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Die Elektrolyse

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Team Realfilm
Die Elektrolyse
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Beschreibung Die Elektrolyse

Wie kann man die reaktiven Elemente wie Alkalimetalle in Reinform gewinnen? Da sie bereits teilweise mit Luft und immer mit Wasser heftig reagieren, kommen sie in der Natur nicht als Reinstoffe vor. Gewinnen konnte man sie erst mit der 1807 entdeckten Elektrolyse. Bei dieser leitet man einen elektrischen Gleichstrom über Elektroden durch eine Lösung oder Schmelze. Durch den Gleichstrom wird an der einen Elektrode das Anion oxidiert und an der anderen Elektrode das Kation reduziert. Es läuft also eine Redoxreaktion ab.

Transkript Die Elektrolyse

1807 machte der Chemiker Humphry Davy eine bahnbrechende Entdeckung: die Elektrolyse. Die erste elektrische Batterie war gerade erfunden und Davy nutzte sie, um Elektrizität durch verschiedene chemische Verbindungen zu leiten. Bei einem von Davys ersten Experimenten kam Kaliumhydroxid zum Einsatz. Er erhitzte die Verbindung so lange, bis die festen Kristalle schmolzen. Dann leitete er elektrischen Strom durch das geschmolzene Kaliumhydroxid. Eine chemische Reaktion wird sichtbar. Als Davy diesen Versuch erstmals durchführte, war ihm nicht klar, was er zu erwarten hatte. Deshalb war es eine willkommene Überraschung für ihn, als plötzlich eine lila Flamme entstand. Mithilfe der Elektrolyse hatte Davy erstmals eine Metallverbindung in ihre Einzelteile zerlegt. Er hatte aus Kaliumhydroxid reines Kalium hergestellt. Elektrolyse funktioniert nur mit geschmolzenen oder gelösten Verbindungen, da nur so die geladenen Ionen frei beweglich sind. Diese freien Ionen transportieren den Strom durch die Flüssigkeit. Der elektrische Strom muss über zwei geladene Stäbe in die Lösung geleitet werden, die Elektroden. Die negativ geladenen Ionen werden von der positiven Elektrode angezogen, der Anode. Die positiv geladenen Ionen wandern zur negativen Elektrode, der Kathode. Dort nehmen sie über den elektrischen Strom Elektronen auf. In Davys Versuch werden die positiven Kaliumionen zu Kaliumatomen reduziert. An der Anode geben die negativ geladenen Hydroxidionen Elektronen ab. Sie werden oxidiert. Es entstehen Sauerstoff und Wasser. Davy nutzte die Elektrolyse, um weitere bisher unbekannte Elemente zu isolieren und zu identifizieren. Die Technik wurde später industriell angewandt, um hochreaktive Metalle zu erhalten. Heute ist sie die hauptsächliche Methode, um zum Beispiel Aluminium herzustellen. Die chemische Stoffumwandlung durch elektrische Energie – einfach eine geniale Entdeckung!

Die Elektrolyse Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Die Elektrolyse kannst du es wiederholen und üben.
  • Nenne die an einer Elektrolyse beteiligten Teilchenarten.

    Tipps

    Die gesuchten Teilchen tragen ähnliche Namen wie die Elektroden

    Die Teilchen können entweder postiv oder negativ geladen sein.

    Lösung

    Die Elektrolyse braucht frei bewegliche Ladungsträger in Schmelze oder Lösung, damit diese den elektrischen Strom leiten können.

    Frei bewegliche Ladungsträger entstehen zum Beispiel bei der Dissoziation von Salzen in entgegengesetzt geladene Ionen. Die positiv geladenen Ionen nennt man Kationen. Ihre negativ geladenen Gegenstücke sind die Anionen.

  • Benenne die Teile einer Elektrolyse.

    Tipps

    Entgegengesetzte Ladungen ziehen sich an.

    Anionen und Kationen werden nach ihrer jeweils bevorzugten Elektrode benannt.

    Die Ladung der Elektrode sagt dir, ob dort die Oxidation oder die Reduktion abläuft.

