Elektrolyse

Experimente:
Versuch: Schmelzflusselektrolyse von Bleichlorid
Versuch: Elektrolyse von wässriger Natriumsulfatlösung


Eine Elektrolyse ist eine durch den elektrischen Strom erzwungene Redoxreaktion. Dabei wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt, die in den Elektrolyseprodukten gespeichert wird.

Bei der Elektrolyse tauchen zwei Elektroden, die an eine Gleichstromquelle angeschlossen sind, in eine Elektrolytschmelze oder Elektrolytlösung.

Der Minuspol (Kathode) der Stromquelle zieht positiv geladene Ionen (Kationen) an, die dann reduziert werden. Der Pluspol (Anode) zieht negativ geladene Ionen (Anionen) an und oxidiert sie. An der Kathode läuft also eine Reduktion und an der Anode eine Oxidation ab.

So wandern z. B. bei der Elektrolyse von Bleichlorid (-> Versuch) die in der Schmelze enthaltenen Blei-Ionen zur Kathode und werden dort zu Bleiatomen reduziert.

Pb2+ + 2 e- à Pb

Die Chlorid-Ionen dagegen wandern zur Anode, wo sie oxidiert und so zu Chloratomen werden. Die Chloratome verbinden sich zu Chlormolekülen.

2 Cl- à Cl2 + 2 e-

An der Kathode werden immer genau so viele Elektronen abgegeben, wie an der Anode aufgenommen werden. Die Stromquelle liefert der Kathode ständig so viele Elektronen nach, wie sie der Anode entzieht. Deshalb erscheinen in der Gesamtreaktionsgleichung (Redoxreaktionsgleichung) die Elektronen nicht mehr:

Pb2+ + 2 Cl- à Pb + Cl2

In einer Schmelze sind nur ausgewählte Ionen vorhanden. In wässrigen Lösungen sind zusätzlich zu den gelösten Ionen auch H+ - und OH- - Ionen aus der Eigendissoziation des Wassers vorhanden. Bei der Elektrolyse einer wässrigen Lösung werden nicht alle Ionen gleichzeitig oxidiert oder reduziert. Zuerst werden die Ionen oxidiert oder reduziert, bei denen am wenigsten Energie aufgewendet werden muss.
Entstehen bei einer Elektrolyse Gase, so ist zusätzlich noch eine Aktivierungsenergie, die Überspannung, aufzubringen.

Die sich an den Elektroden abscheidenden Stoffe sind aus den in der Schmelze oder Lösung enthaltenen Ionen oder durch die Zersetzung von Wasser (-> Versuch) entstanden. Die Konzentration der Ionen in der Lösung nimmt ständig ab.

An Stelle eines chemischen Reduktions- bzw. Oxidationsmittels treten hier der Minus- oder der Pluspol der Stromquelle. Da die Spannung beliebig hoch gewählt werden kann, ist der elektrische Strom das stärkste Reduktions- bzw. Oxidationsmittel des Chemikers. So kann er z. B. Cäsium oder Fluor auf diesem Wege herstellen.

In der Industrie werden viele elektrolytische Verfahren genutzt. Unter anderem wird die Elektrolyse zur Herstellung, Reinigung und zum Schutz der Metalle vor Korrosion eingesetzt, aber auch zur Herstellung von Nichtmetallen, wie z. B. Chlor und vor allem von Fluor. Das braucht man in großen Mengen, z. B. zur Herstellung von Teflon oder von Ionenaustauschermembranen aus Nafion.


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Letzte Überarbeitung: 05. Februar 2012, Dagmar Wiechoczek