Gold aus Meerwasser? Elektrolyse von Zinkiodid Stand 26.06.2016.

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1 Gold aus Meerwasser? Elektrolyse von Zinkiodid Stand 26.06.2016

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3 Seit der Mitte des neunzehnten Jahrhunderts… …tauchte immer wieder die Frage auf: Ist es möglich, Gold rentabel aus dem Meerwasser zu gewinnen? … Nach der Niederlage des Deutschen Reiches im Ersten Weltkrieg und nach längeren Verhandlungen wurde am 28. Juni 1919 der Versailler Friedensvertrag unterzeichnet. Eine der schwerwiegendsten Bedingungen dieses Vertrages war die Zahlung von … 263 Milliarden Mark 3 http://www.goldseiten.de/wissen/basiswissen/gold_aus_dem_meer.php, 28.06.2016 festgelegt. Es war kaum möglich, eine solche Summe zu zahlen, und sei es in Raten. Die Reichsregierung war guten Willens, zumindest einen Teil dieser Forderung zu erfüllen und suchte nach Möglichkeiten der Geld- und Goldbeschaffung. Hier sah (der Chemiker Fritz) Haber eine Möglichkeit, dem Vaterland einen Dienst zu erweisen… Fritz Haber Nobelpreis für Chemie 1918

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5 Mit dieser Kiste… …kannst du mit Fritz Haber (1868 - 1934) entscheiden, ob man eine Chance hat, mit Gold aus dem Meer wirtschaftliche Probleme von heute zu lösen (modernere Schulen, bessere Lehrer ;) usw.. Haber rechnete erst: wenn die Messungen stimmten, sollten je Kubikmeter Meerwasser bis zu 50mg Gold enthalten sein. Er kam also insgesamt auf fast 10.000.000.000t (10 Milliarden Tonnen). Das ist gewaltig, vor allem wenn man weiß, dass damals (1920) weltweit nur 500t im Jahr gewonnen wurden. Auch heute sind es nur etwas mehr als 2000t im Jahr. Da lohnt es sich doch, nachzudenken… 5

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7 Überlegung Man geht davon aus, dass ein Teil des Goldes als Verbindungen (mit Tellur, Antimon, Selen…) vorliegt. Im Wasser wären also gelöste Gold(III)-Kationen Au 3+ vorhanden. Damit daraus Au (metallisches, elementares Gold) entsteht, müsste man doch nur… 7 Hast du eine Idee?

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10 Du hast sicher daran gedacht… …dass man die positiven Teilchen entladen müsste. Das geht am besten mit… 10

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12 Klar: …drei Elektronen je Teilchen: Au 3+ + 3 e - ---------> Au 0 12

13 Nachgedacht hast du. Nun der Versuch: Mach es wie Fritz Haber: untersuche, ob das mit den Elektronen auch praktisch funktioniert. Weil Gold zum Experimentieren teuer ist, teste ein Verfahren mit dem billigeren Metall Zink. Das Prinzip wird dasselbe sein: Zink(II)-Kationen sollen mit Hilfe von Elektronen in Zink-Metall überführt werden: Zn 2+ + 2 e - ---------> Zn 0 13 Hast du eine Idee, woher man Elektronen nehmen kann?

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16 Sicher ist deine Idee dabei: aus der Steckdose oder aus einer Batterie oder aus einem Akku. 16

17 Schau dir die Materialien in der Kiste an… … du hast zur Verfügung: Ein Gefäß (Becherglas) für das Meerwasser mit Gold- Kationen, ähhh Zink-Kationen. Ein Vorratsgefäß mit der Zink-Lösung Zinkiodid. Eine Batterie 9V mit den Elektronen. Drähte mit Klemmen… 17 Baue die Teile (ohne die Lösung und die Batterie) so zusammen, wie du meinst, dass es funktionieren könnte.

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20 Sieht dein Vorschlag so aus? 20

21 Ja, so müsste es gehen: 1.Die Bleistiftminen leiten die Elektronen aus der Batterie zur Lösung: sie heißen deshalb Elektroden. 2.Schließe die Batterie als Elektronenquelle mit Hilfe der Krokodilklemmen an die Elektroden an. 3.Fülle die Zinkiodid-Lösung in das Becherglas und tauche die Elektroden in die Lösung ein (das Styropor dient als Halterung). 4.Beachte dabei Plus-Pol (rot) und Minus-Pol (schwarz). 21

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23 Jetzt sieht dein Aufbau so aus: 23 Sobald die Klemmen an den Polen sitzen, läuft der Versuch. Beobachte 2-3 Minuten. Batterie + -