    Lösung

    Auf der rechten Seite des Bildes siehst du die positive Elektrode. Da sich nach Coulomb entgegengesetzte Ladungen anziehen, werden von ihr nur die negativ geladenen Anionen angezogen. Daher ist diese Elektrode auch die Anode.

    Umgekehrt folgt für die negativ geladene Elektrode auf der linken Seite, dass Sie die positiv geladenen Kationen anzieht. Sie ist also die Kathode.

    Angetrieben wird die Elektrolyse von einer Spannungsquelle. Damit der elektrische Strom fließen kann, wird noch eine wässrige Lösung oder eine Salzschmelze gebraucht. Ein Motor ist dagegen nicht nötig.

  • Erkläre typische Begriffe der Elektrolyse.

    Tipps

    Entgegengesetzte Ladungen ziehen sich an.

    Anionen und Kationen sind nach ihrer jeweils bevorzugten Elektrode benannt.

    Die Elektrolyse ist keine freiwillig ablaufende chemische Reaktion.

    Lösung

    Suche zunächst die passenden Erklärungen für die Kathode und Anode. Nach Coulomb gilt, dass entgegengesetzte Ladungen sich anziehen. Außerdem gilt, dass die Ionenarten nach ihrer bevorzugten Elektrode benannt wurden.

    Suche daher für die negativ geladene Kathode den Textbaustein über die positiv geladenen Kationen. Entsprechend gehört zur positiven Anode der Text über die negativ geladenen Anionen.

    Die Elektrolyse ist keine freiwillige chemische Reaktion, d. h. sie muss durch einen elektrischen Strom von außen erzwungen werden. Die Elektrolyse braucht deshalb eine Spannungsquelle, z. B. in Form einer Batterie.

    Somit bleibt für die chemische Reaktion an den Elektroden nur noch, dass über sie die Elektronen in die Lösung / Schmelze abgegeben bzw. daraus aufgenommen werden.

  • Bewerte die Metalle ob sie „edel“ oder „unedel“ im Vergleich zur Wasserhalbzelle sind.

    Tipps

    Die Edelmetalle werden auch als Schmuckmetalle bezeichnet.

    Viele unedle Metalle findest du ganz links im Periodensystem. Sie zeichnen sich oft auch durch eine hohe Reaktivität aus.

    Unedle Metalle werden häufig als Rostschutz eingesetzt.

    Die Metalle werden in der Spannungsreihe der Metalle verglichen.

    Lösung

    Die Edelmetalle werden häufig auch als Schmuckmetalle bezeichnet und auch verwendet, dafür kommen in dieser Auswahl nur Kupfer, Silber, Gold und natürlich Platin infrage, aber auch Iridium und Palladium gehören dazu.

    Die meisten unedlen Metalle findest du ganz links im Periodensystem, z. B. Natrium und auch Aluminium gehört dazu, denn du darfst nicht vergessen, dass es in der dritten Hauptgruppe steht.

    Zink wird oft als Rostschutz für Eisen eingesetzt, z. B. in Form einer vollverzinkten Karosserie in der Autoindustrie. Es opfert sich sozusagen für das Eisen, weil es unedler ist.

    Lithium ist sogar so unedel, das es sehr gerne mit anderen Elementen reagiert um sein Elektron abzugeben.

    Je positiver der Spannungswert in der Spannungsreihe der Metalle ist, desto edler ist das Metall:

    $\begin{array}{l|c|r} \text{Lithium} & Li / Li^{+} & -3,04 \text{ V}\\ \hline \text{Natrium} & Na / Na^{+} & -2,71 \text{ V}\\ \hline \text{Aluminium} & Al / Al^{3+} & -1,66 \text{ V}\\ \hline \text{Zink} & Zn / Zn^{2+} & -0,76 \text{ V}\\ \hline \text{Wasserstoff} & H / H^{+} & -0,00 \text{ V}\\ \hline \text{Kupfer} & Cu / Cu^{2+} & +0,35 \text{ V}\\ \hline \text{Silber} & Ag / Ag^{+} & +0,80 \text{ V}\\ \hline \text{Platin} & Pt / Pt^{2+} & +1,20 \text{ V}\\ \hline \text{Gold} & Au / Au^{3+} & +1,41 \text{ V}\\ \end{array}$

  • Gib das Metall an, welches man heute hauptsächlich durch Elektrolyse gewinnt.

