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2026-07-27T12:40:15Z

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{{T}}

{{BR}}
= Einleitung =

Bei der '''Elektrolyse''' erzwingt elektrischer [[Gleichstrom]] eine chemische [[Redoxreaktion]], die ohne Energiezufuhr nicht freiwillig ablaufen würde. Dabei wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt. Elektrolysen werden unter anderem zur Gewinnung von [[Wasserstoff]], [[Aluminium]] und [[Chlor]], zur Reinigung von [[Kupfer]] sowie zum [[Galvanisieren]] eingesetzt.

Du lernst in diesem aiMOOC, wie eine Elektrolysezelle aufgebaut ist, wohin Ionen wandern, welche Reaktionen an [[Anode]] und [[Kathode]] stattfinden und wie sich Stoffmengen mit den Faradayschen Gesetzen berechnen lassen.

[[Datei:Elektrolyse Allgemein.svg|500px|rahmenlos|center]]

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=EzBAGN2Jx7Y |500|center}}

{{BR}}
= Lernziele =

# [[Elektrolysezelle]]: Du beschreibst den Aufbau aus Spannungsquelle, Elektroden und Elektrolyt.
# [[Ionenwanderung]]: Du erklärst die Bewegung von Kationen und Anionen.
# [[Redoxreaktion]]: Du ordnest Oxidation und Reduktion den Elektroden zu.
# [[Reaktionsgleichung]]: Du stellst einfache Teilgleichungen und Gesamtgleichungen auf.
# [[Faradaysche Gesetze]]: Du berechnest Ladung, Stoffmenge oder abgeschiedene Masse.
# [[Anwendung der Elektrolyse]]: Du beurteilst Nutzen, Energiebedarf und Sicherheitsaspekte.

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= Grundlagen =

{{BR}}
== Aufbau einer Elektrolysezelle ==

Eine einfache Elektrolysezelle besitzt:

# [[Gleichspannungsquelle]]: Sie liefert die elektrische Energie.
# [[Elektrode]]: Zwei elektrisch leitende Körper verbinden Stromkreis und Elektrolyt.
# [[Elektrolyt]]: Eine Salzschmelze oder leitfähige Lösung enthält bewegliche Ionen.
# [[Leitung|Kabel]]: Sie schließen den äußeren Stromkreis.

[[Datei:Electrolysis Apparatus.png|450px|rahmenlos|center]]

In der Elektrolysezelle ist die '''Kathode mit dem Minuspol''' verbunden. Dort werden Elektronen bereitgestellt. Die '''Anode ist mit dem Pluspol''' verbunden. Dort werden Elektronen abgezogen.

{{BR}}
== Ionenwanderung und Elektrodenreaktionen ==

Ein [[Kation]] ist positiv geladen und wandert zur negativen Kathode. Ein [[Anion]] ist negativ geladen und wandert zur positiven Anode. Die Ionen übernehmen den Ladungstransport im Elektrolyten.

An der Kathode läuft immer eine '''Reduktion''' ab:

<math>\mathrm{M^{z+} + z\,e^- \longrightarrow M}</math>

An der Anode läuft immer eine '''Oxidation''' ab. Für ein einwertiges Halogenid-Ion kann die Teilgleichung beispielsweise so aussehen:

<math>\mathrm{2\,X^- \longrightarrow X_2 + 2\,e^-}</math>

Die Begriffe Anode und Kathode werden über die Reaktion festgelegt, nicht über das Vorzeichen:

{| class="wikitable"
! Elektrode
! Reaktion
! Elektrolysezelle
! Galvanische Zelle
|-
| '''Kathode'''
| Reduktion
| Minuspol
| Pluspol
|-
| '''Anode'''
| Oxidation
| Pluspol
| Minuspol
|}

{{BR}}
== Warum wird eine Spannung benötigt? ==

Viele Elektrolysereaktionen sind nicht freiwillig. Die angelegte Spannung muss mindestens die thermodynamisch notwendige '''Zersetzungsspannung''' überwinden. In realen Anlagen kommen Überspannungen an den Elektroden und elektrische Widerstände hinzu. Deshalb ist die praktisch benötigte Zellspannung meist höher.

Welche Stoffe tatsächlich entstehen, hängt unter anderem von der Art und Konzentration der Ionen, vom Elektrodenmaterial, von der Spannung und von der Temperatur ab. In wässrigen Lösungen kann auch Wasser an den Elektroden reagieren.

{{BR}}
= Wasserelektrolyse =

Bei der [[Wasserelektrolyse]] wird Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Reines Wasser leitet nur sehr schwach. Im Unterricht wird deshalb ein geeigneter Elektrolyt zugesetzt und ein sicherer Versuchsaufbau verwendet.

