Wasserelektrolyse/Wasseroxidation

[David Boie 101106]

Hallo ihr lieben, im Rahmen des Forschungsfeld der künstlichen Photosynthese befasse ich mich gerade mit der Wasserelektrolyse bzw. der Wasseroxidation. Ich bin in einem Buch von Springer auf die Wasseroxidation als Teilprozess der künstlichen Fotosynthese gestoßen, kenne diesen Prozess eigentlich nur aus der biologischen Photosynthese, wobei Wasser in Sauerstoff sowie Wasserstoffprotonen und Elektronen aufgespalten wird. Aus dem Labor ist mir zur Aufspaltung von Wasser in seine atomaren Bestandteile die Wasserelektrolyse (auch verschiedenen Elektrolyten; sauer; alkalisch). Nun wird in diesem Buch die Wasseroxidation auch wieder mit sauer, alkalisch etc. versehen. Gleichzeitig wird aber von Gerätschaften wie Elektroyseuren gesprochen. Dies verwirrt mich etwas. Vielleicht kennt sich jemand damit aus und kann dies etwas aufdröseln.
Gibt es denn außerhalb von biologischen Systemen die Möglichkeit Wasser in Sauerstoff, Protonen und Elektronen zu spalten. Ich kenne da halt immer die elektrolytische Möglichkeit, deren Grundlage ja die Autoprotolyse des Wassers ist.

Dieses Thema bring mich etwas durcheinander. Vielleicht kann jemand helfen.

Liebe Grüße und einen schönen Sonntag!

[Nobby]

Gibt es denn außerhalb von biologischen Systemen die Möglichkeit Wasser in Sauerstoff, Protonen und Elektronen zu spalten. Ich kenne da halt immer die elektrolytische Möglichkeit, deren Grundlage ja die Autoprotolyse des Wassers ist.

Wasser kann man mittels Strom in einem Elektrolysator in Sauerstoff und Wasserstoff aufspalten, aber nicht in Protonen und Elektronen. Bei dem Prozess wandern Elektronen bzw. Ionen zu den entsprechenden Elektroden (Anionen (-) zur Anode(+) und Kationen (+) zur Kathode (-)).Dort werden Sie entladen.
Bei Wasser ist es etwas komplizierter, da reines Wasser fast nicht leitet. Man muss ein Leitelektrolyt zugeben (Neutralsalz, Säure oder Base.)

Beispiel Schwefelsäure H2SO4

Es wandern H+ Ionen zur Kathode und werden nach
2 H+ + 2 e- => H2 entladen.
Die Sulfationen SO42- werden an der Anode mit Wasser rekombiniert und Sauerstoff entladen.

2 SO42- + 2 H2O => 2 H2SO4 + O2 + 4 e-

In Summe wird 2 H2O => 2 H2 + O2 umgesetzt.

Die Schwefelsäure wirkt nur als Katalysator konzentriert sich und reichert sich an.

[Chemik-Al]

Die Photosynthese beinhaltet als Prozeß u.a. die sogenannte Wasserstoffoxidation,wo der Sauerstoff aus dem Wassermolekül zu O2 umgewandelt wird.
Der Wasserstoff wird ,vereinfacht,als Reduktionsmittel für CO2 und den folgenden Aufbau von Kohehydraten verwendet.
Die elektrolytische Spaltung erfolgt mit Strom und liefert direkt H2 und O2.
Bei der künstlichen Photosynthese geht es um die direkte Nutzung von Sonnenlicht für die Wasseroxidation .
Mit geeigneten Katalysatoren wird die Lichtenergie der Photonen in elektrochemische Energie umgewandelt,um die obige Aufspaltung in Wasserstoff und Sauerstoff zu erreichen:https://www.mpikg.mpg.de/6857952/kuenst ... chluesselt .

Chemik-Al.

[David Boie 101106]

Danke für die Antwort! Also geschieht die Wasseroxidation nicht auf Basis der Autoprotolyse des Wassers, wie es bei der Wasserelektrolyse der Fall ist, richtig?
Denn dort werden ja Oxoniumionen an der Kathode reduziert und Hydroxidionen an der Anode oxidiert.

Ich frage mich das, weil bei der Wasseroxidation wohl die entstandenen Elektronen aus dem Sauerstoff stammen und nicht vom Wasserstoff und da frage ich mich, wie dann O2 gebildet werden soll, wenn jedem O Atom 2e- fehlen. Und wenn aus dem Wasserstoff der Wassermoleküle Protonen werden, wo sind dann deren Elektronen?

Bezieht sich sowohl auf die Wasseroxidation in der Lichtreaktion der PS als auch bei photokatalytischen Systemen, da letztere ja versuchen die Photolyse (also Wasseroxidation der PS) nachzuahmen.

