Elektrolyse (und die Umkehrreaktion Brennstoffzelle)

[Interceptor]

Hi Leute,


erstmal ein großes Hallo, ich bin richtig erfreut ein so zahlreich besuchtes Forum gefunden zu haben

Zu meinem Anliegen und mir:

Ich bin Schüler des Technischen Gymnasiums der Jahrgangsstufe 1 (Klasse 12), wir beschäftigen uns im Seminarkurs mit der Brennstoffzelle im Fach Physik/Chemie.
Da ich Chemie nun seit einem halben Jahr nicht mehr habe, weil ich Physik Vierstündig gewählt habe, weiß ich das ein oder andere nicht mehr.

Um mich langsam an dieses Thema ranzutasten, möchte ich mich erstmal mit der Elektrolyse beschäftigen, dazu einige Fragen( der Thread wird wahrscheinlich etwas länger werden, da ich immer was zu fragen weiß und vielleicht mal was nicht verstehe )

Nehmen wir mal reines Wasser und geben im Fall

a) Kochsalz
b) Schwefelsäure

hinzu.

Fall a):

Wir erhalten Na+ und Cl- Ionen.

Die Na+Ionen wandern zur Kathode, dort ensteht Na.
Die Cl-Ionen wandern zur Anode, dort ensteht Cl.

Aber wie entsteht nun der Wasserstoff und der Sauerstoff? Tritt da irgendwie eine Folgereaktion ein, vielleicht mit dem Elektrodenmaterial, da es ja vom Elektrodenmaterial abhängt, welches Gas entsteht.

Fall b)

Wir haben H3O+ und SO4-². Das Hydroxidion nimmt an der Kathode ein Elektron auf, wird somit zu H2O und H.
Hier ist ersichtlich dass Wasserstoff ensteht, allerdings nicht an der Anode. Zwei Elektronen werden abgegeben... und dann?

Könnt ihr mir da ein bisschen weiterhelfen?

Gruß

Interceptor

[alpha]

Ich kenne mich mit der Elektrolyse nicht sonderlich gut aus, deshalb nur das wenige:
zu a)

Die Elektrolyse wässriger Lösungen von Natrium- oder Kaliumchlorid besitzt eine grosse technische Bedeutung [...]. An der Kathode bildet sich Wasserstoff (E(H2) bei pH=7 = -0.42 V; E(Na)=-2.7 V, das höhere Potential wird bevorzugt, da die Reaktion ja umgekehrt abläuft...). Es ist jedoch nicht wahrscheinlich, dass nur die in neutraler Lösung in äusserst kleiner Konzentration vorhandenen H3O+ Ionen an der Kathode reduziert werden, sondern vermutlich werden Wassermoleküle direkt reduziert [nb: H3O+ liegt ja nicht als solches in Lösung vor...]
[...] An der Anode sollte nach der Redoxreihe Sauerstoff entstehen. An diesen [Graphit oder Titan(IV)-oxid] Elektroden ist aber - besonders bei höheren Chlorid-Konzentrationen - die Sauerstoffüberspannung grösser als die Überspannung von Chlor, so dass an der Anode Chlor entsteht.

Quelle: Chemie, H-R Christen.

Was in Fall b entsteht kann ich dir leider nicht sagen, jedenfalls nicht, was das Sulfat anbelangt (wenn ich die Tabelle richtig interpretiere, sollte gar nichts mit dem Sulfat geschehen, sondern tatsächlich O2 entstehen, wenn du eine genügend grosse Spannung anlegst...). H2 sollte sich schon entwickeln, denke ich.

Grüsse
alpha

[brain]

Ich denke auch dass es so ist wie alpha gesagt hat. Man kippt ja auch wenn man Wasser elektrolysieren will verd. Schwefelsäure rein, weil Wasser alleine so schlecht leitet, und da entsteht ja auch nur Wasserstoff und Sauerstoff, und kein Schwefel oder sonst irgendwas.

Im Übrigen ist H3O+ kein Hydroxid-, sondern ein Hydronium-Ion (OH- ist Hydroxid).

