidier 30 Elektrodenpaare gleich:
eB - e - 30.2 = 950 = 57 000 Siemens, and der Widerstand desBades
betragt:
RB = B = 57000 = 0,0000176 ?7.
Der Spannungsabfall im Elektrolyt ist:
E = IR = 0,0000176 = 0,150 V.
Wir bestimmen jetzt die elektromotorische Kraft der Polarisation unter unse-
ren Bedingungen: Temperatur 50? C, Stromdidite 170 A/m?, Konzentration
des Kupfers 31,7 g/l. Die elektromotorische Kraft konnen wir mit 0,025 V bei
500 C and bei 42 g/l Cu annehmen, and die Senkung des Kupfergehalts von
42.g/l his auf 31,7 g/1, d. h. um 10 g/l, ergibt noch 0,005 V (siehe Tafel 16).
Insgesamt wird die elektromotorische Kraft der Polarisation 0,03 V betragen.
Den Verlust im Kontakt and in den Leitern E, kann man aus der Bilanz des
Bades entnehmen. Den Spannungsabfall im Sdilamm nehmen wir mit 0,03 V
and in den Leitern mit 0,025 V an; der Spannungsabfall in den Kontakten be-
tragt nach den Angaben von Baimakow 0,04 V.
Insgesamt erhalten wir:
E,= 0,03 + 0,025 +-0,04 = 0,095 V.
Der gesamte Spannungsabfall im Bad betragt demnach:
EB = 0,150 + 0,03 + 0,095 = 0,275 V,
and der Widerstand des Bades ist:
EB g275 = 0,0000324 S2.
RB = l 8500
Beispiel 63: Technologische Beredmung einer Elektrolytabteilung. Die jahr-
liche Leistungsfahigkeit des Werkes betragt 120000 Tonnen Kathodenkupfer.
Das Werk verarbeitet das Kupfer in folgender Zusammensetzung:
99,69000'/- Cu, 0,00820'/o Au, 0,13040% Ag, 0,01580'10 Fe,
0,12000 ?/o Ni, 0,00360 ?/o Zn, 0,00126 ?/o Sb, 0,00144 ?/o As,
0,012700/- Se, 0,001300/o Fe, 0,009500/o Pb, 0,002600/o Bi,
0,001200/o S, 0,002000/o SiO2.
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13. Elektroraffinierung von Kupfer 99
Die Selbstkosten fur die elektrische Energie betragen 4,5 Kop. je 1 kWh. Die
Anzahl der Arbeitstage im Jahr ist 360. Die durdisduiittliche Anzahl der
Arbeitsstunden ist mit 23,5 Stunden je 24 Stunden angenommen (da wahrend
der Besduckung and wahrend der Entleerung des Bades nidit gearbeitet wird).
Die Stromausbeute an Metall belauft sich auf 0,96 and die unwiederbringlidien
Verluste an Kupfer auf 0,07 ?/o.
Losung: Bestimmung der Schlammenge. Unter Benutzung der Tafel 25 and
der Analyse des Anodenkupfers bestimmen wir die Menge and die Zusammen-
setzung des Schlamms.
Vom Gewidit der Anoden werden in den Sdilamm folgende Mengen (in
Prozenten ausgedruckt)iibergehen:
Au ...........
0,00820 .0,99 =
0,00812
Ag . . . . . . . . . ..
0,13040 .0,975 =
0,12710
Se............
0,1270 ?0,985 =
0,01250
Te
...........
0,00130.0,985 =
0,00128
Pb
. . . . .......
0,00950.0,970 =
0,00922
Ni
...........
0,12000 =
0,01200
Zn
...........
0,00360.0,04 =
0,00014
Sb
...........
0,00126 =
0,00069
As
...........
0,00144.0,20 =
0,00029
Bi
. . . . . . .....
0,00260.0,80 =
0,00208
S iO2 .......... 0,00200. 1, 00 =
0,00200
Fe ........... 0,01580.0,10 =
0,00158
S . . . . ....... 0,00120 .1,00 =
0,00120
Gesamt .....0,17820?%
Insgesamt wird in den Sdhlamm an Beimischungen die Menge von 0,17820%
vom Gewicht der Anoden iibergehen.
Au1 erdem befindet side im Sdilamm, wie die praktisdien Erfahrungen ge-
zeigt haben, node Kupfer in der Menge von etwa 0,07% vom Gewicht der
Anoden. Folglich betragt das voile Gewicht des Sd iamms:
0,1782 + 0,07 = 0,2482% vom Gewidit der Anoden.
Wenn ?wir das Gesamtgewidit des Sdilamms and das Gewidit jeder Bei-
mischung im Schlamm kennen, kennen wir die Zusammensetzung des Schlamms
bestimmen: 3,27% Au; 51,20% Ag; 5,04% Se; 0,520/o Te; 3,71'/j Pb;
4,83?/o Ni; 0,06?/o Zn; 0,27?/o Sb; 0,12?/o As; 0,84?/o Bi; 0,81?/o Si02;
0,64?/o Fe; 0,47?/o S; 28,22?/o Cu.
Zur Vereinfachung ist bei derBerechnung angenommen, daf3 das im Schlamm
in der Menge von 0,07 ?/o vom Anodengewicht enthaltene Kupfer, das bei der
Verarbeitung des Sdilamms gewonnen wird, die unwiederbringlichen Verluste
an Kupfer (0,07% nach der Aufgabe) sdieinbar ausgleidit. Augerdem sind
die Verbindungsarten einiger Komponenten des Schlamms (Zink, Nickel, Eisen,
Blei, Wismut), deren Gehalt nicht grof3 ist. nicht berUcksiditigt worden.
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100 IV. Berechnung der technischen Elektrolyseprozesse
Durdi eine analoge Beredinung ermitteln wir nosh die Menge der Beimischun-
gen in der Losung (in Gewichtsprozenten der Anode):
Ni ........... 0,12 0,75 = 0,09000
Zn ........... 0,00360 = 0,00337
Sb ........... 0,00126 -0,2 = 0,00025
As ........... 0,00144.0,6 = 0,00086
Bi ........... 0,00260.0,2 = 0,00052
Fe ........... 0,0158 .0,75 = 0,01175
Au, Ag, Se, Te, Pb, S N SiO....... keine
Ferner ward das Kupfer infolge der Korrosion in die Losung ubergehen. Bei
550 C gehen 2,85?/o des Kupfers vom Gewicht der Anode (siehe Bild 9) in die
Losung Ober. Insgesamt werden 2,85 + 0,10675 = 2,95675% vom Anoden-
gewicht in die Losung ubergehen.
Jetzt bestimmen wir die Ausbeute an Kathodenkupfer.
Folgende Beimischttngen gehen in das Kupfer fiber (in Gewichtsprozenten der
Anoden) :
Au .......... 0,00820 ?0,01 = 0,00008
Ag .......... 0,13040.0,025 = 0,00326
Se ........ 0,01270.0,015 = 0,00019
Te .......... 0,00130.0,015 = 0,00002
Pb .......... 0,00950.0,03 = 0,00028
Ni . ......... 0,12000. 0,15 = 0,01800
Zn .......... 0,00360.0,03 = 0,00011
Sb .......... 0,00126. 0,25 = 0,00031
As .......... 0,00144.0,20 = 0,00029
Fe .......... 0,01580.0,15 = 0,00237
Insgesamt ..... 0,024910/0
Au&rdem geht das Kupfer in die Kathoden fiber, and zwar in einer Menge
von 99,69 - 0,07 - 2,85 = 96,77 0/0.
Insgesamt betragt das Gewicht des Kathodenkupfers 96,77 -~ 0,02491 =
96,7949?/0 vom Gewicht des Anodenkupfers.
98,77 .100 = 99,974 ~J
Die Reinheit des Kathodenkupfers betragt: 96,7949 ?
Die Bilanz der Stoffe (in Prozenten):
Kathodenkupfer ......... 96,7949
Schlamm ............. 0, 2482
in der Losung .......... 2,9568
Insgesamt : 99,9999010
Fur tine Tonne Kathoden benotigt man 98,949 = 1,033 t Anoden.
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13. Elektroraffinierung von Kupfer 101
Die taglidie Leistungsfahigkeit des Werkes (in bezug auf das Kathodenkupfer)
betrigt:
M - 120000 = 333,3 t.
360 360
Ein Ampere sdilagt im Laufe einer Stunde auf einem mE 1,186 g Kupfer nie-
der, deswegen wird der Strom mit der Did to DK bei einer Stromausbeute'7 im
Laufe von 24 Stunden auf einem mE die folgende MengeKupfer niedersdhlagen:
1,186 ? rl;DK ? 23,5 g ben einer durchschnittlidien Arbeit des Bades von 23,5 Std.
je 24 Std.
Elektrodenanzahl im Bad
Bei einer Leistungsf ihigkeit von m ? 106 g Kupfer je 24 Std. wird die Flache
samtlicher Kathoden aus folgender Formel beredmet:
F m?106 _ M?10,6
23,5 r/i DK 1,186 360 23,5 ri DK 1,186
Bei dieser Beredinung nehmen wir die Stromdidite in der HShe an, mit der
die Werke unter analogen Betriebsbedingungen arbeiten. In den Werken des
Uralgebietes betragt die Stromdichte etwa 190 A/m?. Wenn wir diese Strom-
didite annehmen, dann erhalten wir:
F. 120000.106 _ 1,2.1011 = 6,56 m2.
360.23,5.0,96 .190.1,1-86- 1,83-106
Die Stromstarke je Bad wind nadi der Grofle der Anlage gewahlt, dabei mug
im Auge behalten werden, daf3 die kleinen Bader im Betrieb nidlt wirtschaft-
lich arbeiten. Die Stromstarke mussen wir so auswahlen, daf3 wir eine Span-
nung, die der genormten Spannung (110 bis 120 V) nape liegt oder das Vie!-
fadie von ihr erhalten. Die Anzahl der Bader beredmen wir durdi Division der
Gesamtfladie der Kathoden durch die Flache der Kathoden in jedem Bad:
N= F ,
f
Die Oberflache der Kathoden un Bad and die Stromstarke rind auf3erdem
audl durdi eine andere Beziehung verbunden:
F=I
DK
Wenn wir these beiden Gleichungen zusammenziehen, erhalten wir:
NI = FDK = 6,56.104.190 =1,246.107.
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1V. Berechnung der tedmischen Elektrolyseprozesse
1,15Ne=E,
wo E die Spannung des Stromkreises,
e der Spannungsabfall in jedem Bad,
1,15 der Koeffizient, der die Spannungsverluste in Schienen, Leitungen, Schalt-
tafeln usw. berucksichtigt
ist.
Wir nehmen e = 0,3 V an, dann erhalten wir:
E=0,3.1,15N=0,345N.
Jetzt wahlen wir einen Gleichstromgenerator. Wenn der gewahlte Generator
eine Stromstarke I = 10000 A erzeugt, dann ist die Anzahl der Bader:
FDK 1,246 ? 107 = 1246
N- I - 10,4
and die Spannung betragt darn: E = 1246 = 430 V.
Die angenommene Hohe der Stromstarke I ist also gunstig gewahlt worden:
Die Spannung im Stromkreis ist ein Vielfaches von 110 V. Deshalb kann die
Stromstarke von 10000 A fur jedes Bad beibehalten werden.
Ferner bestimmen wir die Oberflache der Kathoden in jedem Bad:
I 10000 52,6 m2.
f _ Dx _ 190 =
Die Abmessungen der Kathode nehmen wir mit 900 (dK) mal 950 mm (h K)an,
dann betragt die Oberflache jeder Seite der Kathode:
fx= 0,9.0,95 = 0,855 m2.
Die Anzahl der Kathoden im Bad muBte dem Quotienten bei der Division
der Oberflache samtlicher Kathoden im Bad durch die voile Oberflache jeder
Kathode (21 x)gleich sein. Da aber bei den zwei augersten Kathoden je eine
Seite nicht arbeitet, mug man zum Quotienten bei der Division nosh eine
Kathode zuschlagen, d. h., die Anzahl der Kathoden im Bad mug betragen:
nx= fx +1= 250,855 +1=30,75+1-32.
Die Anzahl der Anoden im Bad betragt dann 31.
Gesamtzahl der Bader
Weiter oben ist bereits annahernd die Anzahl der Bader im Werk mit 1246
bestimmt worden. Die endgultige Gesamtzahl der Bader wird unter Berucksich-
tigung der Bequemlichkeit der Verteilung and audi unter Berucksichtigung einer
notwendigen Reserve bestimmt.
Die Amortisationsperiode eines Bades kann man mit 20 Jahren annehmen.
Dann wird die Gesamtzahl der Bader betragen:
1246 (1 + 20) = 1309 Stuck.
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r3. Elektrora ff inierung von Kupfer
Wir runden die Gesamtzahl der Bader auf 1320 Stuck ab, unterteilen the in
44 Serien mit je 30 Badern, von denen 42 Serien ununterbrochen arbeiten and
2 Serien als Reserve dienen.
Dann wird die Anzahl der ununterbrochen arbeitenden Bader 30 mal 42 =
1260 Stuck betragen, d. h. um 14 Bader mehr, als nach der Vorberechnung be-
stimmt war.
Die Gesamtflache der Kathoden in den Badern wird ebenfalls gr8f3er sein als
nach der Vorberechnung, and zwar um (52,6. 1260) - 6,56 104 = 6,63 104
- 6,56 104 = 0,07. 104 m2.
Diese Differenz stellt eine unbedeutende Grofie dar, deswegen konnen wir
die berechnete Anzahl der Bader auf 1260 belassen.
Bed der gewahlten Stroandichte wurde eine solche Anzahl der Bader eine nurum
0,07. 164.100
6,56.104 10/o grofiere Leistung fief ern, oder bei der vorgesdiriebenen
Leistungsfahigkeit wird die Stromdid-te gegenuber der angenommenen Strom-
didhte um 1 I/o kleiner sein (ungefahr 188 A/mf).
Die Spannung im Stromkreis wird dann betragen:
E = 0,345.1260 = 435 V.
Berechnung der Abmessungen des Bades
Zunadist beredmen wir die Dicke der Anode. In einem Bad wird in 24 Stun-
den die folgende Menge Kupfer niedergeschlagen:
m _ 333,3.108 = 264,5 kg Kupfer.
N 1260
Diese Kupfermenge setzt sich auf 2(n K- 1) Seiten der Kathoden ab, d. h., auf
jeder Seite der Kathode setzen rich
264,5 264,5 = 4,27 kg Kupfer
2(nK-1) .31
ab, and auf den mittleren Kathoden werden je 4,27 = 8,54 kg Kupfer
geliefert, and zwar in 24 Stunden. Das Gewicht des an den Kathoden nieder-
geschlagenen Kupfers ist kleiner als das Gewicht der aufgelosten Anode, da
ein Teil der Anode side nicht unter der Einwirkung des Stromes auflost, son-
dern infolge von Nebenreaktionen and der Korrosionswirkung des sauren
Elektrolyten. Von 100 Gewiditsteilen der aufgelosten Anoden setzen side an
der Kathode nur 100 - C Teile Kupfer ab. Die Gro& von 100 - C nehmen
wir wie im vorhergehenden mit 96,7950/o an.
Dann betragt die Auflosung jeder Anode in 24 Stunden:
8,54-100 8,54-100
_ 8 82 kg.
100 - C 96,795
Wenn wir die Anodenperiode mit 27 mal 24 Stunden annehmen, werden
rich im Laufe dieser Periode von der Anode 8,82 = 238,1 kg auflosen.
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N. Berechnung der tedmischen Elektrolyseprozesse
Bei der Elektrolyse wird nicht die ganze Anode aufgelost. Die Menge des
Anodenrackstandes schwankt nach den Literaturangaben im Durchschnitt zwi-
sdien 12 his 14 ?/o and erhoht sick sogar bis auf 16 his 17 N. In den sowjetischen
Werken ist die Ausbeute an Anodenriidistanden iiberhaupt kleiner als bei den
amerikanischen Werken, and bei einer sorgfaltigen Arbeit konnte die Ausbeute
leidit his auf 10?/o gesenkt werden. In unserer Berechnung wollen wir die Aus-
beute an Ruckstiinden mit 12 ?/o annehmen, was wir auch bei einer Verwendung
von homogenen Anoden and bei einer Verkleinerung der Hohe der Gsen er-
zielen konnen. Dann betragt das Gewicht der Anode
IV _ 238,1 0,88 = 270 kg.
Das Gewidit der Anodenosen betragt gewohnlich 4,5 his 5?/o vom Gewidit
der Anode. Dann wird das Gewicht der in das Elektrolyt eingetauditen Anode
270 mal 0,95 = 256,5 kg betragen.
Bei einem spezifisdien Gewidit des Kupfers von 8,8 wird der Teil der Anode,
der in den Elektrolyten eingetaudit ist, einen Umfang von 28 ,5 = 29,1 dm'
= 29100 cm' aufweisen.
Unter der Beriidcsiditigung, dal die Abmessungen der Anode kleiner sind als
die entsprechenden Abmessungen der Kathode, and zwar urn 5 ?/o, erhalten wir:
dA = 0,95 dK = 0,95.0,9 = 0,855 m;
hA = 0,95 bK = 0,95. 0,95 = 0,9025 m.
Die Bache der Anode betragt:
fA = 0,952 fK = 0,9025.0,855 = 0,772 m2.
jetzt bestimmen wir die Dicke der Anode:
aA _ 277220 = 37,7 mm.
Die Entfernung von den Kanten der Kathode his zu den Wanden des Bades
nimmt man gewohnlich mit 50 his 60 mm an. Wir wahlen 5,5 cm. Dann in die
Breite des Bades d B = dK + 2.5,5 = 90 + 11 = 101 cm. Die Tiefe des
Bades setzt side aus der Lange (Hohe) der Kathode (hK) and aus der Entfernung
von der unteren Kante der Kathode his zum Boden des Bades zusammen. Die
Entfernung von der unteren Kante der Kathode his zurn Boden des Bades
andert side von 80 bis zu 180 mm je nadi Gehalt an Edelmetallen im Anoden-
kupfer. Diese Entfernung nehmen wir mit 150 mm an. Dann ist die Tiefe des
Bades:
hB=hK+ 15=95 + 15=110 cm,
and der Querschnitt des Bades wird dann 1,01 mal 1,1 = 1,11 m? betragen.
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13. Elektroraffinierung von Kupfer
Fur die Bestimmung der Lange des Bades mussen wir die Entfernung zwischen
der Kathode and der Anode festlegen. In der letzten Zeit ist man bestrebt,
zwedts Einsparung elektrischer Energie these Entfernung zu verkleinern, da, je
Weiner these Entfernung ist, desto kleiner auch der Widerstand des Elektrolyten,
der als die Hauptursache des Energieverbrauches erscheint, sein wird. Neuer-
dings ist man bemuht, die Entfernung zwisd-en den Elektroden bis auf 36 bis
48 mm zu verkleinern. Die Arbeit der Stadianowarbeiter im Werk in Pysdimin,
die these Entfernung his auf 34 mm verringert haben, bietet weitere Moglich-
keiten einer node grolleren Annaherung der Elektroden. In der vorliegenden
Berechnung nehmen wir die Entfernung zwisdien den Elektroden mit 1= 35 mm
an. Die Dicke der Anode ist 37,7 mm, die Dicke der Kathode 0,6 nun (an-
nahernd), and die Entfernung zwischen der aullersten Kathode his zur Stirn-
wand des Bades betragt 150 mm. Folglidi erhalten wir die Lange des Bades
durdi Addition der resultierenden Dicke von 31 Anoden and 32 Kathoden,
der Gesamtiange der Zwischenraume zwischen den 62 Elektroden and der Ent-
fernungen zwischen den iu6ersten Kathoden bis zu den Wanden ides Bades:
L = 31.3,77 + 32. 0,06 + 62. 3,5 + 2.15 = 365,7 cm - 3,7 m.
Das Volumen des Bades, das mit Elekrolyt gefullt ist, betrigt:
V=Ldh= 3,7.1,1.1,01=4,08m3.
Das Bad wird mit dem Elektrolyt auf 85 bis 90?/o gefullt. Wir nehmen den
Auffullungskoeffizienten des Bades mit 0,875 an, dann wird das voile Vo-
lumen des Bades betragen:
V _4,08
Vl 0,875 = 0,875 = 4,7 m3.
Wir bestimmen jetzt das Volumen des Elektrolyten im Bad. Das Volumen
des Elektrolyten ist dem Volumen des Bades unter Abzug des von den Elektro-
den eingenommenen Volumen gleich:
VE= VB-VK-VA=4,08-0,9.0,95.0,0006.32
- 0,855.0,9025.0,0377.31= 4,08 - 0,017 - 0,901 = 3,16 m3.
Zusammensetzung des Elektrolyten, dessen Temperatur and Widerstand
Zwecks Verringerung des Widerstandes des Elektrolyten wird der Schwefel-
siuregehalt in ihm erhoht and der Kupfergehalt verringert. Auf Grund der An-
gaben der modernen Praxis nehmen wir folgende Gehalte im Elektrolyten an:
190 gll H2SO4 and 30 gl1 Cu. Die Temperatur des Elektrolyten soil 55a C be-
tragen.
Den Widerstand des Elektrolyten berechnen wir nach der Methode von Sko-
wronski. Dabei erhalten wir:
Xx,so' = 84,23 %;
Rc?=100+0,657.30=119,7%.
