Elektrolyse

Die Elektrolyse ist die Umkehrung der galvanischen Zelle und erfordert die Zufuhr elektrischer Energie. Sie ist ein grundlegendes Verfahren in der Elektrochemie und findet Anwendung in verschiedenen industriellen Prozessen.

Definition: Die Zersetzungsspannung ist die Mindestspannung, die für die Durchführung der Elektrolyse erforderlich ist.

Die Überspannung beschreibt alle Phänomene, die die tatsächlich benötigte Spannung über die theoretisch berechnete Zersetzungsspannung hinaus erhöhen. Sie wird als Differenz zwischen der gemessenen (Ux) und der berechneten Spannung (U₂) definiert.

Ein Vergleich zwischen galvanischer Zelle und Elektrolysezelle zeigt wichtige Unterschiede:

1. Galvanische Zelle:

   • Freiwilliger (exergonischer) Prozess
   • Wandelt chemische in elektrische Energie um
   • Pluspol ist die Kathode (Reduktion), Minuspol die Anode (Oxidation)

2. Elektrolysezelle:

   • Erzwungener (endergonischer) Prozess
   • Wandelt elektrische in chemische Energie um
   • Pluspol ist die Anode (Oxidation), Minuspol die Kathode (Reduktion)

Highlight: Der Vergleich Elektrolyse galvanische Zelle Tabelle verdeutlicht die Umkehrung der Energieumwandlung und Elektrodenreaktionen zwischen beiden Systemen.

Die Galvanisierung ist ein wichtiger Anwendungsbereich der Elektrolyse. Hierbei wird ein Metallobjekt mit einer dünnen Schicht eines anderen Metalls überzogen, um dessen Eigenschaften zu verbessern.

Example: Bei der Silbergalvanisierung wird eine Silberanode verwendet, die sich während des Prozesses auflöst und das zu beschichtende Objekt an der Kathode mit einer Silberschicht überzieht.

Aluminiumgewinnung

Die Aluminiumgewinnung durch Elektrolyse ist ein komplexer Prozess, der die Schmelzflusselektrolyse Aluminium Kryolith nutzt. Aluminium ist ein sehr reaktives Metall und kommt in der Natur nur in Verbindungen vor, hauptsächlich als Bauxit (Al₂O₃).

Der Schmelzpunkt von Aluminiumoxid ist mit 2050°C sehr hoch. Durch die Zugabe von Kryolith (Na₃AlF₆) wird dieser auf 950°C gesenkt, was den Prozess energieeffizienter macht. Die Elektrolyse findet in einer Zelle mit Graphitelektroden statt, wobei eine Spannung von 5-6 V angelegt wird.

Vocabulary: Kryolith ist ein Mineral, das den Schmelzpunkt von Aluminiumoxid senkt und als Elektrolyt in der Schmelzflusselektrolyse dient.

Die Schmelzflusselektrolyse Reaktionsgleichung für die Gesamtreaktion lautet:

2 Al₂O₃ + 3C → 4 Al + 3 CO₂

An der Anode findet die Oxidation statt, wobei Sauerstoff mit der Graphitelektrode zu CO₂ reagiert. An der Kathode werden die Aluminiumionen zu elementarem Aluminium reduziert.

Highlight: Die Graphitanode wird während des Prozesses abgenutzt und muss regelmäßig ausgetauscht werden.

Der Prozess ist sehr energieintensiv, wobei etwa 50% der Energie für die Aufrechterhaltung der Schmelze und 50% für die eigentliche Elektrolyse verwendet werden. Der Stromfluss beträgt dabei etwa 150.000 Ampere.

Example: Edelmetalloxide können einfach durch Erhitzen in ihre elementare Form überführt werden, während unedle Metalle wie Aluminium die aufwendigere Elektrolyse erfordern.