Ziel des Versuchs: Durch die Elektrolyse von Wasser entstehen die Gase Sauerstoff und Wasserstoff. Durch die Verwendung des Hoffmannschen Wasserzersetzungsapparats kann das Volumenverhältnis der beiden Gase des Wassermoleküls (2:1) verdeutlicht werden.
| Thema: Brennstoffzelle | Tags: Brennstoffzelle, Schnaps, Ethanol | Klassenstufen: 9-10 | Versuchsart: LV |
Materialien
Brennstoffzelle (hier wurde alternativ ein U-Rohr mit Glasfritte verwendet, welches ebenfalls gut funktioniert und eher in Schulen vorhanden sein sollte), 2 palladinierte Nickelnetzelektroden, Kabel, hochohmiges Voltmeter
Chemikalien
Kalilauge (w = 25 %) , 5 mL Schnaps (w = 25%), 5 mL Wasserstoffperoxid-Lösung (w = 30%)
| Gefahrstoff | H-Sätze | P-Sätze | GHS |
|---|---|---|---|
| Kalilauge 45% | H290-H302-H314 | P280-P305+P351+P338-P310 |   |
| Wasserstoffperoxid 30% | H302-H318 | P280-P305+P351+P338 | |
| Ethanol | 225‐319 | 210‐240‐305+351+338‐403+233 |  |
Durchführung
Beide Schenkel des U-Rohres werden mit Kalilauge gefüllt. In einen Schenkel gibt man nun 5 mL Schnaps, in den anderen 5 mL Wasserstoffperoxid-Lösung. Man schließt die palladinierten Nickelelektroden an ein hochohmiges Voltmeter an und stellt dann je eine Elektrode in einen Schenkel des U-Rohres.
Beobachtung
An den Elektroden bilden sich Bläschen. Das Voltmeter zeigt eine Spannung von ungefähr 320 mV an.
Deutung
Der Schnaps und die Wasserstoffperoxid-Lösung reagieren zusammen als Daniell-Element und sorgen für einen Stromfluss. Das Wasserstoffperoxid reagiert hierbei zunächst zu Wasser unter Freisetzung von molekularem Sauerstoff. Dieser wird anschließend in einer Reaktion mit Wasser zu Hydroxid-Ionen reduziert.
Kathode: 2 H2O2 (aq) → H2O(l) + O2 (g)
O2 (g) + 2 H2O(l) + 4 e- → 4 OH-(aq)
An der Anode reagieren die Hydroxid-Ionen mit Ethanol, wobei Ethanol oxidiert wird. Hierbei werden Elektronen freigesetzt, welche zur Kathode wandern. Diese Bewegung der Elektronen ist der messbare Strom.
Anode: C2H5OH(aq) + 16 OH-(aq) → 2 CO32-(aq) + 11 H2O(l) + 12 e-
Der Ethanol im Schnaps dient bei dieser Brennstoffzelle also als Energielieferant.
Verbindung zur Säure-Base-Chemie: Nachteil an dieser Brennstoffzelle ist, dass Carbonat gebildet wird, welches in Wasser teilweise Kohlensäure bildet. Kohlensäure ist sehr instabil und zerfällt teilweise zu Wasser und CO2, welches in größeren Mengen (wie sie zum Beispiel in einem Kraftwerk entstehen würden) umweltbelastend ist. Daher ist diese Art der Brennstoffzelle nicht so umweltfreundlich wie eine reine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle.
Entsorgung
Abfluss, mit viel Wasser nachspülen.
Anmerkungen & Unterrichtsanschlüsse: Mit diesem Versuch kann man den SuS bewusst machen, dass es auch Möglichkeiten gibt, den für die Brennstoffzelle benötigten Wasserstoff nicht in gasförmiger Form zu speichern. Durch die Verwendung von Schnaps anstelle von Ethanol werden die SuS den Versuch eher beeindruckend finden, gerade in der 10. Klasse. Deshalb wird dieses Experiment neben seiner didaktischen Funktion auch eine Show-Funktion haben und das Interesse der SuS wecken.
Literatur
H. Wambach, Materialien-Handbuch Kursunterricht Chemie: Chemisch-technische Synthesen und Umweltschutz, Aulis Verlaug Deubner, 2003, S. 310.
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