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Elektrolyse – erzwungene Redoxreaktionen 06:24 min

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Transkript Elektrolyse – erzwungene Redoxreaktionen

Elektrolyse - erzwungene Redoxreaktion

Hallo! Damit sich Autos fortbewegen können, müssen sie regelmäßig betankt werden. Dafür gibt es fast überall Tankstellen. Da es aber bald keine fossilen Brennstoffe mehr zum betanken gibt, benötigen wir Menschen eine Alternative. Elektroautos können die Lösung sein. Damit man jedoch mit diesen Autos fahren kann, benötigt man einen guten Energiespeicher für den Strom im Auto, quasi ein Tank für Strom.

Batterien wie in einem ferngesteuerten Auto oder in der Fernbedienung helfen dabei nicht. Die müsste man ja nach jedem Verbrauch entsorgen. Die Lösung ist ein Akkumulator. Und wie ein ganz normales Auto kann dann auch das Elektroauto betankt werden, nur nicht mit fossilen Brennstoffen, sondern mit Strom. Das nennt man aufladen. Wie Akkumulatoren funktionieren, lernst du in diesem Video am Beispiel der Zinkbromid-Zelle.

Um einen Akkumulator also aufzuladen, muss eine Spannung angelegt werden. Das Elektroauto schließt man dazu einfach an eine Steckdose an. Im chemischen Sinne zwingen wir durch das Anlegen einer Spannung die chemsichen Komponenten dazu im Akkumulator eine Reaktion durchzuführen, die sie “freiwillig”, also unter Normalbedingungen, nicht tun würden.

Um es etwas zu verdeutlichen. Freiwillig rollt ein Ball den Berg nicht hinauf. Um den Ball nach oben zu bekommen, musst du Energie aufwenden, wie auch beim Aufladen des Akkumulators. Oben auf dem Berg rollt der Ball dann freiwillig den Berg wieder hinunter, wobei Energie frei wird. Das freiwillige Herunterrollen ist mit dem Entladen des Akkumulators zu vergleichen.

Zunächst also der Auflade-Prozess des Akkus: Chemisch wird dieser Prozess auch Elektrolyse genannt. Eine Elektrolyse schauen wir uns nun am Beispiel einer Zink-Bromid-Zelle an. Zwei Elektroden werden in eine wässrige Zinkbromid-Lösung gehalten. Nun wird eine Spannung angelegt.

Die Ionen der Lösung bewegen sich unter Gleichspannung in Richtung der entsprechenden Pole. Man spricht von Ionenwanderung. Kurze Zeit nach Anlegen der Spannung beobachtet man am Minuspol, der Kathode, eine deutliche Zinkabscheidung. Am Pluspol, der Anode, entsteht braunes gasförmiges Brom.

Aber was genau läuft an den Elektroden ab? Die Zink-zwei-plus- Kationen wandern zum Minuspol, die Bromid-Anionen wandern zum Pluspol. Es findet eine Redoxreaktion statt. Die positiven Zink-Ionen werden an der Kathode zu elementarem Zink reduziert und die Bromid-Ionen zu elementarem Brom oxidiert.

Nun kann der Akku entladen werden: Durch den angelegten Strom ist ein galvanisches Element entstanden, welches sich entlädt, wenn keine Spannung mehr zugefügt wird. Die Spannungsquelle wird entfernt und ein Verbraucher zwischen die Elektroden geschaltet. Das würde für das Elektroauto der strombetriebene Motor sein. Durch die zuvor durchgeführte Elektrolyse erhalten wir aus dem Akkumulator elektrische Energie beim Entladen und der Motor läuft eine kurze Zeit. Wir können eine Spannung von 1,83 V feststellen. Das entspricht in etwa der bei der Elektrolyse benötigten Spannung. Es fließt jetzt ein Strom, der dem Elektrolysestrom entgegengesetzt ist.

Auch an den Elektroden laufen nun die gegensätzlichen Reaktionen ab. Am Minuspol wird elemetares Zink oxidiert und Zink-Ionen gehen in Lösung. Am Pluspol wird nun das entstandene Brom wieder reduziert und Bromid-Ionen gehen in Lösung.