[Interceptor]

Das mit dem Hydroxid-Ion war ne Verwechselung

Allerdings ist mir jetzt immer noch nicht klar, wie der Sauerstoff bzw der Wasserstoff entsteht.

bzw verstehe ich diesen Satz nicht

(E(H2) bei pH=7 = -0.42 V; E(Na)=-2.7 V, das höhere Potential wird bevorzugt, da die Reaktion ja umgekehrt abläuft...)

wenn mir das jemand erklären könnte?

Im Falle von b) ist mir eigentlich weiterhin genauso unklar, wie hier der Wasser/Sauerstoff entsteht. Wir geben die Schwefelsäure dazu, um das ganze besser leitend zu machen - gut, aber wo und wie entstehten jetzt unsere Endprodukte?

[brain]

Dieser Satz bezieht sich auf die Redoxpotentiale der beteiligten Systeme (H2/H+) und (Na/Na+), denn danach richtet es sich (formal) was an der Elektrode zuerst abgeschieden wird. Je niedriger dieser Wert (in Volt) ist, desto größer ist die Tendenz zur oxidierten Form, also zur Abgabe von Elektronen. Folglich ist je höher der Wert ist die Tendenz zur Aufnahme von Elektronen (Reduktion) größer. Deshalb wird an der Kathode (Minuspol) auch Wasserstoff und nicht Natrium abgeschieden, weil H+ - Ionen sich leichter "dazu überreden" lassen ein Elektron aufzunehmen und zu H bzw. H2 zu werden.

zu b) (ich hoffe ich erkläre das richtig...): Die Schwefelsäure sorgt dafür, dass in der Lösung mehr H+ - Ionen vorliegen -> bessere Leitfähigkeit. Diese H+ wandern jetzt zur Kathode, schnappen sich ein Elektron und werden zu H, welche sich zu H2 zusammenschließen.
Für die Anode wären jetzt folgende Reaktionen denkbar (trotz Schwefelsäure sind immer noch sehr wenig OH- vorhanden):

4 OH- -> O2+ 2 H2O + 4 e- ; E = +0,82 V
2 SO42- -> S2O82- + 2 e- ; E = +2,01 V

Aus o.g. Gründen (OH- gibt wegen des niedrigeren Potentials lieber Elektronen ab als Sulfat-Ion) findet die erste Reaktion statt. Die kann auch ewig weiterlaufen, da durch die Eigendissoziation des Wassers die verbrauchten Hydroxidionen immer wieder nachgebildet werden durch 2 H2O -> H3O+ + OH-.

[alpha]

Die kann auch ewig weiterlaufen, da durch die Eigendissoziation des Wassers die verbrauchten Hydroxidionen immer wieder nachgebildet werden durch 2 H2O -> H3O+ + OH-.

Ewig ist vielleicht etwas übertrieben - Irgendwann ist das Wasser alle
Und zu bedenken ist, dass es schon sehr wenig Hydroxidionen in einer schwefelsauren Lösung hat und entsprechend das reale Potential schon beeinflusst wird... Bei pH=0 ist OH-/O2 = 1.24 V, was schon ziemlich was ist... Aber wahrscheinlich läuft die Reaktion noch immer (kommt allerdings auf das Elektrodenmaterial an) ...

Grüsse
alpha

[brain]

schon klar, aber dann wär mein Post noch länger geworden

[Interceptor]

Danke, ist mir jetzt klar

Ich habe hier einen interessanten Artikel über die Wasserstoffgewinnung gefunden - allerdings finde ich nirgendwo Informationen zum Aufbau dieser Art der Wasserstoffgewinnung bzw eine genauerer Beschreibung.

Wisst ihr, was da in etwa abläuft bzw. habt ihr mir einen Link?

http://www.wissenschaft.de/wissen/news/253431.html

Gruß

Interceptor

[brain]

Wenn du mich fragst wissen die selber nicht was genau da chemisch abläuft, ist ja bei Katalysatoren öfter so dass man durch Probieren was geeignetes findet, den Reaktionsmechanismus aber auch nicht genau erklären kann.

Was den technischen Aufbau angeht wirst du imo auch nichts brauchbares im I-Net finden...

[alpha]

den Reaktionsmechanismus aber auch nicht genau erklären kann.

