Chemische Reaktionen bei der Elektrolyse einfach erklärt

Stell dir vor, du hast ein fest zusammengebautes Lego-Modell und möchtest es in seine Einzelteile zerlegen. In der Chemie nutzen wir dafür oft elektrischen Strom! Diesen Vorgang nennt man Elektrolyse.

Bei der Elektrolyse zwingen wir chemische Verbindungen durch elektrische Energie dazu, sich in ihre ursprünglichen Bausteine aufzuspalten. In dieser Lektion lernst du, wie genau chemische Reaktionen bei der Elektrolyse ablaufen und wie du die passenden chemischen Reaktionsgleichungen dafür aufstellst.

Schnellantwort

Was sind chemische Reaktionen bei der Elektrolyse? Bei der Elektrolyse zwingen wir chemische Verbindungen durch elektrische Energie dazu, sich in ihre ursprünglichen Bausteine aufzuspalten. Dabei wandern Ionen zu den jeweiligen Polen, wo sie Elektronen aufnehmen oder abgeben.

Vorwissen

• Ionen: Elektrisch geladene Atome oder Moleküle. Kationen sind positiv, Anionen sind negativ. Beispiel: Kochsalz besteht aus positiven Natrium-Ionen ($\text{Na}^+$) und negativen Chlorid-Ionen ($\text{Cl}^-$).
• Oxidation und Reduktion: Die Abgabe oder Aufnahme von Elektronen. Beispiel: Wenn ein Teilchen Elektronen abgibt, nennt man das Oxidation. Nimmt es Elektronen auf, ist es eine Reduktion.

Aufgabentyp 1: Die Elektrolyse von Zinkiodid

Wenn wir elektrischen Strom durch eine wässrige Zinkiodid-Lösung leiten, trennen wir die Verbindung auf. Zinkiodid besteht aus positiven Zink-Ionen ($\textcolor{#08BFFF}{\text{Zn}^{2+}}$) und negativen Iodid-Ionen ($\textcolor{#FF7D57}{\text{I}^-}$).

Am Minuspol (Kathode): Der Minuspol hat einen Überschuss an Elektronen. Er zieht die positiven $\textcolor{#08BFFF}{\text{Zn}^{2+}}$-Ionen an. Dort nehmen die Ionen Elektronen auf und werden zu festem Zink (Reduktion):

$\textcolor{#08BFFF}{\text{Zn}^{2+}} + 2 \text{ e}^- \to \text{Zn}$

Am Pluspol (Anode): Der Pluspol hat einen Elektronenmangel. Er zieht die negativen $\textcolor{#FF7D57}{\text{I}^-}$-Ionen an. Dort gibt ein einzelnes Iodid-Ion ein Elektron ab und wird zu einem neutralen Iod-Atom (Oxidation):

$\textcolor{#FF7D57}{\text{I}^-} \to \text{I} + \text{e}^-$

Da Iod-Atome aber sehr reaktionsfreudig sind und nicht gerne alleine bleiben, verbinden sich sofort zwei davon zu einem Iod-Molekül ($\text{I}_2$):

$2 \text{ I} \to \text{I}_2$

Zusammengefasst schreiben wir die Reaktion am Pluspol meistens direkt so:

$2 \textcolor{#FF7D57}{\text{I}^-} \to \text{I}_2 + 2 \text{ e}^-$

Die Gesamtgleichung: Wenn wir beide Teilgleichungen zusammenfassen, erhalten wir die gesamte chemische Reaktion der Elektrolyse:

$\textcolor{#08BFFF}{\text{Zn}^{2+}} + 2 \textcolor{#FF7D57}{\text{I}^-} \to \text{Zn} + \text{I}_2$

Experiment: Sichtbare Chemie im U-Rohr

Zweck: Beobachten, wie elektrischer Strom eine Zinkiodid-Lösung in ihre Elemente zerlegt.

Materialien: U-Rohr aus Glas, 2 Graphitelektroden, Gleichspannungsquelle, Kabel, 50 mL wässrige Zinkiodid-Lösung.

⚠️ Sicherheitshinweis: Schutzbrille tragen! Die entstehende Iod-Lösung reizt Haut und Augen. Das Experiment sollte unter dem Abzug durchgeführt werden. Stromquellen nur unter Aufsicht der Lehrkraft bedienen.

Durchführung:

1. Fülle die Zinkiodid-Lösung in das U-Rohr, bis beide Schenkel etwa zur Hälfte gefüllt sind.
2. Stecke in jede Öffnung des U-Rohrs eine Graphitelektrode.
3. Verbinde die Elektroden über Kabel mit der Spannungsquelle und schalte den Strom (ca. 5 Volt) ein.

