Elektrolyse

Die Elektrolyse ist ein chemischer Prozess. Bei diesem wird durch elektrischen Strom eine Redoxreaktion erzwungen. Falls du nicht weißt, was eine Redoxreaktion ist, erklären wir dir es einmal. Sie ist ebenfalls eine chemische Reaktion, bei welcher es zwei Reaktionspartner gibt. Einer der Reaktionspartner überträgt dabei Elektronen auf den anderen Partner. Falls dich das Thema näher interessiert, ließ dir doch gerne unseren Artikel zu dem Thema durch.

Eingesetzt wird die Elektrolyse beispielsweise, um Metall zu gewinnen oder aber auch um Stoffe zu gewinnen, die durch keine andere chemische Reaktion möglich sind. Es können zum Beispiel Wasserstoff, Aluminium, Chlor und Natronlaugen gewonnen werden. Zusammengefasst wird die Elektrolyse genutzt, um etwas mit Strom zu trennen.

Chemischer Ablauf der Elektrolyse

Die Elektrolyse kann auch als Umkehrung einer galvanischen Zelle bezeichnet werden. Deshalb ist der Aufbau einer Elektrolysezelle dem einer galvanischen Zelle sehr ähnlich. Die Basis für das Verfahren sind zwei Elektroden.

Elektroden setzen sich aus elektrischen Leitern zusammen, die meistens aus Metall oder Graphit bestehen. In einer Lösung tauchen also zwei Elektroden ein. Anders als bei der galvanischen Zelle, wird durch die beiden Elektroden dann ein elektrischer Gleichstrom erzeugt, das heißt es gibt einen Pluspol (Anode) und einen Minuspol (Kathode). In den Minuspol werden Elektronen geschoben und von dem Pluspol abgezogen.

Die Lösung, in welcher die Elektroden getunkt werden, besitzt außerdem die Fähigkeit zu leiten. Diese wird Elektrolyt genannt. Durch die Elektrolyse entstehen dadurch an den Elektroden Reaktionsprodukte.

Während des Prozesses fallen Nebenprodukt der eingesetzten Stoffe an, welche wiederum oxidieren. Das heißt, dass zum Beispiel Anionen mit der Luft reagieren, was wiederum die Bedeutung für Oxidation ist.

Zusätzlich muss eine bestimmte Höhe der Spannung eingestellt sein, damit die Elektrolyse überhaupt stattfinden kann. Diese wird Zersetzungsspannung genannt und kann berechnet werden.

Überspannung

Überspannungen können sowohl an der Anode als auch an der Kathode entstehen und die eigentlich benötigte Spannung zusätzlich erhöhen. Die benötigte Spannung kann mithilfe der Nernst-Gleichung ermittelt werden.

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.

Eine Überspannung kann abhängig von der Beschaffenheit der Elektroden variieren. Aber auch die Stromstärke und die Temperatur können einen Einfluss auf die Überspannung haben. So kommt es zum Beispiel dazu, dass eine zunehmende Stromstärke eine Überspannung begünstigt, wohingegen eine Temperaturerhöhung die Überspannung verringern kann.

Anwendungsgebiete der Elektrolyse

Für die Durchführung der Elektrolyse wird eine Gleichspannungsquelle benötigt. Das bedeutet eine Quelle, welche die elektrische Energie liefert und dadurch die chemische Reaktion vorantreibt. Denn ein Teil der elektrischen Energie wird dabei in chemische Energie umgewandelt. Um chemische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, werden Batterien, Akkus oder Brennstoffzellen verwendet. Kurz gesagt dienen sie als Stromquelle.

Im Zusammenhang mit einem Akku kann die Elektrolyse der Energiespeicherung dienen. Wie ihr wahrscheinlich wisst, kann ein Akku wieder aufgeladen werden. Dieser Vorgang findet durch die Elektrolyse statt. In diesem Fall werden die chemischen Vorgänge während der Entladung des Akkus wieder rückgängig gemacht. Es ist also reversibel. Deshalb kann die Elektrolyse auch zur Energiespeicherung verwendet werden. Des Weiteren gibt es die Möglichkeit Wasserelektrolyse durchzuführen. Das ist ebenfalls eine Form der Energiespeicherung, jedoch wird dabei Elektrolyse mit Wasser, Wasserstoff oder Sauerstoff betrieben. Diese sind sogenannte Energieträger.

Die Wasserelektrolyse wird in einer Brennstoffzelle durchgeführt. Insbesondere in der Automobilbranche ist diese Energiegewinnung von großer Bedeutung, da die Energiegewinnung für den Antrieb des Motors immer weiter in Richtung nachhaltiger Energie geht. Genau eben das ist eine Form der nachhaltigen Energiegewinnung.

Wie ihr bereits erfahren habt, kann die Elektrolyse ebenfalls für die Metallgewinnung eingesetzt werden. Das funktioniert, indem die Metalle aus einer Lösung, die Metallionen enthält, abgeschieden werden. Auf diese Art und Weise können Metallschichten erzeugt werden.

Des Weiteren kann diese Form der Elektrolyse Kupfer reinigen und wird deshalb elektrolytische Raffination genannt. Dieser Zustand wird dadurch erreicht, dass durch das Ablösen einer Anode aus dem Rohmetall, in unserem Fall Kupfer, die Verunreinigung in dem Elektrolyten gelöst bleibt. Es kann allerdings auch als sogenannter Anodenschlamm anfallen. Auch wenn der Anodenschlamm ein Abfallprodukt dieses Prozesses ist, so ist er aufgrund seiner Bestandteile sehr wertvoll. Dieser Schlamm kann anschließend aufgearbeitet werden, um ihn für andere Dinge zu verwenden.

Elektrolyse – Das Wichtigste auf einen Blick

Manchen fällt es nicht gerade sonderlich leicht, die Bedeutung der Elektrolyse zu verstehen. Damit auch ihr euch alles merken könnt und den Überblick behaltet, fassen wir euch in diesem Abschnitt noch einmal alles Wissenswerte zusammen.

• Bei der Elektrolyse wird durch elektrischen Strom eine Redoxreaktion hervorgerufen. Das heißt, sie wird genutzt, um Stoffe oder etwas anderen mit Strom voneinander zu trennen.

• Vergleichbar ist sie mit dem Aufbau einer galvanischen Zelle. Sie besteht aus zwei Elektroden, einmal einer Anode und einer Kathode und diese werden in eine Lösung getaucht. Von der Anode werden dabei die Elektronen abgezogen und zu der Kathode geschoben. Dabei können anfallende Stoffe oxidieren.

• Damit eine Elektrolyse einwandfrei funktioniert, gibt es für das Verfahren eine bestimmte Spannung. Durch unterschiedliche Faktoren kann sich die elektrische Spannung jedoch in eine Überspannung verändern, wodurch sich die Elektrolyse verzögert und Wärme verloren geht.

• Elektrolyse findet zum Beispiel in Batterien, Akkus oder auch Brennstoffzellen statt. Sie kann jedoch ebenfalls für die Metallgewinnung oder Reinigung eingesetzt werden.