Einfach erklärt: Die Brennstoffzelle in der Chemie 4k 60Fps
chemistryathome
https://www.youtube.com/watch?v=GB8cIyx7uf4

Transkript (automatisch erstellt)

0:00 Chemistry at home, Chemie einfach erklärt. In diesem Video geht es um die
0:06 Brennstoffzellen und wie man es ja schon sehen kann, stellt man sich beim Brennen ein Feuer bzw. eine entstehende Flamme
0:13 vor. Bei der Brennstoffzelle kommt es jedoch zu keiner Flammenerscheinung. Es brennt also nichts im klassischen Sinn,
0:19 sondern der Brennstoff liefert die Elektronen für die Redoxreaktion. Damit kommen wir auch schon zu den Grundlagen,
0:26 welche wir benötigen, um die Thematik vollständig verstehen zu können. Diese sind zum einen das Bestimmen der
0:33 Oxidationzahlen von Verbindungen, da man ohne diese schwierig die Redoxreaktionen an sich aufstellen kann und zum anderen
0:41 eben die schon angesprochenen Redoxreaktionen. Letztlich bedeutet dies, dass man vollständige
0:46 Redoxreaktionen mit allen Teilgleichungen aufstellen und ausgleichen können sollte. Falls ihr zu
0:52 einem der Punkte noch etwas Nachrollbedarf habt, verlinken wir unsere Erklärvideos dazu in der
0:58 Videobeschreibung. Starten wir also direkt mit der Funktionsweise der Brennstoffzelle. Wie
1:04 bei einer Batterie braucht man zwei Elektroden, welche in der Reaktion die Anode und damit den Minuspol und die
1:12 Kathode und damit den Pluspol bilden. Diese Elektroden müssen über einen elektrischen Leiter verbunden sein,
1:18 wobei dort die elektrische Energie genutzt werden kann, um z.B. eine Lampe zum Leuchten zu bringen oder einen Motor
1:25 anzutreiben. Darüber hinaus müssen Moleküle über den Elektrolyten, welcher bei Brennstoffzellen ganz
1:31 unterschiedlich sein kann, zwischen den Elektroden wandern können. Bei einem Elektrolytten handelt es sich um einen
1:37 Ionenleiter. Um die Reaktion zu starten, brauchen wir unsere Reaktionspartner, welche sich an
1:44 den Elektroden anlagern. Die Platinelektroden übernehmen dabei eine katalytische Funktion und ermöglichen
1:51 erst die Reaktion. Bei der Anode lagern sich Wasserstoffmoleküle an, wohingegen bei der Kathode ein Sauerstoffmolekül zu
1:58 finden ist. Für das Video wurden bewusst so wenige Moleküle, welche sich aber im richtigen Zahlenverhändnis befinden,
2:05 gewählt, da diese ausreichen das Prinzip zu erklären. In der Realität findet man jedoch an beiden Elektroden eine
2:12 Vielzahl von Wasserstoff und Sauerstoffmolekülen. Den Sauerstoff für die Reaktion bekommen
2:17 wir aus der Luft, wohingegen wir den Wasserstoff bereits vorab hergestellt haben müssen und für die Reaktion
2:23 zuleiten. Hier sieht man bereits einen Unterschied zu Batterien oder Akkus. Bei diesen muss nicht kontinuierlich ein
2:30 Brennstoff zugeführt werden. Zurück zur Brennstoffzelle. Wir gehen zunächst die Abläufe Schritt für Schritt durch. So
2:37 müssen die Wasserstoffmoleküle an der Annode voneinander getrennt werden und jedes Wasserstoffatom ein Elektron
