Anodische Oxidation

Bei der anodischen Oxidation werden Substanzen oxidiert, wobei gleichzeitig ein elektrischer Strom durch einen äußeren Stromkreis fließt. Oxidation bedeutet, dass eine Substanz Elektronen abgibt. Diese werden durch eine Elektrode, die Anode, aufgenommen. Es gibt unterschiedliche Arten der anodischen Oxidation:

• in galvanischen Zellen und in Batterien verläuft die Reaktion 'freiwillig', d.h. unter Energieabgabe. Die Stoffe, die oxidiert werden, geben ihre Elektronen an die Anode ab, die sich dadurch negativ auflädt. Die Anode ist Minuspol der galvanischen Zelle bzw. der Batterie.
• in Elektrolysezellen wird die Oxidationsreaktion durch eine von außen angelegte Spannung erzwungen. Der Entzug von Elektronen erfolgt am Pluspol, der die Elektronen aufnimmt: die Anode ist der Pluspol von Elektrolysezellen. Der bei Elektrolyse von Säure- und Salzlösungen an der Anode stattfindende Sekundärprozeß, wenn das entladene „Anion“ nicht existenzfähig ist, führt bei unangreifbarer Anode zum Freiwerden von gasförmigem Sauerstoff durch Oxidation von Hydroxid-Ionen.

Durch die anodische Oxidation bei einer Elektrolyse können auch sehr stabile und reaktionsträge Stoffe oxidiert werden, beispielsweise ist es möglich Chlorid zum Chlor und Fluorid zum Fluor zu oxidieren. Letzteres ist wegen des Standardpotential von Fluor die Einzige Methode zur Herstellung von elemnetarem Fluor au Fluoridionen. Mit leistungsfähigen Gleichstromquellen verbundene Anoden sind die stärksten Oxidationsmittel. Da sie stärker sind als alle chemischen Oxidationsmittel, erlaubt die anodische Oxidation die Darstellung auch der stärksten Oxidationsmittel wie Peroxodisulfat, Chlor und Fluor in guter Ausbeute.

Jede Oxidation kann nur ablaufen, wenn die dabei abgegebenen Elektronen von anderen Substanzen aufgenommen werden, die dabei reduziert werden. Oxidation und Reduktion laufen immer gleichzeitig ab, es findet eine Redoxreaktion statt. Im Falle der anodischen Oxidation findet die Reduktion an der Elektrode statt, die Elektronen abgibt, an der Kathode. Die anodische Oxidation stellt damit den Gegensatz zur kathodischen Reduktion dar. Im Vergleich zu den rein chemischen Redoxreaktionen ist das Besondere bei den elektrochemischen Prozessen anodische Oxidation und kathodischer Reduktion, dass sie räumlich getrennt sind, an verschiedenen Elektroden ablaufen, und dass gleichzeitig ein Strom durch einen äußeren Stromkreis fließt. Bei elektrochemischen Prozessen finden die beiden Vorgänge zwar meistens räumlich getrennt ab, aber nur gleichzeitig im geschlossenen Stromkreis. Es ist also unmöglich eine anodische Oxidation oder eine kathodische Reduktion alleine durchzuführen, auch wenn das technisch oft wünschenswert wäre.

Anwendungen

Die anodischen Oxidation findet vielfältige Verwendung in Bereich der Chemie, der Verfahrens- und Umwelttechnik. So vermag der er vermag z. B. bestimmte, als Anoden eingesetzte, Metalle zu oxidieren. Dies nutzt man z. B. zur Herstellung von oxidischen Schutzschichten auf Metallen, vor allem Leichtmetallen, aus (sogenanntes Anodisieren). Die Deckschichten, die durch Umwandlung der obersten Metallschichten entstehen und bis zu 40 μm Dicke erreichen können, sind bei einigen Metallen zunächst mikroporös und daher mit organischen Farbstoffen leicht anfärbbar. Sie müssen noch einer Nachverdichtung (Heißwasser-, Dampf-, Metallsalz-Nachverdichtungsverfahren) unterzogen werden und erfüllen dann dekorative und funktionelle Aufgaben; Näheres siehe bei Aluminium. Eine Spezialform der anodischen Oxidation ist das Eloxieren (siehe Eloxal-Verfahren) von Aluminium, aber auch Magnesium und Zink lassen sich gut anodisieren[1]. Ventilmetalle wie Titan und Tantal bilden einen dichten Oxidfilm, welcher bei geringer Schichtdicke (kleiner 1 μm) mit dem metallischen Untergrund Interferenzfarben bildet. Beim Titan wird dieser Effekt für dekorative Zwecke z. B. in der Schmuck- und Uhrenindustrie eingesetzt. Auch in der Synthese von organischen Stoffen ist die anodische Oxidation eine nützliche Methode. Eine Vielzahl organischer Verbindungen, z. B. ungesättigte Kohlenwasserstoffe, Aromaten, Amide, Carbonsäuren (Kolbe-Synthese) kann anodisch oxidiert werden. Die anodische Oxidation kann auch zur Entkeimung von mikrobiell belastetem Wasser eingesetzt werden. Hierbei werden Oxidantien erzeugt, die mikrozid sind und das Wasser desinfizieren.

Beispiele für anodische Oxidationen

Elektrolyseverfahren

Die Chloralkalielektrolyse ist eine anodische Oxidation von Chlorid.

Ein technisch wichtiges Verfahren zur Veredelung von Metalloberflächen ist die Anodisierung, die insbesondere auch beim Aluminium durchgeführt wird und dann Eloxalverfahren heißt.

Galvanische Zellen

In Alkali-Mangan-Zellen erfolgt die anodische Oxidation von Zink: Zn -> Zn²⁺. Bei der Entladung von Lithium-Ionen-Akkus geht am Minuspol Lithium in Lösung, es findet die anodische Oxidationsreaktion LiC₆ -> C₆ + Li⁺ +e⁻ statt. In Lithiumbatterien lösen sich Lithiumionen aus einer Folie aus Lithiummetall: Li -> Li⁺.