Naturwissenschaften
Was ist Elektrolyse, einfach erklärt, und wie funktioniert sie?
Kurze Antwort
Bei der Elektrolyse zerlegt elektrischer Strom eine geschmolzene oder gelöste Verbindung. Positive Ionen wandern zum Minuspol, negative Ionen zum Pluspol.
In einem Satz
Elektrolyse ist die Zerlegung einer Verbindung in einfachere Stoffe mit Hilfe von elektrischem Strom, während die Verbindung geschmolzen oder gelöst ist.
Erklärt
Manche Verbindungen halten ihre Elemente sehr fest. Natrium aus Kochsalz oder Aluminium aus Bauxit bekommt man nicht einfach durch Erhitzen heraus. Die Elektrolyse nutzt elektrischen Strom, um sie zu trennen. Das Wort bedeutet „Zerlegung durch Elektrizität“. Sie ist die Umkehrung einer Batterie: In der Batterie erzeugt eine chemische Reaktion Strom, bei der Elektrolyse erzwingt Strom eine chemische Reaktion.
Blitz
Löffel
Tasse
Man braucht drei Dinge:
- einen Elektrolyten: eine Ionenverbindung als Schmelze oder in Wasser gelöst, damit sich die Ionen bewegen können;
- zwei Elektroden: Stäbe, oft aus Graphit (Kohlenstoff) oder Metall, die in den Elektrolyten tauchen;
- eine Gleichspannungsquelle, zum Beispiel eine Batterie oder ein Netzgerät.
Die Elektrode am Pluspol heißt Anode, die am Minuspol Kathode.
Ionenverbindungen bestehen aus geladenen Teilchen, den Ionen. Fließt Strom, ziehen sich entgegengesetzte Ladungen an:
- Kationen (positive Ionen: Metall-Ionen und Wasserstoff-Ionen) wandern zur Kathode. Dort nehmen sie Elektronen auf und werden zu Atomen. Elektronenaufnahme heißt Reduktion.
- Anionen (negative Ionen, etwa Chlorid, Cl⁻) wandern zur Anode. Dort geben sie Elektronen ab. Elektronenabgabe heißt Oxidation.
Merkhilfe: Anode und Oxidation beginnen mit einem Vokal, Kathode und Reduktion mit einem Konsonanten.
Schmelzflusselektrolyse: Bei geschmolzenen Salzen ist es am einfachsten. An der Kathode entsteht das Metall, an der Anode das Nichtmetall. Bleibromid-Schmelze liefert Blei und Brom, Natriumchlorid-Schmelze Natrium und Chlor.
Elektrolyse wässriger Lösungen: Hier kann auch das Wasser selbst reagieren:
- An der Kathode entsteht Wasserstoff, außer das Metall ist edler als Wasserstoff (Kupfer, Silber, Gold): Dann scheidet sich das Metall ab.
- An der Anode entsteht Sauerstoff, außer die Lösung enthält Chlorid-, Bromid- oder Iodid-Ionen: Dann entsteht Chlor, Brom oder Iod.
Elektrolyse von Wasser. Reines Wasser leitet kaum, deshalb gibt man etwas verdünnte Schwefelsäure oder ein Salz wie Natriumsulfat dazu. Im klassischen Hofmannschen Wasserzersetzungsapparat steigt an der Kathode Wasserstoff auf, an der Anode Sauerstoff: 2 H₂O → 2 H₂ + O₂. Man erhält doppelt so viel Wasserstoff wie Sauerstoff (nach Volumen). Kommt der Strom aus Wind- oder Solarenergie, spricht man von „grünem Wasserstoff“. Geräte, die das im großen Maßstab tun, heißen Elektrolyseure.
Die Elektrolyse ist eine chemische Reaktion (es entstehen neue Stoffe), und sie braucht ständig Energiezufuhr, ist also endotherm. Zum ersten Mal gelang sie im Jahr 1800: William Nicholson und Anthony Carlisle zerlegten Wasser kurz nachdem Alessandro Volta die Batterie erfunden hatte. In den 1830er-Jahren führte Michael Faraday die Wörter Elektrolyse, Elektrode, Anode, Kathode und Ion ein.
