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Elektrolyse von Wasser

Allgemeines über Elektrolyse

Der "Vorgang" einer Elektrolyse ist eine durch elektrischen Strom erzwungene chemische Reaktion (genauer eine Redoxreaktion). Diese Reaktion (der Elektrolyse) würde freiwillig nie ablaufen. Das Prinzip bzw. der Aufbau einer Elektrolyse ist immer gleich:  

Es werden zwei Elektroden, die an eine Spannungsquelle (=> Gleichstrom) angeschlossen sind, in ein Gefäß bzw. Kammer mit einer Elektrolyt-Lösung eingetaucht. Die Elektrolyt-Lösung sorgt zum einen für die Leitfähigkeit (=> Bildung eines geschlossenen Stromkreises), zum anderen enthält die Elektrolyt-Lösung bereits den Stoff, die (in der Elektrolyse) reagieren sollen. Durch den "Anschluss" der Elektroden an die Spannungsquelle "baut" sich ein elektrisches Feld und damit ein elektrisches Potential (=> Spannung) auf. Eine Elektrode wird dabei zum Pluspol, die andere Elektrode zum Minuspol. An der Elektrode, die mit dem Pluspol der Spannungsquelle verbunden ist, liegt daher ein Elektronenmangel vor. Da in diesem Fall an dieser Elektrode die Oxidation (=> Abgabe von Elektronen) ist die Anode bei der Elektrolyse der Pluspol. Durch den Anschluss der anderen Elektrode an den Minuspol der Spannungsquelle, liegt an dieser Elektrode In der Elektrode, die mit dem Minuspol der Spannungsquelle verbunden ist, liegt ein Elektronenüberschuss vor. Da an dieser Elektrode die Reduktion stattfinden, ist die Kathode in diesem Fall der Minuspol. 

Zwischen den beiden Elektroden baut sich ein elektrisches Feld auf und "übt" dadurch elektrostatische Kräfte auf die geladenen Teilchen in der Elektrolyt-Lösung aus. Die Kationen (positiv geladene Teilchen) wandern zu dem Minuspol (Kathode) und werden dort reduziert, da sie Elektronen aufnehmen. Die Anionen (negativ geladene Teilchen) wandern zum Pluspol (Anode) und werden dort oxidiert, da sie hier Elektronen abgeben.

Im Schulunterricht lernt man die Elektrolyse meist am Beispiel der Wasserelektrolyse bzw. der Elektrolyse von Wasser kennen. Die Wasserelektrolyse verläuft nach dem gleichen Schema wie eben vorgestellt,  wobei die Elektrolyse bzw. Zerlegung von Wasser mit Hilfe des elektrischen Stromes die Produkte Wasserstoff und Sauerstoff liefert.



Die Elektrolyse von Wasser - Wasserelektrolyse

Am Beispiel der Wasserelektrolyse können als Prinzipen der Elektrolyse "beobachtet" werden. Zum einen lässt sich feststellen, ob es sich bei der Reaktion wirklich um eine Elektrolysereaktion (=> erzwungene Reaktion) handelt und welche Spannung dazu notwendig ist. Dazu nehmen wir uns eine Formelsammlung und suchen nach dem elektrochemischen Potential beider Teilreaktionen (bei der Elektrolyse von Wasser entsteht Wasserstoff und Sauerstoff). Nun stellen wir die Teil-Reaktionsgleichungen auf, ordnen den Elektroden die Begriffe "Anode" und "Kathode" zu und weisen den Reaktionen ein Potential mit Hilfe der elektrochemischen Spannungsreihe zu:

Anode    (Oxidation):  6 H2O => O₂ + 4 H3O⁺ + 4 e⁻              E° = +1,23 V
Kathode (Reduktion)  2 H3O⁺ + 2 e⁻ => H₂ + 2 H2O              E° = 0,00 V

Gemäß der Formel zur Bestimmung der Potentialdifferenz (=> elektromotorische Kraft) gilt folgendes:

∆E0 =  E0 (Kathode) – E0 (Anode) = 0,00 V - 1,23 V = - 1,23V

Is  ∆E > 0 V, so liegt eine freiwillig ablaufende Redoxreaktion vor (galvanische Zelle). Ist hingegen ∆E < 0 V, so liegt eine erzwungene Redoxreaktion vor (Elektrolyse).

