Anorganische Chemie

Elektrolyse

Du hast bestimmt schon einmal von der Stofftrennung in der Chemie gehört. Doch wie lassen sich chemische Verbindungen durch Strom trennen? In diesem Artikel gehen wir auf die sogenannte Elektrolyse ein. Danach erklären wir diese anhand von mehreren Beispielen wie der Elektrolyse von Natriumchlorid oder Zinkiodid. Zum Schluss erfährst du noch, in welchen Anwendungsbereichen die Elektrolyse von Nutzen ist.

Du willst den Inhalt dieses Artikels schnell und einfach verstehen? Dann schau dir gerne unser Video zur Elektrolyse an, um einen guten Überblick zu bekommen.

Inhaltsübersicht

Elektrolyse einfach erklärt

Du kannst dir die Elektrolyse als einen Prozess vorstellen, bei dem elektrischer Strom eine chemische Stofftrennung erzwingt. Bei dieser sogenannten Redoxreaktion  werden Elektronen von einem Reaktionspartner auf einen anderen übertragen oder von ihm abgezogen. Dadurch erhältst du aus Ionen die elementaren Stoffe.

So kannst du sie zum Beispiel zur Stoffgewinnung von Chlor, Wasserstoff und Natronlauge in der Chloralkalielektrolyse verwenden. Du kannst die Elektrolyse jedoch nicht nur verwenden, um Stoffe zu gewinnen. Auch in Verfahren zur Reinigung von Metallen, der elektrolytischen Raffination, ist sie eine häufig genutzte Methode.

Elektrolysezelle Prinzip

In der Elektrochemie kannst du grundsätzlich zwei Elektrodenreaktionen mit unterschiedlichen Zelltypen unterscheiden.

Merke
Einerseits existiert die sogenannte galvanische Zelle, in der die Reaktionen freiwillig ablaufen. Im Gegensatz dazu findet in der Elektrolysezelle eine Reaktion statt, die durch den Zufluss elektrischer Energie erzwungen wird. Diese Aufspaltung durch Strom wird als Elektrolyse bezeichnet.

Eine Elektrolysezelle besteht aus zwei Elektroden aus Kohlenstoff oder Platin und einer leitfähigen Flüssigkeit. Die mit dem Pluspol verbundene Elektrode kannst du als Anode bezeichnen. Die mit dem Minuspol verbundenen Elektrode wird Kathode genannt. Wenn du über diese beiden Elektronen einen Gleichstrom anlegst, fließen die Elektronen in Richtung der Kathode. Somit entsteht an der Anode ein Elektronenmangel und an der Kathode ein Elektronenüberschuss.

Elektrolyse - Schema, Ablauf, Aufbau
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Elektrolyse – Schema

Die leitfähige Flüssigkeit wird oft auch als „Elektrolyt“ bezeichnet. Dieser besteht aus positiv geladenen Ionen (Kationen) und negativ geladenen Ionen (Anionen). Für ein Gelingen der Elektrolyse ist eine gewisse Mindestspannung notwendig. Erst ab dieser Zersetzungsspannung (U_z) erfolgt eine Zersetzung des Elektrolyten. Die Kationen wandern darauf zur negativ geladenen Kathode. Dort nehmen die Kationen Elektronen auf, sie werden also reduziert. Die gleiche Anzahl an Anionen wandert währenddessen zur Anode und gibt dort ihre Elektronen ab (Oxidation).

Wirkungsgrad Elektrolyse

Der Anoden- und Kathodenraum lässt sich durch ein sogenanntes Diaphragma trennen. Diese Wand verhindert, dass sich die entstandenen Gase vermischen. Jedoch behindert das Diaphragma oft auch den elektrischen Stromfluss. Dadurch kann der Wirkungsgrad des gesamten Elektrolyseprozesses heruntergesetzt werden.

Grundsätzlich ist die Elektrolyse aber ein sehr energieeffizienter Prozess mit einem Wirkungsgrad von über 70%. Wichtig dafür ist, dass du für den Prozess eine Spannung nahe an der Zersetzungsspannung wählst. Um die Elektrolyse von Gasen zuverlässiger ablaufen zu lassen, wird eine gewisse Menge an zusätzlicher Spannung, benötigt. Diese „Überspannung “ ist stark von dem Elektrodenmaterial abhängig und reduziert oft auch den Wirkungsgrad der Reaktion.