Beispiele
| Elektrolyt | An der Kathode (−) | An der Anode (+) |
|---|---|---|
| Bleibromid-Schmelze, PbBr₂ | Blei | Brom |
| Natriumchlorid-Schmelze, NaCl | Natrium | Chlor |
| Aluminiumoxid in geschmolzenem Kryolith | Aluminium | Sauerstoff (reagiert mit der Kohleanode zu CO₂) |
| Natriumchlorid-Lösung (Sole) | Wasserstoff | Chlor (in der Lösung bleibt Natronlauge) |
| Kupfer(II)-sulfat-Lösung, Graphitelektroden | Kupfer | Sauerstoff |
| Verdünnte Schwefelsäure | Wasserstoff | Sauerstoff |
Anwendungen: Gewinnung sehr unedler Metalle wie Aluminium und Natrium, die Chlor-Alkali-Elektrolyse (Chlor, Wasserstoff und Natronlauge aus Sole), die Reinigung von Kupfer und das Galvanisieren: ein billiges Metall mit einer dünnen Schicht Silber, Gold, Chrom oder Nickel überziehen. Um einen Löffel aus Metall zu versilbern, schaltet man ihn als Kathode in eine Lösung mit Silber-Ionen; das Silber lagert sich auf ihm ab.
Häufige Fehler
- Anode und Kathode vertauschen. Bei der Elektrolyse ist die Anode der Pluspol (Oxidation), die Kathode der Minuspol (Reduktion).
- Einen festen Ionenkristall elektrolysieren wollen. Die Ionen müssen beweglich sein: Der Stoff muss geschmolzen oder gelöst sein.
- Glauben, in Lösung entstehe immer das Metall. Bei Kochsalzlösung entsteht Wasserstoff, weil Natrium viel unedler ist als Wasserstoff.
- Chlor als Cl schreiben. Chlor, Brom, Wasserstoff und Sauerstoff bestehen aus Molekülen: Cl₂, Br₂, H₂, O₂.
Schritt für Schritt
Schritt für Schritt
- Schmelze oder Lösung?Schmelze: Metall an der Kathode, Nichtmetall an der Anode. Lösung: weiter mit den nächsten zwei Schritten.
- Kathode (−)Ist das Metall edler als Wasserstoff (Kupfer, Silber, Gold)? Dann scheidet sich das Metall ab. Sonst entsteht Wasserstoff.
- Anode (+)Sind Chlorid-, Bromid- oder Iodid-Ionen da? Dann entsteht das Halogen. Sonst entsteht Sauerstoff.
- Teilgleichungen aufstellenKathode: Ionen nehmen Elektronen auf, z. B. Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cu. Anode: Ionen geben Elektronen ab, z. B. 2 Cl⁻ → Cl₂ + 2 e⁻.
- Prüfen, was übrig bleibtIn Lösung bleiben die Ionen zurück, die nicht reagiert haben, etwa Natronlauge aus Sole.
Übungsaufgaben
Sage die Produkte vorher
Löse jede Aufgabe und prüfe dann deine Antwort.
- Kaliumbromid-Schmelze.
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Kathode: Kalium. Anode: Brom. - Zinkchlorid-Schmelze.
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Kathode: Zink. Anode: Chlor. - Kupfer(II)-chlorid-Lösung.
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Kupfer ist edler als Wasserstoff: Kupfer an der Kathode. Chlorid-Ionen: Chlor an der Anode. - Natriumsulfat-Lösung.
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Natrium ist unedler als Wasserstoff: Wasserstoff an der Kathode. Kein Halogenid: Sauerstoff an der Anode. - Kaliumiodid-Lösung.
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Kathode: Wasserstoff. Anode: Iod (die Lösung färbt sich braun). - Silbernitrat-Lösung.
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Kathode: Silber. Anode: Sauerstoff. - Welche Elektrode zieht Cl⁻-Ionen an?
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Negative Ionen wandern zum Pluspol: zur Anode. - Ergänze die Teilgleichung: Al³⁺ + ___ → Al.
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Das Aluminium-Ion braucht drei Elektronen: Al³⁺ + 3 e⁻ → Al - Ergänze die Teilgleichung: 2 Br⁻ → Br₂ + ___.
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Zwei Bromid-Ionen geben je ein Elektron ab: 2 Br⁻ → Br₂ + 2 e⁻ - Läuft an der Kathode eine Oxidation oder eine Reduktion ab?
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Dort werden Elektronen aufgenommen: Reduktion. - Bei der Wasserelektrolyse werden 20 mL Sauerstoff aufgefangen. Wie viel Wasserstoff entsteht?
