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Elektrodenreaktionen 09:54 min

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Transkript Elektrodenreaktionen

Guten Tag und herzlich willkommen!

In diesem Video geht es um Elektrodenreaktionen. Das bedeutet, es geht um die Entladung der Ionen bei der Elektrolyse.

Um zu verstehen, worum es dabei geht, müssen wir den Begriff Elektrolyt klären. Ein Elektrolyt ist ein Stoff, der in wässriger Lösung Ionen liefert. Als Beispiel für einen Elektrolyt möchte ich die chemische Verbindung CuCl2 anführen. Das ist Kupfer(II)-chlorid, ein Salz. Dieses Salz, Kupfer(II)-chlorid, unterwirft sich in wässriger Lösung der Dissoziation. Dissoziation bedeutet Zerfall in Ionen unter dem Einfluss von Wasser. Wir wollen die Dissoziationsgleichung für Kupfer(II)-chlorid formulieren: CuCl2 dissoziiert in wässriger Lösung in 1 zweifach positiv geladenes Kupfer-Ion und in 2 einfach negativ geladene Chlorid-Ionen. Cu2+ ist das Kupfer-II-Ion. 2Cl- sind die beiden Chlorid-Ionen.

Kommen wir nun zur Elektrolyse, bei der die Elektrodenreaktionen stattfinden. Elektrolyse bedeutet Zersetzung des Elektrolyten unter der Einwirkung von Gleichstrom. Die Elektrolyse findet in einem Elektrolysebad in wässriger Lösung statt. Ich möchte hier nur eine schematische Darstellung präsentieren. Links habe ich die negative Elektrode abgebildet. Diese Elektrode wird auch als Katode bezeichnet. Auf der rechten Seite findet ihr die positive Elektrode. Diese Elektrode wird auch als Anode bezeichnet.

Als Elektrolyt verwenden wir wieder Kupfer(II)-chlorid. Kupfer(II)-chlorid CuCl2 dissoziiert in wässriger Lösung in 1 zweifach positiv geladenes Kuper-Ion Cu2+ und in 2 negativ geladene Chlorid-Ionen Cl-. Die positiv geladenen Ionen werden auch als Kationen bezeichnet. Sie wandern zur Katode. Die negativ geladenen Ionen werden auch als Anionen bezeichnet. Sie wandern zur Anode. Die beiden Elektrodenreaktionen finden an der Katode und an der Anode statt. Daher spricht man auch von Katodenreaktion und von Anodenreaktion. Bei diesen Reaktionen finden Entladungen statt. An der Katode nimmt das zweifach positiv geladene Kupfer-Ion 2 Elektronen auf und es bildet sich 1 neutrales Kupfer-Atom. Daher scheidet sich an der Katode elementares, hellrotes Kupfer ab. An der Anode geben die Anionen ihre Elektronen ab: 2 Chlorid-Ionen reagieren zu 2 Chlorid-Radikalen (ich habe sie mit Pünktchen versehen) und zu 2 Elektronen. 2 Chlor-Radikale, 2Cl mit Pünktchen, vereinigen sich zu 1 Chlor-Molekül Cl2. An der Anode wird elementares Chlor, ein grünes Gas, frei und strömt in die Luft.

Wir wollen nun noch ein anderes Beispiel für Elektrolyse betrachten. Nehmen wir zum Beispiel das Glaubersalz, Natriumsulfat Na2SO4. Dieses Salz dissoziiert in wässriger Lösung in 2 einfach positiv geladene Natrium-Ionen Na+ und in 1 zweifach negativ geladenes Sulfat-Ion SO42-. Unter dem Einfluss des Gleichstroms wandern die Ionen zu den entsprechenden Elektroden, die positiv geladenen Natrium-Ionen Na+ zur negativ geladenen Katode und die negativ geladenen Sulfat-Ionen SO42- zur positiv geladenen Anode.

So weit, so gut. Man beobachtet jetzt aber bei diesem Fall der Elektrolyse Bläschen sowohl an der Katode, als auch an der Anode. Es kommt somit hier zu einer Gasentwicklung an beiden Elektroden. Selbst wenn man nicht weiß, welche Stoffe sich nach der Entladung an den Elektroden bilden, so sollte man doch annehmen, dass aus Natrium-Ionen und Sulfat-Ionen sich keine gasförmigen Verbindungen bilden sollten.

