Elektrolyse

Elektrolyse Definition

Über eine Elektrolyse kann also chemische Energie erzeugt werden. Besonders nützlich ist das, wenn Energie für später gespeichert werden soll, wie das bei Akkus der Fall ist. Außerdem kann sie zur Gewinnung und Aufreinigung von chemischen Stoffen wie beispielsweise Aluminium verwendet werden. Aber auch zur Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff kann sie genutzt werden. Zu diesem Thema erfährst Du weiter unten mehr.

Elektrolyse Aufbau

Die Elektrolyse kann auch als Umkehrung einer galvanischen Zelle bezeichnet werden. Deshalb ist der Aufbau einer Elektrolysezelle dem einer galvanischen Zelle sehr ähnlich.

Eine Elektrolysezelle besteht aus zwei Elektroden, die mit einer Stromquelle verbunden sind. An diesen Elektroden laufen jeweils die beiden Teilreaktionen der Redoxreaktion ab. Sie bestehen aus elektrischen Leitern wie Metallen oder Graphit.

Die mit dem Pluspol der Stromquelle verbundene Elektrode kannst Du auch Anode nennen. Auf der gegenüberliegenden Seite wird die Kathode platziert, die mit dem Minuspol der Stromquelle verbunden ist. Die beiden Elektroden befinden sich in einem Becken, das mit einem Elektrolyten befüllt ist. Der Elektrolyt ist eine leitfähige Lösung, in der sich Ionen befinden, die reduziert oder oxidiert werden können.

Elektrolyse Chemischer Ablauf

Damit die Elektrolyse ablaufen kann, legst Du mithilfe einer Stromquelle einen Gleichstrom an den beiden Elektroden an. Auf diese Weise fließen die Elektronen von der Anode zur Kathode und sammeln sich dort. An der Kathode entsteht so ein Elektronenüberschuss und an der Anode ein Elektronenmangel.

Durch den Elektronenüberschuss an der Kathode werden positiv geladene Ionen in der Nähe (an der Elektrode oder aus der Lösung) abgefangen und reduziert. Auf der anderen Seite geschieht genau das Gegenteil: Die Elektronen der negativ geladenen Anionen werden von der Anode aufgenommen. Die Anionen werden dabei oxidiert. Anschließend werden die gewonnenen Elektronen durch die Stromquelle hindurch zur Kathode transportiert, wodurch sich der Stromkreis schließt.

Damit eine Elektrolyse stattfinden kann, muss eine Mindestspannung erreicht werden, die auch als Zersetzungsspannung (\(U_z\)) bezeichnet wird.

Elektrolyse Wirkungsgrad

Die Elektrolyse hat in den meisten Fällen einen Wirkungsgrad von über 70 %. Allerdings ist die Voraussetzung dafür, dass die angelegte Spannung in etwa der Zersetzungsspannung entspricht. Wenn Du ein Diaphragma benutzt, könnte der Wirkungsgrad dadurch geringer sein.

Der Wirkungsgrad der industriellen Elektrolyse von Wasser liegt beispielsweise zwischen 60 und 85 %. Durch verschiedene Zusatzstoffe und Optimierungen kann der Wert verbessert werden. Wie die Elektrolyse von Wasser genau abläuft, erfährst Du weiter unten.

Elektrolyse Überspannung

Überspannungen können sowohl an der Anode als auch an der Kathode entstehen und die eigentlich benötigte Spannung erhöhen.

Die zusätzlich aufgebrachte Überspannungsenergie kann nicht zum Stoffumsatz beitragen, da sie als Wärme verloren geht. Das ist natürlich nicht wünschenswert, da dadurch der Prozess verlangsamt wird. Vor allem bei Reaktionen, bei denen Gase wie Wasserstoff und Sauerstoff entstehen, kann es teilweise zu hohen Überspannungen kommen.

Eine Überspannung kann abhängig von der Beschaffenheit der Elektroden sein. Aber auch die Stromstärke und die Temperatur können einen Einfluss auf die Überspannung haben. So kommt es zum Beispiel dazu, dass eine höhere Stromstärke eine Überspannung begünstigt, wohingegen eine Temperaturerhöhung diese in der Regel verringert.

Elektrolyse von Wasser

Über die Elektrolyse von Wasser können Wasserstoff und Sauerstoff getrennt werden. Besonders zur Wasserstoffgewinnung wird dieses Verfahren gerne eingesetzt. Aber auch aus der Pflanzenwelt lässt sich ein Beispiel nennen: Bei der Photosynthese stellen Pflanzen über eine Elektrolyse frischen Sauerstoff her.

Elektrolyse Reaktionsgleichung

Bei diesem Beispiel bildet Wasser (H₂O) den Elektrolyten. Sobald der Gleichstrom angelegt wurde, wird Wasser zu Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) gespalten:

$2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\stackrel{\mathrm{Elektrolyse}}{\to }2{\mathrm{H}}_2+{\mathrm{O}}_2$

Während dieser Reaktion wird ein Wassermolekül oxidiert und das andere reduziert. Das funktioniert so gut, weil Wasser dank der Autoprotolyse von allein zu Hydroxidionen (OH^-) und Oxoniumionen (H₃O⁺) zerfällt. Die entsprechende Gleichgewichtsreaktion sieht so aus:

$2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\rightleftarrows {\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}+{\mathrm{OH}}^{-}$

Die dabei entstehenden Ionen bilden dann die Elektrolytlösung und können sich frei bewegen. Entsprechend der Ladung wandern die Oxoniumionen nun zur Kathode, an der sie jeweils ein Elektron aufnehmen, was einer Reduktion entspricht. Dadurch entsteht wieder Wasser (H₂O) und zusammen mit einem weiteren reduzierten Wasserstoffatom molekularer Wasserstoff (H₂).

An der Anode sammeln sich die Hydroxidionen (OH^-) und geben Elektronen ab – es findet also eine Oxidation statt. Aus mehreren Hydroxidionen wird so molekularer Sauerstoff (O₂) und wieder Wasser. Die einzelnen Reaktionen kannst Du so aufschreiben:

Teilreaktion	Reaktionsgleichung
Wassergleichgewicht	$8{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\leftrightarrows 4{\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}+4{\mathrm{OH}}^{-}$
Kathodenreaktion
Anodenreaktion
Gesamtgleichung
gekürzt