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Technische Anwendungen der Elektrolyse

Darstellung von H2 und O2 durch elektrolytische Spaltung von H2O

Wasser kann durch elektrolytische Spaltung in seine elementaren Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt werden. Sauerstoff fällt hierbei in der technischen Anwendung als Nebenprodukt an. Wasserstoff und Sauerstoff entstehen bei der Elektrolyse von Wasser in sehr reiner Form. Der so dargestellte Wasserstoff kann daher für katalytische Hydrierungen (z. B. Fetthärtung) verwendet werden.

Die Elektrolyse von Wasser ist auch für die Gewinnung von O182 aus H2O18-angereichertem Wasser von Bedeutung. Durch fraktionierende Destillation von H2O lässt sich der Gehalt an H2O18 bis zu 97 Mol-% steigern.

Labormaßstab: Hofmann'scher Zersetzungsapparat

Die Elektrolyse von Wasser kann im Labormaßstab im Hofmann'schen Zersetzungsapparat durchgeführt werden. Man füllt den aus drei miteinander kommunizierenden Röhren bestehenden Apparat durch den Trichter der mittleren Röhre so weit mit Wasser, dass die beiden äußeren Röhren vollständig mit Wasser gefüllt sind. Die Hähne werden dann geschlossen. Im unteren Teil der beiden äußeren Röhren befindet sich je eine Platinelektrode mit nach außen führendem Platindraht. Die Platindrähte sind mit einer Gleichstromquelle verbunden. Ist die angelegte Spannung ausreichend hoch, bilden sich an den Elektroden Gasbläschen, die in den äußeren Rohren aufsteigen. An der Kathode (negativer Pol der Spannungsquelle) bildet sich Wasserstoff. An der Anode (positiver Pol der Spannungsquelle) entwickelt sich Sauerstoff.

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Abb.1
Hofmann'scher Apparat zur elektrolytischen Zerlegung von Wasser

Elektrodenreaktionen

4H2O 2H3O++ 2OH 2H3O++ 2e H2+ 2H2O Kathode 2OH 2OH+ 2e 0.5O2+ H2O+ 2e Anode H2O H2+ 0.5O2 Gesamt

Technischer Maßstab

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Abb.2
Schematische Darstellung der Wasserstoff- und Sauerstoff-Gewinnung durch Elektrolyse von Wasser.

Die Spannung je Zelle beträgt ca. 2V. Die theoretische Zersetzungsspannung für eine 1 normale OH-Lösung beträgt 1,23V.

Zur Erhöhung der Leitfähigkeit des Wassers wird Natron- oder Kalilauge oder Schwefelsäure als Elektrolyt zugesetzt. Technisch wird zur Elektrolyse 30 %ige KOH-Lösung verwendet. Wasserstoff und Sauerstoff werden als hochreine Gase unabhängig von den Versuchsbedingungen in einem Volumenverhältnis von 2:1 gebildet.

Der Energieverbrauch zur Darstellung von 1m3 Wasserstoff und 0,5m3 Sauerstoff durch Elektrolyse von Wasser beträgt ca. 4,5 k W h . Die technische Wasserstoff-Erzeugung durch elektrolytische Spaltung von Wasser ist nur in Ländern mit billigen Wasserkräften lohnend. Der Anteil des elektrolytisch erzeugten Wasserstoffs ist kleiner als 3 %.

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