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106 IV. Berechnung der techniscben Elektrolyseprozesse
$ei normaler Arbeit der Abteilung mug man das Vorhandensein einer be-
stimmten Menge Verunreinigungen im Elektrolyten berucksichtigen. Wir neh-
men an, daf3 aus dem Kupfer derublichen sowjetischen Zusammensetzung ein
Elektrolyt mit einem Gehalt von 10 g/1 Ni, 3 g/1 Fe and 1,5 g/1 As erzeugt ward.
Dann erhalten wir:
RN;=100+0,766.10=107,66%;
Rpe=100+0,818.3=102,95%;
RAs = 100 + 0,0725.1,5 =101,09 %;
K = 1,364 84,23. 119,7 = 1,364.1,13 = 1,542 D.
100-100-100 - 100-100
Da im Elektrolyt nosh andere von uns nidu berucksichtigte Beimischungen
vorhanden sind: Aluminium, Wismut, Chlor and Antimon, vergr6f3ern wir
zur Abrundung den spezifisdien Widerstand des Elektrolyten ungefahr um 50/e,
d. h. his auf 1,62 .Q/cm'.
Der Widerstand von I m' des Elektrolyten betragt:
= 1,62.100
loo ? loo = 0,0162 s/m3.
In der Annahme, daf3 der Strom im mittleren Querschnitt des Elektrolyten,
der zwischen der Kathode and der Anode eingeschlossen ist, flief3t, konnen wir
diesen Querschnitt wie folgt berechnen:
0,95.0,9 + 0,9025 + 0,855 _ 0,8135M2.
2
Im Bad sind bei 31 Anoden and 32 Kathoden insgesamt 62 Zwischenraume
vorhanden, folglich betragt der gesamte Querschnitt des Elektrolyten, ,durch
den der Strom flief3en wind: 0,8135 = 50,42 m2. Die Entfernung zwischen
den Elektroden haben wir mit 35 mm angenommen, deswegen ist der Wider-
stand des Elektrolyten im gesamten Bad:
R _ pl _ 0,0162.0,03512) _ 0,00001125 92.
F 50,42
Widerstand des Bades.
Der Widerstand des Bades setzt sick aus dem Widerstand des Elektrolyten,
dem Widerstand des Schlamms, dem Widerstand der Kathodenstangen, der
elektromotorischen Kraft, der Polarisation and aus dem Widerstand der Kon-
takte zusammen:
a) Der Widerstand des Schlamms betragt gewohnlidi (im Durdischnitt) 10 bis
15% vom Gesamtwiderstand des Sdilamms and des Elektrolyten. Der Wider
stand des Schlamms laf3t sich nicht genau erfassen, er hangt in hohem Maf3e da-
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r3. Elektrora ff inierung von Kup f er
von ab, wie oft die Anoden geputzt werden, von der Zusammensetzung des
Kupfers, von der Temperatur des Elektrolyten usw.
Naherungsweise wollen wir fur die Berechnung den Widerstand des Schlamms
mit 15?/o vom Gesamtwiderstand des Sdilamms and des Elektrolyten an-
nehmen, da unser Elektrolyt einen sehr geringen Widerstand besitzt.
0,00001125. 15
85 = 0,000001985.Q.
b) Widerstand der Kathodenstangen: Die Anzahl der Kathodenstangen im
Bad betragt 32. Durch das Bad flic8t ein Strom von 10000 A. Da die Elek-
troden im Bad parallel geschaltet sind, flieSt durch jede Stange ein Strom von
nK = 10000 = 312,5A.
Bei einer zulassigen Belastung von 0,8 A/mm2 mug der Quersdmitt der Stange
wie folgt sein: 312,5: 0,8 =.391 mm2.
Naherungsweise kann man die Lange der Stange fur ein Bad von 1 m Breite
mit 1,25 m annehmen.
Der Widerstand einer Stange betragt:
1,25
rl = 0,0175 391 = 0,0000561 t2 bei 15?C.
Die Temperatur der Stange, die sidi unter Strombelastung uber dem heifien
Elektrolyt befindet, kann man mit 40? C annehmen, dann erhalten wir:
rt = r15 [1 + a (t - 15)] = 0,0000561 (1 + 0,004000. 25)
= 0,0000561 = 0,0000617.Q.
Der Widerstand von 32 parallelgeschalteten Kathodenstangen betragt dann:
rt 0,0000616
rK = = 0,00000193 Al.
32 = 32
c) Die elektromotorisdie Kraft der Polarisation entnehmen wir aus Ta-
feln 14, 15, 16; bei einer Stromdichte von 190 Alm' and einer Temperatur des
Elektrolyten von 55? C, bei einem Kupfergehalt von 30 gll and einem Sdiwe-
felsauregehalt von 190 gll kann man die elektromotorische Kraft der Polarisa-
tion mit 0,04 V annehmen, was bei einer Stromstarke von 10000 A einem
Widerstand von 0,000004 Ohm entspricht.
d) Widerstand der Kontakte: Nach den Angaben von Gajew and nach dem
Projekt des Pyschmminsker Werkes betragt der Widerstand der Kontakte (Ka-
thodenosen, Kathodenstange) zuziiglidi des Widerstandes an der Befestigungs-
stelle der Osen an der Kathodentafel 0,0000492 Ohm and fur das ganze Bad:
0,0000492: 32 = 0,00000154 Q.
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IV. Berechnung der technischen Elektrolyseprozesse
Der Kontakt: Anode - Stange hat einen Widerstand von 0,0000756 Ohm und
fur das ganze Bad:
0,0000756: 31 = 0,00000244 D.
Der Widerstand der Kontakte in einem Bad betragt:
0,00000154 + 0,00000244 = 0,00000398 9.
Bei der Beredmung des Widerstandes der Kontakte wurde vorausgesetzt, dag
ein verbessertes System von Kontakten (Whitehad-Kontakte) verwendet wird.
Der Gesamtwiderstand des Bades (in Ohm) betragt:
Elektrolyt ........ 0,00001125
Polarisation ...... . 0,00000400
Kathodenstangen . . . . 0,00000193
Schlamm ........ 0,000001985
Kontakte ........ 0,00000398
insgesamt 0,000023145 D.
So grog ist der Widerstand der mittleren V-Line des Bades. Das auf3erste Bad
mit einer Bordsdhiene hat einen grogeren Widerstand. Der Quersdmitt der
Bordsdriene betragt: 10000 = 12500 mm2 bei einer Lange von 4,2 m, die
0,8
Temperatur :der Sdriene ist 55? C. Der Widerstand der Sdiiene bei 15?C betragt:
R55 = e = 0,0175 12 0 = 0,00000574 9,
undbei50?C
R50 = 0,00000574 (1 + 0,004.35) = 0,00000574.1,14 =
= 0,00000654 D.
Der Widerstand dieses Bades betragt dann:
0,000023145 + 0,00000654 = 0,000029795.Q.
Der Widerstand des Bades, der auf 1 m? des Bades entfallt, betragt:
0,000023145 = 0,000095 D.
Dagegen ist der Widerstand, der auf 1 m? der Kathodenoberflache im Bad ent-
Wit, wie folgt:
0,000023145 = 0,001220.Q.
Derartig niedrige Zahlenwerte des Widerstandes des Bades auf 1 ms des Vo-
lumens und avf I m? der Kathodenflache werden durch den kleinen Zwisdten-
raum zwischen den Elektroden, durch einen niedrigen Widerstand des Elektro-
lyten und durch die Verwendung von verbesserten Kontakten erreicht.
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r3. Elektroraffinierung von Kupfer. 109
Bestimmung der wirtschafllichen Stromdidte
Die wirtschaftlich gunstigste Stromdichte kann nach :der Formel von Pro-
fessor Awajew, nach den Formeln von Nusbaum oder nach der Kalkulations-
methode bestimmt werden.
Um die Ridnigkeit der von uns gewahlten Stromdichte zu prufen, wollen
wir die Beredmung nach der Formel von Awajew, and zwar in ihrer unver-
anderten Form, sowie nach der Formel, die dg Verhalten der edlen Metalle
beriicksichtigt, durchfiihren.
Die vorteilhafteste Stromdichte ward nach Awajew aus folgender Formel be-
stimmt:
V 10 (dpi + dp2) + 10 (b + c)Ps
V f2 rhk
wo a die vollen (osten fur 1 ms Bad ohne die Elektroden and ohne den Elek-
trolyten (in der Praxis betragt these Zahl fiir Betonbader etwa 350 Ru-
belts) sowie fiir Holzbader, die mit Blei besdilagen sind, 600 his
900 Rubel),
b die Kosten fur 1 ms des Elektrolyten,
c der Wert des Kupfers in den Anoden and Kathoden auf 1 m3 des Bades,
d die Kosten der Raume auf 1 ms des Bades (gewohnlidi entfallen auf 1 m3
des Bades 2,6 mz der Werksflache oder 25 bis 35 m' des Gebaudes. Die
Konen fur 1 m3 desGebaudes mit der sich auf etwaAusriistung belaufen
20 his 30 Rubel),
f die Flache der Kathoden auf 1 m3 des Bades (gewohnlich betragt diese
Fladse 6 his 12, erreidit jedoch bei den neueren Werken 16119 - Werk
Karteret -),
k die Kosten fur 1 kWh Elektroenergie,
pi 1. Amortisation des Bades in Prozenten von aufgewandten Kapitalinve-
stierungen, die gewohnlich 10% betragen,
2. Ruckstellungen fur die Generalreparatur and fur die laufende Instand-
setzung sowie fiir die Wartung des Bades, gewohnlich 5 bis 11 ?/o,
p2 Amortisation des Gebaudes 100/0, Wartung and Instandsetzung 4 his 6?/o,
ps Tilgung in Prozenten vom Wert des Kupfers and der Losung, die sick in
der nosh nicht beendeten Produktion befinden, bezogen auf 1 m3 des
Bades (diese Zahl hangt von der Stromdidhte ab; bei 180 A/m= betragt der
Metallumsatz 25 Tage, die Grote von p3 schwankt zwischen 6 and 12 ?/o),
h Zahl der Arbeitsstunden der Anlage im Jahr,
r der Widerstand von 1 m3 des Bades
3st.
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1V. Berechnung der technischen Elektrolyseprozesse
Wir wollen jetzt einige dieserZahlenwerte fur unsere.Berechnung bestimmen
1. c - die Kosten der Elektroden in 1 m3 des Bades.
Das Anodengewicht im Bad betragt:
270 ? 31
1000 = 8,37 t.
Das Volumen des Bades ist 4,08 m'.
Das Gewicht des Anodenkupfers, das auf 1 m' des Bades entfallt, betragt:
8,37 = 2,050 t.
4,08
Die Kosten einer t Anodenkupfer belaufen side auf 908 Rubel. Der Wert
des Anodenkupfers in 1 m' des Bades betragt:
2,05 ?908 = 1862 Rubel.
Das Gewicht der Kathodenplatte mit risen kann man mit 5 kg annehmen, dann
ist das Gewicht des Kathodenkupfers im Bad:
5.32
1000 =0,16 t.
Der Wert der Kathoden, bezogen auf 1 m' des Bades, ist:
0,16. 1000 = 39 Rubel.
4,08
Der Wert der Elektroden im Bad betragt:
1862 + 39 =1901 Rubel.
2. f -Kathodenflache (m2), die auf 1 m' des Bades entfallt, betragt:
5,6 208 =12,90 m2.
4,208
3. r-Der Widerstand von 1 m' des Bades betragt in unserem Falle
0,000095 Ohm.
4. pi - Riickstellungen fur die Amortisation des Bades and fur das im Bau
investierte Kapital.
Die Lebensdauer des Bades ist 20 Jahre, Bann betragt die Amortisation 5?/0,
die Ruckstellungen fur das Kapital belaufen sich auf 6?/o, and fur die Instand-
setzung der Bader nehmen wir 2?/o an. Insgesamt erhalten wir pi = 5 + 6
+ 2 = 13 ?/o.
5. P2 - Ruckstellungen fur die Amortisation des Gebaudes and fur das Ka-
pital betragen 2,7 + 6,0 = 8,7 ?/o.
6. p3-Die Tilgung der Kosten des Metalls and der Losung, die sich in der
noch nicht beendeten Produktion befinden, wird mit 8?/o angenommen.
7. b - Die Kosten des Elektrolyten in 1 m' des Bades:
Auf 1 m' des Bades entfallen X08= 0,78 m' des Elektrolyten.
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13. Elektroraffinierung von Kupfer 11I
In diesem Volumen rind bei einem Kupfergehalt von 30 gll an Kupfervitriol:
30.259,65.0,78 = 0,0958 t
63,57. 1000
190.0,78
10()0 = 0,1482 t
enthalten.
Die Kosten fur 1 t Kupfervitriol betragen 680 Rubel 21 Kop. and fur I t
Schwefelsaure 107 Rubel 90 Kop.
Die Kosten fur 0,78 m$ des Elektrolyten betragen:
0,0956 ?680,21 + 0,1482 ? 107,9 = 81 Rubel;
8. d-Der Wert der Raumlichkeiten bezogen auf 1 ms des Bades:
Beim Pyschminsker Werk betrug der Wert von 1 m3 des Gebaudes 11 Rubel
61 Kop. Auf 1 m3 des Bades enthallen 35 m3 des Gebaudes, d. h. d = 11,61
= 406 Rubel 35 Kop.
9. a - die Kosten von 1 m3 des Bades betrugen auf dem Pyschminsker Werk
182 Rubel 33 Kop.
10. h - Zahl der Arbeitsstunden im Jahr:
360. 23,5 = 8460.
Nach Einsetzen der ermittelten Zahlenwerte in die oben angefuhrte Formel
erhalten wir bei einem Preis fur die Elektroenergie von 4 Kop. far eine kWh:
10 (182,33 ? 13 + 406,35 ? 8,7) + 10 (81,0 + 1901) 8 = 201 A/m2,
V 12,902 ? 0,000095 ? 8460 ? 0,04
and bei einem Preis fur 1 kWh von 4,5 Kop. 189,3 A/m2.
A. 1. Gajew berucksichtigte die Verluste an Gold and Silber in Abhangigkeit
von der Stromdichte and leitete eine Gleichung fur die wirtschaftliche Strom-
dichte in folgender Form ab:
+0 (a?h+dp2)+ 10 (b+c)ps
(rkf +gQ)fh
In dieser Formel sind dieselben Bezeichnungen wie auch in der vorhergehen-
den Formel eingefuhrt, jedodi mit folgenden Ausnahmen: p3 ist ein Koeffizient
der Wirksamkeit der Ausnutzung der Umlaufmittel, die in den Kosten des
Elektrolyten and der Elektroden enthalten sired (Gajew empfiehlt fur die Be-
rechnungen, diesen Koeffizienten mit 12 anzunehmen):
q ist die Kupfermenge, die in einer Amperestunde mit einer Berichtigung fur
die Stromausbeute niedergesdalagen wird (in unserem Falle q = 1,186.0,96 =
1,138 g).
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IV. Berechnung der techniscben Elektrolyseprozesse
Q - der Wert (in Rubeln) des Goldes and des Silbers, der in den Katho-
den verloren geht, wind aus folgender Formel bestianmt:
MAgbl -NAub2
Q = 100
wo N der Wert von 1 kg Gold, der mit 1290 Rubel angenommen wird,
M der Wert von 1 kg Silber, der mit 40 Rubel angenommen wird,
Ag Silbergehalt in 1 kg der Anode, ausgedrUckt in kg (in unserem Falle
0,0013 kg),
Au der Goldgehalt in 1 kg Anode, ausgedriickt in kg (in unserem Falle
0,000082 kg),
bi der Tangens der Kurve der Silberverluste - 0,014,
b2 der Tangens der Kurve der Goldverluste - 0,005
ist.
In unserem Falle erhalten wir:
40 ? 0,0013 ? 0,014+ 12,90 ? 0,000082 ? 0,005 = 0,00001257
Q - 100
Dann betragt die wirtschaftliche Stromdidite nach der Formel von Gajew bei
den Kosten der elektrischen Energie von 4 Kop. fur 1 kWh:
i - 10(182,33-13+4C6,35.8,7)+(81,0+1891)12 = 206,7 A/m2.
(0,000O95.0,04-12,9+1,138.0,00001257)12,90-8460
and bei einem Preis von 4,5 Kop. fur 1 kWh ist i = 197,4 AIm2.
AnZabl der Matriienbdder
Die Formel fur die Bestimmung der Anzahl der Matrizenbader ist unter der
Voraussetzung abgeleitet, daft der Verbrauch der Kathodenplatten bei der
Elektroraffinierung gleich dem Zugang ist, d. h. der Produktion der Matrizen-
bader:
V 100?NnKP?a
2 A ? (B - 1) (100 - p) + 100 nK Pa
wo N die Gesamtzahl der Hauptbader, die im Werk arbeiten,
X die Anzahl der Matrizenbader,
a die Dauer des Ansetzens der Kathodentafeln,
P der Verbrauch des Kathodenbleches fur eine Kathode,
p die Menge der Abfalle and des Aussdiusses an Kathodenhlech in Pro-
zenten,
nK die Anzahl der Kathoden in einem Bad,
B die Anzahl der Kathoden im Matrizenbad,
A die Dauer des Ansetzens der Kathoden in Tagen
ist.
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In unserem Falle haben wir N = 1260, nK = 32, die Gr6f3e von B kann
man mit 27 annehmen, die Gr6 e a ki nnte man besser mit 24 Stunden einsetzen,
um das Blech in genugender Dicke and auch tauglich fur die Anfertigung der
Osen zu erhalten. Die GrbSe von p kann man mit 5'/o einsetzen; P = 1 + 0,06
= 1,06 (0,06 - der Teil der Kathodentafel, der fur die Anfertigung der Usen
gebraucht wird).
Nach Einsetzen dieser Zahlenwerte in die Formel erhalten wir:
X= 100 . 1260 . 32 . 1,06 . 1 = 89,4 Bader.
2 -9(27- 1) (100-5)+100.32. 1,06. 1
Wir runden ab bis auf 90 Bader, ~d. h. drei Serien zu je 30 Stuck.
Die Stromdichte im Matrizenbad wahlen wir mit 200 A/m2, die Stromaus-
beute nehmen wir mit 96'/e an.
Wir bestimmen jetzt das Gewicht and die Dicke der Matrize. Da die Matrize
in unserem Falle im Laufe von 24 Stunden angesetzt wird, entfallen bei einer
Stromdidite von 200 AIm2 auf 1 m2 der Matrizenfladie 200 mal 24 = 4800 Ah.
Diese Elektrizitatsmenge wird die nadifolgende Kupfermenge niedersdilagen:
q = 4800 = 5470 g = 5,47 kg,
d. h. dine Matrize mit einer Flache von 1 m2 wiegt 5,47 kg; bei einer Fladie von
0,855 m2 (Oberflache der Kathode) betragt ihr Gewicht 5,47 = 4,67 kg.
Das Gewicht mit den Osen betragt dann 4,67 1,06 = 4,95 kg.
Die Dicke der Matrizentafel ki nnen wir aus folgenden Beredmungen ermitteln:
Das Gewidit der Tafeln mit einer Flache von 1 m2 betragt 5,47 kg. Dieses Ge-
wicht konnen wir aus folgender Formel ermitteln:
g=YFB,
wo g das Gewid-t der Tafel in g,
F die Fladne in cm2,
das spezifisdie Gewicht des Kupfers 8,8,
8 die Dicke der Tafel
ist. Dann ist die Dicke der Tafel 8K;
8K _ g _ 5470 = 0,062 cm = 0,62 mm.
Fy 10000 ? 8,8
Bestimmung der wirtschafllich gunstigen Dauer des Ansetzens der Kathoden
(Verwendungsdauer der Kathoden)
Die wirtschaftlidi gunstige Dauer des Ansetzens der Kathoden wird durch die
Kosten fiir die Arbeitskrafte, durdi die Kosten des Kathodenbledles and durdi
die Anderung der Umlaufmittel des Werkes bestimmt. Je hi her die Kosten
des Kathodenbleches and der Arbeitskrafte sind, desto Langer mug das Ansetzen
der Kathoden dauern. Andererseits hangt die Dauer des Anwachsens der Katho-
den audi von Eder Stromdidite ab. Diese Beziehung ist in Bild 10 (nach Addicks)
angef iihrt.
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500
450
400
330
300
258
Z00
~ 150
100
59
0
0 10 20 30 40 50 69 70 80 90 1,99
Aaretzzeit An, A"othodeo Tugcc/e .t4 Jtunden
Bild ro. Abhangigkeit der Ansetzzeit der Kathoden im
Bad von der Stromdichte
Die Dauer des Ansetzens der Kathoden kann man auch nadi der Formel von
Gajew und Jessin [12] bestimmen.
Fur unsere Berechnung kann man aus dem Diagramm die Dauer des An-
setzens der Kathode mit 9 Tagen (je 24 Stunden) entnehmen (bei einer Strom-
did to von 190 A/m2). Die Anoden- und die Kathodenperioden mi ssen immer
einVielfadies voneinander darstellen. In unsererBeredinungbetragtdieAnoden-
periode 27 Tage und die Kathodenperiode 9 Tage.
Berechnung der Energiebilanz der Elektrolyse
Da die Anzahl der Matrizenbader 90 betragt, ist die Anzahl der nutzbaren
Bader 1260 - 90 = 1170 Studs. Der Widerstand des mittleren Bades in der
Linie betragt 0,000023145 Ohm?und im auf3eren Bad 0,000029795. Folglich
ward der Widerstand einer Serie aus 30 Badern (zwei Linien zu 15 Studs, in
denen 4 au13ere Bader und 26 innere Bader enthalten sind) betragen:
26 ?0,000023145 + 4.0,000029795 = 0,000720 Q,
und der Spannungsabfall in einer Serie betragt:
10000.0,000720 = 7,20 V.
