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Die elektrochemische Zersetzung von Wasser 10:17 min

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Transkript Die elektrochemische Zersetzung von Wasser

Hallo und ganz herzlich bekommen! In diesem Video geht es um die Elektrolyse von Wasser. Reines Wasser Sehr sauberes reines Wasser nennt man destilliertes oder entionisiertes Wasser. In ihm sind keine Salze enthalten.Gibt es darin überhaupt Ionen? Wenig, aber es gibt sie! Wasser neigt in sehr geringem Maße zur Selbstdissoziation. Man sagt auch „Autoprotolyse“: H2O + H2O ⇌ H3O+ + OH-
Zwei Wasser – Moleküle reagieren miteinander. Ein Molekül von den beiden gibt ein Proton ab und es entsteht ein Hydroxid – Ion. Das andere Molekül nimmt dieses Proton auf und es entsteht ein Oxonium – Ion (Hydronium – Ion). Das Ionenprodukt unter Raumbedingungen (298 K und 1 bar) ist sehr klein: Kw = 10-14 mol2/l2 Das bedeutet, dass das Gleichgewicht der Autoprotolyse praktisch vollständig in Richtung der undissoziierten Wasser – Teilchen verschoben ist. Dennoch sind Ladungsträger vorhanden. Und diese leiten den elektrischen Strom.
Elektrolyse Man füllt ein Gefäß mit Wasser. An den gegenüberliegenden Seiten wird eine Gleichspannung angelegt. Die negative Elektrode heißt Kathode. Zu ihr bewegen sich die Kationen. Die positive Elektrode heißt Anode. Zu ihr bewegen sich die Anionen. Nach der Ankunft der Ionen an den Elektroden finden Entladungsvorgänge statt. Diese Entladungsvorgänge bezeichnet man Elektrodenreaktionen.
Kathodenreaktion: H3O+ + e- ---> H2O + H Ein Oxonium – Ion (Hydronium – Ion) nimmt ein Elektron auf. Es entsteht ein Molekül Wasser und ein Wasserstoff – Atom. Das Wasserstoff – Atom hat ein ungepaartes Elektron. Es ist ein so genanntes Radikal und daher chemisch sehr aktiv. Bei der Kathodenreaktion paaren sich die beiden freien Elektronen zweier Wasserstoff – Atome und es entsteht ein Wasserstoff – Molekül: H + H ---> H - H
Wir multiplizieren nun die erste Teilreaktion mit 2 und addieren zu ihr die zweite Teilreaktion.
Wir erhalten: 2 H3O+ + 2 e- + H + H ---> 2 H2O + 2H + H - H Teilchen, die auf beiden Seiten sind, werden herausgestrichen: 2 H3O+ + 2 e- + H + H ---> 2 H2O + 2H + H - H Für die gesamte Kathodenreaktion ergibt sich: 2 H3O+ + 2 e- ---> 2 H2O + H - H Oder: 2 H3O+ + 2 e- ---> 2 H2O + H2 Zwei Oxonium – Ionen (Hydronium – Ionen) nehmen zwei Elektronen auf. Es entstehen zwei Wasser – Moleküle und ein Wasserstoff – Molekül. Anodenreaktion: Zur Anode wandern die aus dem Wasser gebildeten Anionen. Das sind die Hydroxid – Ionen OH-. Im ersten Reaktionsschritt wird ein Hydroxid – Ion entladen: OH- ---> OH + e- Das entstandene Teilchen OH ist hinsichtlich der Bindung und seiner Stabilität äußerst interessant. Es ist ungeladen und besitzt ein freies Elektron. Somit handelt es sich um ein reaktives Radikal. Treffen zwei solcher Hydroxyl- Radikale aufeinander, so reagieren sie weiter: HO + HO ---> HO-H + O Es entsteht ein Wasser – Molekül und ein Sauerstoff-Atom. Das Sauerstoff – Atom ist wieder ein Radikal, genauer, ein Biradikal. Zwei Sauerstoff – Atome vereinigen sich schließlich zu einem Sauerstoff – Molekül: O + O ---> O2
Wir wollen nun die Gleichungen vereinigen: Wir addieren das Vierfache der ersten Gleichung, das Doppelte der zweiten Gleichung und die dritte Gleichung: 4 OH- + 2 HO + 2 HO + O + O ---> 4 OH + 4 e- + 2 HO-H + 2 O + O2
Teilchen, die auf beiden Seiten sind, werden herausgestrichen: 4 OH- + 2 HO + 2 HO + O + O ---> 4 OH + 4 e- + 2 HO-H + 2 O + O2
Für die gesamte Anodenreaktion ergibt sich: 4 OH- ---> 4 e- + 2 HO-H + O2
Oder: 4 OH- ---> 2 H2O + O2 + 4 e- Vergleich der Elektrodenreaktionen Betrachten wir noch einmal beide Elektrodenreaktionen: Kathode: 2 H3O+ + 2 e- ---> 2 H2O + H2 Anode: 4 OH- ---> 2 H2O + O2 + 4 e- An der Kathode werden bei der Reaktion Elektronen aufgenommen. Das bedeutet, es findet eine Reduktion statt. An der Anode werden bei der Reaktion Elektronen abgegeben. Das bedeutet, es findet eine Oxidation statt. Addieren wir nun das Doppelte der Kathodenreaktion und die Anodenreaktion: 4 H3O+ + 4 e- + 4 OH- ---> 4 H2O + 2 H2 + 2 H2O + O2 + 4 e-
Nach Entfernung der vier Elektronen auf beiden Seiten ergibt das: 4 H3O+ + 4 OH- ---> 4 H2O + 2 H2 + 2 H2O + O2
Und schließlich: 4 H3O+ + 4 OH- ---> 6 H2O + 2 H2 + O2 Bei der Elektrolyse von Wasser werden Elektronen übertragen. Es handelt sich somit um eine Redoxreaktion. Zusammensetzung des Wassers Historisch und didaktisch hat die Elektrolyse des Wassers große Bedeutung. Betrachten wir noch einmal die Gesamtreaktion: 4 H3O+ + 4 OH- ---> 6 H2O + 2 H2 + O2 Man sieht, dass Wasserstoff H2 und Sauerstoff O2 immer im molaren Verhältnis von 2 : 1 gebildet werden.
Beispiel: Kathode: 1,2 l Wasserstoff werden freigesetzt. Anode: 0,6 l Wasserstoff werden freigesetzt. Auswertung: Das Volumenverhältnis beträgt 1,2 l/0,6 l = 2 : 1 Wasserstoff und Sauerstoff sind Gase. Nach dem Gesetz von Avogadro ist dann auch das molare Verhältnis 2 : 1. Ergebnis: Das Wasser – Molekül hat eine mögliche Formel von H2O. Auch ganzzahlige Vielfache sind möglich: H4O2, H6O3,H8O4, usw. Die zuletzt genannten Varianten kann man experimentell ausschließen. Zum Beispiel durch Kryoskopie. Warum werden Salze in das Elektrolysebad gegeben? Viele Salze wie Natriumsulfat dissoziieren in wässriger Lösung fast vollständig: Na2SO4 ⇌ 2 Na+ + SO42- Die gebildeten Ionen sind Ladungsträger. Durch ihre Anwesenheit wird die Elektrolysegeschwindigkeit erhöht. Achtung: Es ist wichtig, ein Salt wie Natriumsulfat zu verwenden. 1. Es liefert Ionen eines unedlen Metalls (Natrium). 2. Es liefert schwer entladbare Säurerest – Ionen (Sulfat – Ionen). Dadurch wird garantiert, dass an den Elektroden Wasserstoff und Sauerstoff entstehen. (Und nicht die Ionen des Salzes!)

