Elektrolyse von Wasser-Simulation

Über dieses Experiment

Leite einen elektrischen Strom durch Wasser, und es zerfällt in seine Bestandteile. In einem Hofmann-Voltameter sammeln sich die Gase in zwei graduierten Röhren: Wasserstoff über der negativen Elektrode, Sauerstoff über der positiven und stets etwa doppelt so viel Wasserstoff wie Sauerstoff. Erhöhe die Spannung, ändere die Lösung, gib Universalindikator hinzu, um die Bildung von Säure und Lauge an den Elektroden zu beobachten, und teste jedes Gas mit einem glimmenden Span.

Lernziele

Bestimme die Produkte an der Kathode und der Anode bei der Elektrolyse von Wasser
Erkläre, warum das Volumen von Wasserstoff doppelt so groß ist wie das Volumen von Sauerstoff
Erkläre, warum reinem Wasser ein Elektrolyt wie Natriumsulfat zugesetzt werden muss
Stelle die Teilgleichungen an jeder Elektrode auf
Berechne mithilfe der Faraday-Konstante die Gasvolumina aus Stromstärke und Zeit

Anleitung

1Wähle reines Wasser und schalte das Gerät bei 6 V ein. Was fällt dir an der Stromstärke auf? Wähle anschließend Natriumsulfatlösung.
2Sammle einige Minuten lang Gas. Lies die Werte an beiden Röhren ab und vergleiche die Volumina.
3Prüfe das Gas in jedem Reagenzglas mit einem brennenden Holzspan. Bei welchem Gas gibt es einen Knall, und welches lässt einen glimmenden Holzspan wieder aufflammen?
4Beschreibe nach Zugabe von Universalindikator die Farbe in der Nähe jeder Elektrode. Welche Ionen entstehen jeweils?
5Verringere die Spannung schrittweise. Ermittle die Spannung, unterhalb derer sich kein Gas bildet.
6Berechne mithilfe der übertragenen Ladung die Stoffmenge der Elektronen und dann das Wasserstoffvolumen bei 24 L pro Mol. Vergleiche es mit dem Volumen im Reagenzglas.

Das Modell

2 H_{2} O (l) \to 2 H_{2} (g) + O_{2} (g)

Gesamtreaktion

cathode: 4 H_{2} O + 4 e^{-} \to 2 H_{2} + 4 OH^{-} anode: 2 H_{2} O \to O_{2} + 4 H^{+} + 4 e^{-}

Teilgleichungen in einer neutralen Lösung

Q = I t, n (e^{-}) = \frac{Q}{F}, F = 96485 C/mol

Ladung und Stoffmenge der Elektronen

n (H_{2}) = \frac{n ( e ^{-} )}{2}, n (O_{2}) = \frac{n ( e ^{-} )}{4}

Gebildetes Gas pro Mol Elektronen

V = n \times 24 L/mol

Gasvolumen bei Raumtemperatur und -druck

Annahmen

Gas entsteht erst oberhalb von etwa 1,8 V: 1,23 V ist die Mindestspannung, die für die Reaktion erforderlich ist, und die Elektroden benötigen eine zusätzliche Spannung (Überspannung), damit sich Bläschen bilden.
Oberhalb dieser Spannung wird die Stromstärke durch den Widerstand der Lösung bestimmt, der vom Elektrolyten abhängt. Reines Wasser enthält nur sehr wenige Ionen und leitet kaum.
Jedes Elektron erzeugt Gas (100 % Stromausbeute), und es löst sich kein Gas im Wasser. Die Volumina gelten bei 20 °C und 101,3 kPa.
Natriumsulfat, Schwefelsäure und Natriumhydroxid leiten lediglich den Strom. Ihre Ionen werden nicht entladen, daher entstehen immer Wasserstoff und Sauerstoff.
Die Zeit läuft beschleunigt ab. Bei 6 V füllt sich das Wasserstoffrohr in etwa zehn Minuten Echtzeit.

Im Unterricht ausprobieren

Q1Ein Strom von 0,5 A fließt 10 Minuten lang. Welches Volumen an Wasserstoff und Sauerstoff wird aufgefangen?
Q2Warum färbt sich der Indikator in der Nähe der Kathode violett und in der Nähe der Anode rot?
Q3In einem echten Voltameter ist das Sauerstoffvolumen oft etwas weniger als halb so groß wie das Wasserstoffvolumen. Nenne einen möglichen Grund.
Q4Warum wäre eine Natriumchloridlösung für dieses Experiment als Elektrolyt ungeeignet?
Q5Wie lange würde es dauern, mit einem Strom von 2 A 1 Liter Wasserstoff aufzufangen?

Häufig gestellte Fragen

Warum gibt man Natriumsulfat hinzu, wenn es nicht reagiert?

Reines Wasser enthält nur winzige Mengen an H⁺- und OH⁻-Ionen und leitet daher den Strom sehr schlecht. Natriumsulfat liefert viele Ionen, die den Strom durch die Lösung leiten, während weiterhin das Wasser selbst an den Elektroden oxidiert und reduziert wird.

Warum beträgt das Volumenverhältnis 2 : 1?

Jedes Wasserstoffmolekül benötigt 2 Elektronen, und jedes Sauerstoffmolekül gibt 4 ab. Durch beide Elektroden fließt dieselbe Anzahl von Elektronen, daher bilden sich doppelt so viele Wasserstoffmoleküle. Gleiche Zahlen von Gasmolekülen nehmen gleiche Volumina ein (Avogadro), wodurch sich das Volumen verdoppelt.

Was geschieht mit einer Natriumchloridlösung?

Chloridionen werden an der Anode anstelle von Wasser oxidiert, insbesondere in konzentrierter Lösung, wobei giftiges Chlorgas entsteht. An der Kathode entsteht weiterhin Wasserstoff. Dies ist das in der Industrie verwendete Chloralkali-Verfahren und keine sichere Demonstration für den Unterricht.