[[Datei:Hofmann'scher Wasserzersetzungsapparat - Deutsches Museum Verkehrszentrum.jpg|450px|rahmenlos|center]]

Mit dem [[Hofmannscher Wasserzersetzungsapparat|Hofmannschen Wasserzersetzungsapparat]] lassen sich die Gase getrennt auffangen. An der Kathode entsteht Wasserstoff, an der Anode Sauerstoff. Das Volumenverhältnis beträgt näherungsweise zwei zu eins.

Für eine alkalische oder neutrale Betrachtung lauten die Teilgleichungen:

'''Kathode:'''

<math>\mathrm{2\,H_2O + 2\,e^- \longrightarrow H_2 + 2\,OH^-}</math>

'''Anode:'''

<math>\mathrm{4\,OH^- \longrightarrow O_2 + 2\,H_2O + 4\,e^-}</math>

'''Gesamtgleichung:'''

<math>\mathrm{2\,H_2O \longrightarrow 2\,H_2 + O_2}</math>

[[Datei:Anim electrolysis of water.gif|500px|rahmenlos|center]]

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=0DmIL9zj4Pg |500|center}}

'''Sicherheit:''' Wasserstoff und Sauerstoff können ein explosionsfähiges Gemisch bilden. Gasproben und Zündversuche gehören ausschließlich in einen beaufsichtigten Chemieunterricht. Kochsalzlösung ist für eine einfache Wasserelektrolyse ungeeignet, weil an der Anode giftiges Chlor entstehen kann.

{{BR}}
= Beispiel: Elektrolyse von Zinkiodid =

In einer Schmelze aus [[Zinkiodid]] liegen <math>\mathrm{Zn^{2+}}</math>-Ionen und <math>\mathrm{I^-}</math>-Ionen beweglich vor.

'''Kathode:'''

<math>\mathrm{Zn^{2+} + 2\,e^- \longrightarrow Zn}</math>

'''Anode:'''

<math>\mathrm{2\,I^- \longrightarrow I_2 + 2\,e^-}</math>

'''Gesamtgleichung:'''

<math>\mathrm{ZnI_2 \longrightarrow Zn + I_2}</math>

Die Elektronenanzahl muss in beiden Teilgleichungen gleich sein. Erst dann können die Gleichungen zur Gesamtgleichung addiert werden.

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=l82S2jdjRZA |500|center}}

{{BR}}
= Technische Anwendungen =

{{BR}}
== Galvanisieren ==

Beim [[Galvanisieren]] wird ein Gegenstand mit einer dünnen Metallschicht überzogen. Der zu beschichtende Gegenstand ist meist die Kathode. Metallionen werden dort reduziert und als Metall abgeschieden. Die Schicht kann vor Korrosion schützen, die Oberfläche härten oder ihr Aussehen verändern.

[[Datei:Copper electroplating principle (multilingual).svg|500px|rahmenlos|center]]

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=X_I66ZkMNLk |500|center}}

{{BR}}
== Elektrolytische Kupferraffination ==

Bei der [[Kupferraffination]] dient unreines Kupfer als Anode. Es wird oxidiert und geht als Kupferionen in Lösung. An der Kathode werden Kupferionen wieder zu sehr reinem Kupfer reduziert. Edelmetallhaltige Bestandteile können sich als Anodenschlamm absetzen.

[[Datei:Copper Raffination.svg|500px|rahmenlos|center]]

{{BR}}
== Aluminiumgewinnung ==

Aluminium wird industriell durch Schmelzflusselektrolyse gewonnen. Dabei wird Aluminiumoxid in einer leitfähigen Schmelze gelöst. An der Kathode entsteht flüssiges Aluminium. Das Verfahren benötigt viel elektrische Energie.

[[Datei:Hall-Heroult cell schematic.svg|500px|rahmenlos|center]]

{{BR}}
== Chloralkali-Elektrolyse ==

Bei der [[Chloralkali-Elektrolyse]] wird eine konzentrierte Natriumchlorid-Lösung umgesetzt. Technisch entstehen Chlor, Wasserstoff und Natronlauge. Eine Membran trennt die Reaktionsräume und verhindert unerwünschte Folgereaktionen.

[[Datei:Chloralkali membrane.svg|500px|rahmenlos|center]]

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= Elektrolyse und galvanische Zelle im Vergleich =

Eine [[Galvanische Zelle|galvanische Zelle]] liefert durch eine freiwillige Redoxreaktion elektrische Energie. Eine Elektrolysezelle verbraucht elektrische Energie, um eine nicht freiwillige Reaktion anzutreiben.