Wie kann man das Phänomen der Gasentwicklung erklären? Dabei helfen uns die analytischen Chemiker. Sie können feststellen, dass sich an der Katode Wasserstoff abscheidet, während an der Anode Sauerstoff entsteht. Gibt es dafür eine Erklärung? Die Ursache für diese Erscheinung ist die Eigendissoziation des Wassers. Wasser dissoziiert in geringen Mengen in Wasserstoff-Ionen und Hydroxid-Ionen. H2O dissoziiert in wässriger Lösung in H+ und OH-. Das sind die Wasserstoff-Ionen und das sind die Hydroxid-Ionen.

Nun kommen wir zu den Elektrodenreaktionen. An der negativ geladenen Elektrode, der Katode, reagieren 2 positiv geladene Wasserstoff-Ionen mit 2 Elektronen zu 2 Wasserstoff-Atomen. Dieses sind Radikale, daher habe ich sie mit Pünktchen gezeichnet. 2 der Wasserstoff-Atome vereinigen sich zu 1 Wasserstoff-Molekül. Es entsteht elementarer Wasserstoff. Der gasförmige Wasserstoff wird an der negativen Elektrode, der Katode, frei. An der positiven Elektrode, der Anode, findet eine etwas kompliziertere Elektrodenreaktion statt: 4 Hydroxid-Ionen reagieren zu 2 Sauerstoff-Atomen und 2 Wassermolekülen. Die beiden Sauerstoffatome, O mit Pünktchen versehen, vereinigen sich zu einem Sauerstoffmolekül. Gasförmiger Sauerstoff wird an der positiven Elektrode, der Anode, frei.

Zum Abschluss möchte ich noch zwei kleine, kernige Nachsätzchen formulieren: Schwer entladbare Ionen wie Lithium+, Natrium+, Kalium+, Magnesium2+, Calcium2+, alles Kationen, und NO3- (Nitrat), SO42- (Sulfat) und PO43-, alles Anionen, gehen keine Elektrodenreaktionen ein. Stattdessen bilden sich Wasserstoff an der Katode und Sauerstoff an der Anode.

Das war es auch schon wieder für heute. Ich wünsche euch alles Gute und viel Erfolg. Auf Wiedersehen!

3 Kommentare
  1. Lieber Herr Otto,
    vielen dank für die schnelle Antwort.
    Viele Grüße
    Stefan

    Von André Otto, vor etwa 4 Jahren
  2. Lieber Stefan,

    Elektrolyse bedeutet "Zersetzung unter dem Einfluss von elektrischem Strom" .
    Dabei gibt es mehrere Schritte:
    1. Der Elektrolyt dissoziiert in wässriger Lösung:
    CuCl2 -----> (Doppelpfeil) Cu2+ + 2Cl-
    Das gut lösliche Salz Kupfer(II)-chlorid dissoziiert in die Ionen Cu2+ und Cl-. Das geschieht schon, wenn noch gar keine Spannung angelegt wurde.
    2. Legt man nun eine Gleichspannung an, so beginnen die positiven Ionen Cu2+ zur negativen Elektrode, der Kathode (man kann auch "Kathode" sagen) zu wandern.
    3. An der Kathode finden die Kupfer(II)-Ionen Cu2+ viele, viele Elektronen vor. Denn die Elektronen machen die Kathode negativ.
    Und negativ + positiv ziehen sich ganz stark an. Das weiß man bereits aus der Physik. Daher kommt es zu der Reaktion:
    Cu2+ + 2e- ---> (diesmal KEIN Doppelpfeil!) Cu
    4. An der Kathode scheidet sich elementares Kupfer Cu, das ist das rote Metall, ab.
    Alles Gute und viel Erfolg

    Von André Otto, vor etwa 4 Jahren
  3. warum nimmt es 2e- auf?
    was bedeutet das?
    bei der CuCl2 Gleichung

    Von Stefan Ernst, vor etwa 4 Jahren

Elektrodenreaktionen Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Elektrodenreaktionen kannst du es wiederholen und üben.

  • Erkläre die Schlüsselbegriffe der Elektrolyse.

    Tipps

    Die Umkehrung der Elektrolyse ist ein galvanisches Element.

    Die Elektrolyse ist eine erzwungene Reaktion.

    Lösung

    Ein Elektrolyt ist eine chemische Verbindung, welche in wässriger Lösung in Ionen dissoziiert oder dessen Schmelze freie Ladungsträger enthält. Deswegen gehören alle Salze, Säuren und Basen zu den Elektrolyten.

