Elektrolyse

Die Elektrolyse ist ein Prozess, bei dem elektrische in chemische Energie umgewandelt wird. Der Prozess findet in einem Elektroyt, einer wässrigen Lösung bzw. Salzschmelze statt, welche die Übertragung von Ionen ermöglicht. Der Elektrolyt ist die Verbindung, die den Stromkreis zwischen zwei Elektroden schließt, welche widerum durch eine Gleichstromquelle miteinander verbunden sind. Diese Einheit wird Elektrolysezelle genannt und ist in der folgenden Zeichnung dargestellt:

Darst. einer Elektrolysezelle

Wird ein Strom angelegt wandern die sich in Lösung befindenen Kationen zur Kathode und die Anionen zur Anode. An den Elektroden werden die Kationen reduziert und die Anionen oxidiert.

Um Reaktionen in der Elektrolysezelle zu steuern kann man unterschiedliche Elektrodenmaterialien wählen. Auch durch die Wahl eines speziellen Elektrolyten (enthält Ionen die den Elektrolyseprozess fördern und eine Leitfähigkeit erst ermöglichen) lassen sich unterschiedliche Reaktionen und Effekte erzielen.

Beim galvanisieren z.B. dient das zu galvanisierende Metall als Kathode. Dort scheiden sich das Ionen direkt auf dem Werkstück ab. 

Zur Herstellung von sehr reinem Kupfer wird die Anode mit verunreinigtem Kupfer gewählt. Die an der Anode in Lösung gehenden Cu²⁺- Ionen scheiden sich dann an der Kathode als metallisches Kupfer ab. Verunreinigungen die ausserdem in der Anode waren nehmen nicht an der Reaktion teil. Auch Silber wird auf diese Art gereinigt. 

Bei einigen Prozessen (NaOH- Herstellung) wird eine Membran eingesetzt, die Anoden- und Kathodenraum voneinander trennt, da sich die dort entstanden Nebenprodukte der Elektrolyse nicht mit der entgegengesetzten Elektrode in Kontakt kommen sollen, da sonst eine unerwünschte Reaktion bevorzugt wird.

Um die Reaktionen die in der Zelle ablaufen vorhersagen zu können benutzt man die “elektrochemische Spannungsreihe”. In dieser Tabelle (Ausschnitt siehe unten) sind die Elemente nach ihrem “Normal-/ Standardpotential” geordnet. Das Normalpotential (E₀) gibt die Fähigkeit des betreffenden Elements an, in Bezug auf Wasserstoffionen, Elektronen abzugeben. In der Reihe wurde Wasserstoff beliebig das Normalpotential 0 zugeordnet. Die anderen Elemente haben entweder ein positives oder ein negatives Vorzeichen. Das bedeutet, dass sie entweder leichter (neg. Vorzeichen) oder schwerer (pos. Vorzeichen) als Wasserstoff oxidieren. 

Li/ Li⁺                    -3,04 mV

K/ K⁺                     -2,92 mV

Ca/ Ca²⁺                - 2,87 mV

Na/ Na⁺                  -2,71 mV

Mg/ Mg²⁺                -2,37 mV

Mn/ Mn²⁺                -1,18 mV

2H₂O/ H₂+ 2OH^-         - 0,83 mV

Zn/ Zn²⁺                 -0,76 mV

Cr/ Cr³⁺                  -0,74 mV

Fe/ Fe²⁺                 -0,56 mV

Fe/ Fe³⁺                 -0,44 mV

Cd/ Cd²⁺                 -0,40 mV

Ti/ Ti²⁺                   -0,34 mV

Co/ Co²⁺                 -0,28 mV

Ni/ Ni²⁺                   -0,23 mV

Sn/Sn²⁺                  -0,14 mV

Pb/ Pb²⁺                      -0,13 mV

H₂/ 2H⁺                     ±0,00 mV

Cu/Cu⁺                   +0,34 mV

2Hg/ Hg₂²⁺              +0,79 mV

Ag/ Ag⁺                  +0,80 mV

Hg/ Hg2⁺                 +0,85 mV

Pt/ Pt²⁺                  +1,20 mV

Cl₂/ 2Cl^-                  +1,36 mV

Au/ Au⁺                   +1,50 mV

F₂/ 2F^-                    +2,87 mV

Darstellung der elektrochem. Spannungsreihe (Normalpotentiale bei 25ºC)

Generell sind Elemente, speziell die Metalle, edel, wenn sie ein positives Vorzeichen haben und unedel bei negativem Vorzeichen. Von Ausnahmen abgesehen kann man so auch auf das Vorkommen in der Erdkruste schließen. Edle Metalle kommen gwöhnlich im elementaren Zustand vor, während unedle Metalle meißt nur in Verbindungen zu finden sind.

Wie oben erwähnt hängt das Vermögen zu oxidieren vom Normalpotential des Elements ab, somit auch Vermögen zu reduzieren. Starke Reduktionsmittel (werden selbst oxidiert) haben somit ein stark negatives Standardpotential, während starke Oxidationsmittel (werden selbst reduziert) einen stark positiven Wert haben.

Elektrolyseprozesse finden nicht nur unter kontrollierten Bedingungen statt. Der galvanische Korrosionsprozess z.B. ist eine in der Regel unerwünschte Reaktion, die zu Schäden führen kann. Sie ist auf einen Elektrolyseprozess zurückzuführen, der durch unterschiedliche Metalle und die damit verbundenen Potentialdifferenzen zurückzuführen ist. 

Die Elektrolyse kann auch dazu genutzt werden Metallionen aus Wasser zu entfernen.