{| class="wikitable"
! Merkmal
! Elektrolysezelle
! Galvanische Zelle
|-
| Energieumwandlung
| elektrisch zu chemisch
| chemisch zu elektrisch
|-
| Reaktion
| wird erzwungen
| läuft freiwillig ab
|-
| Kathode
| Reduktion, Minuspol
| Reduktion, Pluspol
|-
| Anode
| Oxidation, Pluspol
| Oxidation, Minuspol
|}

'''Merksatz:''' An der '''Anode''' findet immer die '''Oxidation''' statt, an der '''Kathode''' immer die '''Reduktion'''.

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= Faradaysche Gesetze =

[[Michael Faraday]] zeigte, dass die umgesetzte Stoffmenge von der geflossenen Ladung abhängt.

[[Datei:Michael Faraday 001.jpg|300px|rahmenlos|center]]

Die elektrische Ladung berechnet sich aus Stromstärke und Zeit:

<math>Q = I \cdot t</math>

Mit der Faraday-Konstante <math>F \approx 96\,485\ \mathrm{C\,mol^{-1}}</math> gilt für die Stoffmenge der übertragenen Elektronen:

<math>n(e^-) = \frac{Q}{F}</math>

Für die abgeschiedene Masse eines Stoffes mit der molaren Masse <math>M</math> und der Elektronenzahl <math>z</math> gilt:

<math>m = \frac{M}{zF} \cdot I \cdot t</math>

'''Beispiel:''' Durch eine Kupfersulfat-Lösung fließt 30 Minuten lang ein Strom von 2,0 Ampere. Für <math>\mathrm{Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu}</math> ist <math>z=2</math>. Unter idealen Bedingungen werden ungefähr 1,19 Gramm Kupfer abgeschieden.

In der Praxis kann die tatsächliche Masse kleiner sein, etwa durch Nebenreaktionen oder einen Wirkungsgrad unter 100 Prozent.

{{BR}}
= Energie, Umwelt und Zukunft =

Elektrolysen ermöglichen wichtige Produkte, benötigen aber oft große Mengen Strom. Ihre Klimawirkung hängt deshalb stark davon ab, wie die elektrische Energie erzeugt wird. Besonders die Wasserelektrolyse ist für die Herstellung von Wasserstoff interessant. Wird sie mit erneuerbarem Strom betrieben, kann der Wasserstoff als Rohstoff oder Energiespeicher dienen. Trotzdem entstehen bei Umwandlung, Speicherung und Rückverstromung Energieverluste.

Für eine Bewertung technischer Elektrolysen solltest Du mehrere Kriterien verbinden: Energiebedarf, Rohstoffbedarf, Lebensdauer der Elektroden, Sicherheit, mögliche Emissionen, Recycling und Nutzen des Produkts.

{{BR}}
= Geschichte =

Um 1800 ermöglichten neue Batterien erste systematische Elektrolyseversuche. [[Johann Wilhelm Ritter]] untersuchte die Zerlegung von Wasser. [[Humphry Davy]] stellte mithilfe der Elektrolyse mehrere sehr reaktive Metalle elementar her. Michael Faraday formulierte im 19. Jahrhundert die quantitativen Gesetze der Elektrolyse.

{{BR}}
= Interaktive Aufgaben =

{{BR}}
== Quiz: Teste Dein Wissen ==

{{MC}}

'''Welche Reaktion läuft an der Kathode ab?'''
(Reduktion)
(!Oxidation)
(!Neutralisation)
(!Verbrennung)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Zu welcher Elektrode wandern Kationen in einer Elektrolysezelle?'''
(Zur Kathode)
(!Zur Anode)
(!Zur Salzbrücke)
(!Zur Spannungsquelle)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welches Vorzeichen hat die Anode einer Elektrolysezelle?'''
(Pluspol)
(!Minuspol)
(!Kein Vorzeichen)
(!Wechselndes Vorzeichen)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche Energieumwandlung kennzeichnet eine Elektrolyse?'''
(Elektrische Energie wird in chemische Energie umgewandelt)
(!Chemische Energie wird vollständig in Wärme umgewandelt)
(!Lichtenergie wird in Kernenergie umgewandelt)
(!Mechanische Energie wird in Schallenergie umgewandelt)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welches Gas entsteht bei der Wasserelektrolyse an der Kathode?'''
(Wasserstoff)
(!Sauerstoff)
(!Chlor)
(!Kohlenstoffdioxid)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''In welchem Volumenverhältnis entstehen Wasserstoff und Sauerstoff bei der Wasserelektrolyse?'''
(Zwei zu eins)
(!Eins zu eins)
(!Eins zu zwei)
(!Drei zu eins)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche Größe berechnet man mit Q gleich I mal t?'''
(Elektrische Ladung)
(!Elektrische Spannung)
(!Molare Masse)
(!Temperatur)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche Elektrode trägt den Gegenstand beim galvanischen Beschichten meist?'''
(Kathode)
(!Anode)
(!Salzbrücke)
(!Membran)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Was ist ein Elektrolyt?'''
(Ein Stoff mit beweglichen Ionen)
(!Ein Stoff ohne Ladungsträger)
(!Eine Gleichspannungsquelle)
(!Ein isolierendes Elektrodenkabel)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche Aussage gilt für Anode und Kathode in jeder elektrochemischen Zelle?'''
(An der Anode findet Oxidation und an der Kathode Reduktion statt)
(!An beiden Elektroden findet nur Reduktion statt)
(!Die Kathode ist immer der Minuspol)
(!Die Anode ist immer der Pluspol)

