Grundsatz der Elektrolyse von Kupfersulfat-Elektrolyt

Elektrolyse

Die Elektrolyse ist ein elektrochemischer Prozess, bei dem Strom von einem Elektroden zum anderen in einer ionisierten Lösung, die als Elektrolyt dient, fließt. In diesem Prozess wandern positive Ionen oder Kationen zur negativen Elektrode oder Kathode und negative Ionen oder Anionen zur positiven Elektrode oder Anode.

Bevor wir das Prinzip der Elektrolyse verstehen, sollten wir wissen, was ein Elektrolyt ist oder die Definition eines Elektrolyts ist.

Definition eines Elektrolyts

Ein Elektrolyt ist eine chemische Substanz, deren Atome durch ionische Bindungen eng miteinander verbunden sind, aber wenn sie in Wasser gelöst wird, spalten sich ihre Moleküle in positive und negative Ionen auf. Die positiv geladenen Ionen werden als Kationen bezeichnet, während die negativ geladenen Ionen als Anionen bezeichnet werden. Beide, Kationen und Anionen, bewegen sich frei in der Lösung.

Prinzip der Elektrolyse

Bei ionischen Bindungen verliert ein Atom seine Valenzelektronen und ein anderes Atom gewinnt Elektronen. Als Ergebnis wird ein Atom zu einem positiv geladenen Ion und das andere Atom zu einem negativ geladenen Ion. Aufgrund der entgegengesetzten Ladung ziehen sich beide an und bilden eine Bindung, die als ionische Bindung bezeichnet wird. Bei der ionischen Bindung ist die zwischen den Ionen wirkende Kraft die Coulomb-Kraft, die umgekehrt proportional zur Permittivität des Mediums ist. Die relative Permittivität von Wasser beträgt 80 bei 20oC. Wenn also ein mit ionischen Bindungen versehener Stoff in Wasser gelöst wird, wird die Bindungsstärke zwischen den Ionen viel schwächer und daher spalten sich seine Moleküle in Kationen und Anionen auf, die sich frei in der Lösung bewegen.

Nun tauchen wir zwei Metallstäbe in die Lösung und wenden wir einen elektrischen Spannungsunterschied zwischen den Stäben extern durch eine Batterie an.

Diese teilweise eingetauchten Stäbe werden technisch als Elektroden bezeichnet. Die Elektrode, die mit dem negativen Terminal der Batterie verbunden ist, wird als Kathode bezeichnet, und die Elektrode, die mit dem positiven Terminal der Batterie verbunden ist, wird als Anode bezeichnet. Die frei beweglichen positiv geladenen Kationen werden von der Kathode angezogen und die negativ geladenen Anionen von der Anode. An der Kathode nehmen die positiven Kationen Elektronen vom negativen Kathodenpol auf, und an der Anode geben die negativen Anionen Elektronen an den positiven Anodenpol ab. Für den ständigen Austausch von Elektronen an der Kathode und Anode muss es einen Elektronenfluss im äußeren Schaltkreis des elektrolytischen Systems geben. Das bedeutet, dass der Strom in dem geschlossenen Kreis, der durch Batterie, Elektrolyt und Elektroden gebildet wird, weiterhin zirkuliert. Dies ist das grundlegende Prinzip der Elektrolyse.

Elektrolyse von Kupfersulfat

Wenn Kupfersulfat oder CuSO4 in Wasser gegeben wird, löst es sich darin auf. Da CuSO4 ein Elektrolyt ist, spaltet es sich in Cu+ + (Kation) und SO4 − − (Anion) Ionen auf und diese bewegen sich frei in der Lösung.

Nun tauchen wir zwei kupferne Elektroden in diese Lösung.

Die Cu+ + Ionen (Kation) werden zur Kathode, d.h. zur Elektrode, die mit dem negativen Terminal der Batterie verbunden ist, angezogen. Sobald sie die Kathode erreichen, nimmt jedes Cu+ +-Ion Elektronen von ihr auf und wird zu einem neutralen Kupferatom.

Ebenso werden die SO4 − − (Anion) Ionen von der Anode, d.h. der Elektrode, die mit dem positiven Terminal der Batterie verbunden ist, angezogen. Daher bewegen sich die SO4 − − Ionen zur Anode, wo sie zwei Elektronen abgeben und zum SO4-Radikal werden.

Da das SO4-Radikal jedoch nicht in einem elektrisch neutralen Zustand existieren kann, greift es die kupferne Anode an und bildet Kupfersulfat.

In diesem Prozess werden nach dem Aufnehmen von Elektronen die neutralen Kupferatome auf der Kathode abgelagert. Gleichzeitig reagiert SO4 mit der kupfernen Anode und wird zu CuSO4, aber im Wasser kann es nicht als einzelne Moleküle existieren, sondern CuSO4 spaltet sich in Cu+ +, SO4 − − auf und