Aufbau des Elektrolyseurs
Eine Elektrolysezelle (Elektrolyseur) besteht aus mehreren Schlüsselelementen:
- Elektrolyt: eine Lösung oder Schmelze einer Substanz, die das Vorhandensein freier Ionen gewährleistet.
- Elektroden: in den Elektrolyten eingetauchte Leiter. Sie bestehen aus Metall oder Graphit. In einigen Anlagen übernimmt das metallische Gehäuse des Behälters die Rolle einer Elektrode.
- Gleichstromquelle: erzeugt die erforderliche Potentialdifferenz für die erzwungene Verschiebung von Elektronen.
Während des Betriebs des Elektrolyseurs ist es wichtig, die Sicherheitsvorschriften einzuhalten. Beispielsweise wird bei der Gewinnung von Gasen der Raum über Kathode und Anode durch eine spezielle Diaphragma getrennt. Dies verhindert das Vermischen der entstehenden Gase (wie Wasserstoff und Chlor) und schließt das Risiko einer spontanen Explosion aus.
Prozesse an den Elektroden
Beim Durchleiten von Gleichstrom durch den Elektrolyten bewegen sich Ionen gerichtet zu den Elektroden mit entgegengesetzter Ladung:
- An der Kathode (–) läuft der Prozess der Reduktion ab. Die Kathode gibt ihre Elektronen an Teilchen aus der Lösung ab. Beispielsweise nehmen bei der Elektrolyse einer Salzsäurelösung Wasserstoffionen ($H^+$) Elektronen auf und wandeln sich in gasförmigen Wasserstoff ($H_2$) um.
- An der Anode (+) findet die Oxidation statt. Die Anode entzieht den Elektrolytteilchen Elektronen. Im Falle von $HCl$ geben Chloridionen ($Cl^-$) Elektronen ab und bilden Chlormoleküle ($Cl_2$).
Die Gesamtreaktion für $HCl$ sieht wie folgt aus: $2H^+ + 2Cl^- = H_2 + Cl_2$.
Metallreinigung (Raffination)
Einer der wichtigsten industriellen Prozesse ist die elektrolytische Reinigung unter Verwendung einer löslichen Anode (am Beispiel von Kupfer). In diesem Fall nimmt das Material der Anode selbst an der Reaktion teil.
Als Anode dient ein Rohkupferbarren, als Kathode eine dünne Platte aus reinem Metall. Beim Passieren des Stroms wird das Rohkupfer an der Anode oxidiert, gibt Elektronen ab und geht als $Cu^{2+}$-Ionen in Lösung. Anschließend bewegen sich diese Ionen zur Kathode, nehmen Elektronen auf und schlagen sich dort als reines Kupfer nieder.
Verunreinigungen fallen dabei entweder auf den Boden aus oder verbleiben im Elektrolyten. Infolgedessen finden keine chemischen Veränderungen statt, sondern es erfolgt lediglich ein physikalischer Transport und die Reinigung des Metalls.
Quantitative Berechnungen
Berechnungen bei der Elektrolyse gehorchen stöchiometrischen Gesetzen, bei denen Elektronen als vollwertige Reaktionsteilnehmer (Reagenzien) betrachtet werden.
Zur Berechnung der Anzahl der durch den Stromkreis geflossenen Elektronen wird folgende Formel verwendet: $n(e^-) = (I \cdot \Delta t) / F$ Wobei $I$ die Stromstärke (in Ampere), $\Delta t$ die Zeit und $F$ die Faraday-Konstante ist.
Unter Realbedingungen ist die Masse des erhaltenen Produkts aufgrund von Nebenreaktionen oft geringer als die theoretisch berechnete. Die Effizienz des Prozesses wird durch den Parameter strombezogene Ausbeute (Stromausbeute $\eta$) bewertet — dies ist das Verhältnis der praktisch erhaltenen Stoffmasse zu der nach der Gleichung berechneten Masse.
Kurz gefasst: Antworten auf Fragen zum Thema
Welche Faraday-Gesetze werden für quantitative Berechnungen der Elektrolyse angewendet?
Für quantitative Berechnungen der Elektrolyse wird das Faraday-Gesetz angewendet, welches stöchiometrische Verhältnisse und Daten elektrischer Messungen nutzt. Den Berechnungen liegen folgende Parameter und Formeln zugrunde:
- Faraday-Konstante ($F$) — eine physikalische Größe, die die Ladung von 1 mol Elektronen bezeichnet (96.485 C/mol).
- Stoffmenge der Elektronen — wird nach der Formel $n(e^-) = \frac{I \cdot \Delta t}{F}$ berechnet, wobei $I$ die Stromstärke in Ampere und $\Delta t$ die Dauer des Prozesses ist.
- Masse des Produkts — wird unter Berücksichtigung der molaren Masse und des stöchiometrischen Elektronenkoeffizienten berechnet (z. B. $m(\text{Au}) = \frac{I \cdot \Delta t \cdot M(\text{Au})}{3F}$).
- Stromausbeute ($\eta$) — das Verhältnis der real erhaltenen Produktmasse zur theoretisch berechneten ($\eta = \frac{m \cdot \nu(e^-) \cdot F}{I \cdot \Delta t \cdot M}$).
Prozesse an den Elektroden merken: „Anode — Oxidation“ (beide Wörter beginnen mit einem Vokal), „Kathode — Reduktion“ (beide Wörter beginnen mit einem Konsonanten).
Fragen aus Vorlesungen und Prüfungen
Worin liegt der Hauptunterschied zwischen Elektrolyse und einem galvanischen Element?
In einem galvanischen Element läuft die Redoxreaktion spontan unter Energiefreisetzung ab. Bei der Elektrolyse verläuft die Reaktion nicht-spontan und erfordert die Zufuhr elektrischer Energie von außen.
Was ist eine lösliche Anode?
Dies ist eine Anode, die während des Elektrolyseprozesses selbst in die Oxidationsreaktion eintritt (sich auflöst) und ihre Ionen an den Elektrolyten abgibt. Sie wird beispielsweise bei der Kupferreinigung eingesetzt.
Wozu wird im Elektrolyseur ein Diaphragma benötigt?
Das Diaphragma trennt die Räume über Anode und Kathode, damit sich die entstehenden Gase (z. B. Wasserstoff und Chlor) nicht vermischen, was ihre explosionsgefährliche Wechselwirkung verhindert.
Was es zum Thema noch zu wiederholen gibt
- Berechnung der Masse einer Goldbeschichtung (Vergoldung) nach den Faraday-Gesetzen
- Anwendung der Elektrolyse zur Gewinnung von Großchemikalien
- Aufbringen von galvanischen Schutzbeschichtungen auf Metalle
- Dissoziationsmechanismus von Komplexverbindungen bei der Elektrolyse
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Weitere Themen aus dem Kapitel „Kapitel 7. Klassifizierung chemischer Reaktionen nach elektronischen Prozessen“
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