Der Spannungsabfall bei allen 39Serien (1170 Bader) der kommerziellen
Bader belauft sich auf 7,2 = 281 V.
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13. Elektroraff inierung von Kup f er 115
Drei Serien der Matrizenbader erfordern dann:
3.28.0,35 = 29.4 V.
Insgesamt wird der gesamte Spannungsabfall betragen:
281.0+29,4-- 310,0V
Da mit der Auflosung der Anoden die Entfernung zwisdien den Elektroden
etwas vergrof3ert wird, vergro1 ert sich auch der Spannungsabfall im Bad.
Auf3erdem mug man audi node den Spannungsabfall in den Sduenen beruck-
siditigen. Einen Teil dieses Verlustes haben wir bereits erfaflt, da der Wider-
stand der Bordsd inen bei der Bestimmung des Widerstandes der Bader be-
rucksichtigt wurde, deshalb ware es vollkommen ausreichend, den gesamten zu-
satzlidien Widerstand der Leiter and der Bader wahrend der Arbeit mit 10?/0
von der von uns beredineten Endsumme anzunehmen. Dann ward die Gesamt-
spannung fur alle 1260 arbeitenden Bader betragen:
310,0.1,1- 341 V,
d. h., wir werden drei elektrische Kreise zu je 114 V nut der Moglichkeit der
Erhohung der Spannung in jedem Kreis bis auf 120 V haben.
Die Leistung der Elektrolyse:
10000-341
1000 - = 3410 k W.
Der Energieverbrauch fur 1 t Kathoden:
3410-24,0 246 kWh auf1t.
333,3
Das ermittelte Ergebnis ist etwas niedriger als die Zahlenangaben, die ge-
wohnlidi in den Leitfaden angegeben werden (300 bis 320 kWh). Es nahert sick
den Errungenschaften der Stachanowarbeiter der sowjetisdien Werke, die einen
derartig geringen Energieverbraudi durdi Verringerung der Stromverluste
(Kontakte) and durdi eine sorgfaltige Wartung der Bader sowie Kontrolle des
Prozesses erzielen.
Bei einer Spannung bei alien Badern in Hohe von 360 V wird der Energie-
verbrauch betragen:
10000 ? 360 ? 24 = 260 kWh fur 1 t Kathoden.
1000 ? 333,3
Volumen des Elektrolyten
Es sind 1260 standig arbeitende Bader vorhanden. In jedem Bad befindet side,
wie wir bereits friiher ermittelt haben, 3,16 ms Elektrolyt. Folglidi befinden
side in samtlidien Badern 1260 = 3980 ms Elektrolyt. Die Menge des
Elektrolyten mull mit einer gewissen Reserve von 20 his 25?/o fur den Fall,
daf3 ein Teil des Elektrolyten ersetzt werden mull usw., angenommen werden.
V= 3980.1,2 = 4750 m3.
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IV. Berechnung der technischen Elektrolyseprozesse
Reinigung der Losung von Beimischungen
Das sowjetische Anodenkupfer enthalt 0,12?/o Ni und 0,00144?/0 As. Der
Hochstgehalt an Nickel in der Losung wird mit 12 g/l und des Arsens mit 9 gll
angenommen. Die Menge des raffinierten Kupfers kann wie folgt berechnet
120000
werden: 0,96 995 = 124000 t im Jahr oder 10333 t im Monat.
In dieser Periode (1 Monat) wird in die Losung iibergehen: Nickel -
0,0012 10333 = 9,3 t oder je Tag 333,3 kg; Arsen - 0,0000144
10333 = 0,089 t oder je Tag 2,92 kg. Das Volumen des Elektrolyten betrdgt
4750 ? 12
4750 m3, folglich wird es bis zum Hochstgehalt an Nickel nach 333,3 =
4750.9
= 170 Tagen (je 24 Std.) und an Arsen nach 92- = 1460 Tagen an-
gereichert.
Aus den angefuhrten Berechnungen ist ersichtlich, daf3 als die wichtigste Bei-
mischung das Nickel erscheint, jedoch braucht man die Maf3nahmen zur Reini-
gung der, Losungen nur nach einem halben Jahr von der Inbetriebsetzung des
Werkes an zu treff en. .
Menge des Kupfers in der Losung
Die Kupfermenge, die sich unter der Einwirkung des sauren Elektrolyten
(und der Nebenreaktionen) aufgelost hat, hdngt von der Temperatur des Elek-
trolyten und von der Stromdichte ab. Weiter oben waren bereits (siehe Bild 9)
die Angaben von Addicks fur die Stromdichte von 180 A/m2 angegeben. Aus
diesem Diagramm hatten wir entnommen, da13 unter den gegebenen Bedin-
gungen (t = 550 C, DK = 190 A/m2) 2,85?/o Cu vom Gewicht des Anoden-
kupfers in die Losung i bergehen (aber nicht an der Kathode niedergeschlagen
werden).
Fur jede Tonne des Kathodenkupfers werden 1,033 t an Anodenkupfer ver-
braucht. Das Werk verarbeitet 333,3 1,033 = 344,5 t Anodenkupfer je
24 Stunden.
Folglich gehen 344,5 = 9,5 t Kupfer in 24 Stunden in Losung fiber
und werden nicht an der Kathode niedergeschlagen. Der Kupfergehalt in 1 1
Elektrolyten vergrof3ert sick um 9500000 = 2,01 g/l je 24 Stunden; nach die-
4730000
ser Zeit betrdgt der Gehalt 30 + 2,01 = 32,01 gll. Um diesen Zuwachs an
Kupfer in der Losung zu entf ernen, muff man in 24 Standen 9500000 _ 32,01 2970001
oder 297.M3 Elektrolyten, welche 297,0 = 9500 kg = 9,5 t Kupfer
enthalten, in die Kupfervitriolabteilung uberfi hren. Es ist sehr vorteilhaft, aus
dieser Losung das Kupfer- und Nickelvitriol zu gewinnen, dagegen ist es nicht
vorteilhaft, das Kupfer in den Bddern mit nicht losbaren Anoden zu regene-
rieren.
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r3. Elektroraffinierung von Kupfer 117
Wdrmebilanz des Bades
Die Abmessungen der von uns berechneten Bader (in Metern) sind folgende:
Lange 3,7; Breite 1,01; Tiefe 1,26 (unter Beriidisiditigung des mit dem Elektro-
lyten nicht gefullten Teils); Dicke der Stirnwande 0,09; der Seitenwande 0,12
and der Boden des Bades 0,10.
Die Temperatur des Elektrolyten ist 550 C. Die dutch das Bad fliefiende
Stromstarke betragt 10000 A.
Wir berechnen jetzt die Warmeverluste im Bad fur eine jede Verlustquelle
im einzelnen:
1. Wdrmeverlust durch Verdampfen des Wassers: Die Oberflache des Bades
betragt 3,7. 1,01 = 3,74 m2. Die Anode hat eine Breite von 0,855 m and eine
Starke von 0,0377 m. Die Oberflache, die von den 31 Anoden eingenommen
wird, betragt F1 = 31.0,855.0,0377 = 0,999 m2. Die Kathode hat eine Starke
von 0,62 mm and eine Breite von 0,9 m. Die Flache, die von den 32 Kathoden
eingenommen wird, betragt: F2 = 32.0,9.0,00062 = 0,0178 m2. Insgesamt
nehmen die Elektroden eine Flache von
F3=F1 +F2=0,999+0,0178=1,017m2 ein.
Die freie Flache der Elektrolyten im Bad betragt:
F- 3,74 -1,017 = 2,72 m2.
Die Menge des verdampfenden Wassers wird normalerweise nach der For-
mel von Dalton bestimmt. Fur die Berechnung der Verdampfung des Elektro-
lyten aus dem Bad darf man jedoch diese Formel nicht benutzen, da die Ober-
flache des Elektrolyten mit einer tilsdiicht zur Verringerung der Verdampfungs-
verluste bedeckt ist. Bei der Berechnung benutzen war die Versuchsergebnisse
von Gajew and Jessin (Bald 8).
Bei einer Temperatur von 550 C kann man die an der Oberflache von
I m2 verdampee Wassermenge mit 1,45 kg annehmen. Dann werden auf der
Badoberflache 2,72 1,45 = 3,94 kg Wasser verdampfen. Fur die Verdamp-
fung von 1 kg Wasser bei 550 C sind 618 - 55 = 563 cal erforderlich, folg-
lich verliert ein jedes Bad durch die Verdampfung des Elektrolyten 563 =
= 2215 cal in einer Stunde.
2. Wdrmeverlust des Badspiegels durch Ausstrahlung and Konvektion. Wir
berechnen diese Verluste unter Benutzung der Formel von Fourier:
Q =K(tl-t2)F,
wo F die warmeabgebende Oberflache in m2;
tl-t2 die Temperaturdifferenz des Elektrolyten and der umgebenden Luft;
K der Koeffizient der Warmeubertragung in cal/m2/h.
ist.
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1V. Berechnung der tedmischen Elektrolyseprozesse
Der Koeffizient der Warmeubertragung wird nach der Formel von S. Boltz-
mann bestimmt:
100
(_~~O 4- ~~4
K= aStrah1ungswarme + aKonvektionswarme = C T
l-T2
4
+ 2,2V(t1-t2),
wo C, ein Koeffizient, der fur die Oberflache des Elektrolyten mit 3,2 an-
genommen wird, ist.
Die Temperatur der Werkabteilung nehmen wir mit 200 C an, dann er-
halt man:
T1=273+55=328?K;
T2=273+20=293?K;
60
0)4
K- 3 2 (10)4-(11
328 - 293
+ 2,2 ? V&5__- 20 = 3,84 + 5,35
= 9,19 cal/m2/h,
daraus folgt:
Q=9,19(55-20)2,72=9,19.35.2,72=875cal/h.
Au&r dem berechneten Warmeverlust der Badoberflache treten noch einige
zusatzliche Warmeverluste durch die caber den Elektrolyten herausragenden
Teile der Elektroden auf. Zur Vereinfachung der Berechnung werden sie nicht
erfaf3t, zumal keine zuverlassigen Angaben vorliegen,'und these Verluste durch
einige Posten des Warmeverlustes, die mit einer Reserve eingesetzt wurden,
kompensiert werden.
3. Warmeverlust der holzernen Oberfldche der Wanne. Dieser Verlustposten
wird ebenfalls nach der Formel von Fourier bestimmt, jedoch hat hier der
Koeffizient K einen anderen Wert:
K= 1 1 8 cal/m2/h,
/t+R
100(j, -20)4 4
=aStr+aKon=C -I-2,2 tl-t2
Tl-T2
(die Temperatur der Auflenwande der Wanne nehmen wir mit 350 C and
C = 4,0 an);
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r3. Elektroraffinierung von Kupfer
8 die Dicke der Wandungen der Wanne;
A Koeffizient, der fur eine Eisenbetonwand in der Starke von 10 cm mit 1,2
angenommen wird,
Die Temperatur der Au1 enwande betragt 350 C oder 3080 K; dann erhalten
wir fur den Wert
= 4,0 /300\4_ /23314
loo
loo + 2,2 4 35 f--2-0 = 4,40 + 4,33 = 8,73,
308 - 293
Fur die Stirnwande erhalten wir:
K= -- --
1
-- - -1 -
-------
1
l
2
265
5
b
1
0
09
_
0
1145
0
075
0
1895
Ca
/M
=
,
/
,
,
+
,
-1-
,
,
8,73
],2
K=
1
1
2
= 4,66 cal/m
/h
1
0,12
0,2145
,
8,73
+ 1,2
fur den Boden:
K = 1-- = 1 1 5,05 cal/m2/h.
1 . + 01 0,1145 + 0,0833 0,1978
8,73 1,2
Die Oberflache der Soirnwande ist:
F1= (1,25.1,26) ? 2 = 3,15 m2.
Die Oberflache der Seitenwande ist:
F2 = (3,88.1,26) ? 2 = 9,78 m2.
Die Oberflache des Badbodens ist:
F3 = 3,88 = 4,85 m2.
Der Warmeverlust durdi die Stirnwande betragt:
Q1 = 5,265 (35 - 20). 3,15 = 249 cal/h.
Der Warmeverlust durch die Seitenwande betragt:
Q2 = 4,66 (35 - 20) ? 9,78 = 684 cal/h.
Der Warmeverlust durch den Badboden betragt:
Q3 = 5,05 (35 - 20) ? 4,85 = 367,5 cal/h.
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IV. Berechnung der technischen Elektrolyseprozesse
Der gesamte Warmeverlust durdi die Wandungen des Bades and durch dessen
Boden belauft sick auf:
Q = Ql + Q2 + Q3 = 249 + 684 + 367,5 = 1300,5 cal/h.
Der Gesamtverlust an Warme im Bad ust dann:
Q = 2215 + 875 + 1300,5 = 4390,5 cal/h.
Diese Berechnung ist mit einer gewissen Reserve vorgenommen, da die Bader
nicht getrennt stehen, sondern vereinigt zu Serien von je 14 Stiick. Das Zu-
sammenbringen der Langswande verringert die Warmeverluste.
Jetzt wird die im Bad durch den Strom erzeugte Warmemenge bestimmt.
Auf Grund des Jouleschen Gesetzes betragt diese Menge:
Q = 0,239I2Rt,
wo I die Stromstarke in A;
R des Widerstands des Elektrolyten and des Schlamms in S2;
t die Zeit in sec
ist.
In unserem Fall wird im Bad im Laufe einer Stunde die folgende Warme-
menge erzeugt:
0,293 ? 100002 .0,000013235.3600 = 1138 cal/h.
1000
Fur die Erwarmung des Elektrolyten bis auf 5510 C mug man in einem Bad
4390,5 - 1138 = 3252,5 callh aufwenden and fur alle Bader:
1260 mal 3210,5 = 4097120 cal/h = 4097 kcal/h.
Fur die Bestimmung des Dampfverbrauches mug man die Warmeverluste in
den Rohrleitungen beriicksichtigen.
Das Volumen des Elektrolyten im Bad betragt 3,162 m3, die Dauer des Aus-
tausches des Elektrolyten im Bad belauft sick auf drei Stunden and wird wie
folgt berechnet:
In Tafel 24 finden wir, daf3 bei einer Stromdichte von etwa 190 Alm2 die
Zirkulationsgesdiwindigkeit des Elektrolyten 18 llmin sein mug. Im Bad sind
3162 1 Elektrolyten. Folglich ist die Dauer des Austausches t = 3182 = 176 min,
d. h. etwa drei Stunden. Das Gesamtvolumen des Elektrolyten,in samtlichen
Badern ist V = 1260 = 3980 m3. In einer Stunde fliefit durch die
Rohre 3980: 3 = 1330 m3. Den Abfall der Temperatur auf dem Weg von
den Wannen zum Erwarmer and zurUck nehmen wir an, er betragt 10 C. Das
spezifische Gewicht des Elektrolyten 1st 1,25 and seine Warmekapazitat 0,82.
Unter Benutzung dieser Angaben bestimmen wir den Warmeverlust in den
Rohren wie folgt:
q = 1330000 = 2672000 cal/h.
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Die gesamte Warmemenge, die von den Warmeapparaten dem Elektrolyten
zugefuhrt werden mug, betragt dann:
4097120 + 2672000 = 6769120 cal/h
Den Dampf fur die Erwarmung nehmen wir mit einem Druck von 2,6 Atm
and mit einem Warmeinhalt von 649,9 cal. an. Bei der Temperatur des Kon-
densats von 900 C wird 1 kg Dampf im Warmeaustausch die folgende Warme-
menge abgeben:
q = 649,9 - 90 = 559,9 cal.
Die Dampfmenge fur die Erwarmung der gesamten Elektrolyten im Laufe
einer Stunde betragt:
6769120 13 000 kg.
559,9
Der Dampfverbrauch in 24 Stunden betragt somit:
13 000.24 = 312 000 kg.
Der Dampfverbrauch for 1 t Kathodenkupfer betragt:
312000 930 kg,
333, 3
was den experimentellen Beobachtungen von Addicks nahe kommt. (Bei einer
Stromdichte von ungefahr 200 A/m2 wird fur 1 t Kupfer 1 t Dampf ver-
braucht).
14. Elektroraffinierung von Blei
In der Metallurgie des Kupfers ist die Elektroraffinierung Behr verbreitet,
dagegen wird sie bei Blei nicht so oft angewandt; der grof3te Teil wird nur
einer Feuerraffinierung unterworfen. Der Grund liegt darin, daf3 die Elektro-
raffinierung des Rohkupfers als das einzige rentable Verfahren zur Aussdlei-
dung der Edelmetalle aus dem Kupfer and zur Erzeugung eines Metalls mit
einer hochstmoglichen elektrischen Leitfahigkeit erscheint. Dagegen la6t sich
das Blei sehr gut pyrometallurgisch raffinieren, nur das Wismut wird dabei mit
grof3en Schwierigkeiten entfernt. Deswegen wird die Elektroraffinierung in der
Hauptsache fur das wismuthaltige Blei angewandt14).
Wie auch bei der Elektroraffinierung von Kupfer ist es zweckm iger, der
Elektrolyse ein vorraffiniertes Blei zu unterwerfen, da wir fur die Verarbei-
tung des bei der Elektroraffinierung von Blei erhaltenen Sdilamms noch keine
gute and einfache Methode haben.
14) Fur die Abscheidung von Wismut kann die Feuerraffinierung mit Hilfe von Kalzium and
Magnesium durchgefuhrt werden. In diesem Fall wird der Elektroraffinierung nicht das gauze Werk-
blei, sondern nur die wismuthaltige Schlacke unterworfen.
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122 IV. Berechnung der tedmischen Elektrolyseprozesse
Zusammensetzung des Elektrolyten
Das Blei liefert nur mit einigen Sauren losliche Salze. In der Praxis konnen
daher nur Fluorsalze, Bleichlorit oder Alkaliplumbate benutzt werden. Von
diesen Elektrolyten finden als die billigsten Bleifluosilikat and Bleifluoborat
Verwendung. Die Entscheidung Ober die Wahl des Elektrolyten ist erne rein
wirtschatliche Frage. Das Fluosilikat als Elektrolyt ist billiger, jedoch 1st die
Darstellung viel komplizierter als die des Fluoborats. Augerdem ist ersteres nidit
so haltbar. Deswegen wind bei den grogen Werken Fluosilikat and bei kleine-
ren Anlagen Fluoborat als Elektrolyt benutzt, well dabei die Arbeit einfacher
and bequemer wird.
Fir die Erzeugung eines guten Kathodenniederschlags and zur Ver-
ringerung des Widerstandes des Elektrolyten benutzt man einen starken sau-
ren Elektrolyten, der augerdem auch eine hohere Metallaussdieidung durdi
den Strom gewahrleistet. Starker Sauregehalt wird besonders dann emp-
fohlen, wenn ein sehr refines Kathodenblei erhalten werden soil. Nadi Angaben
amerikanischer Werke wird Bleifluoborat in folgender Zusammensetzung
empfohlen: 100 g/l Pb, 50 g/l der freien Fluoborsalbe, 10 g1l Uberschug an
Borsaure, 0,2 g/l Gelatine. Bei Verwendung von Bleifluosilikat wird die nadi-
folgende Zusammensetzung gebraucht: 100 bis 160 g/l Pb and ungefahr 140 g/l
Fluokieselsaure, davon freie 30 bis 40 and sogar 90 bis 100 gll.
Das Verhalten der Beimischungen
Batts gibt folgende Grogen der Potentiale fur Fluosilikat als Elektrolyten
(Volt):
Zn .......... +0,52 Sb .......... -0,44
Cd .......... +0,16 Bi .......... -0,48
Fe .......... +0,09 Cu .......... - 0,52
Pb .......... +0,01 Ag .......... -0,97
Sn .......... -0,01 Au .......... -0,98
As .......... -0,04
Gemag dieser Spannungsreihe geht das Zink, Kadmium and Eisen in die
Losung Ober; im Schlamm verbleiben Gold, Silber, Kupfer, Wismut and Anti-
mon. Jedoch beginnen dank der betraditlidien Anodenpolarisation (poroser
Schlamm um die Anode) auch die edleren Metalle in die Losung uberzugehen.
Diese Metalle werden spater an der Kathode abgesdzieden. Gewohnlidi wird
das Bled einer vorhergehenden Raffinierung unterworfen, wobei der grogteTeil
der Beimischungen entfernt wird (auger Antimon, weiches fur die Erzeugung
eines kompakten Sdilamms, welcher sich an der Kathode nicht ansetzt, notwen-
dig ist), oder es wird die Kathodenperiode auf zwei bis drei Tage start auf
fiinf bis acht Tage beschrankt (Erfahrungen des Werkes Oroia in Peru) and
die Arbeit mit einem stark saurehaltigen Elektrolyt durdigefiihrt. Besonders
sorgfaltig mug vor der Elektrolyse das Zinn entfernt werden.
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Stromdichte
Die Stromdichte schwankt bei den modernen Werken zwisdien 100 and
165 A/m2. Die normale Stromdidite ist 100 bis 120 AIm2. Die Vorwarmung
wird nicht angewandt; der Elektrolyt wird mit Joulescher Warme his auf
30 his 350 C erwarmt.
Kathodiscbe Stromausbeute
Die Stromausbeute wird bei einem hohen Sauregehalt (50 his 70 g/1 freies
Fluosilikat) mit Leichtigkeit bis auf 95% gebracht, bei einem geringeren Saure-
gehalt (20 g11) verringert side die Stromausbeute bis auf 83 his 85?/0.
