Elektrolyse (allgemein)

Eine Elektrolyse ist die Umkehrung der Vorgänge eines galvanischen Elements. Um einen freiwilligen Prozess umzukehren, muss dem System Energie in Form von Gleichstrom zugeführt werden. Eine Elektrolyse ist also eine durch elektrischen Strom erzwungene Redoxreaktion. Dabei sind Reduktion und Oxidation räumlich voneinander getrennt.

Wenn man ein galvanisches Element als Batterie betrachtet, dann ist die Elektrolyse das Aufladen der Batterie (Stichwort: Akku). Der allgemeine Aufbau einer Elektrolyse ähnelt dem Aufbau eines galvanischen Elements, jedoch gibt es feine Unterschiede.

Elektrolysen werden u.a. zur Gewinnung von Metallen, z.B. aus Salzen, verwendet. Die Gewinnung von Wasserstoff (H₂), Aluminium (Al), Chlor (Cl₂) oder Natronlauge (NaOH) sind alles Elektrolysen.

In Abb. 28 ist der allgemeine Aufbau einer Elektrolyse dargestellt. Man hat zwei Elektroden, die in eine Elektrolyt-Lösung (Ionenlösung) eingetaucht sind. Die Spannungsquelle bewirkt einen Elektronenmangel in der mit dem Pluspol verbundenen Elektrode (Anode). Daher ist die Anode bei der Elektrolyse der Pluspol. In der Elektrode, die mit dem Minuspol der Spannungsquelle verbunden ist, entsteht ein Elektronenüberschuss (Kathode). Somit ist die Kathode in dem Fall der Minuspol. Die Lösung zwischen den Elektroden enthält gelöste Anionen (= negative Ionen) und Kationen (= positive Ionen). Die Kationen wandern zu dem Minuspol (Kathode) und nehmen dort Elektronen auf, d.h., sie werden reduziert. Die Anionen wandern zum Pluspol (Anode) und geben dort ihre Elektronen an die Elektrode ab, d.h., sie werden oxidiert. Die Anzahl an aufgenommenen Elektronen durch die Anode entspricht der Anzahl an abgegebenen Elektronen an der Kathode. Die Elektronen fließen wieder von der Anode zur Kathode. Die Spannung, die mindestens angelegt werden muss bei einer Elektrolyse mindestens angelegt werden muss, wird als Zersetzungsspannung (U_Z) bezeichnet. Sie stellt die Differenz beider Abscheidungspotentiale dar.

Abbildung 28: Allgemeiner Aufbau einer Elektrolyse

Schauen wir uns die Elektrolyse einer Zinkiodid-Lösung (ZnI₂) an.  Eine Elektrolyt-Lösung aus Zinkiodid enthält Zinkionen (Zn²⁺) und Iodidionen (2 I^-). Die Elektroden, die verwendet werden, sind Graphit-Elektroden (inertes Material). Die Iodidionen wandern zur Anode und liefern dort ihre Elektronen ab, indem sie zu Iod (I₂) oxidiert werden. Die Zinkionen wandern zur Kathode und werden dort zu elementarem Zink (Zn) reduziert. Der elektrische Strom wird hier durch Ionen getragen und kann nur fließen, wenn sich die Ionen bewegen. Die Elektrolytflüssigkeit bleibt die ganze Zeit elektrisch neutral, da immer so viele Elektronen aufgenommen werden, wie an der Anode abgegeben wurden.

Abbildung 29: Zinkiodid-Elektrolyse (ZnI2)

Bei einigen Elektrolysen benötigt man eine höhere Spannung als nach dem Elektrodenpotential berechnet. Die Differenz zwischen dem Abscheidungspotential und dem Elektrodenpotential nennt man Überpotential bzw. Überspannung. Hohe Überspannungen erhält man z.B. bei der Abscheidung von Gasen. Bei Metallen kann man die Überspannung so gut wie vernachlässigen. Die Höhe der Überspannung hängt vom Elektrodenmaterial, der Ionenkonzentration der Lösung und der Stromdichte ab.