Elektrolyse – erzwungene Redoxreaktionen

Elektrolyse – erzwungene Redoxreaktionen Übung

• 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.

• 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:

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

• 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.

• 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.