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26 Du erkennst: 26 Notiere deine Beobachtung mit Hilfe von Fachbegriffen in deinem Labortagebuch. Batterie + -

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28 Beobachtung: Am Minus-Pol bildet sich ein hellgrauer Überzug. Vom Plus-Pol aus fließen braune Schlieren nach unten. 28 Batterie + -

29 Deutung: Um die beobachteten Änderungen deuten zu können, musst du dich auf die Teilchen-Ebene begeben, dann wird es sofort klar. 29 Batterie + -

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31 Teilchen-Ebene Du hast zur Verfügung: gelbeGroße gelbe Scheiben mit sieben blauen Kreisen. Sie stellen jeweils ein Iod-Atom mit seinen Valenzelektronen dar. Das blaue Scheibchen stellt ein zusätzliches, bewegliches Elektron dar, was das Jod-Atom zu einem Iodid-Anion macht. Kleinere graue Scheiben mit zwei roten Ausschnitten. Sie stellen Zink-Kationen mit ihren beiden Ladungen dar. Ein Gläschen mit blauen Scheibchen: ein Vorrat an Modell-Elektronen. Im Deckel-Fach eine Unterlage mit einer Versuchsskizze. Zwei Markierungsplättchen mit der Ladungs- bezeichnung + bzw. - und zwei Reaktionspfeile. 31

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33 Vorbereitung 1.Verwende die Unterlage aus dem Deckel-Fach der Kiste. 2.Belege darin die blauen Scheibchen mit Elektronen- Modellen aus dem Vorratsgefäß (Ladung oben). Die Batterie ist somit wie frisch gekauft. 3.Lege nun zwei Iodid-Anionen und ein Zink-Kation auf die linke Seite des Gefäßes (es stört nicht, dass sie nicht ganz hinein passen). 33

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36 Sieht dein Modell nun so aus? Dann kannst du weiter machen. 36 - Batterie ---- + - Elektroden - + + ++ + +

37 Aufgabe 1 von 4 Nun soll Strom fließen. Beachte dabei folgende Regeln: Elektronen können nur über Drähte und Elektroden, oder auf Teilchen als Ionen wandern. Elektronen starten aus dem Minus-Pol der Batterie und müssen zum Plus-Pol gelangen. 37 Versuche nun, die Elektronen nach diesen Regeln vom Minus- zum Plus-Pol fließen zu lassen. Arbeite mit dem Modell.

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40 Sieht dein Ergebnis so aus? Wenn nicht, schau dir die folgenden gestuften Hilfen an. 40 Batterie -- + - Elektroden + +

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42 1. Schritt Zwei Elektronen wandern über Draht und Elektrode zu den positiven Ladungen. 42 Schaffst du es weiter? - Batterie -- + - Elektroden - ++ + +

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44 2. Schritt Zwei (andere) Elektronen wandern auf den Iodid-Anionen zu der positiven Elektrode. 44 Schaffst du es weiter? - Batterie -- + - Elektroden - ++ + +

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46 3. Schritt Die beiden Elektronen der Iodid-Anionen wandern über die Elektrode in den Plus-Pol der Batterie - der Stromkreis ist geschlossen. 46 Batterie -- + - Elektroden + +

47 Genauer betrachtet: 1.Was du jetzt in Schritten gemacht hast, geht in Wirklichkeit gleichzeitig: ein Elektron kann vom Minus-Pol nur starten, wenn gleichzeitig eines am Plus-Pol ankommt. Wie das sein kann? 2.Beachte: es muss keinesfalls dasselbe Elektron sein. 3.Und denke daran, dass in Wirklichkeit sehr viel mehr Zink- und Iodid-Ionen um die Elektroden herum sind als in diesem Modell. 47

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49 Aufgabe 2 von 4 Damit du von diesem praktischen Beispiel ausgehend (fast) alle Metalle herstellen kannst (z.B. auch Gold), solltest du als Gleichung schreiben, was an jeder der beiden Elektroden passiert ist. Dabei hilft dir das Modell wieder. 49 Lege mit dem Modell den Vorgang am Minus-Pol nach.

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52 Sieht deine Modell-Gleichung so aus? Dann kannst du weiter machen. 52 + + + - -

53 Aufgabe 3 von 4 53 Lege mit dem Modell den Vorgang am Plus-Pol nach.

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56 Sieht deine Modell-Gleichung so aus? Dann kannst du weiter machen. 56 - + - - -

57 Aufgabe 4 von 4 57 Schreibe jetzt die beiden Modell-Gleichungen als Symbol-Gleichung. Dabei helfen dir die Modelle wieder.

