Elektrolyse

Spontane Redoxreaktionen in Voltaikzellen wandeln chemische Energie in elektrische Energie um. Alternativ treibt externe elektrische Energie nicht-spontane Redoxreaktionen in einem Prozess namens Elektrolyse an, der in einer Elektrolysezelle stattfindet.

Eine Elektrolysezelle hat eine Anode für die Oxidation und eine Kathode für die Reduktion. Im Gegensatz zur Voltaikzelle, bei der die negativ geladene Anode die Elektronenquelle ist, verfügt die Elektrolysezelle jedoch über eine externe Elektronenquelle wie eine Batterie.

Die Batterie zieht Elektronen aus der Anode, die mit ihrem Pluspol verbunden ist, und treibt Elektronen zur Kathode, die mit ihrem Minuspol verbunden ist. So fließen Elektronen vom Pluspol zum Minuspol der externen Stromquelle.

Die Elektrolyse wird verwendet, um ionische Verbindungen in ihre Bestandteile zu zerlegen. In ihrem geschmolzenen oder wässrigen Zustand sind die Bestandteile der Ionen frei, Strom zu leiten.

Betrachten Sie Kaliumbromid, das bei einer Temperatur von 734 °C schmilzt. Hier liegen Bromid- und Kalium-Ionen in ihrer niedrigsten bzw. höchsten Oxidationsstufe vor. Unter Strom werden die Brom-Ionen an der Anode zu Bromgas oxidiert, und Kalium-Ionen werden an der Kathode zu festem Kalium reduziert.

In geschmolzenen Ionengemischen wie Natriumiodid und Kaliumbromid werden Standardelektrodenpotentiale verwendet, um vorherzusagen, welche Substanz reagieren wird. Im Allgemeinen werden Anionen mit einem niedrigeren Elektrodenpotential oxidiert und Kationen mit einem positiveren Elektrodenpotential reduziert.

Interessanterweise entstehen bei der Elektrolyse von wässrigem Kaliumbromid aufgrund der möglichen Elektrolyse von Wasser unterschiedliche Produkte aus geschmolzenen Salzen.

So könnten an jeder Elektrode zwei Reaktionen ablaufen: die Oxidation von Bromidionen oder Wasser an der Anode und die Reduktion von Kaliumionen oder Wasser an der Kathode.

Aufgrund des niedrigeren Elektrodenpotentials wird die Oxidation von Bromidionen zu Brom begünstigt, während das positivere Elektrodenpotential von Wasser die Reduktion zu Wasserstoffgas antreibt.

Die Stöchiometrie der Halbreaktionen kann verwendet werden, um die Menge der während der Elektrolyse produzierten oder verbrauchten Substanzen zu berechnen.

Bei der Elektrolyse von geschmolzenem Kaliumbromid wird beispielsweise ein Elektron verwendet, um ein Kaliumatom zu bilden. Jedes Mol Elektronen oder 96.485 Coulomb Ladung, das durch die Zelle geleitet wird, erzeugt also ein Mol oder fast 39 Gramm festes Kalium.