Die Anode ist immer, in der Elektrolysezelle und im Galvanischen Element, der Pol, an dem oxidiert wird. Die Kathode ist immer der Pol, an dem reduziert wird. Die Elektrolyse ist also die Umkehrung der in der Galvanischen Zelle freiwillig ablaufenden Reaktionen.

Elektrolysereaktionen sind also erzwungene Redoxreaktionen, die unter Einsatz von elektrischer Energie ablaufen. Unterbricht man die angelegte Spannung, läuft umgekehrt die galvanische Reaktion ab. Diese Umkehrbarkeit entspricht dem Prinzip eines Akkumulators: Die Elektrolyse entspricht dem Ladevorgang, die Funktion als Galvanisches Element dem Entladevorgang.

Du hast in diesem Video nun gelernt, dass sich Akkumulatoren ideal als Alternative für die herkömmlichen Motoren eignen. Das liegt daran, dass Akkumulatoren Energiespeicher sind, die durch das Anlegen einer Spannung wieder aufgeladen werden können. Das Aufladen entspricht dabei der Umkehrung des Galvanischen Elements. Durch die angelegte Spannung erfolgt eine Elektrolyse, also eine unfreiwillige Reaktion der chemischen Komponenten.

Wird nach der Elektrolyse ein Verbraucher an den Akkumulator angeschlossen, kann ein Großteil der zuvor hinzugefügten Energie der Elektrolyse wieder zurückgewonnen werden. So erfolgt die Speicherung von Energie in einem Akkumulator.

Tschüss und bis zum nächsten mal!

6 Kommentare
  1. Eine ganz tolle Übersicht! Ich würde mich sehr über ein Video zur Chloralkali Elektrolyse nach dem Amalgam und dem Membran Verfahren freuen :)

    Von Annika Liesche, vor mehr als einem Jahr
  2. Es tut mir so leid aber ich hab nichts verstanden :(((

    Von Uschierhorn, vor mehr als 2 Jahren
  3. Liebe Anna,
    nein das stimmt leider nicht immer. Die Vorzeichen haben nichts mit den Begriffen zu tun.
    Grundsätzlich wird immer an der Anode oxidiert und an der Kathode reduziert.
    1. Elektrolyse:
    Kathode ist Minuspol, weil positive Kationwn zu ihm wnadern und dort reduziert werden.
    Anode ist Pluspol, weil die negativen Anionen angezogen und oxidiert werden.
    2. galvanisches Element:
    Zink-Pol wird zur Anode, da dort oxidiert wird. Elektronen werden produziert, es ist also der Minuspol.
    Brom wird reduiert und so ist die Kathode hier der Pluspol.

    Ich hoffe, das hilft dir weiter.
    Viel Spaß bei der Chemie

    Von Bianca Blankschein, vor fast 5 Jahren
  4. stimmt das:
    Anode: plus
    Kathode: minus
    LG

    Von Anna H., vor fast 5 Jahren
  5. Hallo,
    üblicherweise sind bei der Zink-Brom-Zelle beide Elektrodenmaterialien möglich. Wenn du in der Schule einmal solch einen Akku experimentell darstellen wirst, dann sind die Elektroden wahrscheinlich aus Graphit. Außerdem wirst du dann auch eher mit Iod arbeiten und nicht mit Brom, da Brom toxisch ist. Die ablaufenden Reaktionen sind allerdings für Iod analog.
    Viel Freude auch weiterhin an der Chemie!

    Von Bianca Blankschein, vor fast 5 Jahren
  1. Aus was bestehen die Elektroden? Graphit oder Platin?

    Von Dave Mbach, vor fast 5 Jahren
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Elektrolyse – erzwungene Redoxreaktionen Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Elektrolyse – erzwungene Redoxreaktionen kannst du es wiederholen und üben.

  • Erkläre die Elektrolyse.

    Tipps

    Bei der Elektrolyse muss eine Spannung angelegt werden, da die Reaktionen nicht freiwillig ablaufen würden.

    Überlege dir, wie Oxidation und Reduktion definiert sind.

