Wasserelektrolyse

Bei der Wasserelektrolyse fließt elektrischer Strom durch Wasser und zerlegt es in Wasserstoff und Sauerstoff, die an den beiden Elektroden als Blasen aufsteigen, doppelt so viel Wasserstoff wie Sauerstoff. Zwei niederländische Chemiker berichteten 1789, Wasser mit elektrischen Entladungen zersetzt zu haben; die Voltasche Säule machte daraus 1800 ein stetiges Verfahren, und heute ist es einer der Wege, Wasserstoff herzustellen.

Was es ist

Wasserelektrolyse ist die Zerlegung von Wasser in seine beiden Elemente mit elektrischem Strom. Zwei Elektroden tauchen ins Wasser und sind mit einer Gleichstromquelle verbunden. An der negativen Elektrode bilden sich Wasserstoffblasen, an der positiven Sauerstoffblasen, und das Volumen des Wasserstoffs ist etwa doppelt so groß wie das des Sauerstoffs: das Verhältnis, in dem sich beide Gase zu Wasser verbinden.

Das Verfahren wandelt elektrische Energie in chemische Energie um, die in den Gasen gespeichert ist. Wer den Wasserstoff verbrennt oder ihn in einer Brennstoffzelle wieder mit Sauerstoff vereinigt, gewinnt einen Teil davon zurück. Die Industrie erzeugt Wasserstoff und Sauerstoff in Elektrolyseuren, Stapeln von Zellen, in denen ein Separator die beiden Gase voneinander trennt.

Wie es funktioniert

Reines Wasser leitet Strom sehr schlecht. Man macht es leitfähig, indem man etwas Säure, Lauge oder Salz darin löst. In der Flüssigkeit tragen Ionen den Strom, geladene Teilchen, die zur Elektrode mit entgegengesetzter Ladung wandern.

An der negativen Elektrode, der Kathode, verwandeln Elektronen aus dem Stromkreis Wasserstoffionen oder Wasser in Wasserstoffgas. An der positiven Elektrode, der Anode, wird Sauerstoff frei, und Elektronen kehren in den Stromkreis zurück. Beide Gase entstehen nur an der Oberfläche der Elektroden, nie in der Flüssigkeit dazwischen.

In einer alkalischen Zelle lässt ein poröser Separator den Strom durch die Flüssigkeit, hält Wasserstoff und Sauerstoff aber getrennt.

Der Werkstoff der Elektroden spielt eine Rolle. Platin und Gold werden nicht angegriffen und geben beide Gase ab. Auch Graphit, die Mine eines Bleistifts, entwickelt an jeder Elektrode ein Gas, nutzt sich dabei aber langsam ab. In Nicholsons und Carlisles Wasserrohr lief ein Messingdraht dunkel an, wo Platin Gas abgab. Alkalische Industriezellen arbeiteten mit Elektroden aus Eisen, Stahl und Nickel; Nickel gehört zu den Metallen, die der Lauge am besten widerstehen. Ein gelöstes Chlorid wie Kochsalz liefert an der positiven Elektrode statt Sauerstoff Chlor, ein giftiges Gas.

Industrielle Elektrolyseure gibt es in drei Hauptbauarten. Alkalische Zellen arbeiten mit einer Kalium- oder Natronlauge und einem porösen Separator. Protonenaustauschmembran-Zellen nutzen eine dünne feste Kunststoffschicht, die nur Wasserstoffionen durchlässt. Festoxidzellen verwenden eine Keramik, die Sauerstoffionen leitet, und laufen bei sehr hohen Temperaturen, bei denen Wärme aus einer anderen Quelle einen Teil des Stroms ersetzen kann.

So geht’s

Zwei Bleistiftminen und eine 9-Volt-Batterie genügen, um Wasser zu zerlegen; an der negativen Mine perlt es stärker.

Man braucht zwei Holzbleistifte, einen Spitzer, ein Stück feste Pappe, zwei Kabel mit Krokodilklemmen, eine 9-Volt-Batterie, ein Glas Wasser und etwas Bittersalz (Magnesiumsulfat). Bittersalz nehmen, kein Kochsalz, das Chlor freisetzen würde.

Beide Bleistifte an beiden Enden anspitzen, bis die Mine freiliegt. Das Bittersalz im Wasser lösen. Die Bleistifte durch die Pappe stecken und die Pappe auf das Glas legen, sodass die unteren Spitzen ins Wasser tauchen, ohne sich zu berühren. Jeden Batteriepol mit einem Kabel an die obere Spitze eines Bleistifts klemmen.

Feine Bläschen steigen an beiden Minen auf, mehr an dem Bleistift am Minuspol: Das ist der Wasserstoff. Werden die beiden Klemmen an der Batterie vertauscht, wandert der dichtere Blasenstrom zum anderen Bleistift. Einige Minuten beobachten, dann die Batterie abklemmen. Die Bleistiftspitzen nutzen sich dabei langsam ab.

Sicherheit. Mit Luft gemischt explodiert Wasserstoff, wenn er entzündet wird, und brennt mit fast unsichtbarer Flamme. Flammen und Funken vom Glas fernhalten und die Bläschen frei entweichen lassen: das Gas nie in einem Röhrchen oder einem geschlossenen Gefäß auffangen.

Geschichte und Entwicklung

Die Zersetzung von Wasser im Jahr 1789 nutzte die Funken einer Reibungsmaschine, die Leidener Flaschen lud.

1789 berichteten zwei niederländische Chemiker, der Amsterdamer Kaufmann Adriaan Paets van Troostwijk und der Arzt Jan Rudolph Deiman, im Journal de physique, sie hätten Wasser mit elektrischen Entladungen in „brennbare Luft“ und „Lebensluft“ verwandelt, also in Wasserstoff und Sauerstoff. Sie schickten die Entladungen einer großen Reibungselektrisiermaschine, gesammelt in Leidener Flaschen, durch Wasser. Der Instrumentenbauer John Cuthbertson baute ihre Apparatur. Die Gasmengen waren winzig, und der Historiker E. L. Scott merkt an, dass sie nicht schlüssig zeigen konnten, welche Gase sie erhalten hatten. Zusammen mit Cuthbertson wiederholte der englische Arzt George Pearson die Versuche in den 1790er-Jahren und lieferte einen überzeugenderen Nachweis. In Haarlem entwarf Martinus van Marum 1791 ein Gerät, das im Teylers Museum den umgekehrten Vorgang zeigte: Wasserstoff und Sauerstoff, in einem Glaskolben durch elektrische Funken entzündet, bildeten Wasser, und die Gase verbanden sich im Verhältnis zwei zu eins.

Die Batterie veränderte den Maßstab des Versuchs. Alessandro Volta beschrieb seine Säule 1800, und wenige Wochen später schlossen William Nicholson und Anthony Carlisle eine Säule aus 36 Paaren von Halbkronen und Zinkscheiben, getrennt durch Pappe, an zwei Messingdrähte in einem Rohr mit Wasser an. An einem Draht perlte Wasserstoff, der andere lief dunkel an. Mit Platindrähten erhielten sie beide Gase.

1902 arbeiteten bereits mehr als 400 industrielle Wasserelektrolyseure. Einige gewannen Wasserstoff durch Elektrolyse von Natronlauge zwischen Eisenelektroden. Die alkalische Zelle ist bis heute der klassische Elektrolyseur. Membran- und Hochtemperatur-Keramikzellen kamen später hinzu, und Elektrolyseure reichen heute von Geräten in Haushaltsgerätegröße bis zu Anlagen, die direkt an ein Kraftwerk angeschlossen sind.