Elektrolyse Beispiele

Um dir das Prinzip der Elektrolyse zu verdeutlichen, schauen wir uns einige Beispiele an.
Nachfolgend behandeln wir die Elektrolyse von Zinkiodid, Natriumchlorid und Wasser.

Elektrolyse Zinkiodid

Zinkiodid (ZnI_2) ist eine chemische Verbindung aus Zink und Iod und zählt zu der Gruppe der Halogenide. Du kannst sie als dein Elektrolyt verwenden. Wenn du nun eine Gleichspannung anlegst, wandern die positiv geladenen Zinkionen (Zn^{2+}) an die Kathode. Hier erhalten sie zwei Elektronen (2e^-). Durch diese Elektronen bildet sich an der Kathode elementares Zink (2 Zn). Eine Rückreaktion des elementaren Zinks kannst du durch eine gleichmäßige Zersetzungsspannung und somit einen konstanten Elektronenüberschuss an der Kathode verhindern. Die negativ geladenen Iodidionen (2I^-) sammeln sich an der Anode. Hier wird ihnen jeweils ein Elektron (e^-) entzogen und es entsteht elementares Iod (I_2).

Oxidation: 2I^- \longrightarrow I_2 + 2e^-
Reduktion: Zn^{2+} + 2e^- \longrightarrow Zn

Die gesamte Redoxreaktion kannst du wie folgt darstellen:

Redoxreaktion: Zn^{2+} + 2I^- \longrightarrow Zn + I_2

Wie du siehst, hat die Wirkung des elektrischen Stroms die chemische Verbindung Zinkiodid in ihre Bestandteile zerlegt. Du kannst die Elemente Zink und Iod nun für die Weiterverwendung extrahieren.

Elektrolyse Beispiel - Zinkiodid - Anwendungsgebiet
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Elektrolyse Beispiel – Zinkiodid

Elektrolyse Natriumchlorid

Die Elektrolyse von Natriumchlorid, oder auch Kochsalzelektrolyse genannt, bezeichnet die Zersetzung durch elektrischen Strom von Natriumchlorid (NaCl). Sie ist eine sogenannte Chloralkalielektrolyse. Du kannst die Lösung von Natriumchlorid in Wasser als deinen Elektrolyten verwenden. Die negativ geladenen Chlorteilchen (Cl^-) sammeln sich an der Anode und geben ein Elektron (e^-) ab. Daraufhin bilden sie immer zu zweit ein gasförmiges Chlormolekül (Cl_2). Die Elektronen von der Kathode werden jetzt vom Wasser  (H_2O) aufgenommen. Dadurch entweichen Wasserstoffmoleküle (H_2) als Gas. Die nun freien Hydroxidionen (OH^-) bilden zusammen mit dem freien Natrium (Na^+) eine verdünnte Natronlauge.

Die Reaktionsgleichung lautet:

2NaCl + 2 H_2 O \longrightarrow 2 NaOH + H_2 + Cl_2

Natriumchlorid Chloralkalielektrolyse Elektrolyse Beispiel, Anwendungsgebiete
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Elektrolyse Beispiel – Natriumchlorid

Elektrolyse von Wasser

Durch die Elektrolyse von Wasser kannst du sogar Wasser in seine Ausgangsstoffe Wasserstoff (H^+) und Sauerstoff (O_2) zerlegen. Die Wasserelektrolyse besteht wieder aus zwei verschiedenen Teilreaktionen an beiden Elektroden.

Elektrolyse von Wasser
Elektrolyse von Wasser

Die Reaktionsgleichungen im Kathoden- und Anodenraum sehen wie folgt aus:

Kathode: 2H_2O + 2e^- \longrightarrow H_2 + 2OH^-
Anode: 2 H_2O \longrightarrow O_2 + 4H^+ + 4e^-

Redoxreaktion: 2H_2O \longrightarrow 2 H_2 + O_2

Elektrolyse Anwendungsgebiete

Die Elektrolyse findet insbesondere für verschiedenste technischen Stofftrennungen Anwendung. Doch auch zur Metallbearbeitung und Abwasserreinigung kann sie verwendet werden. Nachfolgend beschreiben wir drei wichtige Anwendungsbereiche der Elektrolyse.