{{E}}
<br>

{{BR}}
== Memory ==

<div class="memo-quiz">
{|
|-
| Kathode || Ort der Reduktion
|-
| Anode || Ort der Oxidation
|-
| Kation || Positiv geladenes Ion
|-
| Anion || Negativ geladenes Ion
|-
| Elektrolyt || Ionenleiter
|-
| Galvanisieren || Elektrolytisches Beschichten
|-
| Faraday-Konstante || Ladung pro Mol Elektronen
|}
{{E}}
<br>

{{BR}}
== Drag and Drop ==

<div class="lueckentext-quiz">

{| class="wikitable"
! Ordne die richtigen Begriffe zu.
! Thema
|-
| '''Reduktion'''
| Kathode
|-
| '''Oxidation'''
| Anode
|-
| '''Kationenwanderung'''
| Minuspol
|-
| '''Anionenwanderung'''
| Pluspol
|-
| '''Elektrische Energiezufuhr'''
| Elektrolyse
|-
| '''Metallabscheidung'''
| Galvanisieren

|}
{{E}}

<br>
...
<br />

{{BR}}
== Kreuzworträtsel ==

<div class="kreuzwort-quiz">
{|
|-
| Kathode || An welcher Elektrode findet die Reduktion statt?
|-
| Anode || An welcher Elektrode findet die Oxidation statt?
|-
| Elektrolyt || Wie heißt ein Stoff mit beweglichen Ionen?
|-
| Wasserstoff || Welches Gas entsteht bei der Wasserelektrolyse am Minuspol?
|-
| Faraday || Wer formulierte die quantitativen Gesetze der Elektrolyse?
|-
| Galvanik || Wie heißt die Technik des elektrolytischen Metallbeschichtens?
|}
{{E}}
<br>

{{BR}}
== LearningApps ==

<iframe> https://learningapps.org/index.php?s=Elektrolyse+Chemie </iframe>

{{BR}}
== Lückentext ==

<quiz display=simple>
{'''Vervollständige den Text.'''<br>
|type="{}"}
Eine Elektrolyse wird durch eine äußere { Gleichspannung } angetrieben. Positiv geladene Ionen heißen { Kationen }. Sie wandern zur negativ geladenen { Kathode }. Dort findet die { Reduktion } statt. An der Anode läuft die { Oxidation } ab. Der Ladungstransport in der Lösung erfolgt durch bewegliche { Ionen }. Bei der Wasserelektrolyse entsteht an der Kathode { Wasserstoff }. An der Anode entsteht dabei { Sauerstoff }. Die elektrische Ladung berechnet sich mit { Q=I·t }. Beim Galvanisieren wird ein Gegenstand mit einer dünnen { Metallschicht } überzogen.
</quiz>

<br>

{{BR}}
= Offene Aufgaben =

{{BR}}
=== Leicht ===

# [[Elektrolyse-Skizze]]: Zeichne eine Elektrolysezelle und beschrifte Spannungsquelle, Anode, Kathode, Elektrolyt sowie die Wanderungsrichtungen der Ionen.
# [[Begriffsplakat]]: Gestalte ein Lernplakat zu Anode, Kathode, Oxidation, Reduktion, Kation und Anion.
# [[Erklärkarte]]: Formuliere auf einer Karte den Unterschied zwischen Elektrolysezelle und galvanischer Zelle.
# [[Medienanalyse]]: Wähle ein eingebettetes Bild aus und erkläre in fünf Sätzen, welche Vorgänge dargestellt werden.

