Elektrolyse einfach erklärt: Prinzip & Reaktionsgleichungen

Hast du dich jemals gefragt, wie dein leerer Handy-Akku wieder voll wird oder wie man eine einfache Metallfelge mit glänzendem Chrom überzieht? Die Antwort auf beides ist die Elektrolyse!

Normalerweise laufen viele chemische Reaktionen von ganz alleine ab und können dabei Strom erzeugen (wie in einer Batterie). Bei der Elektrolyse drehen wir den Spieß einfach um: Wir nutzen elektrischen Strom, um eine chemische Reaktion zu erzwingen, die sonst niemals freiwillig ablaufen würde. In dieser Lektion lernst du, wie genau das funktioniert und wie man die passenden Reaktionsgleichungen dazu aufstellt.

Vorwissen

• Ionen: Elektrisch geladene Atome oder Moleküle. Kationen sind positiv, Anionen sind negativ geladen. Beispiel: Kochsalz ($\text{NaCl}$) zerfällt in Wasser zu positiven $\text{Na}^+$-Ionen und negativen $\text{Cl}^-$-Ionen.
• Redoxreaktionen: Reaktionen, bei denen Elektronen übertragen werden. Beispiel: Bei der Oxidation werden Elektronen abgegeben, bei der Reduktion werden Elektronen aufgenommen.

Aufgabentyp 1: Prinzip der Elektrolyse und Reaktionsgleichungen

Eine Elektrolyse ist eine Redoxreaktion, die durch die Zufuhr von elektrischer Energie erzwungen wird. Damit das funktioniert, brauchen wir eine Flüssigkeit, die den elektrischen Strom leitet. Das kann eine Salzlösung (Salz in Wasser gelöst) oder eine Salzschmelze (geschmolzenes Salz) sein. Beide enthalten frei bewegliche Ionen.

Wenn wir nun eine Stromquelle anschließen, entstehen zwei Pole: ein Minuspol und ein Pluspol. Da sich in der Physik Gegensätze immer anziehen, passiert in der Lösung Folgendes:

• Die positiven Ionen wandern zum Minuspol.
• Die negativen Ionen wandern zum Pluspol.

An den Elektroden (den leitenden Stäben im Wasser) finden nun die chemischen Reaktionen statt:

• Am Minuspol (der Kathode): Hier gibt es einen Überschuss an Elektronen. Die positiven Ionen nehmen diese Elektronen auf. Eine Elektronenaufnahme nennen wir Reduktion.
• Am Pluspol (der Anode): Hier saugt die Stromquelle Elektronen ab. Die negativen Ionen geben ihre Elektronen ab. Eine Elektronenabgabe nennen wir Oxidation.

Merksatz für die Klausur: An der Anode findet immer die Oxidation statt (Vokal und Vokal). An der Kathode findet immer die Reduktion statt (Konsonant und Konsonant).

Elektrolyse von Zinkiodid

Zweck: Sichtbarmachen der Ionenwanderung und der Reaktionen an den Elektroden.

Materialien: U-Rohr, 50 mL Zinkiodidlösung ($\text{ZnI}_2$), zwei Graphitelektroden, Kabel, Gleichspannungsquelle.

⚠️ Sicherheitshinweis: Bei diesem Versuch entsteht elementares Iod, dessen Dämpfe gesundheitsschädlich sind. Der Versuch muss unter dem Abzug oder in einem gut belüfteten Raum von einer Lehrkraft durchgeführt werden. Schutzbrille tragen!

Durchführung:

1. Fülle die Zinkiodidlösung in das U-Rohr.
2. Stecke in die linke und rechte Öffnung des U-Rohrs jeweils eine Graphitelektrode.
3. Schließe die linke Elektrode an den Minuspol und die rechte Elektrode an den Pluspol der Spannungsquelle an.
4. Schalte die Spannung ein.

Beobachtung: Nach kurzer Zeit wächst an der linken Elektrode (Minuspol) ein grauer, metallischer Überzug. An der rechten Elektrode (Pluspol) färbt sich die Lösung gelblich-braun.

Erklärung: In der Lösung schwimmen positive Zink-Ionen ($\text{Zn}^{2+}$) und negative Iodid-Ionen ($\text{I}^-$).

• Die $\textcolor{#08BFFF}{\text{Zn}^{2+}}$-Ionen wandern zur linken Elektrode, dem Minuspol (Kathode). Dort nehmen sie Elektronen auf (Reduktion) und werden zu festem, grauem Zinkmetall ($\text{Zn}$).
• Die $\textcolor{#FF7D57}{\text{I}^-}$-Ionen wandern zur rechten Elektrode, dem Pluspol (Anode). Dort geben sie Elektronen ab (Oxidation) und werden zu braunem Iod ($\text{I}_2$).

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Ionen identifizieren: Bestimme, aus welchen Ionen das Salz besteht. Das Metall bildet immer das positive Kation, das Nichtmetall das negative Anion.
2. Ionenwanderung zuordnen: Erinnere dich: Gegensätze ziehen sich an. Die positiven Ionen wandern zum Minuspol, die negativen Ionen zum Pluspol.
3. Teilgleichungen aufstellen: Schreibe die Reaktionen auf. Am Minuspol (Kathode) findet die Reduktion statt: Die Elektronen ($\text{e}^-$) stehen links vom Reaktionspfeil. Am Pluspol (Anode) findet die Oxidation statt: Die Elektronen ($\text{e}^-$) stehen rechts vom Reaktionspfeil.

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Die Elektrolyse erzwingt eine Redoxreaktion durch die Zufuhr von elektrischer Energie.
• Positive Ionen wandern zum Minuspol (Kathode). Dort findet die Reduktion statt.
• Negative Ionen wandern zum Pluspol (Anode). Dort findet die Oxidation statt.
• Merkhilfe: Anode = Oxidation, Kathode = Reduktion.