Energieverbrauch and Spannung im Bad
Die Spannung i.m Bad hangt im hohen Mahe vom Zustand der Anode ab,
and zwar von der Starke and vom Widerstand der die Anode bedeckenden
Schlammkruste. Die Elektrolyse ward bei einer Entfernung von 5 bis 6 cm
zwisdien den Elektroden durchgefuhrt, dabei betragt die Spannung im Bad
0,35 his 0,5 V and erhoht sich mit der Abnutzung der Anode auf 0,6 bis 0,65 V.
Der Energieverbrauch bei der Elektrolyse erreidit 100 his 140 kWh fur wine t
Elektrolytblei.
Die Zirkulationsgesdiwindigkeit betragt gewohnlich 18 bis 20 llnmin je Bad,
so dag der Austausch der Elektrolyten innerhalb von 1112 Stunden erfolgt. Eine
hohe Zirkulationsgesdiwindigkeit verhindert die Schichtung des Elektrolyten
nadi dem spezifisdien Gewidit.
Die Anodenperiode dauert allgemein zehnmal 24 Stunden and die Kathoden-
periode bis funfmal 24 Stunden.Diese Perioden verringern sidm jedoch bei einem
stark verschmutzten Anodenblei. Wenn die Beimischungen 10% betragen, arbei-
tet zum Beispiel die Anode nur zwei- oder dreimal 24 Stunden and bei 5?/o
Beimischungen - viermal 24 Stunden. Wahrend der Arbeit erfolgt eine An-
reidterung des Elektrolyten mit Blei, da die anodisdle Stromausbeute groger ist
als die kathodisdie. Deswegen wird ein Teil des Elektrolyten aus dem Arbeits-
vorgang ausgeschieden and das Blei in diesem Tell mit Sdiwefelsaure nieder-
geschlagen, wobei das Fluosilikat regeneriert wird. Die Ausbeute an Anoden-
rUckstanden betragt gewohnlich 20 bis 25?/0.
Beispiel 64: Technologische Berechnung eines Elektrolytwerkes
Aufgabe: Es soil ein Werk fur eine Leistung von 15000 t Kathodenblei im
Jahr beredinet werden. Der Raffinierung wird ein Blei mit folgender Zu-
sammensetzung unterworfen: 98,63?/0 Pb, 1,00/o Sb, 0,05?/oAs, 0,0304 Cu,
0,12?/o Bi, 0,15?/o Ag and 0,02?/o Au.
Die Wahl der Zusammensetzung des Elektrolyten. Soweit die Leistung des
Werkes geniigend grog and das Blei verhaltnismaf3ig rein ist, wahlen wir
den Elektrolyten in folgender Zusammensetzung: 100 g/1 Pb, 150 g/1 Fluosili-
kat, davon als freie Saure 100 g/l. Die Temperatur des Elektrolyten 30? C.
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124 IV. Berechnung der technischen Elektrolyseprozesse
Das spezifische Gewidit 1,25. Den spezifisdien Widerstand des Elektrolyten
in der gegebenen Zusammensetzung finden wir in Bild 3 (derselbe betragt
6 Ohm/cm3).
Berechnung. Bestimmung der Menge des Schlamms and der kathodischen Strom-
ausbeute. Wir nehmen an, dais in den Schlamm 95?/o Sb, 800/o As, das gauze
Silber, Gold undWismut ubergehen. Das Kupfer geht mit 50?/o in den Schlamm
and 50?/o in die Losung uber. Aufserdem enthalt der Schlamm bei einem Blei
von gegebenem Reinheitsgrad noch ungefahr 10?/o Pb. Unter Benutzun:g dieser
Zahlenangaben, bestimmen wir die Ausbeute an Schlamm.
Es gehen in den Schlamm fiber (in Gewichtsprozenten der Anoden):
Sb ...... . ... 1,0 ?0,95 = 0,95
As . ......... 0,05 ?0,8 = 0,04
Cu . ......... 0,03.0,5 = 0,015
Bi . . . . . . . . .. 0,12-1,0 =0,12
Ag .......... 0,15.1,0 = 0,15
Au .......... 0,02 1,0 = 0,02
Das Blei geht in den Schlamm in folgender Menge uber:
1,295. 10
90 = 0,144%.
Das Gesamtgewicht des Schlamms betragt 1,295 + 0,144 = 1,44?/ovomGe-
wicht der Anoden. Die Zusammensetzung des gewaschenen and getrockneten
Schlamms ist folgende: 66?/o Sb, 2,79?/o As, 1,04?/o Cu, 8,35?Io Bi, 10,43?/o Ag,
1,39?/o Au, 10 ?/oPb.
In die Lbsung gehen ungefahr 2?/o Pb vom Gewicht der Anoden uber. Folg-
lidz ist die Ausbeute an Kathodenblei wie folgt:
100 - 2 -1,44 - 96,56%.
Nach dem Umschmelzen and nach dem Durchblasen des Bleies mit Luft er-
halt man ungefahr 3 bis 40/o Oxyde. Wir nehmen die Ausbeute an Oxyden mit
3'/o an. Dann ist die Ausbeute an Barrenblei:
96,56 - 3 = 93,56 %.
Bestimmung der Leistung des Werkes je 24 Stunden:
15000
m = 360 = 41,7 t Barrenblei,
41,7. 96,56 = 44 t Kathodenblei.
93,56
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Wenn wir die Ausbeute an Anodenri ckstanden mit 22'/o annehmen, konnen
wir die Menge der verbrauchten Anoden beredmen:
44-100-100
a_ 96,56 (100-22) - 58,45 t.
Bestimmung der gesamten Kathodenflache
Wir nehmen die Kathodenperiode mit vier mal 24 Stunden and die Anoden-
periode mit achtmal 24 Stunden an. Die Dauer des Arbeitstages mug man mit
23 Stunden einsetzen, da wahrend der Beschickung and der Entladung desBades
nicht gearbeitet wind.
Jetzt bestimmen wir die gesamte Kathodenfladie in der Annahme der katho-
dischen Stromdichte mit 130 AIm2 and der kathodischen Stromausbeute mit 95'/?.
Das elektrochemische Aquivalent des Bleies ist 3,857 g je I Ah (Tafel 1).
Dann erhalten wir:
m1000"000 44-1000-1000
P_ 23, ? DK ? 3,857 = 23.0,95. 140 .3,857 - 3730 M2.
Wir wahlen den Generator nut einer Stromstarke von 2000 A and mit einer
Spannung von 110 V and bestimmen die Kathodenflache in einem Bad zu:
f.K I _2000 =15,38 m2.
DK 130
Ferner bestimmen wir die Anzahl der Bader. Da der Spannungsabfall im
Bad eine sehr stark sdiwankende Gr8f3e ist, die sich im Laufe der Zeit sehr ver-
andert and die side infolge des Widerstandes des Schlamms sdiwer erfassen la&,
berechnen wir die Anzahl der Bader ausgehend von der Stromquelle and unter
Festsetzung des Spannungsabfalls in jedem Bad:
F 3730
= 15,38 = 243 Bader;
N= fK
Zur Abrundung nehmen wir 244 Bader an.
Da der durchschnittliche Spannungsabfall in einem jeden Bad mit 0,45 V
festgesetzt wurde, 1st die berechnete Anzahl der Bader hinsichtlich der Span-
nung zu prufen:
E 110
= OX 5 = 244 Bader.
N = es
Die Gesamtspannung im Stromkreis betragt 0,45 = 109,8 V; wir neh-
men 110Van.
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IV. Berechnung der technischen Elektrolyseprozesse
Abmessungen der Kathoden: Die Abmessungen des eingetauditen Teiles der
Kathode sind 700 mal 800 mm; dann ist die Fladbe einer jeden Kathode:
fx=0,7.0,8.2=1,1212,
and die Anzahl der Kathoden im Bad:
nx= 15,2 =13,75.
1,12
Wir nehmen zur Abrundung 14 Stuck an. Da die beiden auf ersten Kathoden
nur mit der einen Seite arbeiten, setzen wir 14 + I = 15 Stuck fest. Die tat-
sadilidie Stromdichte (kathodische) ist
DK = 1,1201 4 = 127,5 A/12.
Bestimmung des Gewichtes and der Abmessungen der Anode: An samtlichen
Kathoden werden in 24 Stunden 44 t Blei niedergesdilagen. An einer Kathode
setzen side im Durchschnitt an:
44000 = 44000 = 12,88 kg Blei.
N(nx-1) 244 (15 - 1)
Im Laufe der gesamtenKathodenperiode (viermal24 Stunden) werden an der
Kathode niedergeschlagen:
12,88.4 = 51,6 kg.
Sdilagt man dazu noch das Gewicht der Mutterkathode von der Starke 0,8 mm,
die mit 850/0 eingetaudu ist, and deren Gewicht
0,7.018.0,0008.11,3615) 11,36= 6,0 kg
0,85
betragt, so ist das Gesamtgewicht der Kathode 51,6 + 6,0 = 57,6 kg and ihre
Starke
57,6 = 0,0091 m oder 9,1 mm.
11,36. 1000.0,7.0,8
Der eingetaud to Teil der Anode hat die Abmessungen 0,78 m. Die Auf-
losung der Anode in 24 Stunden bei einer Ausbeute an Kathodenblei von
96,560/0 and bei einer Menge des Sdilamms von 1,440/0 betragt dann:
12,88. 98,56 = 13,15 kg,
96,56
and im Laufe der ganzen Anodenperiode (ac ht mal 24 Stunden) werden
13,15.8=105,2 kg
in die Losung ubergehen.
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14. Elektrora$inierung von Blei 127
Die Ausbeute an Anodenrudzstanden betragt 22?/o, folglich ist das Gewicht
der Anode:
105,2.100-135 kg
100 - 22 -
Wenn wir das Gewidit der Anodenosen mit 5% annehmen, so ist das
Gewidn des in die Fliissigkeit getauditen Teiles 135 = 128,2 kg and die
Starke der Anode:
6A = 128,2 - 0,0216 m.
11,36 - 0,67.0,78 . 1000
Au/stellen einer Energiebilanz des Bades
Da wir den durdhsdmittlicien Spannungsabfall je Bad mit 0,45 V scion fest-
gesetzt haben, so stellen wir nur eine angenaherte Bilanz des Bades auf, um die
Verteilung der Energie zu illustrieren:
1. Der Widerstand des Elektrolyts: Der spezifische Widerstand 5 Q/cm3;
due Entfernung zwischen den Elektroden 4,0 cm; die Stromdic to 127,5 AIr2;
dann betrigt der Spannungsabfall im Elektrolyt:
e1DK 5.4.127,5
E 10000 = 10000 = 0,255 V.
2. Den Spannungsabfall in den Kontakten kann man mit 0,04 V annehmen.
3. Der Spannungsabfall in den Kathodenstangen, in den Bordsduenen and
in den Elektroden betragt ebenfalls 0,04 V.
4. Den Spannungsabfall im Schlamm and infolge der Polarisation bestimmt
man aus der Differenz:
0,45 - (0,255 + 0,04 + 0,04) = 0,45 - 0,335 = 0,115 V.
Das ist eine durchsdmittliche GroIe, die in den ersten Tagen kleiner and am
Ende der Anodenperiode groiier ist. Die Bader mussen nach einem Diagramm
entladen werden, damit die gesamte Spannung des Werkes konstant bleibt.
Energiebilanz des Bader
Spannungsabfall:
im Elektrolyt 0,255 V ............. 56,7 0/?
in den Kontakten 0,040 V ............. 8,90/0
in den Leitern 0,040 V ............. 8,90/0
infolge des Widerstands des Schlamms and infolge
der Polarisation 0,115 V ............. 25,5 0/0
Insgesamt 0,450 V ........... 100,0 0/0
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IV. Berechnung der technischen Elektrolyseprozesse
Der Verbrauch an Gleichstromenergie
Je 24 Stunden werden 41,7 t Barrenblei oiler 44 t Kathodenblei erzeugt. Die
Elektrolytabteilung verbraucht je 24 Stunden:
2000. 110.24 = 5280 kWh.
1000
Der Energieverbrauch fur 1 t Kathodenblei betragt:
5440 = 120 kWh.
Der Verbrauch an Gleichstromenergie fur 1 t Barrenblei betragt dann;
5280 =127 kWh.
41,7
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?
V. Elektrolytisdie Erzaufarbeitung
x;. Elektrolytische Absdieidung von Zink
Als Beispiel einer elektrolytischen Gewinnung von Metallen aus Erzlosungen
haben wir zwei typisdie and wichtige Prozesse gewahlt: den elektrolytisdwn
Niedersdilag von Zink and den elektrolytisdten Niedersdilag von Kupfer.
Beide Prozesse haben tine breite industrielle Anwendung gefunden. Ungefiihr
35'h Zn and nidit weniger als 20'/. Cu der gesamten Weltausbeute werden
nadi dem elektrolytisdien Verfahren gewonnen.
Die elektrolytisdie Absdieidung von Zink spielt in unserer Zinkindustrie
tine groLie Rolle and wird deshalb im vorliegenden Budi viel ausfuhrlidier als
die von Kupfer behandelt.
Die elektrolytisdie A.bsdieidung von Kadmium, die ebenfalls cine grof3e Be-
deutung hat, ist in hohem MaSe der elektrolytisdien Absdieidung von Zink
analog deswegen werden wir sic nidit besonders betradlten.
Als der widitigste Vorteil der elektrolytisdien Gewinnung von Zink ersdieint
die Moglichkeit der Erzeugung cines Metalls mit dem hodisten Reinheitsgrad
in cinem Verarbeitungsgang bei Behr niedrigen Selbstkosten. Dieser Vorteil er-
kliirt audi die sdznelle Entwidzlung des Prozesses der elektrolytischen Absdiei-
dung von Zink.
Die moderne Praxis des Prozesses besteht im elektrolytisdnen Niedersdilagen
des Zinks aus sauren Sulfatlosungen mit unloslidien Bleianoden (oder mit
Anoden aus Bleilegierungen). Das Zink setzt side an den Aluminiumkathoden
ab, von denen es in gewissen Zeitabstanden abgezogen wird.
Das Zink steht in der Spannungsreihe bedeutend h8her als der Wasserstoff.
Deswegen muf3te bei der Elektrolyse aus den sauren Losungen der Wasserstoff
and nidit das Zink aussdleiden. Infolge der hohen Uberspannung des Wasserstoffs
an Zink gelingt es aber, das Zink durdi Elektrolyse herauszuziehen. Deswegen
verbessern alle Maflnahmen, die die Uberspannung des Wasserstoffs erhohen,
den Verlauf des Prozesses and alle die Umstande, die die Oberspannung des
Wasserstoffs herunterdrucken, storen den normalen Verlauf der Elektrolyse. Es
bestehen zwei Verfahren fiir die elektrolytisdie Absdieeidung von Zink - tin
genormtes Verfahren, wellies durdi erne niedrigere Stromdichte (400 his
500 Alm2) and durdt den Sauregehalt des Elektrolyss (100 bis 120 gll H2SO4)
gekennzeidlnet ist and das Verfahren von Tainton, wellies bei einem sehr stark
saurehaltigenElektrolyt (280,g/1) and bei sehr hohenStromdidlten (1000A1m2)
durdtgefuhrt wird. Das tedmisdi vollkommene and gunstige Verfahren von
Taint on hat vorlaufig nicht allen Erwartungen entsprodien, infolge der Shcwie-
9 Agejenkow, Elektrometallurgie
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V. Ekktrolytische Erzaufarbeitung
rigkeit der Gestaltung der Apparatur. In der jetzigen Zeit sind schon fur tine
Kompromif3losung der Frage der Durdifuhrung des Verfahrens unter mittleren
Bedingungen zwischen dem genormten Verfahren and dem Verfahren von
Tainton Wege angedeutet worden.
Wir wollen das genormte Verfahren betrachten, da es die gr;39te Verbrei-
tung gefunden hat.
Stromdichte. Bei den modernen Werken betrigt die Stromdidite bean ge-
normten Verfahren gewohnlidi 350 his 500 A/m2. Die hohe Stromdidite ge-
wahrleiseet eine hohe Uberspannung des Wasserstoffs, paralisiert den Einfluf3
ainiger schadlidier Beimischungen und macht die Anlage viel kompakter (ge-
ringere Anzahl der Bader) and wirtschaftlicher.
Die Wahl der Stromdidite ist eng mit der Zusammensetzung des Elektro-
lyten (seinem Sauregehalt) and mit wirtsdiaftlidien Faktoren verbunden. Je
holier die Stromdichte ist, desto starker kann der Sauregehalt im Elektrolyt
ohne Verringerung der Stromausbeute sear.
Temperatur des Elektrolyts. Die Temperatur des Elektrolyten sdiwankt zwi-
sdien 35 bis 500 C. Die Erhohung der Temperatur wirkt sich sehr giinstig auf
den spezifisdien Widerstand des Elektrolyten aus, andererseits wind dabei die
Oberspannung des Wassertoffs and die kathodisdie Stromausbeute verringert.
Deswegen wird bei der Arbeit mit verunreinigten Losungen (besonders beam
Vorhandensein von Kobalt in der Losung) tine niedrigere Temperatur ein-
gehalten, bei reinen Losungen kann die Temperatur erhoht werden.
Zirkulation des Elektrolyten
Es bestehen drei widitige Methoden der Baderspeisung. Die erste Methode in
das Einhalten tines konstanten Sauregehalts im Bad (und folglich audi des
Zinkgehaltes). Bea dieser Methode ward jedes Bad mit einem neutralen Elektro-
lyten gespeist, aus dem der verbraudite 'Elektrolyt abfliel&t, der nadi det Zu-
sammensetzung dem im Bad befindlidien Elektrolyten entspricht. Der zugeffihrte
neutrale Elektrolyt ersetzt nur den Abgang des Zinks, wellies sidz an den Ka-
thoden abgesetzt hat.
Die zweite Methode besteht im Einhalten eines verinderlidien, ansteigenden
Sauregehalts des Elektrolyten (Werk Park-City). Bei diesem Arbeitsverfahren
flief3t der Elektrolyt fiber tine Kaskade. d. h. fiber mehrere in Reihe gesdialtete
Bader, dabei wird er allmahlidi armer an Zink and reicher an Sdiwefelsaure.
Die Zirkulation des Elektrolyten ist_bei dieser Methode analog der Zirkulation
des Elektrolyten in den Badern ffir die elektrolytisdieAbsdieidung von Kupfer.
Beim Verfahren von Tainton andert der Elektrolyt in den Badern nur sehr
unwesentlidi seine Zusammensetzung. Die Zirkulation ist periodisdi.
In samtlidien Fallen wird die Gewinnung des Zinks nidit his zur vollen Er-
schopfung des Elektrolyten durchgeffihrt, sondern bis zu einem bestimmten
Zinkgehalt. Der verbraudite Elektrolyt wird wieder zum Auslaugen zurfidc-
gebradit.
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rp. Elektrolytisabe Abscheidung von Zink 131
Zussmmensetzung des Elektrolyten
Die Wahl der Zusammensetzung des Elektrolyten ist unzerorennlich mit der
Wahl der Stramdichte verbunden. Eine hohe Stromdichte gestattet audi, einen
Elektrolyten mit hoherem Sauregehalt ohne Verringerung der kathodisdien
Stromausbeute anzuwenden.
Im Durdisd mitt betragt der Sauregehalt des Elektrolyten 100 bis 110 gll
H,SO4. Bei verunreinigten Losungen ward der Sauregehalt auf 80 bus 90 gll
gesenkt, bei reinen Losungen kann derselbe auf 120 bis 140 g/l erhoht werden.
Beim Verfahren von Tainton wird infolge der sehr hohen Stromdidnen der
Sauregehalt bis zu 300 g/l zugelassen.
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140
f&?g/1 H.W
;fg/1 in
Bild rr. Abhangigkeit der kathodiscben Stromausbeute vom ansteigen-
den Sauregehalt des Elektrolyten bei gleichzeitiger Verringerung der
Zinkkonzentration and versabiedenen Stromdichten (gestricbelteLinien).
Niedersdlilage naafi 8 Stunden; voll ausgezogene Linien: ununterbrocl ener
Niedersa6lag im Laufe der erwahnten Zeitdauer
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V. Elektrolytiscbe Erzaufarbekxxg
Der Zinkgehalt bei einem mittleren Sauregehalt (100 his 110 g/1) muff halb
so grog sdn wie der Sauregehalt, d. h. 50 bis 55 g/1 (Zn: HzS04 = 1 :2) vie
dies durdi diepraktisdten Erfahrungen des Werkes Flin-Flohn festgestellt wurde.
Kathodis&e Stromausbeute
Auf Grund der von vielen Forsdiern durdigefiihrten Untersudiungen kann
man behaupten, dap die kathodische Stromausbeute eine Funktion der Strom-
dddite and des Sauregehalts des Elektrolyten ist. Je hoher der Sauregehalt ist,
(bei der gleichen Stromdidite) desto geringer ist die kathodisd a Stromausbeute
and umgekehrt, je hoher die Stromdidite 'beim gleichen Sauregehalt is, desto
groper ist die kathodisdie Stromausbeute. Gerade aus diesem Grund ist audi
das Verfahren von Tainton moglich, wellies mit eineni gro1en Sauregehalt
des Elektrolyten, dafiir aber auch bed einer sehr hohen Stromdidite durch-
gefuhrt wird.
40 60 00 180 120 140
KonleMM&V der XrhwNt/rea'vg/1
Bild 12. Abbangigkeit der kathodiscben Strom-
axsbeute vom ansteigenden S3uregehalt des Elek-
trolyten bei konstanter Konzentration (8o g/1)
Zink (Gewiaht des erzeugten Zinkniederscblages
14,7 kg auf z m2 der Katbodenflache bei 3o bis
40? Q.
