Die Formulierung von Halbreaktionen bei der Elektrolyse

Hallo und ganz herzlich willkommen. In diesem Video geht es um die Elektrolyse. In das Elektrolysebad tauchen zwei Elektroden, eine negative und eine positive. Durch Dissoziation haben sich aus dem Salz Ionen gebildet, die zu den entsprechenden Elektroden wandern. Dort angekommen finden Entladungen statt. Sie entstehen durch Elektronenaufnahme, bzw. Abgabe. Und schon sind wir beim Thema des heutigen Videos. Die entsprechenden Reaktionen nennt man „Halbreaktionen“. Die Formulierung von Halbreaktionen bei der Elektrolyse. Du kennst Redoxgleichungen, da galvanische Zelle und einfache Elektrodenprozesse, Halbreaktionen. Nachher kannst Du Halbreaktionen einer galvanischen Zelle formulieren. Du weißt, was passiert, wenn die beteiligten Ionen schwer entladbar sind. Nehmen wir als Beispiel Natriumsulfat. Das Salz hat die Formel Na2SO4 und dissoziiert in wässriger Lösung. Es entstehen Natrium-Ionen, Na+ und Sulfat-Ionen, SO42-. Betrachten wir nun die Halbreaktionen an den Elektroden. Die Natrium-Ionen sollten zur negativen Elektrode wandern und Elektronen aufnehmen. Doch das passiert nicht. Auch die Sulfat-Ionen werden an der positiven Elektrode nicht entladen. Sowohl Natrium-Ionen, als auch Sulfat-Ionen sind schwer entladbar. Aber was passiert dann? Wir erinnern uns, die Lösung besteht aus einem großen Teil Wasser. Und auch Wasser kann dissoziieren. In H₃O+ und OH-. Die Ionen H₃O+ gehen zur negativen Elektrode. Die Hydroxid-Ionen OH- gehen zur positiven Elektrode. Und so sehen die Halbreaktionen aus: zwei Ionen H₃O+ nehmen zwei Elektronen auf, es bilden sich zwei Wassermoleküle und Wasserstoff wird frei. An der positiven Elektrode reagieren vier Hydroxid-Ionen zu zwei Wasserteilchen einem Molekül Sauerstoff und vier Elektronen werden frei. Anstelle der schwer entladbaren Ionen Na+ und SO₄₂- werden bei den Halbreaktionen die leichter entladbaren Ionen H₃O+ und OH- entladen. Anmerkungen. Erstens: Die Dissoziation des Wassers, von uns formuliert wie in der ersten Reaktion, kann man auch darstellen als H₂O dissoziiert zu H+ und OH-. H₃O+ nennt man „Hydronium-Ion“. In der Schule allerdings vorzugsweise „Oxonium-Ion“. H+ ist das Wasserstoff-Ion, es ist ein Proton. Nun schauen wir uns an, was schwer entladbare Ionen sind. Zunächst die Kationen: Sie bewegen sich zur „Kathode“, der negativen Elektrode. Es sind durchgängig Metall-Ionen. Vom Lithium, Cäsium, Kalium, Natrium, Magnesium. Nun, ihr seht das ja selber. Ein Kalium-Ion nimmt ein Elektron auf und wird zum Kaliumatom. Diese Reduktion ist aber gehemmt, sie läuft im wässrigen nicht ab. Das Standardelektrodenpotential für diese Gleichgewichtsreaktion ist kleiner als null. Das zeigt an, dass Kalium unedel ist. Für Kalium und die anderen Metalle, deren Ionen wir oben sehen, trifft zu: Die Metalle reagieren mit verdünnten Säuren. So reagiert metallisches Zink mit Salzsäure. Kommen wir nun zu den „Anionen“. Sie sind negativ geladen und wandern daher zur „Anode“. Als Beispiele möchte ich nennen, das Sulfat-Ion, Nitrat-Ion und Phosphat-Ion. Man muss sagen, Anionen sind bei der Elektrolyse die Bösen. Sie sind generell schwer entladbar. Erstens: Besonders schwer