2:44 abgeben. Damit erhalten wir aus einem Wasserstoffmolekül zwei Elektronen und zwei einfach positiv geladene
2:51 Wasserstoffkationen oder einfacher ausgedrückt zwei Protonen. Die Elektronen wandern dann über den
2:58 elektrischen Leiter und die Protonen durch den Elektrolyten, also den Ionenleiter. Die Übertragung der
3:04 Elektronen und Protonen findet zur gleichen Zeit statt, was man sich in etwas so vorstellen kann. Durch die
3:10 Bewegung der Elektronen kann jetzt eine Lampe zum Leuchten gebracht werden oder ein anderer Stromabnehmer damit
3:16 betrieben werden. Wie man hier sehen kann, hört die Lampe zum Leuchten auf, sobald der Elektronfluss erliegt. Bei
3:23 einer echten Brennstoffzelle läuft der gerade gezeigte Vorgang kontinuierlich ab bzw. Solange es einen Brennstoff, in
3:30 diesem Fall Wasserstoff gibt. Die Reaktion an sich ist noch nicht zu Ende. Auf der Kathodenseite haben sich die
3:37 Elektronen und Protonen ja an dem Sauerstoffmolekül angelagert. Wenn man das Sauerstoffmolekül betrachtet, so
3:43 nimmt jedes der Sauerstoffatome jeweils zwei Elektronen und zwei Protonen auf. Dabei spalten sich die
3:51 Sauerstoffmoleküle auch voneinander und es entstehen zwei Wassermoleküle. Diese verbleiben nicht an der Kathode, sondern
3:59 sind in der Regel gasförmig und verlassen die Brennstoffzelle. Für die Brennstoffzelle brauchen wir
4:07 immer einen Brennstoff, der kontinuierlich zugeführt wird und Sauerstoff, welchen wir wie auch bei
4:12 anderen Antrieben oder auch teilweise Batterien aus der Luft nehmen können. Die Reaktion, welche in der
4:18 vorgestellten Brennstoffzelle abläuft, ist eigentlich nichts anderes als eine kontrollierte Knallgasreaktion, bei der
4:24 jedoch keine Explosion und keine Flamme entstehen, sondern durch das räumliche Trennen der Reaktionspartner eine
4:31 kontrollierte Redoxreaktion. Also kontrollierte Oxidation von Wasserstoff und Reduktion von Sauerstoff zum Produkt
4:38 Wasser stattfindet. Die räumliche Trennung von Oxidation undter Reduktion ist auch das Prinzip, welches Batterien
4:45 funktionieren lässt. Neben Wasserstoff gibt es noch andere gängige Brennstoffe für Brennstoffzellen wie Methan oder
4:52 auch Methanol. An jeweiligen Summenformel erkennt man den großen Unterschied zu Wasserstoff, nämlich dass
4:58 zusätzlich ein neues Element, nämlich Kohlenstoff, in die Reaktion eingebracht wird. Und wozu reagiert Kohlenstoff,
5:05 wenn es oxidiert wird? Zu Kohlenstoffdioxid. Das heißt, aus unserer sauberen
5:10 Wasserstoffbrennstoffzelle kann durch die Wahl des Brennstoffs die Klimabilanz für Brennstoffzellen ganz schnell ganz
5:16 schlecht aussehen. In der Chemie ist für uns von besonderer Bedeutung die Redoxreaktion, die hinter
5:24 der Brennstoffzelle steht. Fangen wir mit der Anode an. Dort haben wir gesehen, dass aus einem
5:30 Wasserstoffmolekül, was unser Edukt ist, zwei Elektronen und zwei Protonen entstehen. Das bedeutet, die Oxidation,
5:38 welche immer an der Anode stattfindet, lautet: Ein Wasserstoffmolekül reagiert zu zwei Protonen und zwei Elektronen.
