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Elektrolyse



Unter Elektrolyse (griech. "mittels Elektrizität befreien") versteht man die Aufspaltung einer chemischen Verbindungen unter der Einwirkung des elektrischen Stroms (Umwandlung elektrischer in chemische Energie). Michael Faraday gilt als der Namensgeber der Elektrolyse.

Table of contents
1 Prinzipien
2 Versuchsaufbau
3 Anwendungen
4 Hersteller von Elektrolyseanlagen (A-Z)
5 Weblinks

Prinzipien

Der Stromfluss im Elektrolyten wird durch die zu den Elektroden wandernden Ionen verursacht (Ionenwanderung). Die Spannungsquelle bewirkt den "Elektronensog" (Elektronenmangel) in der Anode und den "Elektronendruck" (Elektronenüberschuss) in der Kathode. Sie "pumpt" Elektronen von der Anode zur Kathode. Innerhalb des Elektrolyten teilen sich Ionisierbare Moleküle in Anionen (Negativ geladen die zur Anode wandern) und Kationen (Positiv geladen die zur Kathode wandern).

Einfluss des pH-Wertes

Bei der Elektrolyse werden zunächst die Metalle abgeschieden, die an einer höheren Stelle in der elektrochemischen Spannungsreihe(Siehe auch Redoxreihe) stehen. Eine besondere Art der Abscheidung ist die Bildung von Wasserstoff an einer Elektrode. Durch die Reduktion von H+, welches in Säuren immer vorhanden ist und mit Hilfe des pH-Wertes angegeben wird, kommt es zur Bildung von elementarem Wasserstoff.
Wird in einer sauren Lösung gearbeitet, werden theoretisch keine Metalle die unedler sind als Wasserstoff abgeschieden. Praktisch müssen aber zum einen Überspannungsbeträge (ue) und zum anderen die Größe des pH - Wertes beachtet werde. Durch Einsetzen in die Nernst-Gleichung kommt man zu der Forderung, dass ein Metall (X) nur abgeschieden werden kann, wenn gilt:

Möchte man Metalle abscheiden, die diese Forderung nicht erfüllen, muss im alkalischen Bereich gearbeitet werden.

Versuchsaufbau

Anwendungen

Elektrolyse von Wasser

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

Positiv geladene Hydronium-Ionen wandern im elektrischen Feld zu der negativ geladenen Elektrode (Kathode), wo sie jeweils ein Elektron 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 Wasserstoff 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

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 pulsierendem elektrischen und magnetischen Feld beschleunigt werden. Zur Optimierung des Wirkungsgrades können auch Temperaturerhöhung und Photonenbestrahlung (Solarhydrolyse) Einsatz finden. Auch Vakuum 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.

Schmelzflusselektrolyse

Neben Salzlösungen, sauren Lösungen und alkalischen Lösungen (Laugen) können auch geschmolzene Salze elektrolysiert werden. Die Schmelzflusselektrolyse ist ein wichtiges Verfahren zur Herstellung bzw. Gewinnung von Aluminium, aller Alkalimetalle und den meisten Erdalkalimetallen.

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)

siehe auch: Elektrolyseur

Weblinks




     
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