Elektrolyse Anwendungsgebiete, Chloralkalieelektrolyse
Elektrolyse Anwendungsgebiete

Chloralkalielektrolyse

Mit der Chloralkalielektrolyse kannst du Chlor, Wasserstoff und Natronlauge aus Natriumchlorid und Wasser erzeugen. Du kannst dabei zwischen drei technischen Verfahren unterscheiden:

Beim Diaphragmaverfahren werden der Kathoden- und der Anodenraum durch ein Diaphragma aus Asbest getrennt. Die Kathode besteht meist aus Stahl und die Anode aus beschichtetem Titan. Die Anoden- und Kathodenreaktionen setzen sich wie folgt zusammen:

Anode: 2Cl^-(aq) \longrightarrow Cl_2 (g) +2e^-
Kathode: H_3O^+ (aq) + 2e^- \longrightarrow OH^- (aq) + H_2 (g)

Deine nun freien Natriumionen (Na^+) können sich mit den entstandenen Hydroxidionen (OH^-) zu Natronlauge (NaOH) bis zu einer Konzentration von ca. 15% verbinden.

Die zweite Methode ist das sogenannte Membranverfahren. Hierbei wird das Diaphragma durch eine dünne chlorbeständige Membran ersetzt. Wie beim Diaphragmaverfahren besteht die Anode aus Titan, die Kathode jedoch aus Nickel. Die chemischen Reaktionen entsprechen denen des Diaphragmaverfahrens.

Als dritte und letzte Methode zur Chloralkalielektrolyse kannst du das Amalgamverfahren verwenden. Dieses besteht aus einer Titan-Anode und einer Quecksilber-Kathode. Das an der Kathode gebildete Natrium löst sich in dem Quecksilber als Natriumamalgam auf. Durch diese Reaktion erhält das Amalgamverfahren auch seinen Namen.
Theoretisch können folgende Elektrodenreaktionen ablaufen:

Anode:

2Cl^- (aq) \longrightarrow Cl_2 (g) + 2e^-
4 OH^- (aq) \longrightarrow O_2 (g) + 2H_2O +4e^-

Kathode:

Na^+ (aq) + e^- \longrightarrow Na
2H_3O^+ (aq) +2e^- \longrightarrow H_2 + 2H_2O

Das Natrium reagiert an der Quecksilber-Kathode sofort zu Natriumamalgam.

Na \cdot Hg_x

Wenn du nun Natronlauge aus der Reaktion erhalten willst, dann muss dein Natriumamalgam in einer weiteren Kammer, dem Amalgamzersetzer, zur Reaktion gebracht werden. Durch die Reaktion mit Wasser zersetzt sich das Natrumamalgan zu Natronlauge:

2 Na \cdot Hg_x + 2 H_2 O \longrightarrow 2NaOH (aq) + H_2 (g)

Als Gesamtreaktion erhältst du:

2 NaCl (aq) + 2H_2 O \longrightarrow 2NaOH (aq) + Cl_2 (g) + H_2 (g)

Kolbe Elektrolyse

Bei der Kolbe Elektrolyse werden Carbonsäuren oder dessen Salze (Carboxylate) gespalten. Ziel dieser Reaktion ist es, zwei Reste aneinander zu kuppeln. Zuerst entstehen dabei Radikale, die dann zu verschiedenen Kohlenwasserstoffen weiterreagieren können. So konnte der Entdecker der Reaktion Herrmann Kolbe beispielsweise aus Essigsäure Ethan herstellen.

Galvanik

In der Galvanik, oder auch Galvanotechnik, wird die Elektrolyse zur Abscheidung von metallischen Niederschlägen verwendet. Da die Qualität eines Werkstücks oft von seinem metallischen Glanz abhängig ist, ist die Effektivität der Elektrolyse hier besonders wichtig.

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