Die Elektrolyse ist ein Prozess, bei dem die benötigte Energie elektrisch in Form einer Gleichspannungsquelle hinzu geführt wird. An beiden Elektroden der Gleichspannungsquelle können dabei Redox-Reaktionen ablaufen, bei dem ein Teil der elektrischen Energie in chemische Energie umgesetzt wird. Eine der Elektrolyse entgegengesetzte Energieumwandlung kann in den Spannungsquellen stattfinden.

Aus den Spannungsquellen, wie Batterie, Akkumulator oder Brennstoffzelle, ist die Energie chemisch gebunden, die als elektrische Energie in Form einer Gleichspannung freigesetzt werden kann. Die Redox-Reaktionen laufen dabei räumlich an der Kathode, dem Minuspol und an der Anode, dem Pluspol ab.

Elektrolytische Herstellung, Gewinnung und Verfahren (Beispiele)

  • Metalle (Aluminium)
  • Wasserstoff
  • Chloridionen
  • Natronlauge
  • Galvanotechnik (Verchromen, Verzinken)
  • Kupferraffination

Elektroden

Eine der Elektrolyse entgegengesetzte Energieumwandlung kann in den Spannungsquellen stattfinden, bspw. in einer Batterie.

Eine der Elektrolyse entgegengesetzte Energieumwandlung kann in den Spannungsquellen stattfinden, bspw. in einer Batterie.

Bewährt haben sich als Anodenmaterialien Platin und Kohlenstoff. Diese sind inert, d.h. sie gehen während der Elektrolyse nicht in Lösung. Jedoch gibt es auch passive Stoffe mit einem starken negativen Redoxpotenzial, die nicht in Lösung gehen. Aufgrund der Nernst-Gleichung sollten theoretisch die Metalle in saurer Lösung unter Bildung von Kationen und Freisetzung von Wasserstoff auflösen.

Verläuft die elektrolytische Reduktion ohne Gasbildung, kann eine Diffusionsüberspannung stattfinden.

Durch das Anlegen an einer Spannung wird ein Mangel an Elektronen in der mit dem Pluspol verbundenen Elektrode, der Anode, erzeugt. Dagegen kommt es zu einem Überschuss an Elektronen an der mit dem Minuspol verbundenen Elektrode, die Kathode genannt wird. Als Elektrolyte wirken die in Lösung befindlichen Ionen, die je nach Ladung zu der entsprechenden Elektrode wandern. Kationen (mit positiver Ladung) und Substanzen (mit neutraler Ladung) wandern hierbei zur Kathode und können hier durch Aufnahme der Elektronen reduziert werden. Entgegengesetzte Prozesse laufen an der Anode ab. Hier können durch die Abgabe von Elektronen Stoffe oxidiert werden.
Die Zahl der der elektrischen Ladung ist durch die während der Aufnahme oder während der Abgabe übertragenen Elektronen an Anode und Kathode ausgeglichen.

Stofftransport zur Elektrode während der Elektrolyse durch:

  • konvektive Diffusion (Molekularbewegung und fluidale Strömung)
  • Migration (Ionenwanderung im elektrischen Feld)

Zur Elektrolyse wird eine Mindestspannung benötigt, die Zersetzungsspannung genannt wird, um den Prozess der Elektrolyse in Gang zu setzen. Bei Unterschreiten der Mindestspannung bei der Elektrolyse wirkt der Elektrolyt mit seinen Grenzflächen durch die Ausbildung einer elektrochemischen Doppelschicht im Elektrodenbereich isolierend. Aufgrund des Redoxpotenzials können Zersetzungsspannung, Abscheidepotenzial und die Änderungen unter dem Einfluss des pH-Wertes ermittelt werden. Nach dem Faradaygesetz ist die Masse eines Produktes (elektrolytisch gebildeten Stoffes) proportional zu der elektrischen Ladung. Die elektrische Ladung ist dabei das Produkt von Stromstärke und Zeit.