Elektrolyse von Wasser Leitfaden

ChemieMittelstufeLesezeit: 3 Min

Übersicht

Wasser ist für unser Leben unerlässlich, aber haben Sie sich jemals gefragt, welche Energie in Wassermolekülen verborgen ist? Indem wir Wasser unter Strom setzen, können wir Wassermoleküle gewaltsam in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegen. Dies ist nicht nur eine grundlegende chemische Reaktion, sondern auch der Grundstein der zukünftigen grünen Wasserstoffgesellschaft. Dieses Experiment führt Sie durch den gesamten Prozess der Wasserelektrolyse und hilft Ihnen, das magische Volumenverhältnis von $2:1$ zu verifizieren.

Hintergrund

Die Zusammensetzung von Wassermolekülen war einst ein großes Rätsel in der Geschichte der Chemie. Im Jahr 1800, nur wenige Wochen nach der Erfindung der Voltaschen Säule, entdeckten die britischen Wissenschaftler William Nicholson und Anthony Carlisle zufällig, dass sich Blasen an den Elektrodenoberflächen bilden, wenn elektrischer Strom durch Wasser fließt. Diese Entdeckung bewies erstmals, dass Wasser kein einzelnes 'Element' ist, sondern eine Verbindung, die zerlegt werden kann. Später fasste der berühmte Chemiker Michael Faraday durch umfangreiche Experimente die Gesetze der Elektrolyse zusammen und legte damit den Grundstein für die Elektrochemie.

Schlüsselkonzepte

Elektrolyse

Ein Prozess, bei dem elektrischer Strom durch eine Lösung oder geschmolzenen Elektrolyten fließt, wobei an beiden Elektroden Redoxreaktionen stattfinden und eine chemische Zersetzung bewirkt wird. Dieser Prozess wandelt elektrische Energie in chemische Energie um.

Kathode

Die Elektrode, die mit dem negativen Pol der Stromversorgung verbunden ist. An der Kathode nehmen Wasserstoffionen (oder Wassermoleküle) im Wasser Elektronen auf und werden reduziert, wobei Wasserstoffgas entsteht.

Anode

Die Elektrode, die mit dem positiven Pol der Stromversorgung verbunden ist. An der Anode geben Hydroxidionen (oder Wassermoleküle) Elektronen ab und werden oxidiert, wobei Sauerstoffgas entsteht.

Zersetzungsreaktion

2\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{Elektrizität}} 2\text{H}_2 \uparrow + \text{O}_2 \uparrow

Eine Reaktion, bei der eine Substanz in zwei oder mehr verschiedene Substanzen zerlegt wird. Die Wasserelektrolyse ist eine typische Zersetzungsreaktion.

Formeln & Herleitung

Gesamtgleichung der Wasserelektrolyse

2H_2O \xrightarrow{\text{Elektrizität}} 2H_2\uparrow + O_2\uparrow

Unter dem Einfluss von Gleichstrom zersetzen sich je

2

Wassermoleküle zu

2

Wasserstoffmolekülen und

1

Sauerstoffmolekül.

Volumenverhältnis der Produkte

V(\text{H}_2) : V(\text{O}_2) = 2 : 1

Bei gleicher Temperatur und gleichem Druck beträgt das Volumenverhältnis gemäß dem Gesetz von Avogadro ebenfalls

2:1

, da das Verhältnis der erzeugten Moleküle

2:1

beträgt.

Experimentier-Schritte

1
Experimentvorbereitung
Beobachten Sie den Versuchsaufbau: Zwei mit Wasser gefüllte Reagenzgläser sind umgedreht in den Wasserbehälter gestellt. Klicken Sie auf 'Röhren auffüllen', um sicherzustellen, dass sich keine Luft in den Röhren befindet. Warum müssen die Reagenzgläser vollständig mit Wasser gefüllt sein?
2
Spannung einstellen
Ziehen Sie den Schieberegler 'Gleichspannung'. Die theoretische Zersetzungsspannung von Wasser beträgt etwa $1.23\text{V}$ . Es wird empfohlen, sie zwischen $6\text{V}$ und $12\text{V}$ einzustellen, um die Reaktion zu beschleunigen. Beobachten Sie, ob Blasen entstehen, wenn die Spannung zu niedrig ist.
3
Starten und Beobachten
Klicken Sie auf 'Strom Ein'. Beobachten Sie sorgfältig die Geschwindigkeit der Blasenbildung an beiden Elektroden: Welche Elektrode (positive oder negative) erzeugt schneller und mehr Blasen?
4
Volumenbeziehung entdecken
Warten Sie eine Weile und vergleichen Sie die Gasvolumina, die in den beiden Reagenzgläsern gesammelt wurden. Versuchen Sie abzuschätzen, um wie viel größer das Volumen in einem Röhrchen im Vergleich zum anderen ist. Entspricht dies Ihren Erwartungen?

Lernergebnisse

Bestätigen, dass Wasser aus den Elementen Wasserstoff und Sauerstoff besteht und somit eine Verbindung und kein Element ist.
Verifizieren, dass das Volumenverhältnis von Wasserstoff zu Sauerstoff bei der Wasserelektrolyse konstant etwa $2:1$ beträgt.
Verstehen, wie elektrische Energie nicht-spontane chemische Reaktionen (Redoxreaktionen) antreibt.
Die Methode beherrschen, Sauerstoff mit einem glimmenden Span und Wasserstoff mit einer brennenden Flamme zu testen.

Praxisanwendungen

Grüne Wasserstoffproduktion: Die Nutzung von Wind- oder Solarenergie zur Elektrolyse von Wasser erzeugt 'grünen Wasserstoff' als emissionsfreien, sauberen Kraftstoff.
Lebenserhaltungssysteme: In U-Booten oder der Internationalen Raumstation ist die Wasserelektrolyse eine Schlüsseltechnologie zur Wiederverwertung und Regeneration von Sauerstoff, um das Überleben der Astronauten zu sichern.
Industrielle Galvanotechnik: Nutzung des Elektrolyseprinzips zur Beschichtung von Metalloberflächen mit Gold, Silber, Chrom usw. zum Korrosionsschutz oder für ästhetische Zwecke.
Metallraffination: Die Extraktion oder Reinigung von hochreinen Metallen wie Aluminium, Kupfer und Magnesium durch Elektrolyse ist ein Kernbereich der modernen metallurgischen Industrie.

Häufige Irrtümer

Irrtum

Das Massenverhältnis von Wasserstoff und Sauerstoff bei der Wasserelektrolyse beträgt

2:1

Richtig

Falsch. Das Verhältnis

2:1

bezieht sich auf die Molekülzahl und das Volumenverhältnis. Basierend auf Berechnungen der molaren Masse (Wasserstoff ist

2

, Sauerstoff ist

32

) sollte das Massenverhältnis

H_2 : O_2 = (2 \times 2) : (1 \times 32) = 1 : 8

betragen.

Irrtum

Durch Wasserelektrolyse kann unbegrenzt Energie erzeugt werden

Richtig

Falsch. Die Wasserelektrolyse ist ein energieabsorbierender Prozess (nicht-spontane Reaktion). Die bei der Verbrennung des erzeugten Wasserstoffs freigesetzte Energie wird niemals die bei der Elektrolyse verbrauchte elektrische Energie übersteigen, gemäß dem Gesetz der Energieerhaltung.

Weiterführende Literatur

Bereit zum Start?

Da du nun die Grundlagen verstehst, starte das interaktive Experiment!

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