Versuch 46: Elektrolyse einer NaCl Lösung - Einleitung

Die Elektrolyse (griech. "mittels Elektrizität trennen") ist ein Vorgang, bei dem Strom an eine wässrige Lösung oder ein flüssiges Salz gelegt wird. Man erlebt dabei chemische Reaktionen, die durch den Fluss der Elektronen ausgelöst werden. Die Elektrolyse hat damit etwas von einer Zirkusvorstellung. Die Stromquelle bringt als Dompteur die teilnehmenden Stoffe dazu, miteinander in Aktion zu treten.

Historisch wurde der Vorgang der Elektrolyse im Zusammenhang mit anderen elektrischen Phänomenen erforscht. Die Große Zeit des Elektrons beginnt in der Mitte des 18 Jahrhunderts. Nach den Entdeckungen der vergangenen Jahrhunderte kommt es zum berühmten Drachen steigen, des Amerikaners Benjamin Franklin und den zuckenden Froschschenkeln Luigi Galvanis. Ampère, Coulomb oder Ohm machen zu Beginn des 19. Jahrhunderts grundlegende Entdeckungen über die Elektrizität, die ihnen die Ehre einbringen Einheiten der Elektrizitätslehre mit ihren Namen zu versehen.

Etwa 70 Jahre bevor die Elektrizität das Licht der Welt erhellen wird, forscht der englische Naturforscher Michael Faraday über chemische Auswirkungen der Elektrizität, die schon Galvani beobachtete und die Volta zur Entwicklung erster Batterien nutzte. Während Voltas Batterien durch chemische Reaktionen einen Elektronenfluss erzeugen, läuft die Elektrolyse genau in die andere Richtung. An Hand von Versuchen mit Elektrolyseapparturen und wässrigen Salzlösungen erkannte Michael Faraday um 1832 einen Zusammenhang zwischen eingesetzter Strommenge und der Menge, der aus der Lösung entstandenen Produkte. Dies ist das erste von zwei Grundgesetzen der Elektrolyse (Faradaysche Gesetze).

Auf Grundlage dieser Erkenntnisse postulierte George Johnstone Stoney 1874 das Vorhandensein elektrischer Ladungen in Atomen, die er Elektronen nannte. Kurz darauf wurde seine Behauptung durch weitere Experimente mit einer Kathodenstrahlröhre von Julius Plücker bestätigt. Das Elektron, das wir in diesem Text als alltäglich hingenommen haben, war erst jetzt als Grundlage des elektrischen Stroms und elektrischer Ladung entdeckt!

Die Elektrolyse hat aber nicht nur historisch eine große Bedeutung, sondern wird auch noch heute verfahrenstechnisch verwendet. Sie ist grundlegendes Prinzip zur Reduktion von Metallerzen, wie der Herstellung von Aluminium oder Silizium im industriellen Maßstab. Die experimentell dargestellte Chloralkalielektrolyse dient im großtechnischen Maßstab heute zur industriellen Herstellung von Chlorgas.

Sicherheitssymbole

Demonstrationsversuch Schutzbrille tragen! Im Abzug arbeiten! Giftig In den Ausguss geben.

Chemikalien

  • Speisesalz–Natriumchlorid
  • Rotkohlsaft

Materialien

  • Becherglas Stromquelle
  • Kohleelektrode
  • Kupferelektrode

Durchführung

Vor dem Versuch filtert man aus Rotkohl etwas Rotkohlsaft. In ein Becherglas werden ca. 200mL Wasser gegeben und durch mehrere Spatel Kochsalz eine konzentrierte Salzlösung hergestellt.

Eine Kohleelektrode wird als Anode (+Pol), eine Kupferelektrode als Kathode (-Pol) an eine Spannungsquelle geschaltet. Da bei dem Versuch Chlorgas entsteht muss der Aufbau in einem Abzug stattfinden.

Nun gibt man etwas Rotkohlsaft in die Salzlösung, rührt um und senkt die Elektroden in die Lösung. Man elektrolysiert die Lösung einige Minuten bei einer Spannung von 9-12V.

Entsorgung

%

Ergebnisse

Die Lösung verfärbt sich von rot nach grün. Auf der Lösung bildet sich Schaum. Ein deutlicher Chlorgeruch ist zu vernehmen. Nach kurzer Zeit färbt sich die grüne Lösung gelb. Bei der Elektrolyse von Natriumchlorid sind aus dem Salz neue Stoffe entstanden.

