Die elektrochemische Zersetzung von Wasser

Die elektrochemische Zersetzung von Wasser Übung

• Beschreibe die Autoprotolyse des Wassers.

  Tipps

  Bei dieser Art von Dissoziation reagieren Wasserteilchen mit sich selbst.

  Die entstandenen Ionen kennst du von der Dissoziation von Säuren und Basen.

  Lösung

  Die Wassermoleküle reagieren zu einem gewissen Teil mit sich selbst. Man spricht dabei von Selbstdissoziation oder Autoprotolyse. Bei der Autoprotolyse läuft folgende Reaktion ab:

  $H_2O + H_2O \rightleftharpoons H_3O^{\oplus} + OH^{\ominus}$

  Die Wassermoleküle reagieren also einmal als Protonendonator (Säure) und geben ein Proton ab und im anderen Fall als Protonenakzeptor (Base), wobei sie ein Proton aufnehmen. Es handelt sich also im eine Reaktion mit Protonenübergang. Dabei entstehen ein Oxonium-Ion und ein Hydroxid-Ion.

  Das Ionenprodukt bei Raumbedingungen beträgt $K_w = 10^{-14} mol^2/l^2$. Es reagiert also nur ein ganz geringer Teil der Wassermoleküle zu Ionen. Hauptsächlich liegen undissoziierte Wassermoleküle vor.

• Beschreibe die prinzipiellen Vorgänge der Elektrolyse.

  Tipps

  Für das Fließen eines elektrischen Stromes im Wasser sind geladene Teilchen notwendig.

  Bei den Reaktionen an den Elektroden spielen Elektronen eine wichtige Rolle.

  Die erste Reaktion an den Elektroden liefert jeweils Radikale. Das sind Teilchen mit ungepaarten Elektronen.

  Lösung

  In reinem Wasser findet eine geringe Dissoziation statt. Es entstehen Ionen. Diese ermöglichen eine geringe elektrische Leitung. Beim Anlegen einer Gleichspannung wandern die Ionen zu den entsprechenden Elektroden. Wechselspannung geht nicht, da durch die ständige Umpolung die Ionen keinen vorgeschriebenen Weg hätten. Die Kationen bewegen sich zur Kathode, die Anionen zur Anode.

  An den beiden Elektroden werden die Ionen entladen. Man spricht von Entladungsvorgängen. Man nennt diese Vorgänge auch Elektrodenreaktionen.

  Erster Schritt der Kathodenreaktionen:

  $H_3O^{\oplus}+ e^- \longrightarrow H_2O + H \bullet$

  Erster Schritt der Anodenreaktionen:

  $OH^- \longrightarrow \bullet~OH + e^-$

• Vergleiche die Bruttoreaktion der Elektrolyse mit der Neutralisation.

  Tipps

  Die Neutralisation ist lediglich eine Vereinigung von Ionen.

  Wasserstoff und Sauerstoff entstehen an verschiedenen Elektroden.

  Lösung

  Der Unterschied zwischen beiden Reaktionen kommt tatsächlich durch das Anlegen einer Spannung zustande. Allerdings handelt es sich dabei nicht um eine Wechselspannung. Für die Elektrolyse benötigt man eine Gleichspannung.

  Die Neutralisation ist im Gegensatz zur Elektrolyse tatsächlich keine Redoxreaktion. Nur die Elektrolyse ist eine Redoxreaktion.

  Die Neutralisation läuft bekanntermaßen spontan ab. Das sieht man an der Reaktion von typischen Mineralsäuren, wie Salzsäure, mit Basen, wie Natriumhydroxid. Die Bruttoreaktion der Elektrolyse stellt dagegen keinen spontanen Prozess dar. Die einzelnen Teilreaktionen, die zur dargestellten Gesamtreaktion führen, laufen nur durch das Anlegen einer Gleichspannung ab.

  Das größte Problem bei der Formulierung der Bruttoreaktion der Elektrolyse des Wassers besteht allerdings darin, dass hier zwei Reaktionen vereint werden, die an den beiden verschiedenen Elektroden ablaufen. Das ist für die Bilanzierung von Edukten und Produkten sicher bequem. Vom chemischen Standpunkt ist dieses willkürliche Zusammenfassen jedoch fragwürdig.

  Schlussfolgerung:
  Die Entstehung von Wasserstoff und Sauerstoff bei der Elektrolyse des Wassers wird durch das Anlegen einer Gleichspannung und der dadurch erzwungenen Redoxreaktion bewirkt.

• Nenne geeignete Salze für die Erhöhung der Leitfähigkeit des Elektrolysebades.

  Tipps

  Ionen unedler Metalle aus wässrigen Lösungen sind schwer entladbar.

  Die Chloralkali-Elektrolyse verwendet als Edukt Kochsalz.

  Lösung

  Lösliche Salze mit schwer entladbaren Ionen

  • Magnesiumsulfat $MgSO_4$
  • Kaliumnitrat $KNO_3$
  • Natriumphosphat $Na_3PO_4$

  Die Kationen sind schwer entladbar, da es sich um die Ionen unedler Metalle handelt. Vorher wird stets das Oxonium-Ion (Wasserstoff-Ion) entladen. Zusammengesetzte Ionen sind ausnahmslos schwer entladbar. Das betrifft sowohl Sulfate, Nitrate als auch Phosphate. Die Hydroxid-Ionen werden stets vorher entladen.