    Elektrolyse bezeichnet einen Redoxvorgang, der in einer Elektrolysezelle unter dem Einfluss einer Gleichspannung als erzwungener Prozess (exergon) abläuft. Durch die Elektrolyse wird an der Kathode ein Reduktionsprodukt und an der Anode ein Oxidationsprodukt geliefert. Die zugeführte elektrische Energie wird in Form von chemischer Energie in den Produkten gespeichert. Der Prozess ist meist umkehrbar und wird dann als galvanisches Element bezeichnet.

  • Nenne die Stoffe, die bei der Elektrolyse von Kupfer(II)-sulfat an den Elektroden entstehen.

    Tipps

    Kupfer(II)-sulfat dissoziiert in zweifach positiv geladene Kupfer-Ionen und Sulfat-Ionen (${SO_4}^{2-}$).

    Das Sulfat-Ion ist schwer entladbar.

    Lösung

    Kupfersulfat dissoziiert in wässriger Lösung:

    • $CuSO_4 \rightleftarrows {Cu^{2+}}_{aq} + {{SO_4}^{2-}}_{aq}$
    Die postiv geladenen Kupfer-Kationen wandern bei Anlegen einer Gleichspannung zum Minuspol bzw. zur Kathode. Dort werden die Kupfer-Ionen reduziert (Elektronenaufnahme):

    • ${Cu^{2+}} + 2~e^- \rightarrow Cu\downarrow$
    Das entstandene Kupfer scheidet sich an der Elektrode ab.

    Das Sulfat-Ion hingegen ist nur schwer entladbar und wird an der Anode nicht oxidiert. Das liegt daran, dass das Hydroxid-Ion, welches bei der Eigendissoziation des Wassers ($H_2O \rightleftarrows H^+ + OH^-$) entsteht, leichter oxidiert werden kann. Dabei entsteht Sauerstoff:

    • $4~OH^- \rightarrow O_2 + 2~H_2O + 24~e^-$
  • Beschrifte den Aufbau einer Elektrolysezelle.

    Tipps

    Strom fließt nach Definition vom Minus- zum Pluspol.

    Anionen wandern zur Anode.

    Lösung

    In einer Elektrolysezelle von Wasser (Brennstoffzelle) tauchen zwei Elektroden in die Wasser-Elektrolytlösung. Wegen der Eigendissoziation des Wassers liegen neben Wassermolekülen auch Oxonium- und Hydroxid-Ionen vor:

    • $H_2O \rightleftarrows H^+ + OH^-$
    Legt man einen Gleichstrom an die Elektroden an, tritt oberhalb einer gewissen Spannung (Zersetzungsspannung) eine sichtbare Gasentwicklung an den Elektroden ein. Am Minuspol, der Platinkatode, werden Wassertoff-Ionen bzw. Oxonium-Ionen katodisch zu Wasserstoff reduziert. An der positiv geladenen Anode werden Hydroxid-Ionen zu Sauerstoff oxidiert. Dabei laufen folgende Teilreaktionen ab:

    • (+) Anode: $4~OH^- \rightarrow {O}_2\uparrow + 2~H_2O + 2~e^-$
    • (-) Kathode: $2~H^+ + 2~e^- \rightarrow H_2\uparrow $
    • Gesamt: $2~H_2O \rightarrow 2~H_2 + O_2$
    Die negative Ladung, d.h. die Hydroxid-Ionen, werden zur Anode transportiert und positive Ladungen in Form von Oxonium-Ionen werden zur Kathode transportiert.

  • Erkläre, warum Silber bei der Kupferraffination als Anodenschlamm ausfällt.

    Tipps

    Eisen rostet schneller als Kupfer, weil es unedler ist.

    Taucht man einen Eisennagel in einer Kupfersulfatlösung, so scheidet sich elementares Kupfer auf dem Nagel ab. Bei einem Silberlöffel in einer Kupferlösung findet keine Reaktion statt.

    Lösung

    Bei der Kupferraffination bildet Rohkupfer die Anode. Zur Elektrolyse wird nun so eine hohe Spannung angelegt, wie gerade benötigt wird, um Kupfer zu oxidieren. Wenn die Spannung hoch genug ist, um Kupfer zu oxidieren, werden auch alle anderen unedleren Metalle oxidiert, die sich im Rohkupfer befanden, also z.B. Zink oder Eisen. Diese Metall-Ionen befinden sich dann also in Lösung. Alle edleren Metalle, wie Silber und Gold, werden durch die Spannung nicht oxidiert. Sie verbleiben als elementares Metall an der Anode. Da nun die unedleren Metalle bei der Elektrolyse aus der Anode herausgelöst werden, sinken die edlen Metalle auf den Boden. Man spricht dabei auch von Anodenschlamm. Da Kupfer nun das edelste Metall in Lösung ist, wird es auch als erstes an der Katode abgeschieden, die unedleren Metalle bleiben in Lösung. So kann reines Kupfer gewonnen werden.

