Versuchsbeschreibung

Die reversible Brennstoffzelle kann chemische Energie in elektrische Energie umwandeln. Als Elektrolyseur ist es ihr aber auch möglich, Wasser elektrolytisch zu spalten und somit in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen. Wie viel Wasserstoff durch Anlegen einer elektrischen Spannung produziert werden kann, hängt dabei von der Elektrolysezeit und der Stromstärke ab. In diesem Experiment lernst du diese Verhältnisse kennen und leitest daraus das 1. Faradaysche Gesetz ab.

Versuchsaufbau (zum Aufklappen)

Die Brennstoffzelle wird zunächst an den beiden oberen Ausgängen über die beiden kurzen Schlauchstücke mit reinem Wasser befüllt, welche danach mit den Schlauchverschlüssen verschlossen werden. Die Brennstoffzelle wird dann auf die Grundplatte gesetzt. Die unteren Ausgänge der Brennstoffzelle werden über lange Schlauchstücke mit den Glasglocken verbunden. Die beiden Gasglocken werden in die korrekten Speichertanks gesetzt. Die unteren Aussparungen der Glocken müssen dabei so positioniert sein, dass das sich entwickelnde Gas aus den Aussparungen in Bläschenform durch die Speichertanks strömen kann. Die Speichertanks werden bis unter den Anschluss der Glocke mit Wasser befüllt. Zuletzt wird die Reihenschaltung zwischen Brennstoffzelle und Stromversorgung der Elektrochemie-Box hergestellt. Die Elektrochemie-Box wird an den Eingang A des Mobile-CASSYs angeschlossen und die verschiedenen Stromstärken eingestellt.

Durchführung

1. Starte das Video zur Durchführung.
   • Im Video siehst du links das Mobile-CASSY, das die eingestellte Stromstärke I/mA zeigt.
   • Rechts ist die Stoppuhr zu sehen, die gestartet wird, sobald die erste Gasblase hochsteigt.
   • In der Mitte ist links der Tank, in dem die Wasserstoff-Blasen aufsteigen. Dieser ist mit H₂ markiert.
2. Beobachte zunächst, wie im H₂-Tank die Gasblasen aufsteigen. Wenn du sicher bist, dass du dies gut sehen kannst, kann das Experiment beginnen.
3. Starte das Video wieder von vorne. Beobachte die Gasblasen und überprüfe die Werte in der Tabelle.

Beobachtung

1. Beschreibe die Blasenbildung in Abhängigkeit von der Stromstärke.

   Die Blasenbildung läuft bei allen Stromstärken gleichmäßig ab. Mit zunehmender Stromstärke läuft die Blasenbildung schneller ab.

Auswertung

1. Überprüfe, ob der Zusammenhang zwischen Zeit und Gasvolumen (Blasenzahl) linear ist, indem du für jede Stromstärke jeweils eine Ursprungsgerade einfügst.

   50 mA	100 mA	150 mA	200 mA

2. Erkläre mithilfe des Diagramms den Zusammenhang zwischen dem gebildeten Gasvolumen (Blasenanzahl) und der Zeit.

   Die Geraden beschreiben den Zusammenhang zwischen gebildetem Gasvolumen und Zeit für alle Stromstärken sehr gut. Daher kann man bei konstanter Stromstärke von einem linearen Zusammenhang zwischen Zeit und Gasvolumen ausgehen.

3. Notiere für jede Stromstärke die Blasenanzahl nach 20 Sekunden in der unten stehenden Tabelle. Füge dafür eine waagerechte Linie in das Diagramm ein und schätze den Schnittpunkt der Linie mit deinen Ursprungsgeraden ab.

1. Ermittle den Zusammenhang zwischen dem Gasvolumen und der Stromstärke, indem du eine Gerade einfügst:
2. Erläutere den Zusammenhang zwischen dem gebildeten Gasvolumen und der Stromstärke.

