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Elektrolyse: Aufbau, Reaktionen und Spannung
Bei einer Elektrolyse erzwingt eine Gleichspannungsquelle eine Redoxreaktion, die nicht freiwillig abläuft. Dabei wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt: An der Kathode findet die Reduktion statt, an der Anode die Oxidation.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Wie funktioniert eine Elektrolysezelle?
Eine Elektrolysezelle besteht aus zwei Elektroden, einem leitfähigen Elektrolyten und einer Gleichspannungsquelle.
Elektrolyt
Ein Elektrolyt enthält bewegliche Ionen und kann deshalb elektrischen Strom leiten. Positive Ionen heißen Kationen, negative Ionen Anionen.
Die Spannungsquelle erzeugt an der Kathode einen Elektronenüberschuss und an der Anode einen Elektronenmangel.
- Die Kathode ist mit dem Minuspol verbunden. Kationen wandern zu ihr, nehmen Elektronen auf und werden reduziert.
- Die Anode ist mit dem Pluspol verbunden. Anionen wandern zu ihr und geben Elektronen ab; sie werden oxidiert.
- Im äußeren Stromkreis übernehmen Elektronen den Ladungstransport.
- Im Elektrolyten transportieren bewegliche Ionen die Ladung.
Bei der Elektrolyse gilt: Anode = Pluspol = Oxidation und Kathode = Minuspol = Reduktion. Die Merkhilfe OPA verbindet Oxidation, Pluspol und Anode.
Das Lösen eines Salzes in Ionen ist noch keine Elektrolyse. Diese Dissoziation stellt lediglich bewegliche Ionen bereit. Erst die angelegte Spannung erzwingt die Reaktionen an den Elektroden.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
Bei der Elektrolyse findet die Oxidation an der statt. Sie ist mit dem verbunden. Kationen wandern zur und werden dort .
Wie entstehen aus Ionen neue Stoffe?
Betrachte eine wässrige Zinkbromidlösung mit Graphitelektroden. Sie enthält Zinkionen $\mathrm{Zn^{2+}}$ und Bromidionen $\mathrm{Br^-}$.
An der Kathode nehmen Zinkionen jeweils zwei Elektronen auf:
$$\mathrm{Zn^{2+}+2e^- \rightarrow Zn}$$
Das ist eine Reduktion. Graues, elementares Zink scheidet sich ab.
An der Anode geben zwei Bromidionen zusammen zwei Elektronen ab:
$$\mathrm{2Br^- \rightarrow Br_2+2e^-}$$
Das ist eine Oxidation. Die gelb-bräunliche Färbung zeigt die Bildung von Brom an.
In beiden Teilgleichungen treten zwei Elektronen auf. Sie können beim Addieren gekürzt werden:
$$\mathrm{Zn^{2+}+2Br^- \rightarrow Zn+Br_2}$$
Für den eingesetzten Stoff lässt sich die Gesamtreaktion auch so schreiben:
$$\mathrm{ZnBr_2 \rightarrow Zn+Br_2}$$
Eine Teilgleichung muss sowohl die Atome als auch die Ladungen ausgleichen. Elektronen stehen bei einer Reduktion links und bei einer Oxidation rechts.
Warum beginnt die Reaktion nicht bei jeder Spannung?
Eine dauerhafte Elektrolyse setzt erst ein, wenn die angelegte Spannung die unter den jeweiligen Bedingungen nötige Zersetzungsspannung erreicht.
Zersetzungsspannung
Die Zersetzungsspannung $U_Z$ ist die Mindestspannung, ab der die erzwungene Redoxreaktion abläuft. Aus vorgegebenen Elektrodenpotenzialen lässt sich zunächst ein theoretischer Mindestwert berechnen. Die praktisch benötigte Spannung kann höher sein.
Für die Elektrolyse von Zinkiodid sind folgende Werte vorgegeben:
- Anode: $E=0{,}53\,\mathrm{V}$
- Kathode: $E=-0{,}76\,\mathrm{V}$
Im vorgegebenen Modell wird die notwendige Potenzialdifferenz berechnet:
$$0{,}53\,\mathrm{V}-(-0{,}76\,\mathrm{V})=1{,}29\,\mathrm{V}$$
Das Minus vor einer negativen Zahl führt beim Subtrahieren zu einer Addition. Der theoretische Mindestwert beträgt $1{,}29\,\mathrm{V}$.
