Die Elektrolyse

Grundlagen der Bindungslehre. Die Beobachtung der chemischen Vorgänge an den Elektroden. Die Erklärung der chemischen Vorgänge an den Elektroden. Die Bedeutung der Elektrolyse.

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35. Die Elektrolyse

In einem elektrischen Feld wandern die Ionen zu den entgegengesetzt geladenen Elektroden. Doch was passiert mit den Ionen, wenn sie die Elektroden erreicht haben? Grübel, Grübel, Grübel !!!

Geschichte

Die Elektrolyse wurde im Jahr 1800 entdeckt, wobei die von Alessandro Volta erfundene erste brauchbare Batterie verwendet wurde, die Voltasche Säule. Die neu entdeckte Elektrolyse ermöglichte es Humphry Davy, in den Jahren 1807 und 1808 mehrere unedle Metalle erstmals elementar herzustellen, beispielsweise Natrium und Calcium. Michael Faraday untersuchte die Elektrolyse genauer und entdeckte ihre Grundgesetze, nämlich die Abhängigkeit der umgesetzten Massen von der Ladungsmenge und der Molmasse. Auf seine Anregung hin wurden auch die Begriffe Elektrolyse, Elektrode, Elektrolyt, Anode, Kathode, Anion und Kation geschaffen. Nach der Erfindung leistungsfähiger elektrischer Generatoren führten Elektrolysen Ende des 19. Jahrhunderts zu einer stürmischen Entwicklung in Wissenschaft und Technik, z. B. bei der elektrolytischen Gewinnung von Aluminium, Chlor und Alkalien, und bei der Erklärung des Verhaltens der Elektrolyte, zu denen auch Säuren und Basen zählen [1].

 
 
Gib in ein U-Rohr etwas Glaswolle, wie es Bild 2 zeigt. Fülle nun eine Lösung von Zinkiodid ein und tauche in jeden der beiden Glasschenkel eine Graphitelektrode ein, die dann mit einer Gleichstromquelle (10 V) verbunden werden. Was passiert, nachdem du den Strom eingeschaltet hast?
Bild 1. Video zur Elektrolyse
 

Beobachtungen an den Elektroden

Bei Versuch 1 tauchen die Elektroden aus Graphit in eine wässrige Lösung von Zinkiodid (ZnI2). Die Glaswolle trennt den Anodenraum vom Kathodenraum, um eine zu schnelle Vermischung der Flüssigkeit im U-Rohr zu verhindern. Nachdem der Strom eingeschaltet wurde, scheidet sich an der Kathode allmählich eine bartähnliche, graue und manchmal metallisch glänzende Substanz ab.

An der Anode bilden sich braune, immer dichter werdende Wolken und schon nach kurzer Zeit (einige Minuten) ist der Anodenraum durch die braunen Schwaden undurchsichtig geworden.

Bild 2. Herstellung von Zinkiodid
 

Erklärung der chemischen Vorgänge

Eine Zinkiodidlösung erhält man durch überschüssige Zugabe von Zinkpulver und Iodpulver in Wasser. Nach Abklingen der Reaktion wird filtriert. Das Zinkiodid löst sich in Wasser:


$ \mathrm { ZnI_{2} \quad \xrightarrow{H_{2}O} \quad Zn_{(aq)}^{2+} \; + \; 2 \ I_{(aq)}^{-} } $
Zinkiodid $\longrightarrow \ \ \ $ Zink-Ion $\mathrm {\ \ + \ \ } $ Iodid-Ion


Schema der Ionenwanderung
Bild 3. Schema der Ionenwanderung und Entladung der Ionen einer Zinkiodidlösung.

Im elektrischen Feld wandern die Zinkionen an die Kathode und die Iodionen an die Anode. Die Spannungsquelle bewirkt einen Elektronenmangel in der mit dem Pluspol (Anode) verbundenen Elektrode und einen Elektronenüberschuss in der anderen, mit dem Minuspol (Kathode) verbundenen Elektrode. Die Zinkiodidlösung zwischen der Kathode und der Anode enthält positiv und negativ geladene Ionen. Die positiv geladenen Zinkionen (Kationen) nehmen an der Kathode Elektronen auf, die negativ geladenen Iodionen geben an der Anode Elektronen ab.

Zum besseren Verständnis kann man sich die Spannungsquelle als eine »Elektronenpumpe« vorstellen, die in die Kathode Elektronen hineinpumpt und aus der Anode Elektronen absaugt. Sobald die positiv geladenen Ionen an der Kathode angelangt sind, nehmen sie je nach Ladung ein oder mehrere Elektronen auf. Die Anionen geben die Elektronen an die Anode ab, die sie bei der Ionenbildung aufgenommen haben. Die Menge der an der Anode übertragenen Elektronen ist gleich der an der Kathode übertragenen.

Elektrolyse von Zinkiodid nach Versuch 1 - Aufstellen der Reaktionsgleichung

Die Elektrolyse von Zinkiodid zerlegt dieses in die Elemente Zink und Iod. Wie alle Elektrolysen besteht auch diese aus zwei Teilreaktionen, die an den beiden Elektroden (Kathoden- und Anodenraum) ablaufen. Die Reaktionen an den einzelnen Elektrodenräumen lauten:

Kathode:


$ \mathrm { Zn^{2+} + 2 \ e^{-} \ \longrightarrow \ Zn } $
Zink-Ion                       Zink-Atom


Anode:

$ \mathrm { 2 \ I^{-} \ \longrightarrow \ 2 \ I + \ 2 \ e^{-} } $
Iodid-Ion           Iod-Atom


 
Anode: Negativ geladene Ionen geben Elektronen ab
 
Kathode: Positiv geladene Ionen nehmen Elektronen auf
 
Elektrolyte: Verbindungen, die den elektischen Strom leiten und dabei zersetzt werden

Durch die Energiezufuhr bewegen sich die einzelnen Ionen in Richtung Elektroden. Die Zink-Kationen wandern zur Kathode, es werden von den Zink-Kationen zwei Elektronen aufgenommen (Reduktion) und es bildet sich elementares Zink. Die Iod-Anionen wandern zur Anode und werden zu elementarem Iod oxidiert.

