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Akkus gehören für den Menschen mittlerweile einfach zum Leben dazu. Damit tragbare Elektronik mit ausreichend Strom versorgt werden kann, müssen die meist fest verbauten Energiespeicher immer wieder mit frischem Strom aufgeladen werden.
Das Auf- und Entladen eines Akkus stellt eine Redoxreaktion dar. Beim Entladen erzeugt der Lithium-Ionen-Akku Deines Handys genug Strom, damit Du im Optimalfall gut über den Tag hinweg versorgt ist. Die chemische Reaktion läuft in die Entladerichtung. Sobald der Akku leer ist, lädst Du ihn wieder auf und kehrst diese Reaktion um, sodass sich die chemischen Stoffe regenerieren können. Dieser Vorgang wird Elektrolyse genannt.
Die Elektrolyse ist ein chemisches Verfahren, bei dem mithilfe elektrischen Stroms eine Redoxreaktion erzwungen wird. Dabei wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt.
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 genutzt werden. Aber auch zur Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff kann sie genutzt werden. Zu diesem Thema erfährst Du weiter unten mehr.
Die Elektrolyse kann auch als Umkehrung einer galvanischen Zelle bezeichnet werden. Deshalb ist der Aufbau einer Elektrolysezelle dem einer galvanischen Zelle sehr ähnlich.
Du kannst Dir für den Augenblick merken, dass galvanische Zellen Strom liefern, indem sie chemische Energie verbrauchen und in elektrische umwandeln. Elektrolysezellen müssen hingegen mit Strom versorgt werden, damit sie diesen in chemische Energie speichern können. Wenn Du mehr zur galvanischen Zelle lesen willst, schau Dir die entsprechende Erklärung an.
Eine Elektrolysezelle besteht aus zwei Elektroden, die mit einer Stromquelle verbunden sind. An diesen Elektronen 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.
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 werden von den negativen Anionen an der Anode aufgenommen, wodurch diese oxidiert werden. Anschließend werden die gewonnenen Elektronen durch die Stromquelle hindurch zur Kathode transportiert, wodurch sich der Stromkreis schließt.
Eine Redoxreaktion besteht aus zwei Teilschritten: der Reduktion und der Oxidation. Bei der Reduktion werden Elektronen aufgenommen und bei der Oxidation abgegeben. Wenn Du mehr dazu lesen willst, schau Dir die Erklärung zur Redoxreaktion an.
Damit eine Elektrolyse stattfinden kann, muss eine Mindestspannung erreicht werden, die auch als Zersetzungsspannung (\(U_z\)) bezeichnet wird.
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.
Überspannungen können sowohl an der Anode als auch an der Kathode entstehen und die eigentlich benötigte Spannung erhöhen.
Die benötigte Zersetzungsspannung kann beispielsweise mithilfe der Nernst-Gleichung berechnet werden. Wenn Du ein paar Beispielrechnungen dazu sehen willst, schau Dir gern die entsprechende Erklärung dazu an.
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.
Mehr zum Thema Überspannung findest Du in der entsprechenden Erklärung. Dort findest Du auch eine Tabelle mit experimentell bestimmten Überspannungswerten.
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.
Bei diesem Beispiel bildet Wasser (H2O) den Elektrolyten. Sobald der Gleichstrom angelegt wurde, wird Wasser zu Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) gespalten:
Während dieser Reaktion wird ein Wassermolekül oxidiert und das andere reduziert. Das funktioniert so gut, weil Wasser dank der Autoprotolyse von allein zu Hyroxidionen (OH-) und Oxoniumionen (H3O+) zerfällt. Die entsprechende Gleichgewichtsreaktion sieht so aus:
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 |  |
| Kathodenreaktion |  |
| Anodenreaktion |  |
| Gesamtgleichung |  |
| gekürzt |  |
Wenn Du mehr zur Elektrolyse von Wasser erfahren willst, schau Dir unbedingt die entsprechende Erklärung zu diesem Thema an.
Einfach erklärt ist eine Elektrolyse eine Redoxreaktion, die mithilfe von Strom umgekehrt wird.
Bei einer Elektrolyse wird ein Gleichstrom angelegt, sodass eine Redoxreaktion erzwungen wird. An der Kathode findet dabei die Reduktion und an der Anode die Oxidation statt.
An der Kathode findet die Reduktion und an der Anode die Oxidation statt.
Damit die Elektrolyse stattfinden kann, musst Du mindestens die Zersetzungsspannung einstellen.
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