Das war es auch schon wieder für heute. Ich wünsche euch alles gute und viel Erfolg. Tschüs

Euer André

Die elektrochemische Zersetzung von Wasser Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Die elektrochemische Zersetzung von Wasser kannst du es wiederholen und üben.

  • Erkenne die korrekten Begriffe für reines Wasser.

    Tipps

    Rein für die häusliche Verwendungen hat eine etwas andere Bedeutung als der gleiche Begriff im chemischen oder physikalischen Sinn.

    Lösung

    Quellwasser ist sauberes Wasser, jedoch ist es nicht chemisch rein. Es enthält Salze.

    Entionisiertes Wasser bedeutet, dass die gelösten Ionen durch saure und basische Ionenaustauscher durch Wasserstoff-Ionen und Hydroxid-Ionen ersetzt wurden. Die beiden zuletzt genannten Ionen reagieren zu Wasser-Molekülen und man erhält reines Wasser.

    Trinkwasser ist sauber im Sinne des Verbrauchers. Für den Dauergenuss muss es jedoch Ionen löslicher Salze enthalten.

    Schweres Wasser ist anteilig im natürlichen Wasser enthalten. Die Wasserstoffatome seiner Moleküle besitzen im Atomkern jeweils ein Neutron. Man hat es hier mit Wasser zu tun, dessen Teilchen aus einem schwereren Wasserstoffatom (einem anderen Isotop als dem gebräuchlichen mit der Masse 1) aufgebaut sind. Der Begriff schwer hat mit der Reinheit des Wassers nichts zu tun.

