Elektrolyse

Bei der Elektrolyse treibt eine äußere Spannung eine chemische Reaktion an, die von selbst nicht ablaufen würde: Wasser zerfällt in Wasserstoff und Sauerstoff, Kupfer scheidet sich auf einer Leiterplatte ab, Aluminium wird aus seinem Oxid gewonnen. Sie ist damit das genaue Gegenstück zum galvanischen Element, das aus einer freiwillig ablaufenden Reaktion Strom gewinnt – und ein Akku wechselt beim Laden und Entladen zwischen beiden Rollen.

Aufbau einer Elektrolysezelle

Eine Elektrolysezelle besteht aus zwei Elektroden, die in einen Elektrolyten tauchen – eine Flüssigkeit oder Schmelze mit beweglichen Ionen. Eine Gleichspannungsquelle ist mit beiden Elektroden verbunden.

• Die Kathode ist am Minuspol angeschlossen. Dort drückt die Quelle Elektronen hinein; positiv geladene Ionen (Kationen) wandern zu ihr und werden reduziert.
• Die Anode ist am Pluspol angeschlossen. Dort zieht die Quelle Elektronen ab; negativ geladene Ionen (Anionen) wandern zu ihr, Stoffe werden oxidiert.

Im Draht fließen also Elektronen, im Elektrolyten Ionen – man spricht dort vom Ionenstrom. Erst beide zusammen schließen den Stromkreis.

Woher kommen die Ionen? Löst du ein Salz, eine Säure oder eine Lauge in Wasser, zerfallen deren Moleküle in positive und negative Ionen – die Dissoziation. Chlorwasserstoff etwa gibt im Wasser sein Proton ab; es entstehen positive Oxonium-Ionen (H₃O⁺, vereinfacht H⁺) und negative Chlorid-Ionen (Cl^-). Unter Spannung wandern die Chlorid-Ionen zur Anode und geben dort ihre Elektronen ab, die Oxonium-Ionen holen sich an der Kathode Elektronen und werden zu Wasserstoff. Auch Leitungswasser leitet übrigens, weil darin Mineralsalze gelöst sind – nur reines, destilliertes Wasser ist ein schlechter Leiter.

Beispiel Wasserzerlegung

Reines Wasser leitet kaum. Gibt man etwas Säure, Lauge oder ein Salz wie Natriumsulfat hinzu, wird es zum Elektrolyten. Legst du nun eine Spannung an, steigen an beiden Elektroden Gasblasen auf:

An der Kathode entsteht doppelt so viel Gasvolumen wie an der Anode – genau das Verhältnis 2 : 1 aus der Gesamtgleichung.

Theoretisch genügen 1,23 V, um Wasser zu zerlegen. In der Praxis sind wegen der Überspannungen an den Elektroden und des Widerstands im Elektrolyten 1,8 bis 2 V nötig. Unterhalb dieser Zersetzungsspannung fließt nur ein winziger Strom. Die Spannungsdifferenz geht als Wärme verloren – deshalb erreichen Elektrolyseure Wirkungsgrade von etwa 60 bis 80 %. Den umgekehrten Weg, Wasserstoff wieder zu Strom zu machen, geht die Brennstoffzelle.

Das Faradaysche Gesetz

Wie viel Stoff abgeschieden wird, hängt nur von der geflossenen Ladung ab. Für ein Mol eines Ions mit der Ladungszahl z braucht man z Mol Elektronen. Ein Mol Elektronen trägt die Faraday-Konstante F = 96 485 C/mol. Damit gilt für die abgeschiedene Masse:

Anwendungen

• Galvanik in der Leiterplattenfertigung: Bohrungen werden chemisch leitfähig gemacht und dann galvanisch verkupfert – so entstehen Durchkontaktierungen und Vias. Auch Zinn-, Nickel- und Goldschichten lassen sich galvanisch abscheiden. Dient die Schicht dem Schutz oder der Kontaktgüte eines Bauteils, heißt das Galvanostegie; formt man dagegen dicke, ablösbare Metallteile auf einer Vorlage nach, spricht man von Galvanoplastik.
• Elektrolytisches Polieren und Entgraten: Hier hängt das Werkstück als Anode im Bad. An Spitzen und Graten ist die Stromdichte am höchsten, dort löst sich das Metall zuerst – die Oberfläche wird glatt, ohne mechanisch bearbeitet zu werden.
• Kupferraffination: Rohkupfer dient als Anode und löst sich auf; an der Kathode scheidet sich Kupfer mit 99,99 % Reinheit ab. Dieses Elektrolytkupfer ist der Werkstoff für Drähte und Leiterbahnen – siehe Leitende Werkstoffe.
• Aluminium: Es wird durch Schmelzflusselektrolyse aus Aluminiumoxid gewonnen und braucht dafür rund 13 bis 15 kWh pro Kilogramm.
• Elektrolytkondensatoren: Die isolierende Aluminiumoxidschicht auf der Anodenfolie wird elektrolytisch „formiert“. Ihre Dicke wächst mit der Formierspannung und bestimmt die Spannungsfestigkeit des Kondensators.
• Eloxieren: Aluminiumgehäuse erhalten durch anodische Oxidation eine harte, isolierende und färbbare Oberfläche.

Ungewollte Elektrolyse auf der Platine

Auf einer Platine liegen Leiterbahnen mit unterschiedlichem Potential oft nur Zehntelmillimeter nebeneinander. Kommen Feuchtigkeit und ionische Verunreinigungen wie Flussmittelreste hinzu, bildet sich eine winzige Elektrolysezelle. Metall löst sich an der positiveren Bahn, wandert als Ionen hinüber und scheidet sich an der negativeren Bahn als feine, baumartige Dendriten ab. Wachsen sie bis zur Nachbarbahn, entsteht ein Kurzschluss – oft erst nach Monaten im Feld. Man spricht von elektrochemischer Migration.

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