Dem wird ja meist auch "nur" akademisches Interesse zugeschrieben

Ich habe den Artikel nur überflogen, aber ich glaube nicht, dass es überhaupt schon einen "Aufbau" gibt, das sind doch noch Versuche in der Laborstufe, weit von der Grosstechnik entfernt - wohl nur im Nanomassstab "produktiv" und dafür mit um so tolleren Geräten

Aber der Satz:

"Wenn die praktische Anwendung gelingt", so Kudo, "ließe sich Wasserstoff mithilfe unerwünschter Nebenprodukte von Chemieanlagen und Kraftwerken gewinnen."

lässt mich stutzen: Was hat es sich mit den unerwünschten Nebenprodukten auf sich? - Ein Verschreiber oder habe ich es einfach nicht verstanden?


Grüsse
alpha

[sanzi]

hi!

das klingt ja alles schön und gut! aber ich würde gerne wissen wie das am besten funktioniert!

1) welches material sollte ich bei den elektroden verwenden? das selbe? (wenn möglich etwas was man im haus hat)

2) ist natriomchlorid schlecht zum erweitern der leitfähigkeit da es ja chlor bildet?

3) welche spannung sollte es sein? das is kein welchselstrom sein darf ist mir klar da sonst knallgas ensteht!

[brain]

1) Also wir in der Schule nehmen immer Graphitelektroden, das geht eigentlich gut (wenn es minderwertige sind lösen sie sich allerdings ein bissel auf, ist aber so nich weiter schlimm), oder du nimmst halt Platin

2) korrekt

3) die muss nicht so hoch sein, die genaue Zahl weiß ich aber auch nich (auf jeden Fall unter 10 V, kann auch sein dass ich viel zu hoch liege ich hab keine Ahnung mehr ob das mV oder V waren )

[Gast]

danke!
aber ich habe weder graphit noch platin im haus!
wenn möglich etwas das man sich leichter besorgen kann!

[alpha]

danke!
aber ich habe weder graphit noch platin im haus!
wenn möglich etwas das man sich leichter besorgen kann!

Gut, Platin lässt sich schlecht besorgen, aber so einen Kohlestift, solltest du schon noch auftreiben können. Ich habe mich schon lange nicht mehr in den Supermärkten umgesehen, aber gibt es keine Kohlezink-Batterien mehr? - Ich habe das ja noch nie selbst ausprobiert, aber man sagt, diese Elektroden könne man einigermassen gut ausbauen und dann zur Elektrolyse von Wasser verwenden. Ich glaube sogar, mein Bruder hat das vor Jahren auch mal gemacht...


Grüsse
alpha

[Interceptor]

Hi Leute,


da bin ich mal wieder.

wir haben uns wie schon gesagt für den Wettbewerb http://www.brennstoffzelle.baden-wuerttemberg.de/ beworben und sind zugelassen worden.
Es kam also der versprochene Brennstoffzellenkoffer, das wäre in etwa der zweite auf dieser Seite: http://www.heliocentris.com/produkte/kits.html#

Wir schlossen alles an - es funktioniert auch wunderbar.
Allerdings blieben einige Fragen offen, die ich euch gerne stellen würde:

wir brauchen für unser Projekt eine Spannung von mindestens 3 Volt. Rein theoretisch müssten zwei Zellen in Reihe 2,46 V liefern.

a) Warum wird dieser theoretische Wert selten geliefert?

Wir mussten feststellen, dass die Spannung OHNE Last knapp 0,7-0,8 Volt betrug. Mit solch einer Spannungsversorgung lässt sich leider keine Logik betreiben.
--> b) Woher rührt diese niedriger Spannung im Leerlauf?

Als wir den mitgelieferten Motor anschlossen, staunten wir nicht schlecht, als bis zu 6 Volt geliefert wurden. Nicht dass dies schlecht wäre, aber

c) woher kommt diese hohe Spannung?

Von der Brennstoffzelle ist doch bekannt, dass die Spannung beim Anschließen einer Last eher zum Zusammenbrechen neigt!


Ich werde im Verlauf der nächsten Tage, insbesondere ab Montag nochmal ein paar Fragen reinstellen, da ich ab diesem Tag nochmal die Möglichkeit habe, die Apparatur zu testen.

Gruß

Interceptor