Die Elektrolyse von Wasser ist die Aufspaltung von Wasser (H₂O) in seine Bestandteile Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) mithilfe von elektrischem Strom. Sie ist die zentrale Reaktion hinter „grünem“ Wasserstoff, hinter Wasserionisierern und hinter den meisten Geräten zur Herstellung von Wasserstoffwasser. Dieser Artikel erklärt die Reaktionsgleichung, was an Anode und Kathode passiert, das Faraday’sche Gesetz und die wichtigsten Verfahren – verständlich, aber chemisch korrekt.
Was ist die Elektrolyse von Wasser?
Bei der Elektrolyse wird elektrische Energie genutzt, um eine chemische Reaktion zu erzwingen, die von selbst nicht abliefe. Im Fall von Wasser zerlegt der Strom die H₂O-Moleküle: An einer Elektrode entsteht Wasserstoffgas, an der anderen Sauerstoffgas. Es ist damit die Umkehrung der „Knallgasreaktion“, bei der Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser verbrennen.
Die Reaktionsgleichung
Die Gesamtreaktion lautet:
Aus zwei Molekülen Wasser entstehen zwei Moleküle Wasserstoff und ein Molekül Sauerstoff. Das Volumenverhältnis von H₂ zu O₂ beträgt also 2:1.
Anode, Kathode und Elektrolyt
Die Reaktion teilt sich auf die beiden Elektroden auf. Welche Teilreaktion genau abläuft, hängt davon ab, ob die Lösung sauer oder basisch ist:
| Elektrode | Vorgang | Teilreaktion (basisch) |
|---|---|---|
| Kathode (−) | Reduktion → H₂ entsteht | 4 H₂O + 4 e⁻ → 2 H₂ + 4 OH⁻ |
| Anode (+) | Oxidation → O₂ entsteht | 4 OH⁻ → O₂ + 2 H₂O + 4 e⁻ |
Reines Wasser leitet den Strom kaum. Deshalb braucht es einen Elektrolyten – meist eine Säure (z. B. Schwefelsäure) oder Lauge (z. B. Kalilauge, KOH) oder gelöste Mineralsalze. In Trinkwasser-Ionisierern übernehmen die natürlich enthaltenen Mineralien diese Rolle.
Wie viel Spannung ist nötig?
Thermodynamisch reichen theoretisch 1,23 Volt, um Wasser zu zerlegen. In der Praxis sind wegen der sogenannten Überspannung eher 1,5 bis 2,0 Volt nötig. Dieser theoretische Mindestwert lässt sich direkt aus den Standardpotentialen der Teilreaktionen berechnen – genau hier kommt die Nernst-Gleichung ins Spiel, die zeigt, wie sich Potentiale mit Konzentration und Temperatur verschieben.
PEM- vs. alkalische Elektrolyse
Drei Verfahren dominieren die Technik:
- Alkalische Elektrolyse: klassisch, robust, nutzt eine Kalilauge als Elektrolyt. Günstig und bewährt, aber etwas träger.
- PEM-Elektrolyse (Proton Exchange Membrane / SPE): nutzt eine feste Polymermembran. Kompakt, reaktionsschnell, liefert sehr reines H₂. Diese Technik steckt in den meisten Wasserstoffwasser-Generatoren.
- Hochtemperatur-Elektrolyse (Festoxid): arbeitet bei mehreren Hundert Grad und erreicht hohe Wirkungsgrade, vor allem industriell.
Das Faraday’sche Gesetz
Wie viel Gas entsteht, lässt sich exakt berechnen. Das erste Faraday’sche Gesetz besagt: Die umgesetzte Stoffmenge ist proportional zur geflossenen Ladung.
mit Q = Ladung (Coulomb), M = molare Masse, n = Anzahl übertragener Elektronen, F = Faraday-Konstante (96.485 C/mol). Vereinfacht: doppelter Strom über gleiche Zeit → doppelte Gasmenge.
Wirkungsgrad
Moderne Elektrolyseure erreichen Wirkungsgrade von etwa 70–80 %. Der Rest geht überwiegend als Wärme verloren. Für die Bewertung von „grünem“ Wasserstoff ist dieser Wirkungsgrad entscheidend, denn er bestimmt, wie viel Strom pro Kilogramm Wasserstoff nötig ist.
Anwendungen – von der Industrie bis zum Trinkglas
- Grüner Wasserstoff: Energieträger für Industrie, Mobilität und Speicher, wenn der Strom aus erneuerbaren Quellen stammt.
- Wasserstoffwasser-Generatoren: reichern Trinkwasser gezielt mit H₂ an (siehe Wasserstoffwasser).
- Wasserionisierer: trennen das Wasser in einen basischen und einen sauren Strom – das Prinzip hinter Kangen Wasser.
- Labor und Industrie: Bereitstellung von reinem Sauerstoff und Wasserstoff.
Häufige Fragen (FAQ)
Was entsteht bei der Elektrolyse von Wasser?
An der Kathode entsteht Wasserstoffgas (H₂), an der Anode Sauerstoffgas (O₂), im Volumenverhältnis 2:1.
Warum leitet reines Wasser kaum Strom?
Reines Wasser enthält zu wenige frei bewegliche Ionen. Erst ein Elektrolyt (Säure, Lauge oder gelöste Salze) macht es leitfähig genug für eine effiziente Elektrolyse.
Wie viel Spannung braucht die Elektrolyse von Wasser?
Theoretisch genügen 1,23 V. In der Praxis sind wegen Überspannungen meist 1,5 bis 2,0 V erforderlich.
Ist die Elektrolyse von Wasser gefährlich?
Wasserstoff und Sauerstoff bilden zusammen ein zündfähiges Gemisch (Knallgas). In Trinkwasser-Generatoren entstehen nur winzige Mengen, die unbedenklich sind; im Labor und in der Industrie gelten entsprechende Sicherheitsvorkehrungen.