{{BR}}
=== Standard ===

# [[Reaktionsgleichungen]]: Stelle für eine vorgegebene Salzschmelze die Teilgleichungen und die Gesamtgleichung auf.
# [[Versuchsprotokoll]]: Plane mit Deiner Lehrkraft eine sichere Wasserelektrolyse und erstelle ein Protokoll mit Beobachtung und Auswertung.
# [[Galvanik-Projekt]]: Entwickle ein Modell, das zeigt, wie ein Metallgegenstand elektrolytisch beschichtet wird.
# [[Energievergleich]]: Vergleiche die Energieumwandlung bei Elektrolyse, Akku-Laden und Brennstoffzelle in einer selbst erstellten Grafik.

{{BR}}
=== Schwer ===

# [[Faraday-Berechnung]]: Entwickle drei eigene Rechenaufgaben zur abgeschiedenen Metallmasse und liefere vollständige Lösungswege.
# [[Industrieanalyse]]: Vergleiche Aluminiumgewinnung, Chloralkali-Elektrolyse und Kupferraffination nach Produkt, Elektrolyt, Energiebedarf und Umweltwirkung.
# [[Wasserstoff-Debatte]]: Erstelle ein kurzes Streitgespräch zur Frage, unter welchen Bedingungen elektrolytisch erzeugter Wasserstoff nachhaltig ist.
# [[Experimentkritik]]: Untersuche einen Online-Versuch zur Elektrolyse auf fachliche Richtigkeit, Sicherheit und Aussagekraft und dokumentiere Deine Bewertung.

{{:Offene Aufgabe - MOOC erstellen}}

{{BR}}
= Lernkontrolle =

# [[Fehleranalyse Elektroden]]: Eine Person behauptet, die Kathode sei immer negativ. Erkläre, warum die Aussage nur für die Elektrolysezelle stimmt.
# [[Transfer auf eine Salzschmelze]]: Leite für Magnesiumchlorid die Elektrodenprodukte her und begründe Deine Zuordnung mit Ionenladung und Elektronenübertragung.
# [[Versuchsdeutung]]: Bei einer Wasserelektrolyse entstehen an einer Elektrode doppelt so viele Gasblasen wie an der anderen. Deute die Beobachtung mithilfe der Gesamtgleichung.
# [[Technikentscheidung]]: Entscheide, ob Galvanisieren für ein korrosionsgefährdetes Bauteil sinnvoll ist. Berücksichtige Schutzwirkung, Materialeinsatz und Entsorgung.
# [[Energiebewertung]]: Beurteile die Aussage, jede Wasserelektrolyse sei automatisch klimafreundlich. Verwende mindestens drei Kriterien.
# [[Quantitativer Transfer]]: Erkläre, wie sich die abgeschiedene Metallmasse verändert, wenn Stromstärke verdoppelt und Elektrolysezeit halbiert werden.

<br>
<br>

{{BR}}
= Lernnachweis =

Für einen Lernnachweis zu diesem Thema ist wichtig, dass Du:

# den Aufbau einer Elektrolysezelle fachsprachlich korrekt beschreibst,
# Kationen- und Anionenwanderung begründest,
# Oxidation und Reduktion sicher den Elektroden zuordnest,
# Teilgleichungen ausgleichst und zu einer Gesamtgleichung verbindest,
# Wasserelektrolyse und mindestens eine technische Anwendung erklärst,
# eine einfache Faraday-Berechnung mit Einheiten durchführst,
# Energiebedarf, Sicherheit und Umweltwirkung einer Elektrolyse beurteilst.

<br>
<br>

{{BR}}
= OERs zum Thema =

<iframe> https://de.m.wikipedia.org/wiki/Elektrolyse </iframe>

<br>

{{BR}}
= Verknüpfte Lernbereiche =

{| align=center
{{:D-Tab}}
'''[[Elektrolyse - Chemie]]'''
# [[Elektrochemie]]
# [[Redoxreaktion]]
# [[Oxidation]]
# [[Reduktion]]
# [[Elektrolyt]]
# [[Galvanische Zelle]]
# [[Wasserelektrolyse]]
# [[Galvanotechnik]]
# [[Faradaysche Gesetze]]
# [[Wasserstoff]]
|}

[[Kategorie:Chemie]]
[[Kategorie:Elektrochemie]]
[[Kategorie:Redoxreaktion]]
[[Kategorie:Schule]]
[[Kategorie:Klasse 9-10]]
[[Kategorie:Klasse 11-13]]

{{BR}}
= aiMOOC-Projekte =
[[Kategorie:AI_MOOC]] [[Kategorie:GPT aiMOOC]]
{{MT}}

Elektrolyse - Chemie - Versionsgeschichte

Glanz: aiMOOC über GPT aiMOOC Action erstellt