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Einfach erklärt: Die Brennstoffzelle in der Chemie 4k 60Fps
Das Wichtigste aus dem Video
Transkriptautomatisch erstellt · 85 Zeilen
- Chemistry at home, Chemie einfach erklärt. In diesem Video geht es um die
- Brennstoffzellen und wie man es ja schon sehen kann, stellt man sich beim Brennen ein Feuer bzw. eine entstehende Flamme
- vor. Bei der Brennstoffzelle kommt es jedoch zu keiner Flammenerscheinung. Es brennt also nichts im klassischen Sinn,
- sondern der Brennstoff liefert die Elektronen für die Redoxreaktion. Damit kommen wir auch schon zu den Grundlagen,
- welche wir benötigen, um die Thematik vollständig verstehen zu können. Diese sind zum einen das Bestimmen der
- Oxidationzahlen von Verbindungen, da man ohne diese schwierig die Redoxreaktionen an sich aufstellen kann und zum anderen
- eben die schon angesprochenen Redoxreaktionen. Letztlich bedeutet dies, dass man vollständige
- Redoxreaktionen mit allen Teilgleichungen aufstellen und ausgleichen können sollte. Falls ihr zu
- einem der Punkte noch etwas Nachrollbedarf habt, verlinken wir unsere Erklärvideos dazu in der
- Videobeschreibung. Starten wir also direkt mit der Funktionsweise der Brennstoffzelle. Wie
- bei einer Batterie braucht man zwei Elektroden, welche in der Reaktion die Anode und damit den Minuspol und die
- Kathode und damit den Pluspol bilden. Diese Elektroden müssen über einen elektrischen Leiter verbunden sein,
- wobei dort die elektrische Energie genutzt werden kann, um z.B. eine Lampe zum Leuchten zu bringen oder einen Motor
- anzutreiben. Darüber hinaus müssen Moleküle über den Elektrolyten, welcher bei Brennstoffzellen ganz
- unterschiedlich sein kann, zwischen den Elektroden wandern können. Bei einem Elektrolytten handelt es sich um einen
- Ionenleiter. Um die Reaktion zu starten, brauchen wir unsere Reaktionspartner, welche sich an
- den Elektroden anlagern. Die Platinelektroden übernehmen dabei eine katalytische Funktion und ermöglichen
- erst die Reaktion. Bei der Anode lagern sich Wasserstoffmoleküle an, wohingegen bei der Kathode ein Sauerstoffmolekül zu
- finden ist. Für das Video wurden bewusst so wenige Moleküle, welche sich aber im richtigen Zahlenverhändnis befinden,
- gewählt, da diese ausreichen das Prinzip zu erklären. In der Realität findet man jedoch an beiden Elektroden eine
- Vielzahl von Wasserstoff und Sauerstoffmolekülen. Den Sauerstoff für die Reaktion bekommen
- wir aus der Luft, wohingegen wir den Wasserstoff bereits vorab hergestellt haben müssen und für die Reaktion
- zuleiten. Hier sieht man bereits einen Unterschied zu Batterien oder Akkus. Bei diesen muss nicht kontinuierlich ein
- Brennstoff zugeführt werden. Zurück zur Brennstoffzelle. Wir gehen zunächst die Abläufe Schritt für Schritt durch. So
- müssen die Wasserstoffmoleküle an der Annode voneinander getrennt werden und jedes Wasserstoffatom ein Elektron
- abgeben. Damit erhalten wir aus einem Wasserstoffmolekül zwei Elektronen und zwei einfach positiv geladene
- Wasserstoffkationen oder einfacher ausgedrückt zwei Protonen. Die Elektronen wandern dann über den
- elektrischen Leiter und die Protonen durch den Elektrolyten, also den Ionenleiter. Die Übertragung der
- Elektronen und Protonen findet zur gleichen Zeit statt, was man sich in etwas so vorstellen kann. Durch die
- Bewegung der Elektronen kann jetzt eine Lampe zum Leuchten gebracht werden oder ein anderer Stromabnehmer damit
- betrieben werden. Wie man hier sehen kann, hört die Lampe zum Leuchten auf, sobald der Elektronfluss erliegt. Bei
- einer echten Brennstoffzelle läuft der gerade gezeigte Vorgang kontinuierlich ab bzw. Solange es einen Brennstoff, in
- diesem Fall Wasserstoff gibt. Die Reaktion an sich ist noch nicht zu Ende. Auf der Kathodenseite haben sich die
- Elektronen und Protonen ja an dem Sauerstoffmolekül angelagert. Wenn man das Sauerstoffmolekül betrachtet, so
- nimmt jedes der Sauerstoffatome jeweils zwei Elektronen und zwei Protonen auf. Dabei spalten sich die
- Sauerstoffmoleküle auch voneinander und es entstehen zwei Wassermoleküle. Diese verbleiben nicht an der Kathode, sondern
- sind in der Regel gasförmig und verlassen die Brennstoffzelle. Für die Brennstoffzelle brauchen wir
- immer einen Brennstoff, der kontinuierlich zugeführt wird und Sauerstoff, welchen wir wie auch bei
- anderen Antrieben oder auch teilweise Batterien aus der Luft nehmen können. Die Reaktion, welche in der
- vorgestellten Brennstoffzelle abläuft, ist eigentlich nichts anderes als eine kontrollierte Knallgasreaktion, bei der
- jedoch keine Explosion und keine Flamme entstehen, sondern durch das räumliche Trennen der Reaktionspartner eine
- kontrollierte Redoxreaktion. Also kontrollierte Oxidation von Wasserstoff und Reduktion von Sauerstoff zum Produkt
- Wasser stattfindet. Die räumliche Trennung von Oxidation undter Reduktion ist auch das Prinzip, welches Batterien
- funktionieren lässt. Neben Wasserstoff gibt es noch andere gängige Brennstoffe für Brennstoffzellen wie Methan oder
- auch Methanol. An jeweiligen Summenformel erkennt man den großen Unterschied zu Wasserstoff, nämlich dass
- zusätzlich ein neues Element, nämlich Kohlenstoff, in die Reaktion eingebracht wird. Und wozu reagiert Kohlenstoff,
- wenn es oxidiert wird? Zu Kohlenstoffdioxid. Das heißt, aus unserer sauberen
- Wasserstoffbrennstoffzelle kann durch die Wahl des Brennstoffs die Klimabilanz für Brennstoffzellen ganz schnell ganz
- schlecht aussehen. In der Chemie ist für uns von besonderer Bedeutung die Redoxreaktion, die hinter
- der Brennstoffzelle steht. Fangen wir mit der Anode an. Dort haben wir gesehen, dass aus einem
- Wasserstoffmolekül, was unser Edukt ist, zwei Elektronen und zwei Protonen entstehen. Das bedeutet, die Oxidation,
- welche immer an der Anode stattfindet, lautet: Ein Wasserstoffmolekül reagiert zu zwei Protonen und zwei Elektronen.
