Elektrolyse

Elektrolyse ist ein Prozess, bei dem elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt wird. Der Prozess findet in einer wässrigen salzhaltigen, bzw. leitenden, Lösung statt, auch Elektrolyt genannt. Dies gibt den Ionen die Möglichkeit, zwischen zwei Elektroden hin und her zu wechseln. Der Elektrolyt verbindet die beiden Elektroden, die ebenfalls mit einer Gleichstromquelle verbunden sind. Dieses Gerät wird als Elektrolysezelle bezeichnet und ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Wird nun ein elektrischer Strom angelegt, so wandern die positiven Ionen zur Kathode hin, während die negativen Ionen zur Anode hin wandern. Positive Ionen werden Kationen genannt und sind meist Metalle. Aufgrund ihrer Wertigkeit haben sie Elektronen verloren und können Elektronen aufnehmen. Anionen sind negative Ionen. Sie tragen mehr Elektronen als nötig und haben die Möglichkeit, sie abzugeben. Wenn die Kationen in Kontakt mit der Kathode treten, erhalten sie diese verlorenen Elektronen zurück, um in den Elementarzustand zu gelangen. Die Anionen reagieren umgekehrt. Wenn sie in Kontakt mit der Anode treten, geben sie ihre überflüssigen Elektronen ab, um in den Elementarzustand zu gelangen. An der Elektrode werden die Kationen reduziert und die Anionen oxidiert.

Um die Reaktionen in der Zelle zu steuern, kann zwischen verschiedenen Elektrodenmaterialien gewählt werden. Ebenso können verschiedene Elektrolyte für spezielle Reaktionen und Effekte eingesetzt werden. Der Elektrolyt enthält die Ionen, die den Strom leiten.

Wenn beispielsweise ein Stück Metall verzinkt werden soll, so wird es als Kathode verwendet. Die Metallionen der Anode wandern zur Kathode hin und bilden eine dünne Schicht auf der Oberfläche des Teils, das verzinkt werden muss.

Um sehr reines Kupfer herzustellen, muss eine verschmutzte Kupferanode gewählt werden, die durch Elektrolyse gereinigt wird. Das Kupfer kommt als Cu2 + -Ionen in Lösung und fällt auf der Kathode als reine Kupferschicht aus. Die Verschmutzung der Anode reagiert nicht wie das Kupfer. Metalle mit einem anderen Charakter als Kupfer reagieren nicht. Sie fallen zu Boden und bauen den Anodenschlamm auf. Metalle mit einem Standardpotential mehr oder weniger dem des Kupfers werden ebenfalls elektrolysiert und wandern zu der Kathode. Auch Silber wird auf diese Weise gereinigt.

Die obige Tabelle zeigt die elektrochemische Spannungsreihe (Standardpotential bei 25 ° C)

Im Allgemeinen sind "positive" Metalle gegenüber den "negativen" Metallen edel. Mit Ausnahme einiger weniger Elemente kann mit dem Standardpotential das Auftreten in der Erdkruste vorhergesagt werden. Edelmetalle befinden sich im Allgemeinen in einem Zustand reinen Metalls, während nicht edle Metalle als Verbindung auftreten.

Nach dem obigen Überlegungen ist die Möglichkeit zu oxidieren oder auch zu reduzieren also eine Funktion des Standardpotentials. Demnach haben starke Oxidationsmitteln ein negatives Standardpotential und starke Reduktionsmittel haben einen hohen positiven Wert.

Elektrolyseprozesse sind schwer zu kontrollieren. Der galvanische Korrosionsprozess ist oft eine unerwünschte Reaktion, die Schäden an z.B. Rohrleitungen oder anderen Metallgegenständen verursacht. Dieser Prozess ist die Umkehrung der Elektrolysetechnik, die beide auf den Potentialunterschieden verschiedener Metalle beruht. Um den Schaden zu verringern, kann ebenfalls die Elektrolyse eingesetzt werden, indem beispielsweise eine andere Anode verwendet wird, die leichter oxidiert als das Material das vor Korrosion geschützt werden soll.

Für die Entfernung von Metallionen aus einer wässrigen Lösung können auch Ionenaustauscher eingesetzt werden.