In beiden Fällen werden also die Ionen durch den elektrischen Strom entladen. Die Elektrodenvorgänge können dann formuliert werden. (Die Hydrathülle der Ionen beeinflußt die Entladungsvorgänge nicht, auf sie kann bei der Formulierung der Gleichung verzichtet werden).

Da sich Iodatome sofort zu Iodmolekülen verbinden, lautet die Reaktionsgleichung für den Gesamtvorgang:


$ \mathrm { Zn^{2+} + \ 2 \ I^{-} \ \longrightarrow \ Zn + I_{2} } $
Zink-Ion   Iodid-Ion         Zink     Iod


 
Elektrolyse: Entladung der Ionen durch den elektrischen Strom

Aus der Gleichung kann man ersehen, dass der Belag an der Kathode aus elementarem Zink besteht, an der Anode hat sich elementares Iod gebildet. Die Wirkung des elektrischen Stroms hat die chemische Verbindung Zinkiodid in ihre Bestandteile, die Elemente Zink und Iod zerlegt. Diese Zersetzung einer Verbindung durch den Gleichstrom nennt man Elektrolyse. Bei der Elektrolyse kommt es durch die Entladung von Ionen zur Stoffabscheidung an den beiden Elektroden. Da Salze bei der Stromleitung zersetzt werden, rechnet man sie zu den Elektrolyten.

Bild 4. Chloralkali-Elektrolyse (NaCl-Elektrolyse): Mit der Chloralkali-Elektrolyse werden die wichtigen Grundchemikalien Chlor, Wasserstoff und Natronlauge aus Natriumchlorid erzeugt. Dabei geben die Cl -Ionen ihre Elektronen ab, die Na+ -Ionen nehmen jeweils ein Elektron auf und reagieren sofort mit dem Wasser zu Natronlauge Na(OH) und H2-Molekülen. Der Indikatorfarbstoff zeigt die Natronlauge an.
 

Die Bedeutung der Elektrolyse

Bei der technischen Gewinnung von Elementen spielt die Elektrolyse eine herausragende Rolle. Beispielsweise kann man mittels Elektrolyse von Kochsalzlösung an der Anode Chlor gewinnen. Die Elektrolyse einer Schmelze von Aluminiumoxid (Al2O3) produziert an der Kathode das Leichtmetall Aluminium. In Galvanikbetrieben wird elektrolytisch versilbert, verkupfert, verchromt und vieles mehr.

Nach Angaben des Statistischen Bundesamtes wurden im Jahr 2007 die folgenden Mengen an Metallen oder Chemikalien in Deutschland hergestellt.
Stoff Herstellungsmenge t (m3)/Jahr Verkaufswert Mio. €
Natronlauge (wässrig) 4.316.903 501
Chlorgas 5.082.913 421
Kalilauge (wässrig) 177.506 52
Aluminium (unlegiert) 279.660 529
Aluminium (legiert) 1.033.860 1.397
Gold (als Halbzeug) 91 901
Silber (als Halbzeug) 2.635 455
Kupfer (raffiniert) 553.300 1.629
Zink (rohform, raffiniert) 264.843 654
In den USA liegen die hergestellten Elektrolyseprodukte um den Faktor 2–3 höher. Dort werden ca. 5 % der gesamten Stromproduktion für die Elektrolyse benötigt.
Geeignete Elektrodenmaterialien (++) Gut geeignet, (+) geeignet, (-) nicht geeignet
Metall Verwendet als Kathode Verwendet als Anode Häufige Elektrolysen
Graphit (gebrannt) + + + + Schmelzflusselektrolyse (Na, Li, Ca)
Graphit (gebrannt) - + + Aluminiumelektrolyse
Kohlenstoff (glatt) - + Fluorherstellung
Platin + - Perschwefelsäure
Eisen + + + Wasserelektrolyse
Eisen + - Schmelzflusselektrolyse (Na, Li, Ca)
Blei - Silberlegierung - + Geringe Sauerstoffüberspannung/Brennstoffzelle
Blei - + Elektrolyse in schwefelsaurer Lösung
Blei - + Perchlorsäure
Aluminium + - Zink, Cadmiumelektrolyse
Titan (Ru) - + + Hochbeständig bei NaCl-Elektrolyse
Quecksilber + - Alkalielektrolyse
Zinn + Kupfer + - Organische Verbindungen
Quelle: Wikipedia

Ausblick [1]

Die Elektrolyse, mit ihren sehr hohen Wirkungsgraden bei Stoffumwandlungen, könnte neben erneuerbaren Energien zu einem Schlüsselverfahren für die Menschheit werden, um zukünftig Strom aus erneuerbaren Energien für wichtige chemische Prozesse zu nutzen. Im Gegensatz zur Verbrennung der endlichen, fossilen Rohstoffreserven (Erdöl und Erdgas) lassen sich mit solarem Strom auch anorganische und organische Stoffumwandlungen durchführen, bei denen der Kohlendioxidausstoß nicht ansteigt.

Möglich sind die Umwandlung von Solar- oder Windenergie in Strom. Der Strom kann elektrolytisch zur Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff genutzt werden. Auch die Reduktion von Kohlendioxid wäre denkbar.


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