    Tipps

    Es handelt sich nicht um das Element, welches Humphry Davy in seinem Experiment hergestellt hatte.

    Es wird häufig zu einer dünnen Folie verarbeitet, die du bestimmt auch schon einmal zu Hause gesehen hast.

    Lösung

    Al ist das chemische Symbol für Aluminium, dass dir im Alltag vor allem in Form von Alufolie begegnet.

    Industriell wird reines Aluminium vor allem mittels Schmelzflusselektrolyse gewonnen. Dazu wird Aluminiumoxid zusammen mit Kryolith ($Na_3AlF_6$) in einer Kohlewanne erhitzt. Das Kryolith senkt die Schmelztemperatur von über 2000°C auf 950°C ab. Während der Elektrolyse entsteht dann an der Kathode im Boden flüssiges Aluminium, welches einfach abgesaugt und weiterverarbeitet werden kann.

  • Vervollständige die Reaktionsgleichung für die Elektrolyse von Wasser

    Tipps

    Stelle dir vor, wie Wasser in ein Kation und ein Anion dissoziiert.

    An der Kathode kommen Elektronen an, d.h. dort werden Kationen durch Elektronenaufnahme reduziert.

    Die Anode entzieht den Anionen Elektronen, d.h. dort findet die Oxidation von Anionen statt.

    Lösung

    Du musst zunächst herausfinden, welche Kationen und Anionen bei der Elektrolyse von Wasser von Bedeutung sind. Dazu musst du wissen, dass Wasser immer zu einem kleinen Teil dissoziiert vorliegt, man spricht auch von der Autoprotolyse des Wassers:

    $H_2O \rightleftharpoons H^+ + OH^-$

    Wir vernachlässigen hier zur Vereinfachung, dass das Proton $H^+$ immer an ein Wassermolekül gebunden ist ($H_3O^+$). Nun kannst du sehen, dass das Proton $H^+$ das Kation und das Hydroxid-Ion $OH^-$ das Anion für unsere Elektrolyse des Wassers ist.

    An der Kathode reduzieren die ankommenden Elektronen nun die positiv geladenen Protonen zu elementarem gasförmigen Wasserstoff, welcher sich als 2-atomiges Molekül $H_2$ an der Elektrode bildet. $H_2$ ist also die gesuchte Lösung für die Reaktionsgleichung der Kathode.

    Umgekehrt entzieht die Anode den negativ geladenen Hydroxid-Ionen Elektronen, wodurch an dieser Elektrode elementarer Sauerstoff entsteht, der ebenfalls als Molekül ($O_2$) eines Gases an der Elektrode aufsteigt. Somit ist $O_2$ die gesuchte Lösung für die Reaktionsgleichung der Anode.

    Für die Gesamtreaktion gilt, dass wir in der Kathodenreaktion $4 H_2O$ verbraucht haben, aber in der Anodenreaktion nur $2 H_2O$ zurückgebildet wurden, somit kommt als Ausgangsstoff für die Gesamtreaktion nur $2 H_2O$ infrage.

    Statt mit reinem Wasser wird zumeist eine 25%ige Schwefelsäure als Elektrolyt verwendet, um die Zahl der Ionen im Wasser zu erhöhen. Interessant ist auch, das aus zwei Wassermolekülen zwei Wasserstoffmoleküle und nur ein Sauerstoffmolekül entstehen.

    $2 H_2O \longrightarrow 2 H_2 + O_2$

    Daher lässt sich im Betrieb schnell ausmachen, an welcher Seite der Wasserstoff entsteht. Hier bildet sich das doppelte Gasvolumen.

    Füllt man jeweils etwas von dem Gas in ein Reagenzglas ab, kann man mit der Knallgasprobe und der Glimmspanprobe die Gase eindeutig identifizieren.

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