Die Wasser-Elektrolyse
WIr wollen hier einen Versuch durchführen, den Sie bestimmt schon einmal in der 7. oder 9. Klasse kennengelernt haben: die Elektrolyse von Wasser. Dazu bauen wir einen HOFFMANNschen Wasserzersetzungsapparat auf, füllen ihn mit Wasser, dem wir der besseren Leitfähigkeit wegen etwas Kaliumnitratlösung zugesetzt haben, und legen eine Spannung von 5 bis 10 Volt Gleichstrom an. Die Deutung dieses Versuchs ist zunächst recht einfach. In der 9. oder 10. Klasse hatte man dafür folgende Erklärung:
Das Wasser wird mit Hilfe des elektrischen Stroms gespalten (daher der Name "Elektro-Lyse"). Das geht nach folgender Reaktionsgleichung:
Nun befinden Sie sich in der Sekundarstufe II oder sogar schon im Studium. Da ist es klar, dass wir uns mit einer so einfachen Lösung nicht zufrieden geben wollen. Was passiert genau an den beiden Elektroden des HOFFMANN-Apparates?
Vielleicht erinnern Sie sich noch an das Kapitel zur Autoprotolyse des Wassers?
Wassermoleküle können Protonen an andere Wassermoleküle abgeben, dann enstehen Oxoniumionen und Hydroxidionen. In normalem Wasser ist die Konzentration der beiden Ionenarten mit 10-7 mol/l extrem gering. Dennoch reicht diese geringe Konzentration aus, um das Wasser messbar elektrisch leitfähig zu machen.
Das Schema hier zeigt die Vorgänge an den beiden Polen. Die Hydroxidionen wandern zum Pluspol und geben dort Elektronen ab. Aus vier Hydroxidionen entstehen zwei Wassermoleküle und ein Sauerstoffmolekül.
Die Oxoniumionen wandern zum Minuspol und geben dort ihre Protonen ab - zumindest formal. Jedes Proton nimmt dann ein Elektron auf, so dass sich gasförmiger Wasserstoff bildet.
Fasst man die oben dargestellten Vorgänge zusammen, so kommt man auf die "übliche" Gleichung:
Die FARADAY-Gesetze
Betrachten wir nun die folgende Graphik.
Hier hat man sich also mit einer Stopuhr neben den HOFFMANN-Apparat gesetzt und ermittelt, wieviel Wasserstoff bzw. Sauerstoff nach einer bestimmten Zeit entstanden ist. Und zwar bei zwei verschiedenen Stromstärken.
Bei geringer Stromstärke ensteht wenig Sauerstoff und genau doppelt so viel Wasserstoff, bei höherer Stromstärke entsteht mehr Sauerstoff und wieder doppelt so viel Wasserstoff.
Da haben wir die Formulierung des ersten FARADAY-Gesetzes. k ist dabei eine Konstante, I die Stromstärke, t die Zeit und Q die Ladung.
Merke: Ladung = Stromstärke mal Zeit!
Die Stromstärke ist also so eine ähnliche Einheit wie die Geschwindigkeit
Stand: März 2004