    Lösung

    Um einen Akkumulator aufzuladen, muss eine Spannung angelegt werden. Dadurch werden die solche Reaktionen gezwungen, abzulaufen, die sonst nicht freiwillig ablaufen würden. Chemisch wird der Prozess des Aufladens eines Akkumulators Elektrolyse genannt. Bei der $ZnBr_2$-Zelle werden zwei Elektroden in eine $ZnBr_2$-Lösung getaucht. Es wird eine Spannung angelegt. Die Ionen der Lösung bewegen sich unter Gleichspannung in Richtung der entsprechenden Pole. Man spricht hierbei von Ionenwanderung. Kurze Zeit nach Anlegen der Spannung beobachtet man eine Zinkabscheidung an der Kathode, dem Minus-Pol. Am Plus-Pol, der Anode, entsteht braunes, gasförmiges Brom. Die $Zn^{2+}$-Kationen wandern zum Minus Pol, während die Bromid-Ionen zum Plus-Pol wandern. Es findet eine Redoxreaktion statt. Die Zink-Kationen werden an der Kathode zu Zink reduziert und die Bromid-Ionen werden zu elementarem Brom oxidiert. Durch das Anlegen des Stroms ist ein galvanisches Element entstanden, das sich entlädt, wenn keine Spannung mehr zugeführt wird. Dabei wird die Spannungsquelle entfernt und ein Verbraucher zwischengeschaltet. Dabei kann man eine Spannung von 1,83 Volt feststellen. Das entspricht in etwa der bei der Elektrolyse benötigten Spannung.

  • Beschreibe den Aufbau einer Zinkbromid-Zelle.

    Tipps

    Es entstehen Ionen aus beiden Elementen der Lösung.

    Zink wird reduziert und Brom wird oxidiert.

    Lösung

    Den Vorgang in einer Zinkbromid-Zelle nennt man Elektrolyse. Es ist die Umkehrung einer galvanischen Zelle. Bei einer Zinkbromid-Zelle tauchen zwei Elektroden in einzelnen Kammern in eine $ZnBr_2$-Lösung. Die Kammern sind durch eine semipermeable Membran getrennt. Eine semipermeable Membran ist eine halbdurchlässige Membran. So können Ionen ausgetauscht werden. Damit eine Reaktion ablaufen kann, muss eine Spannung angelegt werden. Erst jetzt findet eine Ionenwanderung statt. Die Ionen bewegen sich unter Gleichspannung in Richtung der entsprechenden Pole. Die Bromidionen wandern also zum Plus-Pol, die Zinkionen wandern zum Minus-Pol. Dabei scheidet sich Zink an der Kathode (dem Minus-Pol) ab und Brom entsteht an der Anode (am Plus-Pol). Es findet eine Redoxreaktion statt. An der Kathode findet nämlich immer eine Reduktion statt, während an der Anode oxidiert wird. Durch diese erzwungene Redoxreaktion, die ohne Anlegen einer Spannung nicht ablaufen würde, kann ein Akkumulator aufgeladen werden. Würde man anschließend einen Verbraucher anlegen, würde sich der Akkumulator entladen.

  • Vergleiche die galvanische Zelle mit der Elektrolyse-Zelle anhand der Zinkbromid-Zelle.

    Tipps

    Zeichne dir eine Skizze der Elektrolyse und der galvanischen Zelle einer $ZnBr_2$-Lösung.

    Notiere dir die Redoxreaktionen. Wo findet die Oxidation jeweils statt?

    Kationen richten sich zum Minus-Pol aus, Anionen zum Plus-Pol.

    Lösung

    Eine Elektrolyse ist die Umkehrung der in der galvanischen Zelle freiwillig ablaufenden Reaktionen. Während also die Reaktionen in der galvanischen Zelle freiwillig ablaufen und der Akkumulator durch einen Verbraucher entladen wird, entspricht die Elektrolyse dem Aufladen eines Akkumulators mithilfe von Strom, der zugeführt werden muss. Es muss also eine Spannung angelegt werden. Anschließend scheidet sich Zink an der Kathode ab, während an der Anode durch Oxidation Brom entsteht. Merke dir, dass an der Anode immer oxidiert wird, während an der Kathode eine Reduktion stattfindet. Dies gilt auch für die galvanische Zelle, nur sind die Reaktionen umgekehrt. An der Anode der galvanischen Zelle geht Zink in Lösung.