1=108;11=270; 111=378; N=540;V=1080
Stromdiahte A/mz
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q. Elektrolytisdx Absaheidxng von Zink 133
In Bild 11 and 12 sind die Versudisergebnisse, die den Zusammenhang zwi-
schen der Stromdichte, dem Sauregehalt des Elektrolyten and der kathodisdien
Stromausbeute angeben, angefiihrt.
Bei Verringerung des Zinkgehalts unter 30 bis 50 g/1 fallt auch die katho-
disdie Stromausbeute stark ab. Die Erhohung der Temperatur senkt die katho-
disdie Stromausbeute.
Energieverbraxdz
Der Energieverbrauch bei der Elektrolyse hangt von der Stromdidite, von
der kathodisdzen Stromausbeute and vom Widerstand des Bades and der Kon-
takte ab. Bei einerStromdidite von zirka 400A/m2 betragt der Spannungsabfall
6000
3000
2000 L
0
20 40 50 10 I00 120 140
/ronzentrot/on der Schwefe/.rirure y,/l
Bild z3. Abbangigkeit des Energieverbraxcbs vom Saure-
gebalt des Elektrolyten xnd von der Stromdicbte: Dicke
des Niederscblages 2 mm; Entfernung zwiscben der Ks-
tbode and der Anode f cm; Temperatur des Elektrolyten
30 bis 4o0 C, Konzentration des Zinks 8o s/l, I - zo8;
II = 270; 111 = 378; IV - f40; V = zo8o Stromdiahte
Alm=
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V. Elektrolytis&e Erzaufarbeitung
je Bad 3,4 bis 3,6 V and der Verbraudi an Gleidistromenergie fur 1 tKathoden-
zink belauft side auf 3100 bis 3300 kWh. Mit der Erhohung der Stromdidite
wadhst derEnergieverbrauch fur eine Gewichtseinheit des abgesduedenen Metalls
im direkten Verhaltnis zur Erhohung der Stromdidhte an, aber die hohe Strom-
didite. gestattet, einen Elektrojyten mit.einem hoheren Sauregehalt zu verwen-
den. Ein soldier Elektrolyt besitzt auch eine bessere Leitfahigkeit. Wenn wir die
kathodisdie Stromausbeute, die Polarisation and den Widerstand der Kon-
takte bedicksiditigen, so erhalten wir eine ziemlidi komplizierte Beziehung.
Deswegen. fuhren wir nur die experimentellen Angaben fiber den Energiever-
brauch fur 1 t Kathodenzikk auf Grand von Versudzen von Hansen (Bild 13) an.
Wege zur Senkung des Energieverbrauehs
Senken des spezifisdhen Widerstands des Elektrolyten, Naherbringen der
Elektroden, Verriingerung der Verluste in den Kontakten, die Erhohung der
kathodisdhen Stromausbeute, sorgfaltige Reinigung der Losung.
Bei der Analyse der Kurven von Hansen ist es'interessant festzustellen, daS
jeder Stromdidhte ein bestisnmrer Sauregehalt, fur den der Energieverbraudi
einen M.inimalwert hat, entspricht, wobei mit der,Erhohung der Stromdidite
auch dieser optisnale Sauregehait ansteigt. Gerade anus diesem Grand erhielt
Tainton das Zink bei hohen Stromdiditen mit einem geringen Energieverbraudi.
Bei hoher Stromdidrte and bei hohem Sauregehalt ist die kathodische Strom-
ausbeute ebenfalls grog, aber der Widerstand des Elektrolyten nidit, d. h. die
Spannung je Bad istebenfails nidit hods.
Ent f ernung des Kathodenansataes
Die Entfernung des Kathodenansatzes erfolgt in der Praxis beim genormten
Verfahren einmal in 24 Stunden. Die Erfahrungen haben gezeigt, dag, falls
das Ansetzen im Laufe von zwei oiler drei vollen Tagen zugelassen wird, vine
Verringerung der kathodischen Stromausbeute auftritt, obgleidi man bead ten
mug, dag dabei die Verluste helm Umsdunelzen des Kathodenzinks kleiner
werden.
Abkiihkn der Elektrolyten
Infolge eines verhaltnism .big hohen spezifisdien Widerstands des Elektrolyten
and der hohen Stromdidite wird im Bad eine bedeutende Menge Joulescie
Warme entwickelt. Die Erhohung der Temperatur fiber 35 his 5010 C wirkt
sack sehr ungiinstig auf den Prozeg aus, deswegen wird der Elektrolyt mit
Durdileiten von kaltem Wasser durch bleierne Rohrsdilangen abgekuhlt, die in
das Bad eingetaudzt werden. Auf Grand von praktisdien Erfahrungen des Wer-
kes Great-Foils ist folgende Abhangigkeit des Verbraudies an Kuhlwasser bei
einer Temperatur von 1510 C von der Stromdidte festgestellt worden:
Stromdidite, A/m2 200
300
350
400 450
500
Wasserverbraud-, m3 fur 1 t Zink 21,3
48
54
85,5 108
134
550 600 700
162 192 252
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s j. Elektrolytisdx Abscheidung von Zink
Qualitst des erzeugten Zinkniedersahlags
Die Qualiitat des Zinkniedersdilags an den Kathoden hangs in erster Linie
vaan. Reinheitsgrad des Elektrolyten and von der Arbeitsweise bei der Elek-
trolyse ab. Falb im Elektrolyt die schadlidian Beimischungen (Arlen, Antimon,
Kobalt, Kupfer, Germanium, Chlor and Kadmium) nidit fiber die zulassigen
Konzentrationen hinaus vorliegen, and die Arbeitsweise normal verlauft (d. h.
bei einem ridhtig gewahlten Verhaltnis zwisdsen der Stromdidite, der Zusam-
mensetzung des Elektrolyten and der Temperatur), erhalt man ohne Sdiwierig-
keit einen glatten, diditen Niedersdilag, der 99,96 bis 99,98 ?/s Zn enthalt. Die
kolloiden Zusatze zum Elektrolyt begnnstigen die Erzeigung did-ter, glatter
Niederschlage. Als die hauptsadiliduten Beimengungen im Niedersdilag treten
Blei (0,010 bis 0,025?/s) and Kadmium (0,005 bis 0,020?/s) auf. Das Blei geht
in den Niedersdilag infolge der diemisdien (unter der Einwirkung des Cl') oder
der elektrodiemisdien Auflosung der Bleianoden fiber; die Verunreinigung des
Niedersdilags durdi Blei ist bei alten, abgenutzten Anoden and in den erstea
Tagen der Arbeit der neuen Anoden starker. Die Verunreinigung durdi Kad-
mium ist eine Folgeersdxinung der ungeniigenden Reinigung der Losung vom
Kadmium. Zur Gewinnung von Zink mit h3d6oeai Reinheitsgrad wird erne
sorgfaltigere Reinigung der Losung von Kupfer (bis auf 0) and vom Kadmiuni
(nicht mehr als 1 mg/1), sowie audi insbesondere von Kobalt (zu 5 bis 7 mg/l)
and von Chlor (nicht mehr als 50 mg/1) vorgenommen, ferner werden bei der
Elektrolyse die viel haltbareren, silberhaltigen Anoden (Pb + 1 ?/s Ag) ver-
wendet and ein Gehalt von 5 bis 7 mg/1 Co im Elektrolyt eingehalten, wodurdi
die Widerstandsfahigkeit der Anoden vergrolle rt wird. Auikrdem ist sin plan-
malliger Ersatz and sine Reinigung der Anoden mach einem genau ausgearbes-
teten Arbeitsplan durdizufiihren. Dim Maiinahmen ermoglidien die Erzen-
gung von 99,99 ?/sigem Zn, d. h. mint einem Gesamtgehalt an samtlidien Bei-
mengungen unter 0,01 ?/s. Das Werk Trail liefert das Metall nit einen Zink-
gehalt von 99,99%, das Weak Soolivan (Kellog) - mit einem Zinkgehalt
von 99,99 ?/s.
Reihen f olge der technologisohen Berechnung
Die Berechnung der Anlage fur die Elektrolyse von Zink wird gewohnlieh
in folgender Reihenfolge vorgenommen:
1. Es wird die Leistung des Werkes an Barrenzink and an Kathodenzink
je 24 Stunden and die aktive Kathodenfladie in samtlid en Badern bestimtnt.
Bei dieser Berechnung wird die Stromdidite vorweggenommen, die bei den
Werken, die unter ahnlidien Bedingungen arheiten, eingefuhrt ist.
2. Venn die Badspannung als bekannt angenommen wird, kann audi die
Leistung der Gleidiriditeranlage, ihre Spannung, die Stromstarke and die An-
zahl der Serien auf der Grundlage der in der Sowjetunion normalisierten Aus-
riistung bestimmt werden.
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V. Elektrolytische Erzaufarbeitung
3. Ausgehend von der Hohe der Anlagenspannung and vom Spannungs-
abfall in einem jeden Bad wird die Anzahl der Bader in der Serie and auf das
ganze Werk berechnet.
4. Auf Grund der Stromstarxe in der Serie and der Stromdidite bestimmt
man die gesamte Kathodenfladie eines Bades and nach Division derselben durch
die Oberfladie einer Kathode (d. h. von 1/s der genormten Aluminiumtafel)
wird auch die Anzahl der Kathoden im Bad gefunden.
5. Mit den ermittelten Ergebnissen werden die Abmessungen eines jeden
Bades, die Au1enabmessungen des Gebaudes and die Aufwendungen berechnet.
Die aufgezahlten Punkte genugen fur die Aufstellung eines Skizzenprojekts.
Fur ein technisdies Projekt werden die ermittelten Ergebnisse in folgender
Reihenfolge prazisiert.
1. Auf der Grundlage der vorhergehenden Beredu-ungen wahlt man den
wirtsdiaftlidisten Sauregehalt des Elektrolyten and die Stromdichte, falls
dieselbe ganz bedeutend von der Stromdidhte, die in der vorhergehenden Be-
redmung angenommen wurde, abweicht, wird eine Umredmung vorgenommen.
.2. Bei der gewahlten Stromdichte and bei dem gewahlten Sauregehalt des
Elektrolyten wird der Spannungsabfall in jedem Bad beredmet.
3. Nadi der berechneten Spannung bestimmt man die Leistung der Gleidi-
riditeranlage, die Anzahl der Quellen des Gleidistromes and den Energiever-
braudi an Wediselstrom.
4. Nadi den ermittelten Zahlenwerten beredinet man den Energieverbrauch
an Gleidistrom fur 1 t Zink (Kathoden- and Barrenzink). Dieser Zahlenwert
ersdieint als em Kontrollwert and kann mit dem Energieverbrauch, der bei der
Berechnung der wirtsdiaftlichen Stromididite and des Sauregehalts des Elektro-
lyten angenommen wurde, verglichen werden.
5. Es wird eine endgultige Unterteilung der Bader in Serien vorgenommen
and der elektrisdie Sdialtplan des Werkes aufgestellt. Nadi Beendigung dieser
technologischen Beredmungen erfolgt die Planung and die Beredmung des
Transportwesens innerhalb des Werkes, der Entliiftung, der Hilfsausrustung
and der Hilfsraunie, d. h. es besteht die Moglidikeit, ein vollstandiges technisdies
Projekt des Werkes aufzustellen.
Zur Illustrierung fuhren wir die Bereduiung der Elektrolytabteilung eines
Verkes mit einer Leistung von 30000 t Barrenzink im Jahr durch. Die Be-
redinung beginnt mit der Leistungsfahigkeit der Abteilung je 24 Stunden and
mit der Auswahl des wirtschaf tlidisten Sauregehalts and der Stromdidhte. Ferner
beredmet man die ubrigen technologischen Elemente des Projekts and beruhrt
dabei die beredinete Apparatur nur in demi Mane, wie these Angaben fur die
technologisdien Bereduiungen notwendig erscheinen. Dabei werden einige
Zahlenangaben, die sick auf die konstruktiven and wirtschaftlidien Beredmun-
gen stutzen, aus den Literaturquellen and aus den sowjetisdien Erfahrungen
in bezug auf die Projektierung entnommen.
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:f. Elektrolytische Absoheidung von Zink 137
Beispiel 65: Tedmologis&e Beredmung einer Elektrolytabteilung
Es soil die Abteilung fur die Elektrolyse von Zink mit einer Leistung von
30000 t Barrenzink im Jahr beredinet werden. Bedingungen: Das Werk arbei-
tet nadi dem genormten Verfahren. Die Kosten fur 1 kWh Elektroenergie be-
tragen 3 Kop. Ein ms Wasser kostet 5 Kop. Ais Energiequelle fur den Gleidi-
strom dienen Quedisilbergleidnridner. Die Anzahl der Arbeitstage im Jahr
1etrigt 360.
Beredmung: Bestimmung der Leistung der Abteilung je 24 Stunden
Die Menge des Kathodenzinks mul' grolkr sein als die Menge des Barren-
zinks, da ein Tell des Zinks fur die Herstellung von Zinkstaub verbraudit wird,
ein Toil geht in die Sdilacke fiber and ein Teil geht beim Umsdimelzen der
Kathoden verloren.
Der Abbrand von Zink and rein Ubergang in die Sdilacke sdiwankt nadi den
Angaben der sowjetisdsen and amerikanischen Werke zwisdien 3,5 and 5?h
vom Gewidit des Barrenzinks. Von diesen 3,5 his 5?/i entfalien auf den Anteil
des Abbrandes 0,2 his 0,25 ?/o and der Rest auf den Anteil der Sdilacke, der
nadi der Beseitigung des Ghlor zur Auslaugung zurudcgefuhrt wird. Fur die
Anfertigung von Zinkstaub werden 4 his 8?/i vom Gewidit des Barrenzinks in
Abhangigkoit vam Kupfer- and Kadmiumgehalt in der Losung verbraudit.
Betragt der Abbrand an Zink and der Ubergang in die Sdiladte 4 Ve and die
Menge des Zinkstaubs - mit 5% vom Gewidit des Barrenzinks, insgesanit also
4 -1- 5 = 9%, dann ist die Leistung der Abteilung je 24 Stunden:
m= 30000
380 = 83,3 t Barrenzink,
mi = 83,3 = 90,8 t Kathodenzink in 24 Stunden.
Bestimmung deraktiven Katbodenfl fiche samtlioher Bader
F = on 1000. 1000 90,8. 1000.1000 _ 90800 = 8,350 m2.
DK ? 24.1,219 ? r)i = 400.24.1,219.0,93 10,88
Abmessungen der Kathode
Die Kathoden werden aus einer genormten Aluminiumtafel (1000.2000 mm)
angefertigt, wobei aus einer Tafel 3 Kathoden in der Abmessung 1000.666 mm
herauskommen.
An den Kanten der Kathode werden Holzlasten befestigt, die dieDendriten-
bildung verringern, and die das Abnehmen des Niedersdilags erleichtern. Dien
Leisten verringern die aktive Breite der Kathode um 10 mm auf jeder Seite. Bee
einem Koeffizienten der Auffullung des Bades von 0,85 m wird die Kathode
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V. Elektrolytisohe Erzaufarbeitung
auf eine Tiefe von 0,86 m in den Elektrolyten eingetaudit. In di esem Fall betriigt
die aktive Flache einer Kathode (von beiden Seiten):
fx=0,86.0,646.2=1,11m2.
Die Gesamtzahl der Kathoden im Werk ist demnadi 83,50 = 7522 Stuck.
Wahl der Zusammensetzung des Elektrolyten and der Stromdkhte
Die Zusammensetzung des Elektrolyten ist Behr eng nit der Stromdidite
verbunden. Bei der Beredinung betraditen wir die Arbeit mit einem veranandder-
lidien Sauregehalt (Kaskadenspeisung) and auch die gewohnlidie Arbeitsweise
mit einem unveranderlidien SSuregehalt in den Badern. Die Bestianmung der
giinstigsten Stromdidxte and der vorteilhaftesten Zusammensetzung des Elek-
trolyten fuhren wir unter Benutzung der Diagramme (Bild 11, 12 and 13)
durdi. Fur einen veranderlidien Sauregehalt (c) ist der Energieverbraudi ale
tin Durdudmittswert in den Grenzen des gegebenen Sauregehalts berodmet
worden:
C,
w = f a 9) (t);
c1
diese Angaben rind in der Tafel 30 angefuhrt.
?afel 30
Energieverbraudi fur cine t Zink bei einem ver3nderlidien Sauregehalt, kWh
Strozadichte, A/m2
Siuregehalt des
Elektrolyten
g/1
60-100
2675
2946
3130
3387
4420
60-120
2790
2990
3125
3342
4250
80-140
3206
3160
3140
3264
3944
Der Energieverbrauch ist fur drei,Varianten der Anderung des Sauregehalts
beredinet. Mit Interpolation ist audzi der Energieverbraudi fur andere Strom-
diditen bestimmt worden (200, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 700 A/O),
and durdi Multiplikation'mit den Kosten fur 1 kWh sind audi die Kosten der
Elektroenergie zur Erzeugung von 1 t Kathodenzink ermittelt worden.
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is. Elektrolytisthe Absd eidung von Zink
139
Die Ergebnisse dieser Beredmungen simd in Tafeln 31 and 32 fiir drei
Varianten des veranderlidun Sauregehalts and fiir vier Varian-ten der ArWt
nit einem unveranderlidien Sauregehalt angefiihrt.
47Q7
43117
4A
40
310V
370
3300
.w
I,` 311
2900
2787
251n
0 $U 657 7070
,!f`rnrndkblh 'A"
Bild Z4. Abbingigkeit des Energieverbrtxabs von der Stromdichte bei
versthiedener Konzentretion der Sobwefelssxre
I = 80; 11 - Zoo; III = Z20; IV = Zoo (g/l)
7af el 3f
Verbraudi an Energie?und Selbstkosten
der Gleidistromenergie bei einem veranderlidien Sauregehalt der Elektrolytaa
Stromdichte
Alms
IbN a
200............
2830
84,90
2894
86,82
3150
94,50
300............
3000
90,00
3027
90,51
3130
93,90
350............
3080
92,40
3090
92,70
400............
3160
94,80
3155
94,65
3157
94,71
500............
3320
99,60
3288
98,64
3233
96,99
550............
34C6
102,18
3359
100,77
3276
98,25
600............
3500
105,C6
3443
103,29
3326
99,78
700............
3693
110,79
3611
108,33
3465
103,95
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140
V. Elektrolytiscbe Erzaufasbeitxng
?af el 32
Verbrauch an Energie and Selbstkosten
der Gleichstromenergie bei cinem konstanten Sauregehalt des Elektrolyten
Stromdichte
Alms
Sauregehalt des Elektrolyten, g/1
100 I 120
200............
2790
83,70
2820
84,60
3060
91,80
4140
124,20
300............
2980
89,40
2920
87,60
3020
90,60
3740
112,20
360............
3060
91,80
2970
89,10
3050
91,50
3620
108,60
400...........
3160
94,80
3030
90,90
3080
92,40
3540
106,20
450............
3250
97,50
3100
93,00
3140
94,20
3480
104,40
600............
3340
100,20
3170
95,10
3190
95,70
3430
102,90
660............
3420
102,60
3240
97,20
3250
97,50
3410
102,30
600............
3520
105,60
3320
99,60
33
99,00
3400
102,00
700............
3700
111,00
3460
103,80
34t, 0
102,00
3410
102,30
Au13er den Kosten der Elektroenergie muii man nosh die der Amortisation des
Gebaudes, der Bader and der Hilfsausrastung and des Elektrolyten, sowie far
Arbeitskrafte, far die Abkiihlung des Elektrolyten and far das Auslaugen be-
radcsichtigen.
Mit der Anderung der Stromdidite sdiwankt audz Behr stark die Kapazitit der
Bader, deswegen kann man als Grundlage der Beredznung die Werkausgaben,
die auf 1 ms des Bades entfallen, annehmen.
Das Volumen der Bader zur Erzeugung von I t Kathodenzink kann man
aus folgender Formel bestimmen:
wo F die Fladie der Kathoden auf 1 ms des Bades;
171 die kathodisdie Stromausbeute;
DK die Stromdidite in AIm2;
q das elektrochemische Aquivalent des Zinks in 1 Ah (1,2194 g);
b die Anzahl der Arbeitsstunden des Werks im Jahr (24.360 = 8640)
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zj. Elektrolytisosie Absosieidung von Zink 141
Auf Grund der praktisdien Ergebnisse der modernen Werke schwankt die
Groiie F zwisdien 9 and 10 and erreidet sogar 11(, Elektrozink"); wir nehmen
F=11 an.
Dann erhalten wir:
V= 10 1 _ 106
11 ? 1,2194 ? 8640 DK 1,16. 106 t 7 1Dx 8'63 ' DK
Um die Kosten fur eine Tonne Kathodenzink (Werkausgaben fur 1 t Ka-
thodenzink) zu ermitteln, ma man die Jahresausgaben, bezogen auf 1 ma des
Bades kennen. Nadi Multiplikation dieser Grose mit dem Volumen des Bades
zur Erzeugung von 1 t Zink (V) erhalten wir die Formel fur dieBerechnung der
Werkausgaben fur 1 t Zink
Vz = aV,
wo Wz die Werkausgaben fur 1 t Zink die side aus den Ausgaben fur die
Ausrustung, fur den Elektrolyten, fur die Arbeitskrafle and fur das
Gebaude zusammensetzen;
a die Jahresausgaben des Werkes, bezogen auf I ms des Bades
Beim Werk in Tscheljabinsk betragt a = 900 Rubel and Beim Werk ,Elektro-
zink" a = 1150 Rubel.
