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Dieses Quiz als Battle spielen: Deutsch, Klasse 11-13, G-Niveau

Elektrolyse - Chemie

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.

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.

Grundlagen

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.
Kabel: Sie schließen den äußeren Stromkreis.

Datei:Electrolysis Apparatus.png

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.

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:

$M^{z +} + z e^{-} ⟶ M$

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

$2 X^{-} ⟶ X_{2} + 2 e^{-}$

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

Elektrode	Reaktion	Elektrolysezelle	Galvanische Zelle
Kathode	Reduktion	Minuspol	Pluspol
Anode	Oxidation	Pluspol	Minuspol

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.

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.

Mit dem 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:

$2 H_{2} O + 2 e^{-} ⟶ H_{2} + 2 O H^{-}$

Anode:

$4 O H^{-} ⟶ O_{2} + 2 H_{2} O + 4 e^{-}$

Gesamtgleichung:

$2 H_{2} O ⟶ 2 H_{2} + O_{2}$

Datei:Anim electrolysis of water.gif

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.

Beispiel: Elektrolyse von Zinkiodid

In einer Schmelze aus Zinkiodid liegen $Z n^{2 +}$ -Ionen und $I^{-}$ -Ionen beweglich vor.

Kathode:

$Z n^{2 +} + 2 e^{-} ⟶ Z n$

Anode:

$2 I^{-} ⟶ I_{2} + 2 e^{-}$

Gesamtgleichung:

$Z n I_{2} ⟶ Z n + I_{2}$

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

Technische Anwendungen

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.

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

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

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

Elektrolyse und galvanische Zelle im Vergleich

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

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.

Faradaysche Gesetze

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

Datei:Michael Faraday 001.jpg

Die elektrische Ladung berechnet sich aus Stromstärke und Zeit:

$Q = I \cdot t$

Mit der Faraday-Konstante $F \approx 96 485 C m o l^{- 1}$ gilt für die Stoffmenge der übertragenen Elektronen:

$n (e^{-}) = \frac{Q}{F}$

Für die abgeschiedene Masse eines Stoffes mit der molaren Masse $M$ und der Elektronenzahl $z$ gilt:

$m = \frac{M}{z F} \cdot I \cdot t$

Beispiel: Durch eine Kupfersulfat-Lösung fließt 30 Minuten lang ein Strom von 2,0 Ampere. Für $C u^{2 +} + 2 e^{-} \to C u$ ist $z = 2$ . 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.

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.

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.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

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

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

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

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)

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

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

Welche Größe berechnet man mit Q gleich I mal t? (Elektrische Ladung) (!Elektrische Spannung) (!Molare Masse) (!Temperatur)

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

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

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)

Memory

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

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Reduktion	Kathode
Oxidation	Anode
Kationenwanderung	Minuspol
Anionenwanderung	Pluspol
Elektrische Energiezufuhr	Elektrolyse
Metallabscheidung	Galvanisieren

...

Kreuzworträtsel

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?

LearningApps

Lückentext

Offene Aufgaben

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.

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.

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.

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.

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.

OERs zum Thema

Verknüpfte Lernbereiche

Elektrolyse - Chemie

aiMOOC-Projekte

Schulfach+

Prüfungsliteratur 2026
Bundesland	Bücher	Kurzbeschreibung
Baden-Württemberg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Mittlere Reife Der Markisenmann - Jan Weiler oder Als die Welt uns gehörte - Liz Kessler Ein Schatten wie ein Leopard - Myron Levoy oder Pampa Blues - Rolf Lappert	Abitur Dorfrichter-Komödie über Wahrheit/Schuld; Roman über einen Ort und deutsche Geschichte. Mittlere Reife Wahllektüren (Roadtrip-Vater-Sohn / Jugendroman im NS-Kontext / Coming-of-age / Provinzroman).
Bayern	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Lustspiel über Machtmissbrauch und Recht; Roman als Zeitschnitt deutscher Geschichte an einem Haus/Grundstück.
Berlin/Brandenburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Der Biberpelz - Gerhart Hauptmann Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Gerichtskomödie; soziales Drama um Ausbeutung/Armut; Komödie/Satire um Diebstahl und Obrigkeit; Roman über Erinnerungsräume und Umbrüche.
Bremen	Abitur Nach Mitternacht - Irmgard Keun Mario und der Zauberer - Thomas Mann Emilia Galotti - Gotthold Ephraim Lessing oder Miss Sara Sampson - Gotthold Ephraim Lessing	Abitur Roman in der NS-Zeit (Alltag, Anpassung, Angst); Novelle über Verführung/Massenpsychologie; bürgerliche Trauerspiele (Moral, Macht, Stand).
Hamburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Das kunstseidene Mädchen - Irmgard Keun	Abitur Justiz-/Machtkritik als Komödie; Großstadtroman der Weimarer Zeit (Rollenbilder, Aufstiegsträume, soziale Realität).
Hessen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Prozess - Franz Kafka	Abitur Gerichtskomödie; Fragmentdrama über Gewalt/Entmenschlichung; Erinnerungsroman über deutsche Brüche; moderner Roman über Schuld, Macht und Bürokratie.
Niedersachsen	Abitur Der zerbrochene Krug - Heinrich von Kleist Das kunstseidene Mädchen - Irmgard Keun Die Marquise von O. - Heinrich von Kleist Über das Marionettentheater - Heinrich von Kleist	Abitur Schwerpunkt auf Drama/Roman sowie Kleist-Prosatext und Essay (Ehre, Gewalt, Unschuld; Ästhetik/„Anmut“).
Nordrhein-Westfalen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Komödie über Wahrheit und Autorität; Roman als literarische „Geschichtsschichtung“ an einem Ort.
Saarland	Abitur Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Furor - Lutz Hübner und Sarah Nemitz Bahnwärter Thiel - Gerhart Hauptmann	Abitur Erinnerungsroman an einem Ort; zeitgenössisches Drama über Eskalation/Populismus; naturalistische Novelle (Pflicht/Überforderung/Abgrund).
Sachsen (berufliches Gymnasium)	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Irrungen, Wirrungen - Theodor Fontane Der gute Mensch von Sezuan - Bertolt Brecht Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Trafikant - Robert Seethaler	Abitur Mischung aus Klassiker-Drama, sozialem Drama, realistischem Roman, epischem Theater und Gegenwarts-/Erinnerungsroman; zusätzlich Coming-of-age im historischen Kontext.
Sachsen-Anhalt	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Themenfelder)	Abitur Schwerpunktsetzung über Themenfelder (u. a. Literatur um 1900; Sprache in politisch-gesellschaftlichen Kontexten), ohne feste Einzeltitel.
Schleswig-Holstein	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Recht/Gerechtigkeit und historische Tiefenschichten eines Ortes – umgesetzt über Drama und Gegenwartsroman.
Thüringen	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool)	Abitur In der Praxis häufig Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool; landesweite Einzeltitel je nach Vorgabe/Handreichung nicht einheitlich ausgewiesen.
Mecklenburg-Vorpommern	Abitur (Quelle aktuell technisch nicht abrufbar; Beteiligung am gemeinsamen Aufgabenpool bekannt)	Abitur Land beteiligt sich am länderübergreifenden Aufgabenpool; konkrete, veröffentlichte Einzeltitel konnten hier nicht ausgelesen werden.
Rheinland-Pfalz	Abitur (keine landesweit einheitliche Pflichtlektüre; schulische Auswahl)	Abitur Keine landesweite Einheitsliste; Auswahl kann schul-/kursbezogen erfolgen.