[Nobby]

Ich weiss nicht was Du mit Wasseroxidation überhaupt meinst.
Wasser kann wie beschrieben elektrolyrisch gespalten werden, das ist auch ein Redoxvorgang, wo Hydronium reduziert und die Oxid(hydroxid) Ionen oxidiert werden. Bei H+ werden Elektronen aufgenommen und neutraler Wasserstoff gebildet Elektronenaufnahme gleich Reduktion . Die Oxid-Ionen geben Elektronen ab und bilden neutralen Sauerstoff Elektronenabgabe gleich Oxidation.

2 H+ + 2e- => H2

4 OH- => 2 H2O + O2 + 4 e- (formal 2 O 2- => O2 + 4e-)

[Chemik-Al]

Wasseroxidation ist ein Begriff,den man bei der Photosynthese findet.
Formal handelt es sich um die Umwandlung von Wasser in "H+",freie Elektronen und Sauerstoff,als O2.
Die freien Elektronen werden in der PS als Reduktionsmittel verwendet,die Protonen werden dort parallel chemisch gebunden.
bei der künstlichen PS erfolgt ebenfalls die Spaltung des Wassermoleküls unter Bildung on O2.
Die Protonen und freien Elektronen können dort direkt zu H2 vereinigt werden.
Somit entspricht diese künstliche PS formal der elektrolytischen Zersetzung von Wasser.
Anstelle von Licht,wie bei der PS.wird Strom verwendet,um die benötigte Energie zu liefern.
Die Elektrolyse wird oft anschaulich über die "Entladung" der durch Autoprotolyse des Wassers entstandenen Ionen beschrieben,da diese im elektrischen Feld wandern.Dabei werden die Hydronium-Ionen an der Kathode oxidiert,die Hydroxid-Ionen an Anode oxidiert.
Bei der PS ist das etwas anders:https://de.wikipedia.org/wiki/Photosynt ... er_Komplex .
Bei der künstlichen PS kann mananalog zur Elektrolyse,die Autoprotolyse des Wasser formulieren,ist meiner Kenntnis nach jedoch nicht notwendig.

Chemik-Al.

[Gast]

Herzlichen Dank!

Hast du Reaktionsgleichungen für die Wasseroxidation?

Dann geht also die Wasserspaltung innerhalb der Photokatalyse (z.B. als photoelektrochemische Zelle oder an Halbleiterpartikeln) auch auf die Wasseroxidation zurück?

Viele Grüße!

[chemiewolf]

2 H2O -> 2 H2 + O2

Ja, formal beschreiben die Wasseroxidation und die PS den gleichen Prozess.

[Gast]

Wasseroxidation ist ein Begriff,den man bei der Photosynthese findet.
Formal handelt es sich um die Umwandlung von Wasser in "H+",freie Elektronen und Sauerstoff,als O2.
Die freien Elektronen werden in der PS als Reduktionsmittel verwendet,die Protonen werden dort parallel chemisch gebunden.
bei der künstlichen PS erfolgt ebenfalls die Spaltung des Wassermoleküls unter Bildung on O2.
Die Protonen und freien Elektronen können dort direkt zu H2 vereinigt werden.
Somit entspricht diese künstliche PS formal der elektrolytischen Zersetzung von Wasser.
Anstelle von Licht,wie bei der PS.wird Strom verwendet,um die benötigte Energie zu liefern.
Die Elektrolyse wird oft anschaulich über die "Entladung" der durch Autoprotolyse des Wassers entstandenen Ionen beschrieben,da diese im elektrischen Feld wandern.Dabei werden die Hydronium-Ionen an der Kathode oxidiert,die Hydroxid-Ionen an Anode oxidiert.
Bei der PS ist das etwas anders:https://de.wikipedia.org/wiki/Photosynt ... er_Komplex .
Bei der künstlichen PS kann man analog zur Elektrolyse,die Autoprotolyse des Wasser formulieren,ist meiner Kenntnis nach jedoch nicht notwendig.

Chemik-Al.

Also habe ich richtig verstanden, das die Wasseroxidation und die Wasserelektrolyse formal den gleichen Prozess beschreiben, d.h. Wasser als gleiches Edukt und als Produkte Wasserstoff und Sauerstoff (bzw. bei biologischen Photosynthese Sauerstoff und e-), aber der Vorgang an sich aber verschieden abläuft?
Das bei der Wasseroxidation nicht H3O+ Ionen reduziert werden und OH- nicht oxidiert werden? Sondern das es einen anderen Ablauf der Reaktion gibt.
Also was genau passiert bei der Wasseroxidation, werden nur die Wasserstoffprotonen oxidiert?

[Nobby]

Das ist ein Redoxvorgang
2 H2O => 2 H2 + O2

In Wasser ist Wasserstoff +1 und Sauerstoff -2.
In den Elementen jeweils 0.
Wasserstoff nimmt Elektronen auf +1 wird zu 0, wird also reduziert und Sauerstoff gibt Elektronen ab -2 wird zu 0, also wird oxidiert.
Oxidation ist immer eine Elektronenabgabe, Reduktion deren Aufnahme.