In unserem Fall kennen wir a = 1100 annehmen, well bei den Schwankun-
gen dieser Zahl unser endgultiges Ziel (die Bestimmung der gunstigsten Strom-
didzte) dodi erreicht wird, da these Zahi sick in gleicher Weise bee versdeiedenen
Stromdideten auswirkt. Somit erhalten wir:
Wz=a?V=1100.8,63 1 =9493 1
ViDK rWDK
Bei der Benutzung dieser Formel zur Bestimmung der Werkausgaben for
1 t Kathodenzink bei versdeiedenen Stromdidrten kann man die kathodisdee
Stromausbeute den Diagrammen von Hansen (Bild 11 and 12) entnehmen.
Fur einen veranderlidien Sauregehalt muf3 man ebenfalls die kathodisdie
Stromausbeute in Abhangigkeit von der Stromdidite beredenen. Zur Erleidete-
rung der Beredmungen bauen wir ein Diagramm (Bild 15) auf.
In Abhangigkeit von der Stromdidite andert side sehr stark der Verbraude
an Kuhlwasser. Der Wasserverbrauch fur 1 t Zink auf Grund von Angaben
des Werkes Great-Falls ist in Tafel 33 angefuhrt.
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V. Elektrolytiscbe Erzaufarbeitung
'0~0~1
000,
~~, 1/ 1.10' 1-1-00 1 7
M
Aromdthtt 41m'
Bdd zS: Anderung der kathodischen Stromausbeute mit der Stromdichte bei ver-
schiedenen Konzentrationen der Sd wefelsaure
I = 8o; 11 = 6o bis zoo; III = 8o bis Z20; IV = zoo; V = 8o Us 140; VI = zso;
VII = r40 (gl1)
Taf el 33
Was3erverbraudi in Abh"angigkeit von der Stromdidste
Wa
sser-
Kost
en des
W
asser-
Kos
ten des
Stromdichte
verb
rauch
Wa
ssers
Stro
mdicht
e
ver
brauch
W
assers
Alma
ms
R
ubel
Alms
ms
Rubel
200
2
1,3
1
,07
500
134,0
6,70
300
4
8,0
2
,4
550
1
62,0
8,10
350
5
4,0
2
,7
600
1
92,0
9,60
400
8
5,5
4
,27
700
2
52,0
1
2,60
450
10
8,0
5
,40
800
3
14,0
1
5,70
Unter Benutzung der Formel Wx = ,i Dx and der Tafel 33 kannen
wir die voile Summe der Werkausgaben fur versduedene Stromdiditen be-
redmen. Auf Grund dieser Beredinungen sind Tafein 34 and 35 fur die
beiden Varianten aufgestellt.
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z;. Elektrolytisthe Absteiduna von Zink 143
7afel 34
Kosten der Elektrolyse bei einem ver3nderlidien Sauregehalt des Elektrolyten, Rubel
Sauregehalt des Elektrolyten, g/l
60-100
1
60-120
1 80-240
Stromdichte
A/ms
200
84,90
54,60
139,50
86,82
58,77
145,59
94,50
69,00
163,50
300
90,00
36,90
126,90
90,51
38,45
128,96
93,90
43,00
136,90
350
92,40
31,0
123,40
92,70
33,20
125,90
400
94,80
29,57
1 8
94,65
30,42
125,07
94,71
32,77
127
48
450
97,50
27,75
125,25
96,63
28,40
125,03
95,85
30,20
,
126,05
500
99,60
26,70
126,30
98,64
27,20
1 5, 4
96,99
28,80
125,79
550
102,18
26,20
128,38
100,77
26,66
127,43
98,28
28,00
ME, $
600
105,06
26,15
131,21
103,29
26,53
129,82
99,78
27,70
127
48
700
110,79
26,68
137,47
108,33
27,00
135,33
103,95
27,90
,
131,85
7af el 35
Kosten der Elektrolyse bei einem konstanten Sauregehalt des Elektrolyten, Rubel
Sluregehalt des
Elektrolyten, g/1
.m ~
~.8
i
t
200
83,70
53,80
141,10
84,60
59,47
144,07
31,80
74
,37
166,
17
124,20
300
89,40
36,60
126,00
87,60
39,20
126,80
90,60
45
,60
136,
80
112,20
350
91,80
31,60
123,40
89,10
33,50
122,60
91,50
37
,95
130,
05
108,60
400
94,80
29,40
1920
90,90
30,77
121,67
92,40
33
,77
127,
37
106,20
35,60
141
20
450
97,50
27,60
125,10
93,00
29,20
122,'2
94,20
30
,90
125,
10
104,40
35,40
,
139,80
500
100,20
26,60
126,80
95,10
27,60
122,60
95,70
29
,20
124,
90
102,90
33,20
136,10
550
102,60
26,00
128,60
97,20
26,75
123,95
97,50
28
,40
1 ,
lU
102,30
31,75
134
05
600
105,60
26,00
131,60
99,60
26,66
126,26
99,00
28
,00
128,
20
102,00
30,85
,
132
85
700
111,00
26,60
137,60
103,80
27,05
130,85
102,001
28,
05
131,
25
102,30
28,15
,
130,45
800
103,80
30,55
1W
Zum bequemeren Vergleich der durdigefiihrten Beredtnungen fiir die Aus-
wahl der wirtsdiaftlichen Stromdichte fuhren wir nosh eine Zusammenstellung
(Tafel 36) an.
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V. Elektrolytisdx Erzaufarbeitand
la/el 36
Ausgaben fur die Elektrolyse, die nadi zwei Varianten durchgefuhrt wird
bei ansteigendem
Sauregehalt
Gehalt an
freier Saute
im Elektro-
lyten, g/l
Wirtschaft-
liche Strom-
dichte A/m2
Stromdichte,
die einem
Minimum
der Ausgaben
entspricht,
Alms
Ausgaben fiir
die Elektro-
lyse, Rubel
375
bei konstantem
Sauregehalt
Aus der Tafel 36 ist ersiditlidi, wie nit dem Anwadhsen des Sauregehalts
des Elektrolyten auch die wirtschaftlidie Stromdichte ansteigt. Beim Vergleidi
der ermittelten Zahlenwerte ersieht man, da13 die zweite Variante (die Arbeit
mit einem unveranderlichen Sauregehalt des Elektrolyten) viel billiger er-
sdieint.
Bei der Losung der Frage des Sauregehalts des Elektrolyten mull man nidit
nur die Wirtsdiaftlichkeit des Werkes berucksichtigen, sondern audi die der mit
deco Werk sehr eng verbundenen Abteilung fur die Auslaugung.
Bei einem hohen Sauregehalt des verbrauditen Elektrolyten, welcher in die
Abteilung fur die Auslaugung zugefuhrt wird, kann man das FassungsvermSgen
der Apparatur fur die Auslaugung and die Abmessungen des Gebaudes bedeu-
tend verringern and dadurdi, auch die Ausgaben fur das Auslaugen senken.
Bei der Wahl des Sauregehalts des Elektrolyten darf man allerdings die
Sdiwierigkeiten der Arbeit mit an Zink reidien neutralen Losungen and audi
die Notwendigkeit der Verringerung des Sauregehalts bei verunreinigten Elek-
trolyten, besonders bei einem hohen Kobaltgehalt, nicht vergessen. (Der Saure-
gehalt darf 70 bus 80 gll nidn iibersteigen). Um die Wirtsdiaftlichkeit der Ab-
tedlung fiir die Auslaugung and der Abteilung fur Elektrolyse in Verbindung
zu bringen, benutzen wir die Zahlenangaben der Ausgaben fur die Amortisa-
tion and fur die Wartung der Ausrnstung der Abteilung fur die Auslaugung
(ohne Ausgaben fur das Gebaude and fur die Arbeitskrafte), die von Jessin
and Gajew angegeben werden (Tafel 37) [14].
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rf. Elektrolytische Abscheidung von Zink 145
Ya f el 37
Amortisation and Wartung der Ausrustung in der Abteilung fur das Auslaugen
in Abhangigkeit vom Sauregehalt des verbraudtten Elektrolyten, Rubel
Sauregehalt
des Elektrolyten g/1
80
I 100 I
200
Ausgaben fur die Ausrustung der Abtei-
lung fur die Auslaugung . . . . . .
22,62
20,18
18,43
Ausgaben fur die Elektrolyse . . . . .
123,40
121,67
124,90
Somit erscheint als der giinstigste Sauregehalt in unserem Fall der Gehalt
von 100 gIl bei einer Stromdichte von 400 A/m2 bei einer kathodischen Strom-
ausbeute von 930/0 (nadi dem Diagramm von Hansen ist fiir den angegebenen
Sauregehalt and fiir die angefiihrte Stromdidhte die Gr8fle von 'Ii mit 900/0 an-
gegeben, aber bei einer Verwendung von Kolloiden and bei den Stachanow-
schen Arbeitsmethoden kann man Stromausbeuten bis zu 930/0 erzielen).
Auger den oben erwahnten wirtsdiaftlichen Faktoren wird die Wahl der
Stromdidhte audi noch von den tedtnologisdien Faktoren beeinflugt, zum Bei-
spiel der Gehalt einiger Beimischungen (besonders Kobalt), die uns zwingen,
die Arbeit ,trait einem niedrigeren Sauregehalt des Elektrolyten durdizuf6hren.
Zusammensetzung des verbrauchten Elektrolyten
Da wir das Arbeitssystem mit einer unveranderlidlen Zusammensetzung des
Elektrolyten in den Badern gewahlt haben, so entspridit die Zusammen-
setzung des Elektrolyten im Elektrolyseprozeg vollkommen der Zusammen-
setzung des verbrauchten Elektrolyten, weldle durdi den Zinkgehalt in der
neutralen Losung and durda die Arbeitsweise des Bades besti-mmt wird (d. h.
durdi die Menge des in das Bad in der Zeiteinheit eingefiihrten Elektrolyten).
Von der Zusammensetzung des verbrauchten Elektrolyten wird der Gehalt
an Sdiwefelsaure (bei uns 100 g/1) and an Zink bestimmt. Der Zinkgehalt
schwankt zwischen 35 and 65 gIl. Auf dem Werk Flin-Flon ist festgestellt
worden, dal ben einem Sauregehalt von 100 bis 120 g/l am gunstigsten das Ver-
haltnis H2SO4 = 2 ist (aber nidlt darunter). Deswegen nehmen wir den Zink-
gehalt im verbrauchten Elektrolyten mit 100: 2 = 50 g/l bei einem Gehalt an
Schwefelsaure von 100 g/l an.
io Agejenkow, Elektrometallurgie
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V. Elektrolytische Erzaufarbeitung
Spannungsab/all in jedem Bad
Die Gesamtspannung im Bad setzt 'side aus der Zersetzungsspannung V, aus
dem Spannungsabfall im Elektrolyt ED, aus dem Spannungsabfall in. den
Kontakten und Elektroden Ex, aus dem Spannungsabfall in den Leitungen
(Kathodenstangen und Bordstangen) At und aus dem Spannungsabfall durch
den Widerstand des Sdilamms und infolge der Polarisation zusammen.
a) Zersetzungsspannung:
V=-E=-(eA-eK)?
Der Elektrolyt enthalt 100 gll H2SO4 und 50 gll Zn. Die Temperatur des
Elektrolyten betragt 400 C.
Die Konzentration der Wasserstoffionen in einer solchen Losung betragt:
CB+ = 98 0 2 = 2,04 gmol/I,
und die Konzentration der OH-Ionen (bei 400 C):
Gon - Kw - 3.10-16 =1,47.10-14 gmol/1.
CH 2,04
Der Koeffizient der Aktivitat eines OH--Ions in der Losung der gegebenen
Konzentration betragt ungefahr 0,75 und die Oberspannung des Sauerstoffs
an der Bleianode kann man bei einer Stromdichte von 400 AIm2 mit 0,5 V an-
nehmen.
Die Konzentration der Zinkionen ist:
CZn++ = 50 65,37 = 0,765 gmol/1,
der Koeffizient der Aktivitat ist in dieser Losung 0,0575. Dann erhalten wir:
eA=e0,02+ F 1naoH--,?o,=-0,398+8,3 6.3,3.213031g?oHC0 -0,5
96500
0,398 + 0,0621g (0,75.1,47.10-14) - 0,5
0,398 + 0,0621g 1,1.10-14 - 0,5 = -0,398 -0,062 (- 13,96) -0,5
= - 0,398 - 0,866 - 0,5 = -1,764 V ;
ex = eo, zn - 2F In aZn + nZn = + 0,762 - 0,03118 yzn Czn +- 0,02 =
+ 0,762-0,031lg(0,765.0,0575)+0,02=+0,762-0,0311g0,044 +0,02
_ + 0,762 - 0,031 Ig (- 1,357) + 0,02 = + 0,762 + 0,042 + 0,02
_ + 0,824 V.
Dip EMK betragt:
E = eA- ex = -1,764 - (+ 0,824) _ -1,764 - 0,824 = - 2,588 V,
und die Zersetzungsspannung:
V = - E = - (- 2,588) = + 2,588 V - 2,59 V.
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x j. Elektrolytisdx Abscheidung von Zink 147
b) Der Widerstand des Elektrolyten. Unter Benutzung der Tafel 11 bestim-
men wir jetzt den spezifischen Widerstand bei 400 C des Elektrolyten mit
einem Gehalt von 50 g/1 Zn and 100 gll H2SO4.
Laut Tafel besitzt tine Losung mit einem Gehalt von 100 gll H2SO4 and
40 gll Zn einen Widerstand von e4o = 2,88 LI/ cm8. Eine Losung mit einem
Gehalt von 100 g/1 H2SO4 and 60 gll Zn hat einen Widerstand e 40
=
= 3,14 Q/cm3, daraus folgt der spezifisc a Widerstand unseres Elektrolyten
(50 g/1 Zn and 100 g/l H2SO4)
940 _ 2,88 2 3,14 _ 3,01 9/cm8.
Wir nehmen an, dalI von den zulassigen Beimengungen folgende Mengen
im Elektrolyt vorhanden sind: 7 gll Mangan and 6 g/l Magnesium.
Der Einflufl der Beimengungen wird nach der Methode von Skowronski
gefunden, wenn man den Einflull vom Mangan analog dem Einflul3 des Eisens
nimmt. In bezug auf das Magnesium kann man auf Grund der Untersuchungen
von Tartar and Kei fi annehmen, daf3 1 gll Mg den prozentualen Widerstand
der Losung um 2,1 ?/o erhoht.
Die Korrektur fur Mangan lautet dann:
p1=100 -{- 0,8 ? 7,0 =105,6 %.
Die Korrektur fur Magnesium lautet:
p2 =100 + 2,1 ? 6,0 =112,6%.
Der spezifische Widerstand des Elektrolyten betragt also:
3,01 1Q5,6.112,6 = 3,58 D.
100.100
Bei Berucksichtigung, dalI im Elektrolyten Kieselsaure, Kalzium and Salze
der Alkalimetalle vorhanden sind, erhoht man den Widerstand des Elektroly-
ten um 20?/o:
e 3,58.1,20 = 4,3 Q/cros.
Der Spannungsabfall im Elektrolyten, in welchem die Abmessungen des
Bades nidlt enthalten sind, mit Ausnahme der Entfernung von der Anode his
zur Kathode, kann auch nach folgender Formel berechnet werden:
10000'
wo DK die kathodische Stromdichte in A/m2;
e der spezifische Widerstand des Elektrolyten in.f11cm8;
1 die Entfernung zwischen den Elektroden in cm
ist.
Bei dieser Beredinung ermitteln wir den Spannungsabfall im Elektrolyten
auf der ganzen Lange des Bades.
100
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148 V. Elektrolytische Erzaufarbeitung
Die Entfernung zwischen den Achsen gleidmamiger Elektroden betragt bei
den meisten Werken, die nadi dem genormten Verfahren arbeiten, 75 bus
90 mm, was einer Entfernung von der Anode bis zur Kathode von 30 bis 40 mm
entspricht.
Nehme,n wir an:
I = 34 mm = 3,4 cm;
E _ 400 4,3 34
' = ,585 V.
10000
c) Den Spannungsabfall in der Anode kann man mit 0,02 V and den in den
Kontakten mit 0,03 V annehmen.
d) Der Spannungsabfall in den Kathodenstangen .betragt 0,02 V (siehe Ka-
pitel Elektroraffinierung des Kupfers) and in den Bordsduenen - 0,03 V.
e) Den Spannungsabfall im Sdtlamm kann man analog mit der Elektrolyse
des Kupfers mit 30?/o vom Widerstand des Elektrolyten annehmen, d. h.
0,585 = 0,175 V. Dieser Zahlenwert ist nid-t iibertrieben, da der Span-
nungsabfall nidit nur durch den Schlamm hervorgerufen wird, sondern auch
durdi den Widerstand der Blasen des gasformigen Sauerstoffs, der side an der
Anode entwickelt. Die Gesamtgro1 a des Spannungsabf alls im Bad betragt dann:
E = 2,59 + 0,05 + 0,05 + 0,585 + 0,175 = 3,45 V.
Der ermittelte Zahlenwert liegt sehr nahe bei den Ergebnissen der Praxis, bei
einer Entfernung zwischen gleichnamigen Elektroden von 80 mm (von der
Anode bis zur Kathode 34 mm).
Bestimmung der Anzahl der Bader ,
Zunadist bestimmen wir die Leistung des Gleidhstromgenerators. Die Lei-
stung der Abteilung zur Gewinnung von Kathodenzink betragt 90,8 t in
24 Stunden.
Urn die Leistung der Umformeraniage zu bestimmen, benutzt man nadi-
stehende Formel:
mEB ? 1000
W 24, 1,219
wo m die Leistung der Abteilung zur Gewihnung von Kathodenzink in
24 Stunden;
EB der Spannungsabfall im Bad in V;
die kathodisdze Stromausbeute in Teilen einer Einheit;
24 die Anzahl der Stunden am Tage;
1,219 das elektrodiemisdie Aquivalent des Zinks auf 1 Ah;
W die Leistung der Gleidiriditeranlage an Gleidistrom, kW,
ist.
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rf. Elektrolytische Abscheidung von Zink 149
In diesem Fall erhalt man:
90,8. 3,45.1000 11500 kW.
24.0,93. 1,219 =
Bei der Auswahl der Gleidirichter halten wir uns an die Regel, die Appara-
tus, die von der sowjetischen Industrie mit genormten Leistungsangaben ge-
liefert wird, anzunehmen.
Es wird bei den Zinkwerken vorgezogen, Quedrsilbergleiduiditer zu ver-
wenden. Die normale Spannung derselben betragt 525 V mit der Moglidikeit
einer stufenweisen Regelung in den Grenzen von 10?/o dieserGro8e.DieStrom-
starke cines Gerates betragt 5500 A, d. h. die Leistung einer jeden Quedisilber-
rohre betragt ungefahr 2890 kW (genauer 2887 kW).
Wir benotigen: 11500 = 3,98 -- 4 das hei8t vier Quecksilbergleichrichter. Diese
2887
Gerate verbinden wir zu zwei elektrisdien Kreisen (Sektionen) mit je zwei
Gleiduriditern in jeder Sektion. In jedem Kreis sind die Gleidirichter parallel
verbunden and verfugen Ober einen Strom mit einer Spannung von 525 V and
einer Starke von 11000 A.
Mit der Stromstarke bestimmen wir im Bad die Anzahl der Kathoden nadi
folgendem Verfahren. Zuerst bestimmt man die gesamte Kathodenfladie des
Bades nach der Formel:
I _ 11000
= 27,5 m2.
'fB _ DK 400
Nach Division der ermittelten Gr8fle durdi die Flache einer jeden Kathode
(1,11 m2) linden wir die Anzahl der Kathoden im Bad:
nK = f =iii = 24,8.
Wir nehmen also fur das Bad 25 Kathoden und 26 Anoden. Dabei betragt die
tatsadiliche Stromdichte:
I _ 11000 = 396,4 A'm2.
DK=nKf-25.1,11
Wird eine Kathode herausgenommen, kann die Stromdidtte bis auf
11000 = 413 AIm2 erhoht werden.
24.1,11
Die Anzahl der Bader kann man aus der Spannung des elektrisdien Kreises
bestimmen:
EK, 525
N = Ea = 3,45 = 152,2 Bader in einer Sektion.
Diese Anzahl kann auch auf eine andere Weise bestimmt werden, wenn
man von der bereits fruher berechneten Gesamtzahl der Kathoden in der Ab-
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V. Elektrolytische Erzaufarbeitung
teilung (7522) ausgeht. Da in einem jeden Bad 25 Kathoden vorhanden sind,
so muff die Anzahl der Bader in der Abteilung we folgt sein:
7622
N= 26 = 301 Bader.
Diese Anzahl der Bader gewahrleistet genau die vorgesdiriebene Leistungs-
fahigkeit bei einer Stromdichte von 400 A/m3. Da die beredinete Stromdidhte
396,4 AIm2 betragt, and die Bader einen periodischen Stillstand zur Beseiti-
gung des Schlamms benotigen, so nehnien wir die Gesamtzahl der Bader in
der Abteilung mit einer gewissen Reserve von 304 Stuck an (152 Stuck in
einer jeden Sektion). Die Spannung des Stromkreises laf3t eine derartige An-
nahme zu.
Die Bestimmung der Abmessung and des Volumens des Bades
Die Entfernung vom Rand der Kathode his zu den Wanden des Bades be-
tragt gewohnlich 75 bis 100 mm, folglich ist die Breite des Bades b = 0,67,+
;+ 2- 0,090 = 0,85 m.