  Die drei Salze sind zudem gut wasserlöslich. Damit erhöhen sie die elektrische Leitfähigkeit des Elektrolysebades.

  Lösliche Salze mit nur einem oder keinem schwer entladbaren Ion

  • Natriumchlorid $NaCl$: Das Chlorid $Cl^-$ ist entladbar und es entsteht elementares Chlor $Cl_2$.
  • Kupfersulfat $CuSO_4$: Die Kupfer(II)-Ionen werden entladen und an der Elektrode scheidet sich elementares Kupfer ab.
  • Kaliumbromid $KBr$: Aus Bromid $Br^-$ entsteht nach der Entladung elementares Brom $Br_2$.
  • Kupfer(II)-bromid $CuBr_2$: Nach den Entladungen werden die chemischen Elemente Kupfer und Brom abgeschieden.

  Damit sind diese Salze für die alleinige Erhöhung der Leitfähigkeit des Elektrolysebades ungeeignet.

  Schwer lösliche Salze

  • Bariumsulfat $BaSO_4$
  • Calciumcarbonat $CaCO_3$
  • Blei(II)-phosphat $Pb_3(PO_4)_2$

  Die beiden ersten Salze sind gut bekannt. Es handelt sich um Schwerspat und Kalkstein. Auch das Bleisalz ist schwer löslich.

  Damit können die Salze im Elektrolysebad keine Ladungsträger liefern.

• Erkenne die korrekten Begriffe für reines Wasser.

  Tipps

  Rein für die häusliche Verwendungen hat eine etwas andere Bedeutung als der gleiche Begriff im chemischen oder physikalischen Sinn.

  Lösung

  Quellwasser ist sauberes Wasser, jedoch ist es nicht chemisch rein. Es enthält Salze.

  Entionisiertes Wasser bedeutet, dass die gelösten Ionen durch saure und basische Ionenaustauscher durch Wasserstoff-Ionen und Hydroxid-Ionen ersetzt wurden. Die beiden zuletzt genannten Ionen reagieren zu Wasser-Molekülen und man erhält reines Wasser.

  Trinkwasser ist sauber im Sinne des Verbrauchers. Für den Dauergenuss muss es jedoch Ionen löslicher Salze enthalten.

  Schweres Wasser ist anteilig im natürlichen Wasser enthalten. Die Wasserstoffatome seiner Moleküle besitzen im Atomkern jeweils ein Neutron. Man hat es hier mit Wasser zu tun, dessen Teilchen aus einem schwereren Wasserstoffatom (einem anderen Isotop als dem gebräuchlichen mit der Masse 1) aufgebaut sind. Der Begriff schwer hat mit der Reinheit des Wassers nichts zu tun.

  Destilliertes Wasser entsteht durch Destillation flüssigen Wassers. Dabei bleiben wenig flüchtige Stoffe im Destillationsrückstand zurück. Das Wasser wird rein.

  Für Mineralwasser gilt sinngemäß dasselbe, was bereits für Quellwasser und Trinkwasser festgestellt wurde. Allerdings stecken die Inhaltsstoffe hier bereits im Namen.

• Beurteile das Für und Wider der Brennstoffzelle.

  Tipps

  Die Beurteilung der Umweltfreundlichkeit hängt von der Art der Erzeugung ab.

  Man muss berücksichtigen, dass Wasserstoff nicht direkt aus natürlicher Energie erzeugt werden kann.

  Lösung

  Die Kombination Brenstoffzelle–Elektromotor besitzt einen höheren Wirkungsgrad als jeder Benzin- oder Dieselmotor. Dem Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors sind durch die Energieentwertung Grenzen gesetzt. Werte von mehr als 50 % sind kaum zu erreichen.

  Wasserstoff ist nicht billiger als Benzin oder Diesel. Allerdings ist sein Brennwert ungleich höher. Durch den höheren Wirkungsgrad der Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle und dessen Verwendung im Elektromotor unterscheiden sich die Preise pro zurückgelegtem Weg für diese Art der Fortbewegung und durch Verbrennungsmotoren nur wenig.

  Wasserstoff kann allerdings nicht generell sehr kostengünstig aus Wasser produziert werden. Der Preis hängt immer davon ab, wie teuer der Strom für die Produktion des Wasserstoffs ist.

  Prinzipiell ist die Herstellung von Wasserstoff nicht umweltfreundlich. Umweltfreundlichkeit definiert sich durch die Art der Stromerzeugung für die Elektrolyse.

  Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle ist umweltfreundlich. Im Ergebnis entsteht nur Wasser. Konsequenterweise wäre noch zu fordern, dass der erforderliche Wasserstoff durch umweltfreundlichen Strom gewonnen wird.

  Natürlich ist Wasser als Quelle von Wasserstoff im absoluten Sinne nicht unerschöpflich. Allerdings ist zu berücksichtigen, dass die Brennstoffzelle aus Wasserstoff wieder Wasser liefert. In diesem Sinn ist Wasser unerschöpflich.