- Dass es wirklich die Oxidation ist, sehen wir, wenn wir die Oxidationszahlen des Wasserstoffmoleküls mit 0, mit dem
- der Protonen mit +1 vergleichen. Für die Reduktion an der Kathode wissen wir, dass wir ein Sauerstoffmolekül als Eukt
- brauchen. Darüber hinaus benötigen wir aber auch die Produkte der Annode, also die Elektronen und Protonen, damit
- letztlich Wassermoleküle entstehen können. Die Reduktion lautet demnach: Aus einem Sauerstoffmolekül mit vier
- Elektronen und vier Protonen entstehen zwei Wassermoleküle. Auch hier ergibt die Überprüfung der Oxidationszahlen,
- dass es sich wirklich um die Reduktionsgleichung handelt. Um aus beiden Teilgleichungen eine
- Redoxreaktion aufzustellen, müssen wir ja die Elektronen angleichen. Deswegen muss die Oxidationsgleichung mit 2
- multipliziert werden. In der Animation zuvor haben wir das ja von Anfang an berücksichtigt, da wir direkt mit zwei
- Wasserstoffmolekülen gestartet haben. Die Redoxreaktion lautet demnach: zwei Wasserstoffmoleküle reagieren mit einem
- Sauerstoffmolekül zu zwei Wassermolekülen. Alle Elektronen und Protonen kürzen sich in der
- Reduxgleichung heraus. Jetzt ist es aber so, dass die Protonen nicht einfach so von der Anode zur
- Kathode wandern, sondern dafür ein mobiles I brauchen. Brennstoffzellen können unterschiedlich aufgebaut sein
- und unterschiedliche Ionenleiter verbaut haben. Man kann z.B. Membranen mit einer sauren oder basischen Lösung verwenden.
- Hier wollen wir das Ganze im sauren Milieu durchspielen. Folglich ändert sich die Oxidationsgleichung in ein
- Wasserstoffmolekül reagiert mit zwei Wassermolekülen zu zwei Oxoniumonen und zwei Elektronen. Formal hat man hier auf
- Edukt und Produktseite jeweils zwei Wassermoleküle hinzugefügt, damit die Protonen mit diesen zu Oxoniumonen
- reagieren können. Aus der Reduktionsgleichung wird ein Sauerstoffmolekül reagiert mit vier
- Elektronen und vier Oxoniumonen zu zwei Wassermolekülen und noch mal vier Wassermolekülen, was ja insgesamt sechs
- Wassermoleküle ergibt. Die vier Wassermoleküle ergeben sich durch den Stoffausgleich. Nach dem Multiplizieren
- und kürzen lautet die gesamte Redoxreaktion aber dann wieder: Zwei Wasserstoffmoleküle reagieren mit einem
- Sauerstoffmolekül zu zwei Wassermolekülen. Dies liegt daran, da wir auf Edukt und Produktseite die
- gleiche Anzahl an Wassermolekülen zugegeben haben und diese sich damit einfach am Ende wieder rauskürzen.
- Das Wichtigste noch einmal zusammengefasst. Bei den Brennstoffzellen findet keine klassische
- Verbrennung mit Flammenentwicklung, sondern eine Redoxreaktion mit Oxidation des Brennstoffs und Reduktion von
- Sauerstoff statt. Der Brennstoff muss im Vergleich zu einer Batterie oder einem Akku aber kontinuierlich zugeführt
- werden. Damit gibt es keine Brennstoffzellen, die ich einfach als Einheit in mein stromverbrauchendes
- Gerät legen kann, da man ja eine ständige Brennstoffzufuhr gewährleisten muss. Typische Brennstoffe sind
- Wasserstoffmethan oder auch Methanol. Dabei kann als Elektrolyt ein Feststoff oder Membranen mit z.B. Säuren verwendet
- werden. Die mobilen Ionen, welche die Übertragung von Proton dann ermöglichen, sind meistens Oxonium oder
- Hydroxidionen. Weitere Chemieinhalte findet ihr unter www.chistryhome.de. chemistryathome.de.
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