  • Erkläre den Vorgang der Steinsalzschmelze.

    Tipps

    Was sagt dir der Name der Steinsalzschmelze über den Vorgang?

    Was sind die Edukte, was die Produkte?

    Überlege dir, in welche Richtung der Elektronenfluss stattfindet.

    Lösung

    Bei der Schmelzflusselektrolyse von Steinsalz befinden sich Natrium- und Chlor-Ionen in der Schmelze. Beim Anlegen einer Spannung wandern die Natrium-Kationen zum Minus-Pol, während die Chlorid-Anionen zum Plus-Pol wandern. Die Chlorid-Anionen werden zu Chlor-Atomen oxidiert und geben je ein Elektron ab. Die Chlor-Atome gehen eine Bindung miteinander ein und es entsteht Chlorgas am Plus-Pol, der Anode. An der Kathode, dem Minus-Pol, entsteht Natrium. Die Elektronen wandern vom Plus-Pol zum Minus-Pol, um dort die Natrium-Kationen zu Natrium zu reduzieren.

  • Beschreibe das Wesen von Batterien und Akkumulatoren.

    Tipps

    Überlege dir, welche Vorgänge bei der Elektrolyse stattfinden.

    Eine Elektrolyse ist die Umkehrung der in der galvanischen Zelle freiwillig ablaufenden Reaktionen.

    Lösung

    Um einen Akkumulator aufzuladen, muss eine Spannung angelegt werden. Dadurch werden die Reaktionen dazu gezwungen, abzulaufen, die sonst nicht freiwillig ablaufen würden. Chemisch wird der Prozess des Aufladens eines Akkumulators Elektrolyse genannt. Die Ionen der Lösung bewegen sich unter Gleichspannung in Richtung der entsprechenden Pole. Man spricht hierbei von Ionenwanderung. Es findet eine Redoxreaktion statt. Kationen werden an der Kathode zu Zink reduziert und die Anionen an der Anode oxidiert. Es ist ein galvanisches Element entstanden, das sich entlädt, wenn keine Spannung mehr zugeführt wird. Dabei wird die Spannungsquelle entfernt und ein Verbraucher zwischengeschaltet. Eine Batterie ist wie eine galvanische Zelle. Es muss also ein Verbraucher angelegt werden. Und genau wie bei der galvanischen Zelle findet die Oxidation an der Anode statt.

  • Erkläre die Funktionsweise einer Autobatterie.

    Tipps

    Erinnere dich, ob man bei einer Elektrolyse oder einer galvanischen Zelle eine Spannung anlegt.

    Lösung

    Batterien können nur in eine Richtung verwendet werden: Sie werden entladen. Deshalb ist Autobatterie tatsächlich nicht der richtige Begriff, besser wäre Akkumulator, denn diesen kann man wieder aufladen. Beim Entladen funktioniert der Akkumulator als galvanische Zelle, denn es wird ein Verbraucher zwischen die Elektroden geschaltet. Die Elektroden sind hier die Gitter, die jeweils mit porösem Blei und braunem Bleidioxid-Pulver gefüllt sind. Die mit Bleidioxid-Pulver gefüllten Gitter stellen dabei den Plus-Pol dar. Diese werden abwechselnd angeordnet und von Kunststoffblättern voneinander isoliert. Alle Platten tauchen in Schwefelsäure ein. An beiden Polen entstehen Blei-Ionen, die mit den Sulfat-Ionen der Schwefelsäure Bleisulfat bilden. Die Sauerstoff-Ionen reagieren mit Wasserstoff-Ionen der Säure zu Wasser. Beim Aufladen des Akkumulators laufen diese Vorgänge in umgekehrter Richtung ab. Das Aufladen des Akkumulators entspricht dann dem Prinzip der Elektrolyse.

    Minus-Pol: $Pb \rightarrow Pb^{2+} + 2~e^-$ (Oxidation)

    Plus-Pol: $PbO_2 + 2~e^- \rightarrow Pb^{2+} + 2~O^{2-}$ (Reduktion)

    Insgesamt läuft also folgende Reaktion ab:

    $Pb + PbO_2 + 2~H_2SO_4 \rightarrow 2~PbSO_4 + 2~H_2O$