Elektrolyse: Zerlegung durch elektrischen Strom
Du verstehst die Elektrolyse als erzwungene Redoxreaktion, formulierst die Vorgänge an den Elektroden und kennst technische Anwendungen.
Worum es geht
Bei der Elektrolyse wird eine Redoxreaktion, die nicht freiwillig abläuft, durch eine äußere Gleichspannung erzwungen. Elektrische Energie wird dabei in chemische Energie umgewandelt. Die Elektrolyse ist also die Umkehrung der Vorgänge in einer galvanischen Zelle.
Aufbau
Zwei Elektroden tauchen in eine Schmelze oder Lösung mit beweglichen Ionen (den Elektrolyten) und werden an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen:
- Kathode am Minuspol: Hier nehmen Kationen Elektronen auf (Reduktion).
- Anode am Pluspol: Hier geben Anionen Elektronen ab (Oxidation).
Merke: Auch bei der Elektrolyse gilt Anode = Oxidation, Kathode = Reduktion. Nur die Pole sind gegenüber der galvanischen Zelle vertauscht.
Beispiel: Elektrolyse einer Zinkiodid-Lösung
- Kathode (−): Zn²⁺ + 2 e⁻ → Zn (Zink scheidet sich als grauer Überzug ab)
- Anode (+): 2 I⁻ → I₂ + 2 e⁻ (die Lösung färbt sich braun durch Iod)
Elektrolyse von Wasser
Wasser lässt sich (mit etwas Säure oder Salz zur besseren Leitfähigkeit) zerlegen:
2 H₂O → 2 H₂ + O₂
An der Kathode entsteht Wasserstoff, an der Anode Sauerstoff, im Volumenverhältnis 2 : 1. Wasserstoff aus Elektrolyse mit Strom aus erneuerbaren Energien („grüner Wasserstoff“) gilt als wichtiger Baustein der Energiewende.
Zersetzungsspannung
Eine Elektrolyse beginnt erst ab einer bestimmten Zersetzungsspannung. Sie ist mindestens so groß wie die Spannung der galvanischen Zelle, die sich aus den Produkten bilden würde. In der Praxis ist sie wegen der Überspannung oft größer.
Technische Anwendungen
- Gewinnung unedler Metalle: Aluminium wird durch Schmelzflusselektrolyse von Aluminiumoxid gewonnen, das braucht sehr viel elektrische Energie.
- Chloralkali-Elektrolyse: Aus Natriumchloridlösung entstehen Chlor, Wasserstoff und Natronlauge.
- Galvanisieren: Gegenstände werden mit einer dünnen Metallschicht überzogen (verchromen, vergolden, verzinken).
- Kupferraffination: Reinigung von Kupfer für elektrische Leitungen.
- Laden eines Akkus ist ebenfalls eine Elektrolyse.
Merksatz
Elektrolyse ist eine durch Gleichspannung erzwungene Redoxreaktion. Kathode (−): Reduktion der Kationen, Anode (+): Oxidation der Anionen. Wasser zerfällt in Wasserstoff und Sauerstoff im Volumenverhältnis 2 : 1.
Vorgemacht: Beispiele
Beispiel 1
- Kationen Cu²⁺ wandern zur Kathode (−): Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cu
- Anionen Cl⁻ wandern zur Anode (+): 2 Cl⁻ → Cl₂ + 2 e⁻
Ergebnis Kathode: Kupferabscheidung, Anode: Chlorgas. Gesamt: CuCl₂ → Cu + Cl₂
Beispiel 2
- Volumenverhältnis H₂ : O₂ = 2 : 1
Ergebnis 15 mL Sauerstoff
Selbst üben
An welchem Pol entsteht bei der Wasserelektrolyse Sauerstoff?
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An der Anode, also am Pluspol.
Warum ist die Aluminiumherstellung so energieaufwendig?
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Aluminium ist sehr unedel. Seine Ionen lassen sich nur mit viel elektrischer Energie reduzieren, zudem muss das Oxid geschmolzen werden.
Was ist der Unterschied zwischen galvanischer Zelle und Elektrolyse?
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In der galvanischen Zelle läuft eine Redoxreaktion freiwillig ab und liefert Strom, bei der Elektrolyse wird sie durch Strom erzwungen.
Hier passieren die meisten Fehler
Bei der Elektrolyse wird die Kathode als Ort der Oxidation bezeichnet, weil sie am Minuspol liegt.
Die Kathode ist immer der Ort der Reduktion. Am Minuspol werden Elektronen an die Kationen abgegeben.
Wasserstoff und Sauerstoff sollen im gleichen Volumen entstehen.
Nach 2 H₂O → 2 H₂ + O₂ entsteht doppelt so viel Wasserstoff.
Hinweis zur Klassenstufe
Die Einordnung in Klasse 12 folgt verbreiteten Lehrplänen. Maßgeblich ist, was deine Lehrkraft für die Arbeit angekündigt hat.