Einer davon lässt sich am Geruch als Chlor ausmachen. Rotkohlsaft ist ein Indikator, der Säuren und Basen anzeigt. Er ändert seine Farbe von rot nach grün, was auf eine Base in der Lösung deutet. Die Reaktionen laufen ab, weil an der Kathode (-Pol) und Anode (+Pol) Elektronen mit Ionen des Salzes und des Wassers reagieren.

Man kann sich die Elektrolyseapparatur, wie eine Pumpe vorstellen, die an einem Ende Elektronen spendet (-Pol) und an der anderen Seite Elektronen abnimmt (+Pol). Geladene Teilchen (Ionen) wandern zu den Polen und nehmen dort die Elektronen auf oder geben Elektronen ab. Um die genauen Vorgänge in der Lösung zu verstehen sollten vorerst die genauen Verhältnisse in der Lösung dargestellt werden.

Das Natriumchloridsalz liegt im Wasser gelöst (dissoziiert) als Ionen vor. Chloridionen geben am Pluspol ihr überschüssiges Elektron ab und bilden wieder molekulares Chlorgas. Nun könnte man vermuten, dass die Natriumionen am Minuspol ein fehlendes Elektron bekommen und elementares Natrium entsteht.

Da Wasser mit Natrium eine Base bildet, die der Rotkohlsaft angezeigt hat, könnte die Annahme sogar richtig sein. Es ist aber nicht so! In Wasser kommen nicht nur Wassermoleküle sondern auch Wasserstoffionen (genauer: Protonen) vor, die Elektronen eher aufnehmen als Natriumionen (was auch der Grund ist, warum Waser mit Natrium so reagiert). Es bildet sich Wasserstoffgas und Hydroxidionen bleiben übrig, die für die Färbung des Indikators verantwortlich sind.

Folgende Reaktionen laufen an der Kathode und Anode ab:

Zustände im Wasser vor der Elektrolyse:

2H2O ⇌ H3O+ + OH- (Autoprotolyse des Wassers)

NaCl → Na+(aq) + Cl-(aq) (Dissoziation des Kochsalzes)

Reaktionen an der Kathode (-Pol):

2H3O+ + 2e- → H2 + 2H2O (Kathodenreaktion des Wasserstoffions)

Reaktion an der Anode (+Pol):

2Cl- → Cl2 + 2e- (Anodenreaktion des Chloridions)

2H2O + 2e- → H2 + 2OH- (Gesamtreaktion im Kathodenraum)

2NaCl → 2Na+ + Cl2 + 2e- (Gesamtreaktion im Anodenraum)

Gesamtreaktion in der Lösung:

2H2O + 2NaCl → H2 + Cl2 + 2Na+ + 2OH-

Nach einiger Zeit färbt sich der Rotkohlsaft von grün nach gelb - ein Zeichen dafür, dass der Farbstoff zerstört wurde. Ein Nebenprodukt der oben beschriebenen Elektrolyse sorgt dafür. Hydroxidionen reagieren mit dem Chlorgas und bilden Hypochloritionen, die in der Lösung als hypochlorige Säure oder Natriumhypochlorit vorliegen.

Cl2 + 2OH- → Cl- + OCl- + H2O

Der umgangssprachliche Begriff für diese Verbindung lautet "Chlorbleiche", was den Stoff recht gut charakterisiert. Er entfärbt Farbstoffe, wie den des Rotkohlsaftes. Die Bleichwirkung des Hypochloridions liegt in der Möglichkeit atomaren (nasciven) Sauerstoff abzugeben, der hochaktiv ist.

HOCl + OH- → Cl- + H2O + Onasc.

Chlorbleiche wird zur Desinfektion von Schwimmbädern oder zur Trinkwasseraufbereitung verwendet. Auch Papier wurde früher mit Chlorbleiche gebleicht. Allerdings entstehen dabei auch umweltgefährdende Stoffe, weshalb man heute lieber mit anderen Bleichmitteln, wie Wasserstoffperoxid oder Perboraten bleicht. Der Hinweis "chlorfrei gebleicht" auf Papier z.B. deutet darauf hin.

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Hinweise

Bei diesem Versuch entstehen giftige Chlordämpfe! Er darf nur in einem Abzug durchgeführt werden.

Versuchsvideo

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Versuchsbild

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NEU

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