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 es 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.
Elektrolyse Definition
Die Elektrolyse ist ein chemisches Verfahren, bei dem mithilfe elektrischen Stroms eine Redoxreaktion erzwungen wird. Hierbei wird elektrische Energie zu chemischer Energie.
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.
Aufbau einer Elektrolysezelle
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 Energie 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 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.
Chemischer Ablauf der Elektrolyse
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.
Elektrischer Strom entsteht, wenn sich Ladungsträger wie Ionen, Elektronen oder Protonen in eine bestimmte Richtung bewegen. Stell Dir vor, diese Bewegungsrichtung bleibt zeitlich konstant, die Teilchen bewegen sich also konstant in die gleiche Richtung. Diese Stromart nennst Du Gleichstrom.
Im Unterschied zum Gleichstrom bewegen sich die Teilchen beim sogenannten Wechselstrom abwechselnd in die entgegengesetzte Richtung.
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.
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.
Wirkungsgrad Elektrolyse
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 steht für den Anteil der zugeführten Energie, der bei einer Umwandlung auch tatsächlich gewonnen wird. Demnach verrät Dir dieser Wert, wie effizient Deine Apparatur ist.
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.
Überspannung Elektrolyse
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.
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:
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:
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.
Elektrolyse – Das Wichtigste
- Bei der Elektrolyse wird durch elektrischen Strom eine Redoxreaktion hervorgerufen. Das heißt, sie wird genutzt, um mithilfe von Strom Elektronen zu verschieben.
- Die Elektrolyse kann als Umkehrung der galvanischen Zelle betrachtet werden.
- Elektrolyse findet zum Beispiel in Batterien, Akkus oder auch Brennstoffzellen statt. Sie kann jedoch ebenfalls für die Metallgewinnung oder Reinigung eingesetzt werden.
- An der Anode werden die Anionen oxidiert und an der Kathode die Kationen reduziert.
- Damit eine Elektrolyse stattfinden kann, muss die Zersetzungsspannung \(U_z\) überwunden werden.
Nachweise
- S. Milanzi et al. (2019). Technischer Stand und Flexibilität des Power-to-Gas-Verfahrens. Technische Universität Berlin.
- M. Binnewies et al. (2011). Allgemeine und Anorganische Chemie. Spektrum Akademischer Verlag.
- A. Hickling; S. Hill. (1947). Oxygen Overvoltage. The influence of Electrode Material, Current Density and Time in aqueous solutions. Discussions of the Faraday Society.
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