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2 H₂O → 2 H₂ + O₂, also das doppelte Volumen: 40 mL - Ein Strom von 2,0 A fließt 965 s lang durch Kupfersulfat-Lösung. Wie viel Kupfer scheidet sich ab? (1 mol Elektronen = 96 500 C; M(Cu) = 63,5 g/mol)
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Q = I · t = 2,0 · 965 = 1930 C = 1930 ÷ 96 500 = 0,02 mol Elektronen. Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cu, also 0,01 mol Cu · 63,5 g/mol = 0,635 g
Sachaufgaben
Elektrolyse in Technik und Alltag
Löse jede Aufgabe und prüfe dann deine Antwort.
- Aluminiumoxid schmilzt erst über 2000 °C. Warum löst man es vor der Elektrolyse in geschmolzenem Kryolith?
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Kryolith senkt die Betriebstemperatur (auf etwa 950 °C), das spart viel Energie und Geld. - Warum müssen die Kohleanoden in einer Aluminiumhütte oft ersetzt werden?
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Der an den Anoden entstehende Sauerstoff reagiert mit dem heißen Kohlenstoff zu Kohlenstoffdioxid, die Anoden brennen also langsam ab. - Eine Goldschmiedin will einen Ring vergolden. Muss der Ring Anode oder Kathode sein?
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Kathode: Die positiven Gold-Ionen werden von ihm angezogen und bilden eine Schicht aus metallischem Gold. - Warum heißt Wasserstoff aus einer Elektrolyse mit Solarstrom „grün“?
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Der Strom stammt aus einer erneuerbaren Quelle, deshalb entsteht bei der Herstellung wenig oder kein Kohlenstoffdioxid. - Leon versucht, einen Haufen trockenes Kochsalz zu elektrolysieren, und nichts passiert. Was sollte er tun, und warum?
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Das Salz in Wasser lösen (oder schmelzen). Im Feststoff sind die Ionen nicht beweglich, also fließt kein Strom.
Häufige Fragen
Was ist Elektrolyse in der Chemie, einfach erklärt?
Elektrischer Strom zerlegt eine Verbindung in einfachere Stoffe. Die positiven Ionen wandern zur einen Elektrode, die negativen zur anderen, und dort werden sie zu Atomen oder Molekülen.
Wie funktioniert die Elektrolyse von Wasser zu Wasserstoff?
Zwei Elektroden tauchen in Wasser, dem etwas Säure oder Salz zugesetzt ist. An der Kathode (Minuspol) entsteht Wasserstoff, an der Anode (Pluspol) Sauerstoff. Das Wasser zerfällt dabei, weil der Strom die Energie liefert, um die Bindungen im Wassermolekül zu lösen.
Was ist ein Elektrolyseur?
Ein Gerät, das mit Strom Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet, meist im großen Maßstab. Der Wasserstoff kann gespeichert und später als Brennstoff oder Rohstoff für die Industrie genutzt werden.
Wie funktioniert die Elektrolyse im Pool?
Ein Salzelektrolyse-Gerät im Pool spaltet leicht salziges Wasser so, dass aus Chlorid-Ionen wirksames Chlor entsteht, das das Wasser desinfiziert. Danach wird daraus wieder Salz, das Salz wird also kaum verbraucht.
Was passiert bei einem Elektrolyse-Fußbad?
Die braune Farbe entsteht durch die Elektrolyse selbst: Die Metallelektrode reagiert im Salzwasser, und es bilden sich rostfarbene Eisenverbindungen, auch ganz ohne Füße im Wasser. Dass dabei Giftstoffe aus dem Körper gezogen werden, ist wissenschaftlich nicht belegt.
Hat das etwas mit Elektrolyse-Haarentfernung zu tun?
Es ist dasselbe Wort. Fachleute führen eine sehr feine Sonde in den Haarfollikel ein und schicken einen winzigen Strom hindurch, um die Haarwurzel zu zerstören; bei einer der Methoden findet dabei eine Elektrolyse der salzigen Gewebeflüssigkeit statt. Das ist eine kosmetische Behandlung, kein Schulversuch.
Kurzes Quiz
Elektrolyse
Teste dein Wissen mit 4 kurzen Fragen.
Frage 1 von 4
Warum kann man festes Natriumchlorid nicht elektrolysieren?
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