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60 Sehen deine Symbol-Gleichungen so aus? Dann kannst du weiter machen. 60 + Zn 2+ 2 e-2 e- Zn 0 + I2 I-I2 I- 2 e-2 e- I2I2

61 Zurück zur Stoff-Ebene 1.Die Elektronen aus dem Minus-Pol der Batterie haben aus Zink-Ionen Zink-Atome gemacht. Wir erkennen das Zink als grauen Belag. 61 Batterie + - Elektroden Zink

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63 Zurück zur Stoff-Ebene 2.Die Jodid-Anionen haben ihre zusätzlichen Elektronen verloren und sind zu Iod-Molekülen geworden. Wir erkennen das Jod an seiner braunen Farbe. 63 Batterie + - Elektroden Zink Jod

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65 Nun das Gold: Aufgabe 5 von 5 Übe jetzt das Schreiben von Symbol-Gleichungen. Die Modell-Teilchen passen auch hier. 65 Notiere die Gewinnung von Gold aus Gold(III)- antimonid AuSb in dein Labortagebuch.

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68 Sehen deine Symbol-Gleichungen so aus? Dann kannst du weiter machen. 68 + Au 3+ 3 e-3 e- Au 0 + Sb 3- 3 e-3 e- Sb

69 Zusammenfassung 1.Aus den Lösungen vieler Salzen kann man das Metall des Salzes gewinnen, indem man elektrischen Strom anlegt. Das Metall scheidet sich am Minus-Pol ab. 2.Dabei entsteht am Plus-Pol das Element des Nichtmetalls. 69 Fasse die Schritte der Herstellung von Gold aus Meerwasser selber zusammen und notiere im Labortagebuch.

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72 Deine Zusammenfassung? 1.Aus einer Goldsalz-Lösung (Meerwasser) kann man Gold-Metall gewinnen, indem man elektrischen Strom anlegt. 2.In der Lösung liegt Gold als Gold(III)-Kationen vor. Deshalb wandern diese zum Minus-Pol, werden dort entladen und scheiden sich als Gold-Metall ab. 3.Die entsprechenden Anionen (z.B. Antimon) wandern zum Plus-Pol, werden dort entladen und werden zum Element des Nichtmetalls. 72

73 Leider wirst du so (noch) nicht reich… …denn Fritz Haber hat auch entdeckt, dass die Zahlen von ca. 50mg Gold je Kubikmeter Meerwasser nicht richtig bestimmt wurden. Selber fand er nur etwa 1/1000 der ursprünglich geschätzten Menge. Das wäre insgesamt zwar immer noch viel. Aber was nützt uns Gold, wenn die Gewinnung mehr kostet, als wir bekommen, wenn wir es verkaufen? Fritz Haber kam zum Schluss, dass eine wirtschaftliche Gewinnung nicht möglich sei. Er war sehr enttäuscht, seinem Land nicht helfen zu können. Aber… 73 Fritz Haber Nobelpreis für Chemie 1918

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75 …du kennst die Energie der Schatzsucher… …aus Filmen, z.B. Indiana Jones. Sie geben nie auf. Chemiker SIND solche Schatz-Sucher. Auch sie geben nie auf. Sie boten in letzter Zeit gleich zwei andere Lösungen an: 1.Man kann bestimmte Bakterien nutzen, die Gold aus sehr viel Wasser so anreichern, dass man es viel einfacher gewinnen kann. Oder: 75 2.Man stellt einen bestimmten Kunststoff her. Schnüre aus diesem Kunststoff bleiben 2 Monate im Meer und sind danach mit mehreren Gramm Gold beladen. Das klingt wirtschaftlich. Darum verraten uns die Wissenschaftler noch nicht, wie man den Kunststoff macht, sie wollen das Gold selber haben ;). Schau mal nach unter: http://www.zeit.de/1964/12/gold-aus-dem-meerwasser http://www.welt.de/wissenschaft/article155321832/ So-fischen-Forscher-pures-Gold-aus-Meerwasser.html

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77 Entsorgung 1.Das elementare Zink lässt sich durch Wischen mit einem Papiertuch von der Elektrode entfernen. 2.Die Zinkiodid-Lösung kann zurück in die Flasche. 3.Die Elektroden mit einem Papiertuch trocken wischen. 77

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79 79 Diese Anleitung wurde entworfen von Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth Juli 2016