entladbar sind die zusammengesetzten Ionen. Man sagt in der Schule auch „Molekülionen“ und Komplex-Ionen. Also Sulfat, Nitrat, Phosphat und dieses Komplex-Ion. Für die Entladbarkeit gilt: Sulfat, Nitrat und Phosphat sind am schwersten entladbar. Leichter entladbar ist Chlorid, noch leichter Bromid und am leichtesten Iodid. Das Hydroxid-Ion, OH- und das Chlorid-Ion, Cl-. Das Problem kennt man aus der Industrie, von der Chloralkalielektrolyse. Man hat dort Natriumchlorid, NaCl. Das Salz dissoziiert in wässriger Lösung bekannter Weise. Von den Natrium-Ionen wissen wir, dass sie schwer entladbar sind. Interessanterweise werden die Chlorid-Ionen an der Anode entladen. Das ist nicht selbstverständlich. Denn das entsprechende Standardelektrodenpotential beträgt 1,36 Volt. Für das Hydroxid-Ion hat man einen Wert von 0,40 Volt. Da OH- leichter entladbar ist, sollte an der Anode O₂ entstehen. Durch geeignete Wahl der Konzentration und auch des Elektrodenmaterials entsteht bei der Chloralkalielektrolyse Cl₂. Und nun wollen wir endlich üben Cobalt (II)-chlorid, Formel: CoCl₂. Die Dissoziation erfolgt in Cobalt-Ionen Co₂+ und Chlorid-Ionen, Cl-. Co₂+ ist schwer entladbar, das haben wir bereits gesehen. Daher entladen sich die Oxonium-Ionen. Auch die Chlorid-Ionen entladen sich. Bei ausreichend hoher Konzentration ist das möglich. Ist die Konzentration niedrig, so kommt es zu einer Entladung der Hydroxid-Ionen. Kupfer (II)-chlorid. Die Dissoziation liefert Kupfer (II)-Ionen und Chlorid-Ionen. Wir gehen von einer hohen Konzentration der Lösung aus. Das Metall Kupfer ist edel. Daher erfolgt die Reduktion zu elementarem Kupfer. Unter den genannten Bedingungen werden auch die Chlorid-Ionen entladen. Die Halbreaktion liefert elementares Chlor. Eisen (II)-sulfat. Bei der Dissoziation entstehen Eisen (II)-Ionen und Sulfat-Ionen. Wir betrachten die Halbreaktionen. Die Ionen des Salzes sind schwer entladbar. Die Halbreaktionen entsprechen den Entladungen des Oxonium-Ions und des Hydroxid-Ions: Gelbes Blutlaugensalz. Das ist die Formel des komplexen Salzes. Die Dissoziation erfolgt in Kalium-Ionen und in vierfach negativ geladener Komplex-Ionen. Für die Halbreaktion haben wir über die Entladung zu befinden. Für Kalium-Ionen erfolgt diese Reaktion nicht, denn Kalium ist extrem unedel. Auch das komplexe Ion wird nicht entladen. Die Halbreaktionen entsprechen den Entladungen des Oxonium-Ions und Hydroxid-Ions. Gold (III)-chlorid. Wir gehen von einer konzentrierten Lösung aus. Das Salz dissoziiert in Gold (III)-Ionen und Chlorid-Ionen. Betrachten wir die Halbreaktionen. Gold (III)-Ionen sind gut entladbar, denn Gold ist sehr edel. Chlorid-Ionen sind auch entladbar, denn die Lösung ist konzentriert. Die Entladung der Gold-Ionen führt zu elementarem Gold. Aus Chlorid-Ionen entsteht elementares Chlor. Die Dissoziation liefert Kalium-Ionen und Bromid-Ionen. Kalium-Ionen sind schwer entladbar. Die Entladbarkeit der Bromid-Ionen ist größer, als die der Chlorid-Ionen. Die Lösung möge ausreichend konzentriert sein. An der Kathode entladen sich Oxonium-Ionen. An der Anode entsteht Brom. Das war ein weiterer Film von André Otto. Ich wünsche euch alles Gute und viel Erfolg. Tschüss.