Aufgrund der Potentialdifferenz ∆E = - 1,23 V (< 0 V), wissen wir nun, dass es sich bei der Reaktion von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff um eine Elektrolyse handelt.Darüber hinaus benötigen wir für eine erfolgreiche Elektrolyse von Wasser mind. eine anliegende Spannung von 1,23 Volt.


Die Elektrolyse von Wasser und deren Durchführung:


Betrachten wir uns nun den Ablauf der Elektrolyse. Bei der Elektrolyse von Wasser werden die Gase Wasserstoff und Sauerstoff im Volumenverhältnis 2:1 gebildet:

2 H2O ——> 2 H2  +  O2

Würde wir nun in Wasser zwei Elektroden eintauchen, mit einer Spannungsquelle verbinden und die benötigte Spannung anlegen, würden wir keine Reaktion beobachten. Dies liegt daran, dass "reines" Wasser kaum elektrisch leitfähig ist und darüber hinaus ein neutrales Molekül. Das Wassermolekül würde dadurch weder vom positiv noch vom positiv geladenen Pol angezogen. Bei der Elektrolyse von Wasser werden daher nicht die Wassermoleküle in die Bestandteile zerlegt, sondern die "ionischen" Produkte des Wassers, die H+  und OH- Ionen. Diese Ionen entstehen durch die Eigendissoziation von Wasser (begünstigt durch einen entsprechenden pH-Wert: pH + pOH = 14)

Daher sorgen wir im ersten Schritt der Elektrolyse für eine gute elektrische Leitfähigkeit der Elektrolyt-Lösung. Nun könnte wir einfach eine -in Wasser lösliche- ionische Verbindung geben. Allerdings müssen wir hierbei berücksichtigen, dass diese zugegebenen Ionen auch an der Elektrolyse teilnehmen können (z.B. die Zugabe von Salzsäure lässt unter geeigneten Bedingungen Chlor entstehen). Daher nimmt man in der Regel verdünnte Schwefelsäure.

Nachdem die Leitfähigkeit der Elektrolyt-Lösung ausreichend ist und auch "genügend" H+ und OH- Ionen zur Durchführung der Elektrolyse vorliegen, legen wir nun die Spannung an, wodurch wir in der Elektrolyt-Lösung zwischen Anode und Kathode ein elektrisches Feld aufbauen.

Die positiv geladenen H+ Ionen (bzw. H3O+ Ionen) wandern im elektrischen Feld zu der negativ geladenen Kathode. Da an der Elektrode ein Elektronenüberschuss vorliegt, nehmen die Ionen Elektron auf. Dabei werden H+ Ionen (bzw. H3O+ Ionen) zu Wasserstoff reduziert.

Kathode: 2 H3O+  +  2 e-  →  H2  +  2 H2O

Die Bildung von gasförmigen Wasserstoff können wir nun an der Kathode beobachten. Wie die obige Reaktionsgleichung zeigt (auch manchmal formuliert als: 2 H2O  +  2 e- → H2  +   2 OH-) zeigt, wird an der Kathode nicht nur Wasserstoff gebildet, sondern auch der pH-Wert beeinflusst (durch die "Entnahme" der Oxonium-Ionen wird der Kathodenraum basischer).



Die negativ geladenen OH- Ionen wandern im elektrischen Feld zu der positiv geladenen Anode. Da an der Elektrode ein Elektronenmangel vorliegt, geben die negativ geladenen Ionen Elektronen ab. Dadurch werden die Hydroxyd-Ionen zu Sauerstoff oxidiert.

Anode: 4 OH-  →  O2  +  2 H2O  +  4 e-

Die Bildung von gasförmigen Sauerstoff können wir nun an der Anode beobachten. Wie die obige Reaktionsgleichung zeigt (auch manchmal formuliert als: 6 H2O  →  O2   +   4 H3O+  +  4 e-) zeigt, wird an der Anode nicht nur Sauerstoff gebildet wird, sondern auch der pH-Wert beeinflusst (durch die "Entnahme" der Hydroxyd-Ionen wird der Anodenraum saurer).



Wie wir nun gesehen haben, besteht die Elektrolyse von Wasser aus zwei Teilreaktionen, die an zwei Elektroden ablaufen und damit analog dem Prinzip jeder Elektrolyse ablaufen. Die Elektrolyse von Wasser ist dabei -energetisch gesehen- ein effizienter Prozess, der Wirkungsgrad der Elektrolyse von Wasser liegt bei über 70 %.