5:46 Dass es wirklich die Oxidation ist, sehen wir, wenn wir die Oxidationszahlen des Wasserstoffmoleküls mit 0, mit dem
5:53 der Protonen mit +1 vergleichen. Für die Reduktion an der Kathode wissen wir, dass wir ein Sauerstoffmolekül als Eukt
6:01 brauchen. Darüber hinaus benötigen wir aber auch die Produkte der Annode, also die Elektronen und Protonen, damit
6:08 letztlich Wassermoleküle entstehen können. Die Reduktion lautet demnach: Aus einem Sauerstoffmolekül mit vier
6:14 Elektronen und vier Protonen entstehen zwei Wassermoleküle. Auch hier ergibt die Überprüfung der Oxidationszahlen,
6:22 dass es sich wirklich um die Reduktionsgleichung handelt. Um aus beiden Teilgleichungen eine
6:26 Redoxreaktion aufzustellen, müssen wir ja die Elektronen angleichen. Deswegen muss die Oxidationsgleichung mit 2
6:33 multipliziert werden. In der Animation zuvor haben wir das ja von Anfang an berücksichtigt, da wir direkt mit zwei
6:40 Wasserstoffmolekülen gestartet haben. Die Redoxreaktion lautet demnach: zwei Wasserstoffmoleküle reagieren mit einem
6:47 Sauerstoffmolekül zu zwei Wassermolekülen. Alle Elektronen und Protonen kürzen sich in der
6:53 Reduxgleichung heraus. Jetzt ist es aber so, dass die Protonen nicht einfach so von der Anode zur
7:01 Kathode wandern, sondern dafür ein mobiles I brauchen. Brennstoffzellen können unterschiedlich aufgebaut sein
7:07 und unterschiedliche Ionenleiter verbaut haben. Man kann z.B. Membranen mit einer sauren oder basischen Lösung verwenden.
7:15 Hier wollen wir das Ganze im sauren Milieu durchspielen. Folglich ändert sich die Oxidationsgleichung in ein
7:21 Wasserstoffmolekül reagiert mit zwei Wassermolekülen zu zwei Oxoniumonen und zwei Elektronen. Formal hat man hier auf
7:29 Edukt und Produktseite jeweils zwei Wassermoleküle hinzugefügt, damit die Protonen mit diesen zu Oxoniumonen
7:36 reagieren können. Aus der Reduktionsgleichung wird ein Sauerstoffmolekül reagiert mit vier
7:42 Elektronen und vier Oxoniumonen zu zwei Wassermolekülen und noch mal vier Wassermolekülen, was ja insgesamt sechs
7:49 Wassermoleküle ergibt. Die vier Wassermoleküle ergeben sich durch den Stoffausgleich. Nach dem Multiplizieren
7:56 und kürzen lautet die gesamte Redoxreaktion aber dann wieder: Zwei Wasserstoffmoleküle reagieren mit einem
8:02 Sauerstoffmolekül zu zwei Wassermolekülen. Dies liegt daran, da wir auf Edukt und Produktseite die
8:08 gleiche Anzahl an Wassermolekülen zugegeben haben und diese sich damit einfach am Ende wieder rauskürzen.
8:16 Das Wichtigste noch einmal zusammengefasst. Bei den Brennstoffzellen findet keine klassische
8:21 Verbrennung mit Flammenentwicklung, sondern eine Redoxreaktion mit Oxidation des Brennstoffs und Reduktion von
8:28 Sauerstoff statt. Der Brennstoff muss im Vergleich zu einer Batterie oder einem Akku aber kontinuierlich zugeführt
8:34 werden. Damit gibt es keine Brennstoffzellen, die ich einfach als Einheit in mein stromverbrauchendes
8:40 Gerät legen kann, da man ja eine ständige Brennstoffzufuhr gewährleisten muss. Typische Brennstoffe sind
8:46 Wasserstoffmethan oder auch Methanol. Dabei kann als Elektrolyt ein Feststoff oder Membranen mit z.B. Säuren verwendet
8:53 werden. Die mobilen Ionen, welche die Übertragung von Proton dann ermöglichen, sind meistens Oxonium oder
8:59 Hydroxidionen. Weitere Chemieinhalte findet ihr unter www.chistryhome.de. chemistryathome.de.
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