    Um Silber aus einer Lösung auszuscheiden, reicht es, ein unedleres Metall in die Lösung als Elektrode zu tauchen. Durch den Potentialunterschied der Metalle geht das unedlere Metall in Lösung und das edlere scheidet sich ab.

  • Stelle die Elektrodenreaktionen für die Chlor-Alkali-Elektrolyse auf.

    Tipps

    Es werden immer die Ionen entladen, die leichter entladbar sind, d.h. die Ionen, die das stabilere Produkt bilden.

    Elementares Natrium ist hochreaktiv.

    Lösung

    In eine Elektrolysezelle mit wässriger Natriumchlorid-Lösung tauchen zwei Platin-Elektroden. Legt man einen Gleichstrom an die Elektroden an, tritt oberhalb einer gewissen Spannung (Zersetzungsspannung) eine sichtbare Gasentwicklung an den Elektroden ein. Am Minuspol, der Kathode, werden Wasserstoff-Ionen bzw. Oxonium-Ionen kathodisch zu Wasserstoff reduziert. An der positiv geladenen Anode werden Chlorid-Ionen zu Chlor oxidiert. Dabei laufen folgende Teilreaktionen ab:

    • (+) Anode: $2~NaCl \rightarrow {Cl}_2\uparrow + 2~e^- + 2~Na^+$
    • (-) Kathode: $2~H_2O + 2~e^- \rightarrow H_2\uparrow + 2~OH^-$
    • Gesamt: $2~NaCl + 2~H_2O \rightarrow H_2 + Cl_2 + 2~NaOH$
    Natrium wird an der Kathode nicht reduziert, da es schwerer entladbar ist als das Wasserstoff-Ion. Außerdem ist elementares Natrium hochreaktiv und würde sofort mit dem Wasser in einer heftigen Reaktion ebenfalls zu Wasserstoff und Natronlauge reagieren.

    • $2~Na + 2~H_2O \rightarrow 2~NaOH + H_2$
  • Bestimme die Ionen, die sich bei einer Elektrolyse als Feststoff an der Elektrode abscheiden.

    Tipps

    Schwer entladbare Ionen (z.B. $Ca^{2+}$ und ${PO_4}^{3-}$) gehen keine Elektrodenreaktionen ein.

    Bei der Elektrolyse von Salzen entstehen oft Metalle.

    Lösung
    • Kaliumsulfat enthält zwei schwer entladbare Ionen. Deswegen entstehen Sauerstoff und Wasserstoff aus der Eigendissoziation des Wassers (siehe Aufgabe 2).
    • (+) Anode: $4~OH^- \rightarrow {O}_2\uparrow + 2~H_2O + 2~e^-$
    • (-) Kathode: $2~H^+ + 2~e^- \rightarrow H_2\uparrow $

    Bei der Elektrolyse von Eisen(II)-chlorid entsteht an der Anode gasförmiges Chlor und an der Katode das feste Eisen.

    • (-) Kathode: $Fe^{2+} + 2~e^- \rightarrow Fe$
    • (+) Anode: $2~Cl^- \rightarrow Cl_2 + 2~e^-$
    Silbernitrat kann elektrolytisch in Silber und Sauerstoff aufgespalten werden. Da das Nitrat-Ion schwer entladbar ist, wird hier das Hydroxid-Ion aus dem Wasser an der Anode oxidiert.
    • (-) Kathode: $Ag^+ + e^- \rightarrow Ag$
    • (+) Anode: $4~OH^- \rightarrow O_2 + 2~H_2O + 4~e^-$
    Das Kupferbromid dissoziiert in wässriger Lösung in das zweifach positiv geladene Kupfer-Ion und in zwei negativ geladene Bromid-Ionen.
    • $Cu^{2+} + 2~e^- \rightarrow 2~Cu$
    • (+) Anode: $2~Br^- \rightarrow Br_2 + 2~e^-$
    Magnesiumhydroxid bildet bei der Elektrolyse Wasserstoff und Sauerstoff. Da die Magnesium-Ionen schwer entladbar sind, werden die Wasserstoff-Ionen aus der Eigendissoziation vom Wasser reduziert.
    • (+) Anode: $4~OH^- \rightarrow {O}_2\uparrow + 2~H_2O + 4~e^-$
    • (-) Kathode: $2~H^+ + 2~e^- \rightarrow H_2\uparrow $