Zusammenfassung von Elektrochemie: Elektrolyse

Ziele

1. Verstehen, was Elektrolyse im Kern bedeutet und welche praktischen Einsatzmöglichkeiten es gibt.

2. Probleme bei der Elektrolyse von Schmelzen und Lösungen angehen – mit einem speziellen Schwerpunkt auf der Wasserelektrolyse.

Kontextualisierung

Die Elektrolyse ist ein wesentlicher chemischer Prozess, bei dem elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt wird. Diese Methode findet in verschiedenen Industriezweigen Anwendung, von der Metallverarbeitung bis hin zur Wasseraufbereitung. So ist beispielsweise in der Aluminiumherstellung die Elektrolyse unverzichtbar, um das Metall aus seinen Erzen zu gewinnen. Zudem bietet die Wasserelektrolyse große Chancen bei der Produktion von Wasserstoff, der als sauberer Energieträger genutzt werden kann. Das Verständnis dieses Prozesses bildet die Basis, um zu erkennen, wie wissenschaftliche Erkenntnisse unsere technischen Alltagslösungen voranbringen können.

Fachrelevanz

Zu erinnern!

Grundprinzip der Elektrolyse

Bei der Elektrolyse handelt es sich um einen chemischen Prozess, bei dem mithilfe eines elektrischen Stroms eine nicht-spontane Reaktion in Gang gesetzt wird. Grundsätzlich wandelt die Elektrolyse elektrische Energie in chemische Energie um und ermöglicht so die Zerlegung von Substanzen. Dieser Prozess ist in vielen industriellen Anwendungen unverzichtbar, etwa in der Metallherstellung, bei der Reinigung von Stoffen oder zur Erzeugung sauberer Energieträger.

• Die Elektrolyse erfordert eine konstante Stromquelle.

• Der Vorgang läuft in einer elektrolytischen Zelle ab, die aus Elektroden und einem Elektrolyten besteht.

• Die Ionen im Elektrolyten bewegen sich zu den Elektroden, wo jeweils Oxidations- und Reduktionsvorgänge stattfinden.

Schmelz-Elektrolyse

Die Schmelz-Elektrolyse wird bei geschmolzenen, also flüssigen Substanzen ohne Wasser durchgeführt. Vor allem in der Gewinnung von Metallen aus ihren Erzen kommt dieses Verfahren zum Einsatz. Ein klassisches Beispiel ist die Elektrolyse von geschmolzenem Natriumchlorid, bei der metallisches Natrium und gasförmiges Chlor entstehen.

• Die Schmelz-Elektrolyse erfolgt ohne Zugabe von Wasser und ausschließlich an geschmolzenen Stoffen.

• Sie findet vor allem in der metallurgischen Industrie Anwendung.

• Hohe Temperaturen sind notwendig, um den flüssigen Zustand der Substanz aufrechtzuerhalten.

Wässrige Elektrolyse

Bei der wässrigen Elektrolyse wird in Lösungen gearbeitet, in denen Wasser als Lösungsmittel dient. Dieses Verfahren zielt darauf ab, in Wasser gelöste Verbindungen zu spalten. Ein weit verbreitetes Beispiel ist die Wasserelektrolyse, bei der Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt werden – ein Prozess, der für die Herstellung umweltfreundlicher Brennstoffe von großem Interesse ist.

• Die wässrige Elektrolyse findet in wasserbasierten Lösungen statt.

• Sie dient der Zerlegung von in Wasser gelösten Stoffen.

• Dabei können Gase wie Wasserstoff und Sauerstoff entstehen, die für verschiedene Energieanwendungen bedeutend sind.

Praktische Anwendungen

• Aluminiumproduktion: Hier wird die Schmelz-Elektrolyse eingesetzt, um Aluminium aus Bauxit zu gewinnen.

• Wasserstoffproduktion: Die Wasserelektrolyse bietet ein vielversprechendes Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff als sauberem Brennstoff.

• Galvanisierung: Durch den Einsatz der Elektrolyse werden Gegenstände mit Metallen wie Gold, Silber oder Chrom beschichtet, was deren Haltbarkeit und optisches Erscheinungsbild verbessert.

Schlüsselbegriffe

• Elektrolyse: Ein Prozess, bei dem elektrischer Strom genutzt wird, um eine nicht-spontane chemische Reaktion auszulösen.

• Schmelz-Elektrolyse: Elektrolyse, die an geschmolzenen Substanzen durchgeführt wird.

• Wässrige Elektrolyse: Elektrolyse in wasserbasierten Lösungen.

• Elektrolytische Zelle: Die Vorrichtung, in der die Elektrolyse abläuft, bestehend aus Elektroden und Elektrolyt.

• Elektroden: Bauteile der elektrolytischen Zelle, an denen Oxidations- und Reduktionsreaktionen stattfinden.

Fragen zur Reflexion

• Wie kann die Elektrolyse dazu beitragen, Umweltprobleme zu lösen, etwa durch die Erzeugung sauberer Brennstoffe?

• Welche Vor- und Nachteile ergeben sich bei der Schmelz-Elektrolyse im Vergleich zur wässrigen Elektrolyse?

• Auf welche Weise könnte der Einsatz der Elektrolyse in zukünftigen Technologien und Industriezweigen erweitert werden?

Praktische Herausforderung: Elektrolyse von Wasser

Diese praktische Aufgabe bietet Ihnen die Gelegenheit, die Elektrolyse von Wasser direkt zu beobachten, den Prozess der Wasserstoff- und Sauerstoffgewinnung näher kennenzulernen und nachzuvollziehen.

Anweisungen

• Stellen Sie einen einfachen Stromkreis zusammen: Benutzen Sie eine 9V-Batterie, zwei Kupferdrähte, zwei Bleistifte (ohne Holzummantelung), einen Wasserbehälter und etwas Natron.

• Schälen Sie die Bleistifte an den Enden ab, um das leitende Graphit freizulegen, und verbinden Sie die Kupferdrähte mit den jeweiligen Batteriepolen.

• Befestigen Sie an den freien Enden der Kupferdrähte jeweils eine Büroklammer und legen Sie die Bleistifte so in den Wasserbehälter, dass sie sich nicht berühren.

• Geben Sie einen Esslöffel Natron ins Wasser, um dessen Leitfähigkeit zu verbessern, und schließen Sie den Stromkreis, indem Sie die Büroklammern mit dem freiliegenden Graphit der Bleistifte verbinden.

• Beobachten Sie genau, was an den Elektroden (Graphitstiften) während der Elektrolyse geschieht, und notieren Sie Ihre Beobachtungen.

• Identifizieren Sie die an den Elektroden entstehenden Gase und diskutieren Sie, wie diese im Labor ermittelt werden können.