Lexikon: Elektrolyse

 

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Unter Elektrolyse (Griechische Sprache|griech. "mittels Elektrizität befreien") versteht man die Aufspaltung einer Chemische Verbindung|chemischen Verbindung unter der Einwirkung des Elektrischer Strom|elektrischen Stroms. Viele Elektrolysen sind technisch sehr bedeutend: Die e Aluminium und werden elektrolytisch hergestellt, letzteres wird wiederum zur Produktion von Titan (Element)|Titan benötigt. Die Alkalimetalle und die meisten Erdalkalimetalle werden durch Elektrolyse gewonnen, ferner die Halogene , Brom und , das etwa für weitere Synthese (Chemie)|Synthesen in großem Maßstab verwendet wird. Auch die Galvanik beruht auf Elektrolysen.

Metallabscheidungen gehören zu den wichtigsten Anwendungen, entweder – wie die oben genannten Beispiele zeigen - zur Gewinnung von elementaren Metallen als solchen oder zur Erzeugung von metallischen Überzügen bei der Galvanik oder zur Herstellung von Leiterbahnen in der Prozessorproduktion, außerdem zur Reinigung und Trennung von Metallen bei der Elektroraffination. Wie die obigen Beispiele zeigen, werden aber auch Nichtmetalle wie die Halogene elektrolytisch gewonnen. Besonders zu erwähnen sind und , die durch Wasserelektrolyse prinzipiell sehr leicht zugänglich sind. Bisher war es aber zumeist billiger, Wasserstoff aus oder und Sauerstoff aus der zu gewinnen, während die Elektrolyse nur in Gegenden rentabel war, in denen billiger Strom, z.B. aus Wasserkraft, zur Verfügung stand. Wenn sich Erdgas und Erdöl und daraus gewonnene Treibstoffe weiter verteuern, so ist zu erwarten, dass zukünftig der Wasserelektrolyse mittels elektrischer Energie z.B. aus Kern- und Solarstrom zur Gewinnung von Wasserstoff als Energieträger eine besondere Bedeutung gewinnt.

Bei der Elektrolyse wird elektrische in chemische umgewandelt. Besonders im Falle von Wasserstoff und Sauerstoff wird auch die Umkehrung genutzt, die Gewinnung von elektrischer Energie in der Brennstoffzelle, die zusammen mit der Wasserelektrolyse zentrale Baustein einer zukünftigen Wasserstoffwirtschaft wären.

Zur Geschichte

1799/1800? erfand Alessandro Volta die erste brauchbare Batterie, die voltasche Säule. Mit dieser Stromquelle waren erstmals auch gezielte Anwendungen der Elektrolyse möglich, und bald darauf wurde sie genutzt – vor allem von Humphry Davy in den Jahren 1807 und 1808, um die bis dahin unbekannten Elemente Natrium, Kalium, Barium, Strontium, Kalzium und Magnesium herzustellen. Michael Faraday untersuchte die Elektrolyse genauer und entdeckte Faradaysche Gesetze|ihre Grundgesetze, nämlich die Abhängigkeit der umgesetzten Massen von Ladung und Molmasse. Außerdem schuf Faraday auch die Begriffe Elektrolyse, , Elektrolyt, , , Anion und Kation, veröffentlicht in seiner Arbeit 1832/1834?

1886 entwickelten Paul Louis Toussaint Héroult und Charles Martin Hall eine Elektrolysemethode zur Gewinnung von Aluminium, die heute nach den Entdeckern Hall-Héroult-Process genannt wird und die Grundlage heutiger Verfahren ist. Schon zwei Jahre später wurden Firmen gegründet, die diese anwandten, und 1900 wurden bereits 80000 Tonnen Aluminium elektrolytisch gewonnen.