Die Lange des Bades setzt sick wie folgt zusammen: 1. aus der Gesamt-
starke der 25 Kathoden, 2. aus der Gesamtstarke der 26 Anoden, 3. aus der
Gesamtlange der 25 X 2 = 50 Zwisdienraume. zwischen den Elektroden,
4. aus dem Abstand der aufiersten Anoden von den Wanden des Bades.
Die Starke einer Kathode ist 4 mm, der Anode 8 mm, die Entfernung von
der Kathode bis zur Anode 34 mm, die Entfernung von den auf3ersten Anoden
bis zu den Wanden des Bades 200 bis 250 mm. Dann ist die Lange des Bades:
1=25.4+26.8+50.34+252=100+208+1700+252
= 2260 mm = 2,26 m.
Die Tiefe des Bades mug zur ruhigen Absdieidung des Schlamms mindestens
40 cm grof3er sein als die Lange des eingetauditen Teiles der Kathode:
b=0,86+0,441,30 m.
Das Volumen des Bades, weldies mit dem Elektrolyten gefullt ist, betr igt:
V= b1b = 0,85 = 2,5 m3.
Die aktive Fladie der Kathoden im Bad betragt 27,5 m2, dann ist die aktive.
Fladie des Bades, bezogen auf 1 m3 des Volumens des Bades:
F=A= 227, =11,0,
was vollkommen mit den Erfahrungswerten bei den modernen Werken iiber-
einstimmt.
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z j. Elektrolytische Abscheidung von Zink 151
Die Menge des Elektrolyten, welche dem Bad zugetuhrt wird
Der verbrauchte Elektrolyt enthalt 50 g/1 Zn and 100 g/l H2SO4. Soweit
die Sdiwefelsaure bei der Elektrolyse des Zinksulfats gebildet wird and die
Bader mit einer neutralen Losung gespeist werden, kann man aus der Menge
der freien Schwefelsaure im Elektrolyt auch die Menge des gewonnenen Zinks
and den Zinkgehalt, der im neutralen Elektrolyt enthalten sein mug, bestim-
men. Aus diesen zwei Zahienwerten kann man auch die Menge der jedem Bad
zugefiihrten Losung berechnen:
65,37 0
p1- 50 + 100 9
8,05 = 50 + 66,6 = 116,6 g /l Zn imneutralenElektrolyt
Die Menge des jedem Bad zugefuhrten Elektrolyten wird nach folgender
Formel berechnet:
_ IgtyN
Pi-P2
wo Q die Menge des dem Bad oder der Kaskade zugefuhrten neu-
tralen Elektrolyten in 1/h,
I die Stromstarke im Bad in A,
q das elektrodiemisdie Aquivalent des Metalls in g auf 1 Ah (fur
Zink 1,2194),
rij die kathodische Stromausbeute in Teilen einer Einheit,
N die Anzahl der Bader im Kaskadensystem (bei einem unverander-
lidien Sauregehalt and bei einer Zufuhr des Elektrolyten in jedes
Bad), die mit I angenommen wurde,
pi der Zinkgehalt im neutralen Elektrolyten in g/l,
p2 der Zinkgehalt im verbrauchten Elektrolyten in gll
ist.
In unserem Fall wird einem 'Bad zugefuhrt:
Ql _ 11000 ? 1,219 ? 0,93 ? 1 =187,31/h = 45, m3/24 Std.
116,6-50
Bei der gegebenen Arbeitsweise benotigt man fur alle Bader:
Q = 304, Q1 = 304 = 57 m3/h = 1368 m3/24 Std.
Die Energieausbeute and der Wirkungsgrad des Bades
Die Energieausbeute ist am einfadisten aus der Formel (41) zu bestimmen:
BVp - 'boa 100- 2,590-0,5 .0,93.100=2,0900,93.100=56,30
/v
EB 3,45 3,45
Der Wirkungsgrad des Bades betragt:
K= Ep +i; ? 100 = 2 ;tom ? 0,93 = 69,8
B
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V. Elektrolytische Erzaufarbeitung
Der Energieverbrauch an Gleidistrom auf 1 t Kathodenzink bed zwei Serien
von Badern betragt:
= E ? I ? 24 - 525.11000.24.2 = 3050 kWh.
1 m ? 1000 90,8. 1000
Der Energieverbrauch an Gleichstrom auf 1 t Barrenzink ist:
W2 525 ? 11000 ? 24 ? 2 = 3325 kWh.
2 83,33 ? 1000
Die fur die Zersetzung des sdiwefelsauren Zinks verbraud-te Energie wird
(ohne die Verluste im Elektrolyt, im Schlamm, in den Kontakten and in den
Leitungen), das hei6t fur die elektrochemischen Prozesse (unter Berucksiditi-
gung der 17berspannung des Sauerstoffs) betragt:
- VpI _ 2,590. 1. 1000 = 2125 kWh
3 q 1,219
auf I t Kathodenzink; wenn die Cberspannung des Sauerstoffs nicht vorhanden
ware, so mote man auf 1 t Kathodenzink die folgende Energiemenge auf-
wenden:
.114= (Vp-r102)?1 2,090.1.1000 =1714 kWh.
q 1,219
Wilrmebilanz des Bades
Bei der Aufstellung der Warmebilanz des Bades nehmen war einige Verein-
fadiungen der Beredtung an.
Die Warmezufuhr in das Bad setzt sich aus der Warme, die vom Strom bei
der 17berwindung des Widerstands des Elektrolyten, des Sdtlamms and des
Widerstands der Elektroden entwickelt wird, and aus der Warme, die lurch den
neutralen Elektrolyten eingebracht wird, zusammen. Der Warmeverbrauch
(Warmeverluste) setzt side aus den'Warmeverlusten infolge der Verdampfung
and der Verspritzung des Elektrolyten, aus den Warmeverlusten durdi Aus-
strahlung and durdi die Warmeubertragung der Badwande and aus den Warme-
verlusten snit dem abgefuhrten Elektrolyten zusammen.
Zur Vereinfadiung der Beredmung redmet man die Menge der in das Bad
zugefuhrten Losung (187,311h) in Gewidhtseinheiten um.
In das Bad wird in einer Stunde 187,31 neutraler Elektrolyt snit einem
Zinkgehalt von 116,6 g/l zugefuhrt. Das spezifische Gewicht des Elektrolyten
betragt 1,268, d. h. in Gewichtseinheiten 1,268. 187,3 = 237,5 kg.
Im Bad werden aus jedem Liter 66,6 g Zink gewonnen, also insgesamt in
12,47.16
einer Stunde: 66,6 187,3 = 12,47 kg. An der Anode werden 65,37 =
= 3,05 kg Sauerstoff ausgesdueden.
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zs. Elektrolytische Abscheidung von Zink 153
Insgesamt wird also bei der Elektrolyse entfernt:
12,47 + 3,05 =15.52 kg,
and es verbleibt an Elektrolyten:
237,5 - 15,5 = 222 kg.
Die Verdampfung and Verspritzung betragen nach den Angaben des Werkes
Great Folls 1,3 kg in 1 Stunde von 1 m2 des Badspiegels. Unser Bad hat einen
Spiegel von 1,72 m2 and verliert in 1 Stunde
1,3 ? 1,72 = 2,24 kg.
Folglich flie8t aus dem Bad in jeder Stunde die nachfolgende Menge des ver-
braudlten Elektrolyten:
222-2,2-219,8 kg
oder in Volumeneinheiten, bei einem spezifisdlen Gewicht dieses Elektrolyten
(50 gll Zn and 100 g/l H2SO4) von 1,164.
219,8
1,164 188,8117)
Die Temperatur des neutralen Elektrolyten ist 35 ? C and seine spezifische
Warmekapazitat 0,78.
Wir berechnen jetzt den Zugang an Warme:
a) durch die Erwarmung durch den Strom
Q=0,239EIt.
E den Spannungsabfall im Elektrolyten, im Schlamm and in den Elektroden
entnehmen wir aus der Energiebilanz des Bades, derselbe betragt:
0,585 + 0,175 + 0,02 = 0,78 V.
Daraus folgt:
Q = 0,239 = 7380000 cal/h = 7380 kcal/h;
b) mit neutralem Elektrolyten:
Q = 237,5 ? 0,78. 35 = 6490 kcal/h.
Insgesamt betragt der Zugang an Warme 7380 + 6490 + 13870 kcal/h.
x7) Diese Erscheinung der Vergrblierung des Volumens des Elektrolyten hatten Jessin and Gajew auf
dem Werk in Leninogorsk beobachtet.
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V. Elektrolytiscbe Erzaufarbeitung
Wdrmeverbrauch '
a) Mt dem verbrauchten Elektrolyten geht bei der spezifisdien Warme-
kapazitat desselben von 0,80 folgende Warmemenge ab:
Q = 219,8.40.0,80 = 7034 kcal.
Die Oberflache des Bades ist:
F=0,85.2,26=1,92 m2.
Die von den Elektroden eingenommenen F1adlen betragen:
Kathoden mit Holzleisten:
0,69.25.0,004 = 0,069 m2;
and die Anoden (die Breite der Anode betragt 0,97 von der Breite der Kathode):
0,666.0,97.26.0,0018= 0,134 m2.
Die Gesamtfladie, die von den Elektroden eingcnommen ist, betragt dann:
Fi = 0,134 + 0,069 = 0,203 m2,
and der Spiegel des Bades ist:
F=1,92 - 0,203 =1,72 m2.
In Bild 8 finden wir, da13 bei 400 C ein kg Wasser von 1 m2 der freien Flache
in einer Stunde verdunstet, das hei&, es verdampfen insgesamt 1,72 kg Wasser.
Dazu wird die folgende Warmemenge verbraudit:
Q = (618 - 40) ? 1,72 = 994,2 kcal/h.
Verspritzt wird 1,72 = 0,52 kg/h Wasser, dadurdi gehen verloren:
Q=0,52.0,82.40=17,0kcal.
Insgesamt betragen die Verluste durdi Verdampfung and Verspritzung: .
994,2 + 17,0 =1011,2 kcal/h.
Nadi den Untersudiungen von Antisel betragen dieVerluste durdiAusstrah-
lung (und durdz Konvention) and durch Warmeubertragung 119 von den Ver-
lusten durdi Verdampfung and Verspritzung, d. h.:
1011,2 =112,4 kcal/h.
9
Die Gesamtwarmeverluste des Bades sind demnach:
Q = 7034 + 1011,2 + 112,4 = 8158 kcal/h.
Die Bilanz des Bades 1st aktiv, d. h. es in fotgender TJbersdiu an Warsne vor-
handen:
13870 - 8158 = 5712 kcal/h.
Das Bad liefert in einer Stunde 12,47 kg Zink, damit entfallen auf 1 kg Zink:
5712 458 kcal/h.
12,47 =
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r6. Elektrolytisdie Gewinnung von Kupfer
Die etwas geringere Warmezufuhr wird durch einen niedrigen Widerstand
des Elektrolyten, durdt geringe Entfernung zwisdien den Elektrodcn, sowie
auch durch die niedrigere Temperatur des neutralen Elektrolyten erklart:
Verbrauch an Ki hlwasser wird nadi folgender Formel bestimmt:
W__
wo ti - t2 die Erhohung der Temperatur des Kuhlwassers,
Q die iibersdiussige Warine
ist.
Diese Temperaturdifferenz andert side sehr stark. Die Konstruktion and der
Zustand der Oberfladie des Kuhlers uben einen besonders starken Einflu1 auf
these Anderung aus.
Wenn man die Temperaturdifferenz ti - tz mit 100 C annimmt, so erhalt
man: W = 108 = 45,8 ms Kuhlwasser auf 1 t Kathodenzink.
Vie aus der Warmebilanz des Bades ersiditlidi ist, beeinflussen auch die
Arbeitsweise desBades (sein Widerstand), die Temperatur der neutralenLosung,
des Kuhlwassers and der Zustand des Kuhlers die Menge des verbrauditen Kiihl-
wassers.
i6. Elektrolytisdie Gewinnung von .Kupfer
Die elektrolytische Gewinnung des Kupfers ist ein Beispiel der Elektrolyse
bei ginner inkonstanten Zusammensetzung des Elektrolyten.
Die Elektrolyse stellt das bevorzugte Verfahren der Absdieidung eines
Metalls aus Erzlosungen in dem hydrometallurgisdien Sulfatprozefg der Ge-
winnung von Kupfer dar. Der Sulfatprozefg wird uberwiegend bei alien gro-
Ben hydrometallurgisdien Werken fur die Kupfergewinnung angewandt. Der
Ammoniakprozefg, bei dem die Elektrolyse nidit angewendet wird, hat eine
viel geringere industrielle Bedeutung. Eine node geringere Bedeutung besitzen
die Sulfit- and Chloridprozesse, in denen das Kupfer aus den Losungen durdi
Zementierung nut Eisen niedergesdilagen wird, genau so, wie audi in den klei-
nen Anlagen zur Durdifiihrung des Sulfatprozesses.
Somit ersdieint der elektrolytische Prozefg des Abscheidens von Kupfer aus
Sulfatlosungen als das Hauptverfahren zur Gewinnung des Metalls in der
Hydrometallurgie des Kupfers.
Die Wahl des Sdiemas der Zirkulation in diesem ProzeB and die Wahl der
Zusammensetzung der Losungen vor and nadi der Elektrolyse hangen in be-
deutendem Mafge von der Zusammensetzung des verarbeiteten Erzes and in der
Hauptsadie von der Menge and vom Verhalten der im Erz enthaltenen Bei-
mischungen ab.
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V. Elektrolytische Erzaufarbeitung
Im Sulfatproze1 des Auslaugens der Erze wird als das Losungsmittel Schwefel-
saure and die saure Losung des Ferrisulfats verwendet.
Die oxydierten Kupfermineralien - Azurit and Malachit - werden schnell
and vollstandig in sdiwadhen Losungen der Sdiwefelsaure aufgelost; zum Aus-
laugen der oxydierten Kupfererze geniigt die Schwefelsaure allein. Dagegen
benotigt man zum Auslaugen der Erze, die sekundare Sulfidmineralien enthal-
ten, zur vollstandigeren Gewinnung des Kupfers Ferrisulfatlosungen.
Beim Auslaugen des Erzes erstrebt man maximale Gewinnung des Kupfers
bei einer minimalen Auflosung der Beimischungen, die der Elektrolyse schad-
lidi sind and augerdem die Sdiwefelsaure verbrauchen.
Bei der Elektrolyse ist man bestrebt, einen maglidist hohen Ausgangsgehalt
in der Losung zu erzielen and das Kupfer aus der Losung bis zu einem solchen
Gehalt zu gewinnen, bei dem node ein hodiwertiger Niedersdilag an der
Kathode erzeugt wird. Der verbrauchte Elektrolyt wird fur das Auslaugen
neuer Partien des Erzes gebraucht, d. h. er bleibt im Umlauf.
Von den Beimisdiungen besitzen das Eisen and das Chlor eine besondere Be-
deutung. Das Vorhandensein des Chlors im Elektrolyten ruff ehne sdinelle
Abnutzung der Anoden hervor, deswegen werden die Losungen vor der Elek-
trolyse einer speziellen Reinigung - Entchlorung - unterworfen. Das Eisen
oxydiert sich an der Anode and geht in dreiwertiges Eisen uber; das gebildate
Ferrisulfat lost das Kupfer auf der Kathode, dadurch verringert sick die katho-
disdie Stromausbeute and die Leistungsfahiglieit des Elektrolytbades.
Um die kathodisdie Stromausbeute in wirtschaftlich ,tragbaren Grenzen zu
halten, mug man die Wirkung der Eisensalze beseitigen. Man kann these ent-
weder durch eine Erzaufbereitung vor dem Auslaugen (Erzeugung in ver-
diinnter Sdiwefelsaure nidlt loslicher Eisenverbindungen) oder durch Reini-
gung der Losungen vom Eisen vor der Elektrolyse beziehungsweise durdi Mag-
nahmen wahrend des eigentlichen Elektrolyseprozesses erzielen.
Die erste Gruppe von Magnahmen erscheint allgemein wirtsdiaftlich nidit
vorteilhaff. Die zweite Gruppe besteht in einigen Werken in der Reinigung
der Losungen von Eisen durdi Niedersdilagen desselben mit Kalkstein oder
basischer Kupferkarbonate (Werk Andes Kopper & Co.) bzw. in der Reduk-
tion des Ferrisulfats unter Bildung von Ferrosulfat mit Hilfe von Schwefel-
dioxyd oder mit Hilfe von Zementkupfer.
Die dritte Gruppe von Magnahmen sdiliegt in sick die Verwendung von
Diaphragmen (heute wird dieses Verfahren nidit angewandt) and die Verwen-
dung einer soldien Zirkulation des Elektrolyten, dag das Ferrisulfat, das sick
an der Anode gebildet hat, nicht Zeit hat, vollstandig mit dean Kupfer auf der
Kathode in Reaktion zu treten. Das zulassige Verhaltnis des Kupfers and des
Eisenoxyds im Elektrolyten wird experimentell bestimmt. Der Elektrolyt wird
durch mehrere, in einer Kaskade aufgestellte Bader geleitet, allmahlidi ent-
kupfert and mit Eisenoxyd angereidtert. Deswegen arbeiten die ersten Bader
der Kaskade mit einer hoheren kathodisdien Stromausbeute.
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r6. Elektrolytische Gewinnung von Kupfer 157
In Tafel 38 ist die Zusammensetzung des Elektrolyten bei versdliedenen
Werken angegeben. Wie aus ihr ersichtlich, schwankt der Kupfergehalt un
Elektrolyten, der in die Bader eingefiihrt wird, bei alien Werken iim Durdt-
sdmitt zwischen 26 and 30,5 g11. Viel breiter sind die Grenzen des Kupfer-
gehalts im verbrauditen Elektrolyten, and zwar von 10,7 bis 24,2 kg/1. Im
Durdtschnitt wird jedoch bei einer normalen Arbeit das Entkupfern bis zu
einern Gehalt von 10 bis 16 gll gefiihrt, abgesehen vom Werk Andes, das mit
einem sehr eisenarmen Elektrolyten (Reinigung der Losung) arbeitet and wel-
shes den Kupfergehalt im verbrauchten Elektrolyten bis auf 10 g/l herunter-
druckt.
Der hohe Kupfergehalt im verbrauchten Elektrolyten bei den Werken In-
spiration and New-Cornelia wird durdi einen hohen Gehalt an Eisenoxyden
im verbrauditen Elektrolyten erklart. Das Verhaltnis des Kupfergehalts zum
dreiwertigen Eisen im verbrauchten Elektrolyten betrigt bei diesen Werken
nur 2,5 bis 5,6, wahrend bei den Werken Andes and Tschukwikamata, Panda,
dieses Verhiltnis 8,2 bis 9,9 ist. Der hohe Gehalt an dreiwertigem Eisen im
verbraudnen Elektrolyten des Werkes Inspiration wird aus besonderen Griin-
den erhalten, tun eine vollstandige Gewinnung des Kupfers aus den im auszu-
laugenden Erz enthaltenen sekundiren Kupfersulfiden, die in der angesauer-
ten Losung des Ferrisulfats loslidi sind, zu gewahrleisten. Eine gewisse Ver-
ringerung der Stromausnutzung wird durdi eine zusatzliche Gewinnung des
Sulfidkupfers aus dem Erz kompensiert. Die Stromausbeute, die bei einem
niedrigen Gehalt an dreiwertigem Eisen 85 bis 910/o erreicht and bei einem
hohen Gehalt auf 62 bis 680/0 abfailt, steht in einer eindeutigen Verbindung
mit dem Gehalt an Eisenoxyden.
7'a f el 38
Zusammensetzung des Elektrolyten
bei den Werken fur hydrometallurgische Gewinnung von Kupfer
o ?2 '
wird der Elektrolyse
zugefiihrt, g/1
kommt aus der
Elektrolyse, /1
Werk
+B 0
Cu
HZSO'
d
Cu
HQSO4
ierttes)
diertes)
w
Andes Kopper
Co . . . . .
86-91
29,2
47,8
keine
10,71
75,95
1,08
9,9
Inspiration . . .
62-68
26,4
33,8
4,0
21,6
41,1
8,6
2,5
Tschukwikamata.
85-90
21,26
nicht
angegeb.
nicht
angegeb.
15,6
60,0
1,90
8,2
Panda . . . . .
79,83
30,51
5,50
0,2
16,26
34,35
1,66
9,8
New-Cornelia . .
80
27,0
21,6
1,1
24,2
23,3
4,3
5,6
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V. Elektrolytiscbe Erzaufarbeitung
Beispiel 66: Beredinung der wichtigsten technologiscben Kennwerte
Es sind die widitigsten Kennwerte der Elektrolytenabteilung eines hydro-
metallurgisdien Werkes mit einer Leistung von 30000 t Kupfer im Jahr,
welches ein oxydiertes Kupfererz verarbeitet, zu bereduien.
Berechnung: Die taglidie Leistung der Abteilung betragt:
m = 30000 = 83,33 t.
Ein Strom mit einer Didite DK wird im Laufe von 23,5 Stunden auf 1 m2
1,186 ,7iDK? 23,5 t Kupfer in 24 Stunden niedergesdilagen. Daraus finden wir
die gesamte Kathodenflache zu:
P_ m ?1000.1000
1,186. 1$ DK ? 23,6
Die kathodische Stromausbeute nehmen wir fur die Beredinung mit 856/6 an.
