Berechnung der Zersetzungsspannung von Wasser

Die Zersetzungsspannung von Wasser gibt an, ab welcher Spannung das Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird. Um diese Spannung zu berechnen, kann man verschiedene Methoden anwenden, exemplarisch mithilfe der Standard-Potenziale oder bei platiniertem Platin bei einer Stromdichte von 10^-1 A*cm^-2.

Bei der Berechnung der Zersetzungsspannung mit den Standard-Potenzialen bezieht man sich auf die Redoxreaktionen die bei der Zersetzung von Wasser stattfinden. Die Redoxpaare für diese Reaktionen sind H+/H2 und O2/O2-. Das Standard-Potenzial für die Oxidation von Wasserstoff zu H+ beträgt 0⸴82V und für die Reduktion von Sauerstoff zu O2- beträgt es 1⸴23V. Um die Zersetzungsspannung zu berechnen, subtrahiert man das Reduktions-Potenzial von dem Oxidations-Potenzial. In diesem Fall ergibt sich eine Zersetzungsspannung von 0⸴82V - 1⸴23V = -0,41V.

Bei der Berechnung bei platiniertem Platin und einer Stromdichte von 10^-1 A*cm^-2 verwendet man die Nernst'sche Gleichung die den Zusammenhang zwischen der elektrochemischen Reaktion der Konzentration der beteiligten Spezies und der Spannung herstellt. Die Nernst'sche Gleichung lautet:

U = E0 - (0,059 V / n) * log ([H2O2-] / [O2H2])

Dabei ist U die Spannung, E0 das Standard-Potenzial, n die Anzahl der Elektronen die bei der Reaktion beteiligt sind, [H2O2-] und [O2H2] die Konzentrationen der beteiligten Spezies.

Für die Berechnung der Zersetzungsspannung von Wasser muss man die Konzentrationen von H2O2- und O2H2 berücksichtigen. Da bei der Zersetzung von Wasser jeweils ein Sauerstoff- und ein Wasserstoffmolekül gebildet werden ist das Verhältnis der Konzentrationen 1:4.

Daher ergibt sich die Zersetzungsspannung bei einer Stromdichte von 10^-1 Acm^-2 zu U = 1⸴23V - (0,059 V / 4) log (1/4) = 1⸴23V - 0⸴059V * (-1) = 1⸴29V

Bei der Berechnung der Zersetzungsspannung von Wasser muss man beachten, dass die Oxidationsreaktion von Wasserstoff zu H+ und die Reduktionsreaktion von Sauerstoff zu O2- in entgegengesetzte Richtungen ablaufen. Daher muss man bei der Berechnung einen Wert abziehen. Dies ergibt sich aus der Tatsache, dass die Redox-Reaktionen in ihrer Reihenfolge also Oxidation gefolgt von Reduktion angegeben werden. In diesem Fall wird die Reduktion von Sauerstoff zu O2- in Gegenrichtung ablaufen, deshalb muss man einen Wert abziehen.

Zusammenfassend lässt sich sagen: Die Berechnung der Zersetzungsspannung von Wasser mithilfe der Standard-Potenziale oder bei platiniertem Platin bei einer Stromdichte von 10^-1 A*cm^-2 erfolgen kann. Bei der Berechnung muss man das Reduktions-Potenzial von dem Oxidations-Potenzial subtrahieren und bei der Berechnung mit der Nernst'schen Gleichung die Konzentrationen der beteiligten Spezies berücksichtigen. Zudem muss man bei der Rechnung einen Wert abziehen, da die Redox-Reaktionen in entgegengesetzte Richtungen ablaufen.