Prinzipien

Die Elektrolyse ist ein Vorgang, der durch die von außen angelegte elektrische Spannung erzwungen wird: Die Spannungsquelle bewirkt einen Elektronenmangel ("Elektronensog") in der mit dem Pluspol verbunden Elektrode und einen Elektronenüberschuss ("Elektronendruck") in der anderen, mit dem Minuspol verbundenen Elektrode. Die elektrochemische erfolgt an der und besteht in einem Elektronenentzug durch die Elektrode: Die Anode ist bei der Elektrolyse die positiv geladene Elektrode (Pluspol), die ist der Minuspol. Damit die Spannung während der Elektrolyse aufrecht erhalten bleibt, muss von außen Energie zugeführt werden, und es fließen elektrische Ströme: Die Spannungsquelle bringt Elektronen von der Anode, also vom Pluspol, zum Minuspol, was nur möglich ist, indem sie eine entsprechende Arbeit leistet. Sie "pumpt" Elektronen von der Anode zur Kathode. Damit der Stromkreis geschlossen bleibt, muss im Elektrolyten dieselbe Stromstärke herrschen, wobei der Ladungstransport hier durch die Ion (Chemie)|Ionen erfolgt: die negativ geladenen Anionen wandern bevorzugt zur Anode, die positiv geladenen Kationen wandern zur negativ geladenen Kathode. Der Übergang zwischen Elektronenleitung und Ionenleitung erfolgt durch die Vorgänge an den Elektroden.

Versuchsaufbau

thumb|Beschreibung

Anwendungen

Elektrolyse von Wasser

Die Elektrolyse von Wasser besteht aus 2 Teilreaktionen, die an den 2 n ablaufen. Die Elektroden tauchen in Wasser ein, welches durch die Zugabe von etwas besser leitend gemacht wird.

Positiv geladene Hydronium-Ionen wandern im elektrischen Feld zu der negativ geladenen Elektrode (Kathode), wo sie jeweils ein aufnehmen. Dabei entstehen Wasserstoff-Atome, die sich mit einem weiteren, durch Reduktion entstandenen H-Atom zu einem Wasserstoff-Molekül vereinigen. Übrig bleiben Wasser-Moleküle.

2 H3O+ + 2 e- → H2 + 2 H2O

Der abgeschiedene, gasförmige steigt an der Kathode auf.

Zur positiv geladenen Elektrode (Anode) wandern die negativ geladenen Hydroxid-Ionen. Jedes Hydroxid-Ion gibt zwei Elektronen an den Plus-Pol ab, so dass Sauerstoff-Atome entstehen, die sich zu Sauerstoff-Molekülen vereinigen. Die übrig bleibenden H+-Ionen werden umgehend von Hydroxid-Ionen zu Wasser-Molekülen neutralisiert.

2 OH- → 1/2 O2 + H2O + 2 e-


Auch hier steigt der abgeschiedene Sauerstoff als farbloses Gas an der Anode auf.

Die Gesamtreaktionsgleichung der Elektrolyse von Wasser lautet:

4 H3O+ + 4 OH- → 2 H2 + O2 + 6 H2O

Der Wirkungsgrad der Elektrolyse von Wasser liegt bei ca. 70 %. Bei der alkalischen Elektrolyse bei etwa 90 %. Die energetische Betrachtung ist beispielsweise bei der Nutzung von Wasserstoff als Energieträger vonnöten.

Wenig dokumentiert ist die elektrodynamische Elektrolyse, in der die Ionen in einem pulsierenden elektrischen und magnetischen Feld beschleunigt werden. Zur Optimierung des Wirkungsgrades können auch Temperaturerhöhung und Photonenbestrahlung (Solarhydrolyse) Einsatz finden. Auch kann in der Extraktion von gasartigen Elektrolyseprodukten wirkungsgraderhöhend angewandt werden.

Spezialfälle der Elektrolyse sind die Voltammetrie und die Polarographie. Hier verwendet man die Messung des Elektrolysestromes, in Abhängigkeit von der Spannung, um Aufschluss über die chemische Zusammensetzung des Elektrolyten zu erhalten.

Quantitative Analyse

Die Zersetzung von Elektrolyten durch elektrischen Strom wird in der Elektrogravimetrie und in der Coulometrie angewendet, um Informationen über den Metallgehalt einer Probe zu erlangen.

Hersteller von Elektrolyseanlagen (A-Z)

  • Ammonia Casale
  • Hidroenergia VCST
  • Proton Energy System Incorporated
  • Norsk Hydro Electrolysers AS (Norwegen)
  • Stuart Energy Europe NV (Belgien)
  • Teledyne Energy Systems Inc.
  • The Electrolyser Corporation Ltd. (Kanada)


Siehe auch

  • Elektrolyseur
  • Chemie für die Schule
  • Portal Chemie

Weblinks

Kategorie:Elektrochemie Kategorie:Trennverfahren

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