Chemie

Elektrochemische Zellsysteme

Elektrolyse

Chemie1.567 aufrufe·Aktualisiert 21. Juni 2026·8 Seiten

Elektrolyse einfach erklärt: Grundlagen, Wasser-, Zink- und Schmelzflusselektrolyse

suhtori@suhtori

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Warum lassen sich manche chemische Verbindungen nur mit Gewalt trennen,...

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CH13
# Die Elektrolyse

## Definition:
„Unter Elektrolyse (griechisch mittels Elektrizität trennen") versteht man eine
Aufspaltung einer che

Grundlagen der Elektrolyse

Prinzip & Aufbau

Elektrolyse spaltet Verbindungen mithilfe von elektrischem Strom auf.

Elektroden: Bestehen aus der positiv geladenen Anode und der negativ geladenen Kathode.
Elektrolyt: Eine leitfähige Flüssigkeit mit freien Ionen.

Der Ladungstransport

Anode: Hier herrscht Elektronenmangel; Anionen wandern hin und werden oxidiert.
Kathode: Hier herrscht Elektronenüberschuss; Kationen wandern hin und werden reduziert.

💡 Tipp: Kationen (positiv) wandern immer zur Kathode (negativ), Anionen (negativ) zur Anode (positiv).

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Vorgänge an der Kathode

Reduktion von Wasserstoff

An der Kathode der Wasserelektrolyse lagern sich Teilchen an und nehmen Elektronen auf.

Elektronenaufnahme: Oxonium-Ionen ( $H_3O^+$ ) wandern zur Kathode und nehmen je ein Elektron auf.
Molekülbildung: Einzelne H-Atome verbinden sich sofort zu gasförmigem Wasserstoff ( $H_2$ ).
Überbleibsel: Zurück bleiben neutrale $H_2O$ -Moleküle im Elektrolyten.

💡 Tipp: Da $H_3O^+$ -Ionen verbraucht werden, steigt der pH-Wert und der Kathodenraum wird basisch.

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Vorgänge an der Anode

Oxidation zu Sauerstoff

An der Anode werden Elektronen abgegeben, wodurch Gas freigesetzt wird.

Elektronenabgabe: Negativ geladene Ionen wandern zur Anode und geben dort Elektronen ab.
Sauerstoffbildung: Es entsteht elementarer, gasförmiger Sauerstoff ( $O_2$ ), der nach oben steigt.
Autoprotolyse: Wasser-Moleküle spalten sich ständig selbst in $OH^-$ und $H_3O^+$ auf.

💡 Tipp: Durch die Entstehung von Protonen an der Anode wird der Anodenraum sauer.

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Elektrolyse vs. Galvanische Zelle

Erzwungene Reaktionen

Die Elektrolyse kehrt das Prinzip einer Batterie (Galvanische Zelle) um.

Elektrolyse: Strom erzwingt eine chemische Reaktion. Die Oxidation findet am Pluspol (Anode) statt.
Galvanische Zelle: Liefert freiwillig Strom. Die Oxidation findet am Minuspol (Anode) statt.

Die Merkhilfe

OPA: Oxidation, Pluspol, Anode (gilt bei der Elektrolyse).
OMA: Oxidation, Minuspol, Anode (gilt bei der galvanischen Zelle).

💡 Tipp: Denk an OPA, der träge ist und von einer äußeren Spannung angetrieben werden muss.

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Anwendungen & Wirkungsgrad

Wirtschaftlichkeit von Wasserstoff

Wasserstoff dient als extrem wichtiger Energiespeicher für erneuerbare Energien.

Zersetzungsspannung: Die Mindestspannung, damit die Elektrolyse überhaupt startet.
Wirkungsgrad: Liegt bei ca. $70\text{–}75\,\%$ , kann durch ein Diaphragma optimiert werden.
Power-to-Gas: Überschüssiger Wind- und Solarstrom wird chemisch als Wasserstoff zwischengespeichert.

💡 Tipp: Bei der Wasserelektrolyse entsteht an der Kathode volumenmäßig doppelt so viel Wasserstoff wie Sauerstoff an der Anode.

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Reaktionsgleichungen der Wasserelektrolyse

Die Teilreaktionen

Die Spaltung von Wasser im Hoffmannschen Zersetzungsapparat im Detail.

Kathode (Reduktion): $2\text{ H}_3\text{O}^+ + 2\text{e}^- \rightarrow \text{H}_2 + 2\text{ H}_2\text{O}$
Anode (Oxidation): $4\text{OH}^- \rightarrow \text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O} + 4\text{e}^-$
Gesamtgleichung: $2\text{ H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{H}_2 + \text{O}_2$

Beispiel: Ausgangsstoffe: $8\text{H}_2\text{O}$ werden zersetzt. Ergebnis: $2\text{H}_2 + \text{O}_2 + 6\text{H}_2\text{O}$

💡 Tipp: Dieses Prinzip nutzt man auch beim Laden von Akkus, um die chemischen Stoffe zurückzubilden.

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Metallgewinnung: Zink und Aluminium

Gewinnung von Zink

Zinkionen werden an der Kathode zu elementarem Metall reduziert.

Oxidation (Anode): $2\text{I}^- \rightarrow \text{I}_2 + 2\text{e}^-$
Reduktion (Kathode): $\text{Zn}^{2+} + 2\text{e}^- \rightarrow \text{Zn}$ (Zinkbaum wächst)

Gewinnung von Aluminium

Da Aluminiumoxid einen Schmelzpunkt von über $2000^\circ\text{C}$ hat, nutzt man ein Spezialverfahren.

Schmelzflusselektrolyse: Zusatz von Kryolith senkt den Schmelzpunkt auf ca. $950^\circ\text{C}$ .

💡 Tipp: Die Schmelzflusselektrolyse benötigt extrem viel Stromstärke (über $150.000\text{ A}$ ), ist also sehr energieaufwändig.

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Aluminium-Gewinnung im Detail

Reaktionen in der Schmelze

Das flüssige Aluminium sinkt aufgrund seiner Dichte zu Boden und wird dort abgesaugt.

Kathode: Flüssiges, hochreines Aluminium ( $99{,}9\,\%$ ) scheidet sich an der Kohlewanne ab.
Anode: Sauerstoff greift die Graphitelektroden an; es entsteht $CO_2$ und $CO$ .

Die Formeln der Schmelze

Reduktion: $4\text{Al}^{3+} + 12\text{e}^- \rightarrow 4\text{Al}$
Oxidation: $3\text{C} + 6\text{O}^{2-} \rightarrow 3\text{CO}_2 + 12\text{e}^-$

💡 Tipp: Weil die Kohleanoden ständig zu $CO_2$ verbrennen, müssen sie regelmäßig ausgetauscht werden.

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