Die Stromdichte sdiwankt bei den im Betrieb befindlidien Werken zwischen
115 and 165 A/m2 and ist bedeutend niedriger als bei der Elektroraffinierung
des Kupfers. In unserer Beredtnung nehmen wir DK = 140 A/m2 an. Dann
erhalt man:
F' _ rya 106 _ 83,33.106 _ 83,33.106 = 25010m2.
1,186 r/i DK 23,5 1,186.0,85.140.23,5 3315
Gesamtzahl der Bader
Die Stromstarke in jedem Bad erreidn bei den in Betrieb befindlidien V&-
ken sogar 36000 A. Die hohe Stromstarke erfordert jedodi den Bau von sehr
langen Badern. Deswegen beschranken wir uns auf eine Stromstarke von
7500 A, um die Bader nadi dem System von Siemens-Halske anschlieiien zu
konnen (die Elektroden parallel zum Strom des Elektrolyten, die Bader in
einer Kaskade Tangs der langen Wand).
Die Oberfladie der Kathoden in jedem Bad betragt:
fB = DK = 1540 = 53,6 m$.
Nadi Division von F dutch /B erhalten wir die Gesamtzahl der Bader:
N TB 253 6 = 468 Bader.
Zur bequemeren Planung nehmen wir 480 Bider an, deren Fladie betragt:
A = 480 25010 = 52,3 m2 in einem Bad undDK - 62 ,3 7500 =143 Am, Q.
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Anzabi der Elektroden im Bad
Wenn man die Abmessungen des im Elektrolyten getauchten Tells der
Kathode mit 1 X 1,2 m2 annimmt, erhalten wir die Anzahl der Kathoden
in jedem Bad:
nK = fs = 52,3 = 21,8 go 22 Kathoden,
fK 2.1,0.1,2
folglich betragt die Anzahl der Anoden 23, die aus einem antimonhaltigen
Blei angefertigt werden (es wind angenommen, daf3 in der Losung keine Nitrate
vorhanden sind).
Kathodenperiode
An der Kathode werden in 24 Stunden niedergesdtlagen:
q m 83,3333 = 83333 _ 7,89 kg Kupfer.
NnK 480.22 10560
Das Gewicht der Kathode sd5wankt zwisdien 40 bis 45 bis zu 68 kg. Folglich
betragt die Kathodenperiode fiinf bis adit Tage in Abhangigkeit von der
Qualitat des Anodenriidtstands.
Volumen des Bades
Fiir die beispielsweise Bestimmung des Badvolumens miissen wir die Entfer-
nung zwischen den Mitten der Elektroden festlegen; these Entfernung betragt
bei der iiberwiegenden Mehrzahl der Werke 90 mm bei einer Starke der Anode
von 13 mm. In diesem Fall betragt die Entfernung zwisdien der Kathode and
der Anode zu Beginn der Elektrolyse 38 mm.
Die Lange des Bades ist L = (nA - !) ? 90 + 2.200 = 1980 + 400
= 2380 mm.
Die Tiefe des Bades 1st H = 1200 + 200 = 1400 mm.
Die Breite des Bades ist B = 1000 + 2.75 = 1150 mm.
Das Volumen des Bades, welshes mit dem Elektrolyten gefiillt ist, betragt
dann: V = 2,38 1,4.1,15 = 3,83 m3.
Zusammensetzung der Elektrolyten
Wir nehmen an, dalI der Kupfergehalt in der der Elektrolyse zugefiihrten
Losung 27 g/l and der Schwefelsauregehalt 40 g/l betragen. Der verbrauchte
Elektrolyt hat die Zusammensetzung: 16 g/l Cu and 40 g/l H2SO4:
40 + X27 63857 98,05 = 40 + 17 = 57 g/l.
Unterteilung der Bader
Die 480 Bader unterteilen wir in drei Serien zu je 160 Badern. Jede Serie
wird wiederum in 16 Sektionen zu 10 Badern in der Sektion unterteilt. Eine
Sektion besteht aus zwei Kaskaden zu 5 Badern in der Kaskade.
Die Verteilung der Bader in der Serie ist in Bild 16 dargestellt.
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T.I i/unf
ar~aa~a~r~sBddern
adeorsrsd~dar,
l
-E 161riiwg
V. Elektrolytische Erzaufarbeitung
Z. AWAlle
P:~~
b
Bild i6. Schema der Verteilung der Bader in einer Serie
Bestimmung des Volumens des in den Badern zirkulierenden Elektrolyten
Die Menge des Elektrolyten wird nadi folgender Formel beredinet:
v_Iq+7~N
pi-Pa
wo V die Menge des Elektrolyten in 1/h;
I die Stromstirke in jedem Bad in A;
q das elektrochemische Aquivalent des Metalls auf 1 Alh;
ri; die kathodische Stromausbeute in Teilen der Einheit;
N die Anzahl dyer Bader;
pi der Gehalt an Metall isn in das Bad eingefiihrten Elektrolyten in g/1;
P2 der Gehalt an Meta11 im aus dem Bad abgefuhrten Elektrolyten in g/1
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rz:.ItElw:
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16. Elektrolytische Gewinnung von Kupfer
Fur unsex Beispiel betragt darn das Volumen des Elektrolyten in einer Serie
(160 Bader):
V= 7500 = 1,21 ?101 = 1,1 ?1051/h = 110 m3/h.
27 - 16 11
Wie aus Bild 16 ersiditlidi ist, wird der Strom des Elektrolyten in 12 parallele
Strome zerteilt (6 Sektionen zu 2 Kaskaden). Die Menge des in tine jedc
Kaskade zugefiihrten Elektrolyten betragt demnadi:
V 110
= 12 = 9,17 m3/h = 0,1526 m3/min =152,61/min.
V1= 2
So grog ist die Menge des Elektrolyten, der in das erste Bad einer jeden
Kaskade der ersten and der zweiten Abteilung zugefiihrt wird. In der dritten
Abteilung sind nur 8 Kaskaden. Das Volumen des Elektrolyten, der in das
erste Bad der Kaskade der dritten Abteilung zugefiihrt ward, betragt dann:
V3 = 8 = 18 = 13,75 m3/h = 0,229 m3/min = 22911min.
Dauer der Zirkulation
Die Zeit, die fur den Durdiflug der Losung durch die erste Abteilung be-
n6tigt wird, kann aus folgendem Verhaltnis beredinet werden:
V?5
ti - 0,1526
wo V- 5 das Volumen der Bader in einer Kaskade ist.
Bereits weiter oben haben wir gefunden, dag das Volumen eines Bades
3,83 m3 betragt. Das Volumen der Anoden ist:
23. 1,0. 1,2 = 0,36 m3 and das Volumen der Kathoden (zu Beginn der
Elektrolyse) 22. 1,2 = 0,021 m3. Das freie Volumen des Bades ist
dann: V = 3,83 - 0,38 = 3,45 ms. Die Zeit des Durchflusses des Elektro-
lyten durch die erste Abteilung belaut sich auf:
t _ 3,46.5 011526 = -
113 min = 1 Std. 53 min.
Die Zeit des Durchf1iegens durch die zweite Abteilung belauft sick ebenfalls
auf 1 Std. 53 Min. and durdi die dritte Abteilung:
113.4 =75 min.
6
Insgesamt betragt die Dauer der Zirkulation: I Std. 53 Min. '+ 1 Std. 53 Min.
+ 1 Std. 15 Min. = 5 Std. 1 Min.
Die Arbeitsspannung im Bad
Der dem Bad zugefiihrte Elektrolyt enthalt 27 gll Cu and 40 g/1 H2SO4;
der verbrauchte Elektrolyt enthalt 16 gll Cu and 57 gll H2SO4. Die Tempera-
tur desselben ist 350 C. Wir beredmen jetzt den spezifischen Widerstand des
xx Agejenkow, Elektrometallurgie
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V. Elektrolytische Erzau f arbeitung
mittleren Elektrolyten and vernachlassigen dabei die in ihm enthaltenen Bei-
mengungen in der Annahme, dai3 der Kupfergehalt 21,5 g/l and der Schwefel-
sauregehalt 48,5 gll betragen. Die spezifisdie Leitfahigkeit einer solchen Losung
betragt nach den Angaben von Richardson, Taylor, Karn and Chank [12]
0,2 Siemens/cros and der Widerstand e = 5 Qlcros.
Dann ist der Widerstand des Elektrolyten zwisdlen den Elektroden:
1 3,9
R_e
5. 100 -8 120 121000 =0,0016 D.
Der Widerstand des Bades bei 22 parallel geschalteten Kathoden betragt:
R = 0,0016 _ 0,0016 = 0,0000365 D,
2.22 - 44
and der Spannungsabfall bei einer Stromstarke in einem jeden Bad von
7500 A ist
EA = 0,0000365.7500 = 0,275 V.
Zersetzungsspannung
Im Bad verlauft folgende Reaktion:
CuSO4 + H2O = Cu + H2SO4 +1/102-
Der Warmeeffekt dieser Reaktion ist: 194,650 + 68,380-208,000 = 55,030 cal,
Nach der Regel von Thompson erhalten wir:
Q 55,030 By 2Fk - 2. 96500.0,239 = 1,19 V.
Unter Benutzung der Tafel der freien Energien oiler der Spannungsreihe
findet man die freie Energie der oben ausgeschriebenen Reaktion:
Cu+++ S04--- H 20 = Cu + 2 H+ + S04 --J-1/2 02;
A = A (Cu++) + A (H20) -15910 + 56560 = 40550 cal.
_ A _ 40550 E nEk 2. 23060 = 0,884 V.
Diese beiden Ergebnisse sind nicht genau, da sie sich auf einen Elektrolyten
mit einer Aktivitat der Kupferionen von der Gr6ge I beziehen. Fur die prak-
tische Losung wird die Zersetzungsspannung einen anderen Wert haben.
Das Potential der Kathode.ist:
316-
ex = eo,cu - 2F ? In acu + 7cu = 0,344 - 8' 9
6 50008 2,303 lg acu
0,0611
0,344 - 2 Ig CcuYcu = - 0,344 - 0,0305 Ig 0,338.0,078
0,344 - 0,0305 lg 0,0262 = - 0,344 0,0305 (- 1,582)
= - 0,344 +0,048 - - 0, 296 V.
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16. Elektrolytische Gewinnung von Kupfer 163
Das Potential der Anode ist:
eA=eoo,-} T InaoH-r15,_-0,398+0,06111gaoH-0,5
0,898 + 0,0611 Ig aoR
CH+_0,5.2= 1,0gmol/1.
(OH-) _ (H+) = 2,9 io-16 = 2,9.10-14 gmol/1.
Der Koeffizient der Aktivitat des OH--Ions ist mit 0,75 anzusetzen. Dann
erhalten wir:
eA -- 0,898 + 0,0611 lg 0,75. 2,910-14 =- 0,898 + 0,0611 Ig
2,175.10-14 = - 0,898 + 0,0611 (- 13,68) _ - 0,898 - 0,836
1,734 V.
Folglidi betragt die elektromotorische Kraft der Reaktion:
E = eA - ex = - 1,734- (- 0,296) =-1,734 + 0,296 =-1,438 V,
and die Zersetzungsspannung:
VB =-E =- (-1,438) =1,438 V.
Ohne Beriicksithtigung der Cberspannung des Sauerstoffs an der Anode hat-
ten wir fur E den Wert von 0,938 erhalten, d. h. einen kleineren Wert als
each der Thompson-Regel, jedoch einen groferen als nach der Formel von
Gibbs-Helmholtz.
Der Spannungsabfall in den Kontakten betragt:
Ex = 0,05 V.
Der Spannungsabfall in der Bleianode:
EA = 0,010 V.
Der Widerstand der Bordschienen (2 Sduenen in einer Kaskade aus 5 Badern).
Die Lange der Schiene betragt 22 m. Die Stromstarke in der Schiene ist
7500 A, die Temperatur der Schiene 309 C. Der Quersdmitt der Schiene ist
dann:
75
F= -6
,s7 = 9400mm2
R = e = 0,0175 9400 = 4,6.10--6.Q,
und bei t = 300 C:
Rt = R15 (1 + 0,004.15) = 4,6.10-6 (1,06) = 4,9.10---s D.
Dann wird der Widerstand der beiden Schienen in der Kaskade ungefahr
10-5 Ohm betragen.
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Der Spannungsabfall in den Sduenen.
E = lR =10--a ? 7500 = 0,075 V.
Diese Spannung bezieht sick auf 5 Bader der Kaskade; dann entfallt auf ein
jedes Bad:
0,075 _ 0,015 V.
5
Der Widerstand des an der Anode niedergeschlagenen Sdilamms and die Kon-
zentrationspolarisation betragen ungefahr 0,15 V. Die Spannung im Bad be-
tragt dann:
EB = 0,275 + 1,438 + 0,05 + 0,01 + 0,015 + 0,15 = 1,94V.
Diese Spannung liegt sehr nahe bei der im Bad vom Werk Andes Kopper Co.
(1,89 V). Dieser Zahlenwert ist etwas niedriger als bei den anderen Werken
(2,1 his 2,2 V) and erklart side durdi eine Behr kleine Entfernung zwischen den
Elektroden, sowie auch dadurch, dal3 wir bei der Beredznung die Beimischun-
gen im Elektrolyten, die den Widerstand and due Zersetzungsspannung erh6hen,
nicht berucksidztigt haben.
Die Spannung fur alle 480 Bader betragt somit:
E = 480. 1,94 = 932 V,
and unter Berucksidttigung des Spannungsabfalls in den Stromzufuhrungs-
schienen ist die Gesamtspannung:
E= 932. 1,02 = 952 V.
Der Energieverbraudi an Gleichstroan belauft sick auf:
W _ 952 = 2065 kWh .auf 1t Kathodenniedersdilag. Der Energie-
1000. 83,33
verbrauch fur die elektrodiemisdien Prozesse, bezogen auf I t Kathodenkupfer,
ist darn
W 1,438 - 480-7500 - 24.0,85 _ 1268 kWh.
1 1000. 83,33
Der Energieverb.raudi fur die Zersetzung des schwefelsauren Kupfers, be-
zogen auf 1-t Kathodenkupfer, betragt somit:
W2 - 0,85 - 0,938 - 480 - 7500 - 24 _ 827kWh.
1000.83,33
Die Energieausbeute betragt dann:
B = VE ? 100 = toss 100 = 40,0 0/ .
Der Wirkungsgrad der Elektrolytenanlage belauft sick auf:
K= 1 ? 100 = 2065 100 = 61,4 0/0.
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Anlage 1
Tafel der Atomgewidtte der Elemente
Lfd.
Nr.
Chemische
Zeichen
Ordnungs-
zahlen
1.
Stidcstoff . . . . . .
N
14,008
2.
Actinium . . . . .
Ac
227,0
3.
Aluminium . . . . . . .
Al
26,97
4.
Argon . . . . . . . .
A
39,944
5.
Barium . . . . . .
Ba
137,36
6.
Beryllium . . . . . . .
Be
9,02
7.
Bor. . . . . . . . . .
B
10,82
8.
Brom . . . . . .
Br
79,916
9.
Vanadium . . . . .
V
50,95
10.
Wismut . . . . .
Bi
209,00
11.
Wasserstoff . . . . .
H
1,0078
12.
Wolfram . . . . . .
W
183,92
13.
Gadolinium . . . . .
Gd
156,9
14.
Gallium . . . . . .
Ga
69,72
15.
Hafnium . . . . . .
Hf
178,6
16.
Helium . . . . . .
He
4,003
17.
Germanium . . . . .
Ge
72,60
18.
Holmium . . . . . . . .
Ho
163,5
19.
Dysprosium . . . . . .
Dy
162,46
20.
Europium . . . . .
Eu
152,0
21.
Eisen . . . . . . .
Fe
55,85
22.
Gold . . . . . . . . .
Au
197,2
23.
Indium . . . . . .
In
114,76
24.
Jod . . . . . . .
I
126,92
25.
Iridium . . . . . .
r
193,1'
26.
Ytterbium . . . . .
Yb
173,04
27.
Yttrium . . . . . .
Y
88,92
28.
Kadmium . . . . .
Cd
112,41
29.
Kalium
K
39,096
30.
Kalzium . . . . .
Ca
40,08
31.
Sauerstoff . . . . . .
0
16,0000
32.
Kobalt . . . . . . . .
Co
59,94
33.
Silizium . . . . . .
Si
28,06
34.
Krypton . . . . . .
Kr
83,7
35.
Xenon . . . . . .
Xe
131,3
36.
Lanthan . . . . . .
La
138,92
37.
Lithium . . . . . . . .
Li
6,940
38.
Lutetium . . . . . . . .
Lu
174,99
39.
Magnesium . . . . .
Mg
24,32
40.
Masurium . . . . .
Ma
98,0
41.
Mangan . . . . . .
Mn
54,93
42.
pfer . . . . . .
Cu
63,57
43.
lybdan . . . . . . .
V
Mo
95,95
44.
Arsen . . . . . . . . .
As
74,91
45.
Natrium . . . . . . . .
Na
22,997
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Lfd.
Nr.
Chemische
Zeichen
Ordnungs-
zahlen
Atom-
gewicht
46.
Neodym . . . . . . . .
Nd
60
144,27
47.
Neon . . . . . . . .
Ne
10
20,183
48.
Nickel . . . . . . . .
Ni
28
58,69
49.
Niobium . . . . . . . .
Nb
41
92,91
50.
Zinn . . . . . . . . .
Sn
50
118,70
51.
Osmium . . . . . . .
Os
76
190,2
52.
Paladium . . . . . . .
Pd
46
106,7
53.
Platin . . . . . . . . .
Pt
78
1.95,23
54.
Polonium . . . . . . .
Po
84
210,0
55.
. . . . . .
Praseodym .
Pr
59
140,92
56.
,
Protactinium . . . . . .
Pa
91
231,0
57.
Radium . . . . . . . .
Ra
88
226,05
58.
Radon . . . . . . . .
Rn
86
222,0
59.
Rhenium . . . . . . . .
Re
75
186,31
60.
Rhodium . . . . . . .
Rh
45
102,91
61.
Quedcsilber . . . . . . .
Hg
80
200,61
62.
Rubidium . . . . .
Rb
37
85,48
63.
Ruthenium . . . . . .
Ru
44
101,7
64.
Samarium . . . . . . .
Sm
62
150,43
65.
Blei . . . . . . . . .
Pb
82
207,21
66.
Selen . . . . . . . . .
Se
34
78,96
67.
Schwefel . . . . . . . .
S
16
32,C6
68.
Silber . . . . . . . .
Ag
47
107,880
69.
Scandium . . . . . . .
Sc
21
45,10
70.
Strontium . . . . . . .
Sr
38
87,63
71.
Antimon . . . . . . . .
Sb
51
121,76
72.
Thallium . . . . . . .
Ti
81
204,39
73.
Tantal . . . . . . . .
Ta
73
180,88
74.
Tellur . . . . . . . . .
Te
52
127,61
75.
Terbium . . . . . . . .
Tb
65
169,2
76.
Titan . . . . . . . . .
Ti
22
47,90
77.
Thorium . . . . . . . .
Th
90
232,12
78.
Thulium . . . . . .
Tm
69
169,4
79.
Kohlenstoff . . . . . . .
C
6
12,01
80.
Uran . . . . . . . .
U
92
238,07
81.
Phosphor . . . . . . .
P
15
30,98
82.
Fluor . . . . . . . . .
F
9
19,00
83.
Chlor . . . . . . . . .
C1
17
35,457
84.
Chrom . . . . . . . .
Cr
24
52,01
85.
Caesium . . . . . . . .
Cs
55
132,91
86.
Cerium . . . . . . . .
Ce
58
140,13
87.
Zink . . . . . . .
Zn
30
65,38
88.
Zirkonium . . . . . . .
Zr
40
91,22
89.
Erbium . . . . . . . .
Er
68
167,2
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Anlage 11
Tafel der Energieaquivalente
1 Erg.......
1 Joul ......
1 Kg-Meter..
1 kWh......
1 PS-h ......
1 kl. Kalorie.
150
1 Liter-Atm..
1 Gramm....
Gaskonstante.
1
0,0002.107
9,8059.107
3,6007.1013
2,647.1013
4,1841.107
1,0132.109
8,996.1020
1 0,10200
9,8039 1
3,6000.106 3,6710.105
2,647.106 2,299.105
4,1833
1,0130.102
8,994.1013
0,42670
10,337
9,174.1012
kWh
Y
2,7772.10-14
2,7778.10-7
2,7241.10-6
1,1620.10-6
2,8151.10-5
2,498.107
3,7770.10-14
3,7777.10-7
3,7039-10-6
1,3600
1,5805.10=6
3,8294.10-5
3,398.107
2,3900.10-8
0,23904
2,3435
8,6058.105
6,327.105
9,869.10-10
9,871.10-3
9,6741.10-2
3,5524.104
2,611.104
4,1279.1012
1,1116.10-21
1,1118.10-14
1,0901.10-13
4,0026.10-8
2,943.10-8
4,6511.10-14
1,1206.10-12
1
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3. G. Grube, Grundlagen der theoretischen and praktischen Elektrodtemie, ONTI,
1932
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Losungen, Metallurgisdat, 1939
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r6. Metallurgic des Bleies, Sammlung von Aufsatzen der amerikanischen Gesellsdlaft
der Berg- and Hutteningenieure, Ubersetzungen unter der Redaktion von L. M.
Gasarjan and 1. N. Moskwitin, Metallurgisdat, 1941
17. Metallurgic des Zinks, Sammlung von Aufsatzen der amerikanisdien Gesellschaft
der Berg- and Hutteningenieure. Ubersetzungen unter der Redaktion von L. M.
Gasarjan and I. N. Moskwitin, Metallurgisdat, 1944
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