Grundlagen und Prozesse der Elektrolyse

Elektrolyse

Die Elektrolyse ist ein Prozess, bei dem durch das Anlegen von elektrischem Strom an eine Lösung oder einen geschmolzenen Elektrolyten eine nicht spontane Redoxreaktion erzwungen wird.

Die Elektrolysezelle ist der Behälter, in dem der Prozess stattfindet. Er enthält die Lösung oder den geschmolzenen Elektrolyten, in den die Elektroden eingetaucht sind. Diese sind mit einer Gleichstromquelle verbunden.

Die Elektroden sind die Oberflächen, an denen die Redox-Teilreaktionen ablaufen. Sie sind in der Regel inert und lassen sich wie folgt unterscheiden:

• Kathode: Die Elektrode, an der die Reduktion stattfindet; sie ist mit dem negativen Pol verbunden.
• Anode: Die Elektrode, an der die Oxidation stattfindet; sie ist mit dem positiven Pol verbunden.

Unterschiede: Galvanische Zelle und Elektrolysezelle

• Galvanische Zelle (z. B. Voltasche Säule): Eine chemische Reaktion erzeugt elektrischen Strom. Es gibt zwei Elektrolyte. Die Kathode ist hier der positive Pol.
• Elektrolysezelle: Elektrische Energie erzeugt eine chemische Reaktion. Es gibt einen einzigen Elektrolyten, und die Redoxreaktion ist nicht spontan. Die Anode ist der positive Pol und die Kathode der negative Pol.

Elektrolyse von geschmolzenem Natriumchlorid

Bei der Elektrolyse von geschmolzenem NaCl (ca. 800 °C) dient das Salz als Elektrolyt. Es dissoziiert in Ionen: NaCl → Na⁺ + Cl⁻.

Inerte Elektroden werden in den Elektrolyten eingesetzt und an eine Gleichstromquelle angeschlossen:

• Anionen (Cl⁻): Bewegen sich zur Anode, wo sie unter Abgabe von Elektronen entladen werden.
• Kationen (Na⁺): Bewegen sich zur Kathode, wo sie unter Aufnahme von Elektronen entladen werden.

Das an der Kathode entstehende Natrium ist weniger dicht als die Schmelze und schwimmt oben auf. An der Anode wird Chlorgas gesammelt. Die Gesamtreaktion ist nicht spontan.

Elektrolyse von Wasser

Reines Wasser enthält nicht genügend Ionen, um Strom zu leiten. Daher wird oft eine kleine Menge Schwefelsäure (0,1 M) hinzugefügt. In dieser wässrigen Lösung laufen an den inerten Elektroden folgende Reaktionen ab:

• An der Kathode entsteht Wasserstoff (H₂).
• An der Anode entsteht Sauerstoff (O₂).

Das Volumen des H₂-Gases ist doppelt so hoch wie das des O₂-Gases. Die Schwefelsäure (H₂SO₄) wird dabei nicht verbraucht.

Elektrolyse von Kupfer(II)-chlorid

Bei der Elektrolyse von Salzen in wässriger Lösung kann Wasser in den Prozess eingreifen. Im Fall von CuCl₂ werden jedoch beide Ionen des Salzes entladen:

• An der Kathode wird metallisches Kupfer abgeschieden.
• An der Anode wird Chlorgas gesammelt.