    Destilliertes Wasser entsteht durch Destillation flüssigen Wassers. Dabei bleiben wenig flüchtige Stoffe im Destillationsrückstand zurück. Das Wasser wird rein.

    Für Mineralwasser gilt sinngemäß dasselbe, was bereits für Quellwasser und Trinkwasser festgestellt wurde. Allerdings stecken die Inhaltsstoffe hier bereits im Namen.

  • Beschreibe die Autoprotolyse des Wassers.

    Tipps

    Bei dieser Art von Dissoziation reagieren Wasserteilchen mit sich selbst.

    Die entstandenen Ionen kennst du von der Dissoziation von Säuren und Basen.

    Lösung

    Die Wassermoleküle reagieren zu einem gewissen Teil mit sich selbst. Man spricht dabei von Selbstdissoziation oder Autoprotolyse. Bei der Autoprotolyse läuft folgende Reaktion ab:

    $H_2O + H_2O \rightleftharpoons H_3O^{\oplus} + OH^{\ominus}$

    Die Wassermoleküle reagieren also einmal als Protonendonator (Säure) und geben ein Proton ab und im anderen Fall als Protonenakzeptor (Base), wobei sie ein Proton aufnehmen. Es handelt sich also im eine Reaktion mit Protonenübergang. Dabei entstehen ein Oxonium-Ion und ein Hydroxid-Ion.

    Das Ionenprodukt bei Raumbedingungen beträgt $K_w = 10^{-14} mol^2/l^2$. Es reagiert also nur ein ganz geringer Teil der Wassermoleküle zu Ionen. Hauptsächlich liegen undissoziierte Wassermoleküle vor.

  • Beschreibe die prinzipiellen Vorgänge der Elektrolyse.

    Tipps

    Für das Fließen eines elektrischen Stromes im Wasser sind geladene Teilchen notwendig.

    Bei den Reaktionen an den Elektroden spielen Elektronen eine wichtige Rolle.

    Die erste Reaktion an den Elektroden liefert jeweils Radikale. Das sind Teilchen mit ungepaarten Elektronen.

    Lösung

    In reinem Wasser findet eine geringe Dissoziation statt. Es entstehen Ionen. Diese ermöglichen eine geringe elektrische Leitung. Beim Anlegen einer Gleichspannung wandern die Ionen zu den entsprechenden Elektroden. Wechselspannung geht nicht, da durch die ständige Umpolung die Ionen keinen vorgeschriebenen Weg hätten. Die Kationen bewegen sich zur Kathode, die Anionen zur Anode.

    An den beiden Elektroden werden die Ionen entladen. Man spricht von Entladungsvorgängen. Man nennt diese Vorgänge auch Elektrodenreaktionen.

    Erster Schritt der Kathodenreaktionen:

    $H_3O^{\oplus}+ e^- \longrightarrow H_2O + H \bullet$

    Erster Schritt der Anodenreaktionen:

    $OH^- \longrightarrow \bullet~OH + e^-$

  • Beurteile das Für und Wider der Brennstoffzelle.

    Tipps

    Die Beurteilung der Umweltfreundlichkeit hängt von der Art der Erzeugung ab.

    Man muss berücksichtigen, dass Wasserstoff nicht direkt aus natürlicher Energie erzeugt werden kann.

    Lösung

    Die Kombination Brenstoffzelle–Elektromotor besitzt einen höheren Wirkungsgrad als jeder Benzin- oder Dieselmotor. Dem Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors sind durch die Energieentwertung Grenzen gesetzt. Werte von mehr als 50 % sind kaum zu erreichen.

    Wasserstoff ist nicht billiger als Benzin oder Diesel. Allerdings ist sein Brennwert ungleich höher. Durch den höheren Wirkungsgrad der Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle und dessen Verwendung im Elektromotor unterscheiden sich die Preise pro zurückgelegtem Weg für diese Art der Fortbewegung und durch Verbrennungsmotoren nur wenig.

    Wasserstoff kann allerdings nicht generell sehr kostengünstig aus Wasser produziert werden. Der Preis hängt immer davon ab, wie teuer der Strom für die Produktion des Wasserstoffs ist.

    Prinzipiell ist die Herstellung von Wasserstoff nicht umweltfreundlich. Umweltfreundlichkeit definiert sich durch die Art der Stromerzeugung für die Elektrolyse.

    Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle ist umweltfreundlich. Im Ergebnis entsteht nur Wasser. Konsequenterweise wäre noch zu fordern, dass der erforderliche Wasserstoff durch umweltfreundlichen Strom gewonnen wird.

    Natürlich ist Wasser als Quelle von Wasserstoff im absoluten Sinne nicht unerschöpflich. Allerdings ist zu berücksichtigen, dass die Brennstoffzelle aus Wasserstoff wieder Wasser liefert. In diesem Sinn ist Wasser unerschöpflich.

  • Vergleiche die Bruttoreaktion der Elektrolyse mit der Neutralisation.

    Tipps

    Die Neutralisation ist lediglich eine Vereinigung von Ionen.

    Wasserstoff und Sauerstoff entstehen an verschiedenen Elektroden.

    Lösung

    Der Unterschied zwischen beiden Reaktionen kommt tatsächlich durch das Anlegen einer Spannung zustande. Allerdings handelt es sich dabei nicht um eine Wechselspannung. Für die Elektrolyse benötigt man eine Gleichspannung.

    Die Neutralisation ist im Gegensatz zur Elektrolyse tatsächlich keine Redoxreaktion. Nur die Elektrolyse ist eine Redoxreaktion.

    Die Neutralisation läuft bekanntermaßen spontan ab. Das sieht man an der Reaktion von typischen Mineralsäuren, wie Salzsäure, mit Basen, wie Natriumhydroxid. Die Bruttoreaktion der Elektrolyse stellt dagegen keinen spontanen Prozess dar. Die einzelnen Teilreaktionen, die zur dargestellten Gesamtreaktion führen, laufen nur durch das Anlegen einer Gleichspannung ab.

    Das größte Problem bei der Formulierung der Bruttoreaktion der Elektrolyse des Wassers besteht allerdings darin, dass hier zwei Reaktionen vereint werden, die an den beiden verschiedenen Elektroden ablaufen. Das ist für die Bilanzierung von Edukten und Produkten sicher bequem. Vom chemischen Standpunkt ist dieses willkürliche Zusammenfassen jedoch fragwürdig.

    Schlussfolgerung:
    Die Entstehung von Wasserstoff und Sauerstoff bei der Elektrolyse des Wassers wird durch das Anlegen einer Gleichspannung und der dadurch erzwungenen Redoxreaktion bewirkt.

  • Nenne geeignete Salze für die Erhöhung der Leitfähigkeit des Elektrolysebades.

    Tipps

    Ionen unedler Metalle aus wässrigen Lösungen sind schwer entladbar.

    Die Chloralkali-Elektrolyse verwendet als Edukt Kochsalz.

    Lösung

    Lösliche Salze mit schwer entladbaren Ionen

    • Magnesiumsulfat $MgSO_4$
    • Kaliumnitrat $KNO_3$
    • Natriumphosphat $Na_3PO_4$
    Die Kationen sind schwer entladbar, da es sich um die Ionen unedler Metalle handelt. Vorher wird stets das Oxonium-Ion (Wasserstoff-Ion) entladen. Zusammengesetzte Ionen sind ausnahmslos schwer entladbar. Das betrifft sowohl Sulfate, Nitrate als auch Phosphate. Die Hydroxid-Ionen werden stets vorher entladen.

    Die drei Salze sind zudem gut wasserlöslich. Damit erhöhen sie die elektrische Leitfähigkeit des Elektrolysebades.

    Lösliche Salze mit nur einem oder keinem schwer entladbaren Ion

    • Natriumchlorid $NaCl$: Das Chlorid $Cl^-$ ist entladbar und es entsteht elementares Chlor $Cl_2$.
    • Kupfersulfat $CuSO_4$: Die Kupfer(II)-Ionen werden entladen und an der Elektrode scheidet sich elementares Kupfer ab.
    • Kaliumbromid $KBr$: Aus Bromid $Br^-$ entsteht nach der Entladung elementares Brom $Br_2$.
    • Kupfer(II)-bromid $CuBr_2$: Nach den Entladungen werden die chemischen Elemente Kupfer und Brom abgeschieden.
    Damit sind diese Salze für die alleinige Erhöhung der Leitfähigkeit des Elektrolysebades ungeeignet.

    Schwer lösliche Salze

    • Bariumsulfat $BaSO_4$
    • Calciumcarbonat $CaCO_3$
    • Blei(II)-phosphat $Pb_3(PO_4)_2$
    Die beiden ersten Salze sind gut bekannt. Es handelt sich um Schwerspat und Kalkstein. Auch das Bleisalz ist schwer löslich.

    Damit können die Salze im Elektrolysebad keine Ladungsträger liefern.