In der Praxis kann eine höhere Spannung nötig sein. Die zusätzliche Spannung heißt Überspannung oder Überpotenzial. Sie hängt unter anderem von Elektrodenmaterial, Oberflächenbeschaffenheit, Ionenkonzentration, Temperatur und Stromdichte ab. Bei Gasentwicklungen kann sie besonders groß sein.
Welche Produkte entstehen in wässrigen Lösungen?
In einer wässrigen Lösung können nicht nur die gelösten Ionen reagieren. Auch Wasser kann an den Elektroden umgesetzt werden. Eine zuverlässige Vorhersage benötigt deshalb Angaben zu möglichen Reaktionen, Potenzialen und gegebenenfalls Überspannungen.
Bei wässriger Natriumchloridlösung und Graphitelektroden sind beispielsweise folgende Anodenreaktionen möglich:
$$\mathrm{2Cl^- \rightarrow Cl_2+2e^-}$$
$$\mathrm{2H_2O \rightarrow O_2+4H^++4e^-}$$
Die gegebenen Abscheidungspotenziale betragen $1{,}46\,\mathrm{V}$ für die Chlorbildung und $1{,}76\,\mathrm{V}$ für die Sauerstoffbildung. Unter diesen Bedingungen wird Chlorid bevorzugt oxidiert, weil $1{,}46\,\mathrm{V}<1{,}76\,\mathrm{V}$.
An der Kathode konkurrieren diese Reaktionen:
$$\mathrm{2H_2O+2e^- \rightarrow H_2+2OH^-}$$
$$\mathrm{Na^++e^- \rightarrow Na}$$
Die angegebenen Werte sind $-1{,}43\,\mathrm{V}$ für die Wasserreduktion und $-2{,}71\,\mathrm{V}$ für die Natriumbildung. Unter den gegebenen Bedingungen wird Wasser leichter reduziert. Es entstehen Wasserstoff und Hydroxidionen statt elementarem Natrium.
Nach dem Elektronenausgleich ergibt sich:
$$\mathrm{2Cl^-+2H_2O \rightarrow Cl_2+H_2+2OH^-}$$
Mit den Natriumionen als Zuschauerionen lautet die Gesamtreaktion:
$$\mathrm{2NaCl+2H_2O \rightarrow Cl_2+H_2+2NaOH}$$
Bei wässrigen Elektrolyten reicht die Regel „Kationen zur Kathode, Anionen zur Anode“ nicht zur Produktvorhersage. Wasser kann mit den gelösten Ionen konkurrieren. Entscheide nur mit den für die Bedingungen gegebenen Daten.
Wie unterscheidet sich die Elektrolyse vom galvanischen Vorgang?
Elektrolyse und galvanischer Vorgang sind entgegengesetzte Betriebsweisen einer Redoxreaktion.
| Merkmal | Elektrolyse | Galvanischer Vorgang |
|---|---|---|
| Reaktionsrichtung | durch Spannung erzwungen | freiwillig |
| Energieumwandlung | elektrisch zu chemisch | chemisch zu elektrisch |
| Anode | Pluspol, Oxidation | Minuspol, Oxidation |
| Kathode | Minuspol, Reduktion | Pluspol, Reduktion |
| Akku | Laden | Entladen |
Die Reaktionsnamen bleiben gleich: Oxidation ist immer an der Anode, Reduktion immer an der Kathode. Nur die Polzeichen wechseln zwischen Elektrolyse und galvanischem Betrieb.
Beim Zink-Brom-System läuft während der Elektrolyse die erzwungene Reaktion
$$\mathrm{Zn^{2+}+2Br^- \rightarrow Zn+Br_2}$$
ab. Beim freiwilligen galvanischen Vorgang verläuft sie umgekehrt:
$$\mathrm{Zn+Br_2 \rightarrow Zn^{2+}+2Br^-}$$
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Elektrolyse
- Energie: elektrische Energie wird in chemische Energie umgewandelt
- Kathode: Minuspol, Elektronenaufnahme, Reduktion
- Anode: Pluspol, Elektronenabgabe, Oxidation
- Ladungstransport: Elektronen außen, Ionen im Elektrolyten
- Spannung: theoretischer Mindestwert und mögliche Überspannung
- Produktauswahl: Teilchenarten, Wasser, Potenziale und Bedingungen beachten
- Umkehrung: Laden elektrolytisch, Entladen galvanisch
Abschluss-Check
Du kannst eine Elektrolyse nun als zusammenhängenden Weg beschreiben: Die Spannungsquelle erzeugt Elektronenmangel und Elektronenüberschuss, Ionen wandern zu den passenden Elektroden, dort laufen Oxidation und Reduktion ab, und neue Stoffe entstehen.