Elektrolysezelle

Gewählte Elektrodenprodukte aus Strom, Laufzeit, Stromausbeuten und Gasbedingungen berechnen.

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Gewählte Elektrodenprodukte berechnen

Reaktionsroute, konstanten Strom I und Laufzeit wählen. Unter Ausbeuten und Gasbedingungen stehen der Ladungsanteil für jedes gewählte Produkt sowie Temperatur T und Druck p des trockenen Gases. Berechnen zeigt die Endladung und die Produktmengen zum gewählten Zeitanteil. Anteil 0 ist der Beginn, Anteil 1 die eingegebene Laufzeit. Regler und genaues Zahlenfeld ändern die Zeitprobe; jede Änderung eines Modellparameters entfernt das alte Ergebnis. Eine Beispielwahl setzt die Probe auf 1.

Faradaysches Gesetz

Für die verstrichene Zeit t gelten Q = It und n_e = Q/F. Je Elektrode sind die gewählte Ladung ηQ und die Produktmenge n = ηQ/(zF); η wird in Prozent eingegeben. Je H₂, Cl₂ oder Cu werden z = 2 Elektronen übertragen, je O₂ sind es z = 4. Verwendet werden F = 96485,33212331 C/mol und R = 8,31446261815324 kPa·L/(mol·K). Diese Konstanten folgen aus den SI-definierten Werten von Elementarladung, Avogadro- und Boltzmann-Konstante.

Beide Elektroden führen denselben Strom. Ihre Ladungsanteile sind keine getrennten Ladungsmengen, die addiert werden. Je Elektrode bleibt (1 − η)Q dem gewählten Produkt nicht zugeordnet; daraus wird kein bestimmtes Nebenprodukt berechnet. η ist eine vorgegebene Stromausbeute des Produkts, keine Vorhersage der Selektivität oder der Energieeffizienz.

Gewählte Halbreaktionen

Angesäuertes Wasser: Kathode 2H⁺ + 2e⁻ → H₂; Anode 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻. Gewählte Chloridroute: Kathode 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻; Anode 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻. Kupferabscheidung: Kathode Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu; an der inert angenommenen Anode gilt die Wasseroxidation mit O₂ als Produkt. Eine lösliche Kupferanode wird nicht modelliert.

Die Chloridauswahl legt eine Reaktionsroute fest. Sie sagt kein reines Chlor aus einer beliebigen wässrigen Chloridlösung voraus: Chlorid- und Wasseroxidation können konkurrieren. Elektrodenmaterial, Zusammensetzung und Betriebsbedingungen beeinflussen die tatsächlichen Produkte und liegen außerhalb dieser Rechnung.

Gasvolumen, Kupfermasse und Beispiel

Für trockenes ideales Gas gilt V = nRT/p in Litern. Die Kupfermasse ist m = nM_Cu in Gramm, mit M_Cu ≈ 63,546 g/mol als üblicher Näherung unter natürlicher Isotopenvariabilität. Für Kupfer erscheint kein Gasvolumen. Die Grafik vergleicht beide Produkte in mmol auf einer gemeinsamen Mengenachse. Bei konstanten Raten sind die Kurven Geraden.

Das Beispiel Ein Faraday setzt I = 2 A und die Laufzeit F/2 s. Daraus folgen Q = F und n_e = 1 mol. Bei 100 % Ausbeute ergeben die gewählten Wasserreaktionen 0,5 mol H₂ und 0,25 mol O₂. Wird nur die Kathodenausbeute halbiert, halbiert sich deren Produktmenge, während die Anodenmenge unverändert bleibt. Ohne Strom oder bei Laufzeit null sind Ladung und Produktmengen null.

Geltungsbereich

Zulässig sind I = 0…100 A, Laufzeit 0…86400 s, beide Ausbeuten 0…100 %, Gastemperatur 273,15…373,15 K und Druck 50…200 kPa. Das sind Produkt- und Darstellungsgrenzen. T und p beschreiben das aufgefangene trockene Gas, keine berechnete Elektrolyttemperatur oder Apparategeometrie. Gaslösung, Wasserdampf, Aktivitäten, endliche Stoffvorräte, Reaktionskinetik sowie eine Spannungs- oder Stromvorhersage bleiben unberücksichtigt.

Quellen