Beobachtung: Nach wenigen Minuten wachsen am Minuspol (Kathode) graue, metallische Kristalle, die wie kleine Bäumchen aussehen. Am Pluspol (Anode) färbt sich die Flüssigkeit dunkelbraun und sinkt langsam nach unten.

Erklärung: Die grauen Kristalle sind festes Zink, das durch die Elektronenaufnahme entstanden ist. Die braune Färbung entsteht durch das neu gebildete Iod, das sich im Wasser löst.

Aufgabentyp 2: Elektrolyse von Salzschmelzen

Das gleiche Prinzip der Elektrolyse funktioniert auch bei anderen Salzen. Allerdings gibt es ein Problem: Wenn ein Salz fest ist, sitzen die Ionen in einem starren Gitter fest und können sich nicht bewegen. Ohne bewegliche Ionen kann kein Strom fließen.

Wenn wir das Salz aber nicht in Wasser lösen, sondern sehr stark erhitzen, bis es schmilzt, wird das Gitter zerstört. In dieser sogenannten Salzschmelze können die Ionen wieder frei wandern. Auch hier gilt immer die gleiche Regel:

• Die positiven Kationen wandern zum Minuspol.
• Die negativen Anionen wandern zum Pluspol.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Ionen bestimmen: Finde heraus, welche Ionen im Salz stecken. Metalle bilden meist positive Kationen, Nichtmetalle negative Anionen.
2. Reaktion am Minuspol (Kathode): Die positiven Ionen wandern zum Minuspol und nehmen Elektronen auf (Reduktion).
3. Reaktion am Pluspol (Anode): Die negativen Ionen wandern zum Pluspol und geben Elektronen ab (Oxidation). Halogene bilden Moleküle mit einer kleinen 2.
4. Gesamtgleichung aufstellen: Prüfe die Elektronenanzahl, multipliziere bei Bedarf und fasse beide Seiten zusammen.

Durchgerechnete Beispiele

Beispiel 1

Aufgabe

Formuliere die Teilgleichungen und die Gesamtgleichung für die Elektrolyse einer flüssigen Lithiumchlorid-Schmelze ($\text{LiCl}$).

Lösung Schritt für Schritt

Fortschritt

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   Schritt 1
   Ionen bestimmen

   Lithium steht in der 1. Hauptgruppe, bildet also $\textcolor{#08BFFF}{\text{Li}^+}$-Ionen. Chlor steht in der 17. Hauptgruppe (Halogene), bildet also $\textcolor{#FF7D57}{\text{Cl}^-}$-Ionen.

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   Schritt 2
   Reaktion am Minuspol (Kathode)

   Die positiven $\textcolor{#08BFFF}{\text{Li}^+}$-Ionen wandern zum Minuspol. Dort nehmen sie ein Elektron auf (Reduktion): $\textcolor{#08BFFF}{\text{Li}^+} + \text{e}^- \to \text{Li}$

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   Schritt 3
   Reaktion am Pluspol (Anode)

   Die negativen $\textcolor{#FF7D57}{\text{Cl}^-}$-Ionen wandern zum Pluspol. Dort geben sie Elektronen ab (Oxidation). Da Chlor ein Halogen ist, bilden sich zweiatomige Moleküle ($\text{Cl}_2$): $2 \textcolor{#FF7D57}{\text{Cl}^-} \to \text{Cl}_2 + 2 \text{ e}^-$

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   Schritt 4 · Ergebnis
   Gesamtgleichung aufstellen

   Am Pluspol werden 2 Elektronen abgegeben, aber am Minuspol wird nur 1 Elektron aufgenommen. Wir müssen die Gleichung vom Minuspol verdoppeln, damit die Elektronenanzahl übereinstimmt: $2 \textcolor{#08BFFF}{\text{Li}^+} + 2 \text{ e}^- \to 2 \text{ Li}$ Jetzt können wir beide Gleichungen zusammenfassen (die Elektronen kürzen sich weg). Das ist die fertige Gesamtgleichung:

Ergebnis:

Die Gesamtgleichung lautet $2 \textcolor{#08BFFF}{\text{Li}^+} + 2 \textcolor{#FF7D57}{\text{Cl}^-} \to 2 \text{ Li} + \text{Cl}_2$.

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Wichtige Erkenntnisse

• Bei der Elektrolyse erzwingt elektrischer Strom eine chemische Reaktion.
• Minuspol (Kathode): Zieht positive Ionen an. Hier findet die Reduktion (Elektronenaufnahme) statt.
• Pluspol (Anode): Zieht negative Ionen an. Hier findet die Oxidation (Elektronenabgabe) statt.
• Halogene (wie Chlor, Brom, Iod) bilden am Pluspol immer zweiatomige Moleküle (z.B. $\text{Cl}_2$, $\text{I}_2$).