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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.