EL-MO Elemente und Moleküle, Schulbuch

148 148 Elektrolyt – Elektroden – Anode – Katode – Zersetzungsspannung 6.6 Elektrolyse Grundprinzip Redox-Reaktionen können durch Anlegen einer Spannung erzwungen werden. Eine chemische Reaktion mit Hilfe von Spannung nennt man Elektrolyse. Eine Elektrolyse ist nur bei Anlegen von Gleichspannung möglich. Auch bei einer Elektrolyse reagieren das stärkste Reduktionsmittel und das stärkste Oxidationsmittel. Zum Unterschied von freiwillig ablaufenden Reaktionen sind die gebildeten Stoffe stärker als die Ausgangsstoffe. Elektrolyt - Anode - Katode Jede Elektrolyse-Vorrichtung besteht aus einem Elektrolyten und zwei Elektro- den. Ein Elektrolyt ist eine Lösung, die leitfähig ist (zB Salzlösung, Salzschmelze, Säure). Die Elektroden bestehen entweder aus einem Metall oder aus Grafit. Elektroden dienen manchmal nur als Elektronen-Leiter und sind dabei nicht an der Elektrolyse beteiligt. Solche Elektroden nennt man inerte (reaktionsträge) Elektroden . Die Elektrode, die am Pluspol der Spannungsquelle anliegt, nennt man Anode, die am Minuspol anliegt, Katode. Die beiden Teilreaktionen – Re- duktion und Oxidation – laufen an der jeweiligen Elektrode ab. Es gilt wieder: An der Anode erfolgt die Oxidation und an der Katode die Reduktion. Daher kann man die Anode auch als Oxidationsmittel und die Katode als Reduktionsmittel bezeichnen. Schmelzflusselektrolyse Das einfachste Beispiel für eine Elektrolyse ist die Elektrolyse einer Salzschmel- ze an inerten Elektroden, wie sie bereits in Kap. 2 besprochen wurde. Unedle Metalle, wie Aluminium, Natrium etc., können nur durch Elektrolyse der Salz- schmelze elektrolytisch gewonnen werden. Elektrolyse einer Salzlösung Bei Salzlösungen kommt als weiteres Reduktions- bzw. Oxidationsmittel Wasser dazu. Wasser kann an der Katode zu Wasserstoff reagieren: 2 H 2 O + 2 e– → H 2 + 2 OH – In wässriger Lösung können nur Metalle abgeschieden werden, deren Ionen stärkere Oxidationsmittel sind als Wasser. Dies sind im Prinzip die edlen Metalle, wie zB Kupfer und Silber. An der Anode kann Wasser zu Sauerstoff reagieren: 2 H 2 O → O 2 + 4 H + + 4 e – In wässriger Lösung dürften an der Anode daher nur Ionen reagieren, die stär- kere Reduktionsmittel sind als Wasser. Allerdings ist die Bildung von Sauerstoff auf Grund einer sehr hohen Aktivierungsenergie an den meisten Elektroden er- schwert. Wasser verhält sich daher bei der Elektrolyse wie ein sehr schwaches Reduktionsmittel. In der Spannungsreihe ist die Stellung des Wassers für Elektrolysevorgänge ex- tra angeführt. Zersetzungsspannung Wird mit Gleichspannung elektrolysiert, ist zur ständigen Abscheidung von Elektrolyseprodukten eine Mindestspannung erforderlich. Diese Mindestspan- nung nennt man Zersetzungsspannung U z . Jedem konjugiertem Redox-Paar entspricht ein bestimmtes „Abscheidungspotenzial“, das im Prinzip identisch mit dem Standardpotenzial ist. Die Zersetzungsspannung kann daher aus der Spannungsreihe (analog wie die Potenzialdifferenz bei freiwilligen Reaktionen) ermittelt werden. Abb. 148–3: Elektrodenreaktionen I Abb. 148–2: Erzwungene und freiwillige Redox- Reaktionen nach der Redox-Tabelle Abb. 148–1: Aufbau einer Elektrolyse Elektrolyt Elektroden Positive Elektrode ANODE Negative Elektrode KATODE Gleichspannungsquelle erzwungen = ELEKTROLYSE freiwillig freiwillig Ox 2 Ox 1 Red 1 Red 2 Stärke der Reduktions-Kraft Stärke der Oxidations-Kraft Negative Elektrode steigt als Gas auf oder setzt sich an der Elektrode fest e – e – Abb. 148–4: Elektrodenreaktionen II Positive Elektrode oder löst sich im Elektrolyt steigt als Gas auf e – e – Nur zu Prüfzwecken – E gentum des Verlags öbv