   Die Ausgleichsgerade beschreibt den Zusammenhang zwischen der Stromstärke und dem Gasvolumen pro Zeit sehr gut. Dies deutet auf einen linearen Zusammenhang zwischen dem Gasvolumen und der Stromstärke. Je höher die Stromstärke ist, desto höher ist auch das gebildete Gasvolumen und umgekehrt. Es liegt auch hier eine direkte Proportionalität vor.

Schlussfolgerung

1. Folgere aus deinen Erkenntnissen, wie die Stoffmenge des Gases n mit der Ladungsmenge Q zusammenhängt und leite so das 1. Faradaysche Gesetz her.

   Hinweis: Die Stoffmenge n eines Gases ist direkt proportional zum Gasvolumen V. Die Ladungsmenge Q ist definiert als Produkt aus der Stromstärke I_0A und der Zeit t (Q = I_0A ⋅ t).

   Das entstehende Wasserstoffvolumen (Blasenanzahl) und damit die Stoffmenge n ist sowohl direkt proportional zur Zeit t als auch zur Stromstärke I_0A: n ~ t und n ~ I_0A.

   Da sich die Ladungsmenge Q aus dem Produkt von Zeit und Stromstärke ergibt und die Stoffmenge n direkt proportional zu beiden Größen ist, ist damit auch die Stoffmenge n direkt proportional zur Ladungsmenge Q: n ~ Q.

   Diese direkte Proportionalität wird als das 1. Faradaysche Gesetz beschrieben.

Zusatzaufgaben

1. Die elektrolytische Spaltung von Wasser ist eine Redoxreaktion. Stelle die Halbzellengleichungen sowie die Gesamtreaktionsgleichung auf und gib an, wie viele Elektronen geliefert werden müssen, um ein Wasserstoffmolekül zu bilden.

   Kathode: 2 H₂O + 2 e^- → H₂ + 2 OH^-

   Anode: H₂O → 1:2 O₂ + 2 H⁺ + 2 e^-

   Gesamtreaktion: H₂O → H₂ + 1:2 O₂

   Zur Herstellung eines Wasserstoffmoleküls müssen 2 Elektronen geliefert werden.

2. Die Ladungsmenge Q wird in C angegeben. Dabei entspricht 1 C der Ladungsmenge, die bei einer Stromstärke von 1 A in 1 Sekunde fließt. Die Ladungsmenge 1 C entspricht einer Anzahl von 6,24148 ⋅ 10¹⁸ Elektronen.

   Berechne, wie viele Elektronen bei einer Stromstärke von 200 mA und einer Elektrolysedauer von 20 Sekunden fließen. Berechne daraus, wie viele Atome Wasserstoff durch diese Ladungsmenge gebildet werden können und welches Gasvolumen das ist.

   Hinweis: Um das Gasvolumen zu berechnen muss zuerst die Stoffmenge in mol berechnet werden. Dabei enthält 1 mol eines Stoffes definitionsgemäß 6,02214076 ⋅ 10²³ Teilchen. Bei Gasen kann darüber hinaus angenommen werden, dass 1 mol eines Gases immer 24,4 l enstprechen.

   Q = I_0A ⋅ t = 0,2 A ⋅ 20 s = 4 C

   4 C ⋅ 6,24148 ⋅ 10¹⁸ Elektronen/C = 2,49659 ⋅ 10¹⁹ Elektronen

   2,49659 ⋅ 10¹⁹:2 = 1,24830 ⋅ 10¹⁹ H₂-Moleküle

   1,24830 ⋅ 10¹⁹:6,02214 ⋅ 10²³ = 0,000021 mol H₂

   0,000021 mol ⋅ 24,4l⋅mol^-1 = 0,00051 l = 0,51 ml

   Bei einer Elektrolysedauer von 20 Sekunden bei 200 mA werden unter idealen Bedingungen 0,51 ml Wasserstoff gebildet.