Zum Inhalt springen

Brennstoffzelle mit Edelstahlschwämmen

von Marie-Lena Gallikowski

Protokoll als PDF zum Ausdrucken DOCX herunterladen zum Bearbeiten

Ziel des Versuchs In diesem Versuch kann die kurzfristige Speicherung, der bei der Wasserelektrolyse entstehenden Gase Sauerstoff und Wasserstoff, in Edelstahlschwämmen thematisiert werden.

Vorbemerkung

In diesem Versuch kann die kurzfristige Speicherung der bei der Wasserelektrolyse entstehenden Gase, Sauerstoff und Wasserstoff, in Edelstahlschwämmen thematisiert werden. Des Weiteren zeigt der Versuch, dass es sich bei der in der Brennstoffzelle ablaufenden Reaktion um die Umkehrreaktion der Elektrolyse handelt. Es ist von Vorteil, wenn die SuS vor diesem Versuch bereits eine Einführung in das Thema der Brennstoffzelle erhalten haben, um die Gasspeicherung an den Elektroden besser nachvollziehen zu können.

Materialien

Glaswanne (ca. 500 mL), Stativmaterial, 4 Kabel, Edelstahlschwamm, Spannungsquelle, Verbraucher (z. B. Rotor), 4 Krokodilklemmen, Multimeter

Chemikalien

Kalilauge (c= 1 mol/L), destilliertes Wassser

Gefahrstoffe

Gefahrstoff H-Sätze P-Sätze GHS-Piktogramme
Kalilauge 1 M H302, H314 P280, P305+P351+P338, P310 GHS05 GHS07

Durchführung

ACHTUNG: Die Edelstahlschwämme dürfen sich nicht berühren! Gegebenenfalls müssen die Kabel mit dem Stativmaterial fixiert oder ein Gummiblock als Trennung hinzugefügt werden.

Beobachtung

Nach kurzer Zeit ist eine heftige Bläschenbildung an den Edelstahlschwämmen zu beobachten. Wird nach Beendigung der Elektrolyse ein Multimeter angeschlossen, ist eine Spannung von 0,88 V abzulesen. Wenn statt des Multimeters ein Rotor als Verbraucher zwischengeschaltet wird, dreht dieser sich etwa 3 Minuten.

Abbildungen

  • Abb. 1: Versuchsaufbau mit angeschlossenem Verbraucher
  • Abb. 2: Versuchsaufbau der Elektrolyse

Deutung

Die elektrische Energie der Stromquelle wird genutzt, um das Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff zu elektrolysieren.

2 H2O(l) → 2 H2 (g) + O2 (g)

Die Reaktionen, die an den Elektroden beim Ladevorgang ablaufen können, wie folgt formuliert werden:

Anode (Oxidation):   2 H2O(l) → 4 H+(aq) + O2 (g) + 4 e-

Kathode (Reduktion):   4 H+(aq) + 4 e- → 2 H2 (g)

Die Elektrolyse wird gestoppt, sobald statt der Spannungsquelle ein Messgerät oder ein Verbraucher in den Stromkreis geschaltet wird. Die beim Ladevorgang entstandenen Gase können kurzfristig am Elektrodenmaterial gespeichert werden. An den Elektroden laufen dann folgende Reaktionen ab:

Anode (Oxidation):   H2 (g) → 2 H+(aq) + 2 e-

Kathode (Reduktion):   Schritt 1)   4 e- + O2 (g) → 2 O2-(aq)

                  Schritt 2)   2 O2-(aq) + 4 H+(aq) → 2 H2O(l)

Entsorgung

Die Kalilauge wird im Sammelbehälter für Säuren und Basen entsorgt. Die Edelstahlschwämme können nach ausreichendem Abspülen mit destilliertem Wasser wiederverwendet werden.

Anmerkungen & Unterrichtsanschlüsse

Alternativ kann der Versuch auch mit Kohleelektroden durchgeführt werden. Es bietet sich an, in Kombination mit diesem Versuch die Speicherung der Gase in Elektroden zu thematisieren. Hierzu könnten zwei unterschiedliche Versuchsaufbauten erfolgen, indem in Aufbau A der Versuch mit den Schwämmen und in Aufbau B mit den Kohleelektroden durchgeführt wird. Die Ergebnisse (Spannung, Laufzeit des Rotors) können verglichen und ausgewertet werden.

Literatur

H. Lier, H. Graf, V. Rust, Antriebstechnik – Brennstoffzelle, Klett MINT, Stuttgart, 2010. S.62.