Wir lieben Chemie!
Der kleine Fritz hat in der Schule heute das Unterrichtsfach Chemie. Sein Vater (ein Chemiker) und seine Mutter (eine Mathematikerin) haben hier ein besonderes Augenmerk auf die Leistungen des kleinen Fritz. Liebevoll nennen sie Fritz auch manchmal bei seinem zweiten Vornamen „Eisen59“. Das gefällt Fritz in Gegenwart seiner Mitschüler überhaupt nicht. Aber darauf achtet in diesem Moment niemand, als die nagelneue, funkelnde Karosse der Familie nahezu lautlos vor dem Schulgebäude vorfährt und den kleinen Fritz vollautomatisch ausspuckt. Von seinen Mitschülern nach dem neuen Automobil befragt kann Fritz leider nicht so viel über die neue Antriebsart verraten. War es nun eine Brennstoffzelle oder nur eine profane Batterie, die das Gefährt in 2,9 Sekunden von 0 auf 100 km/h beschleunigt? Egal, im Chemieunterricht ist heute mal wieder etwas Wiederholung dran und dann soll es – ganz im Trend- um die chemischen Reaktionen in einer Brennstoffzelle und andere alternative Antriebe gehen:
Zur Wiederholung von Bekanntem:
Aufgabe 1:
Wie heißt Fritz mit zweitem Vornamen? Der BSW ist A.
Aufgabe 2:
Wofür steht das Fragezeichen? Ermittelt den BSW! Dieser BSW sei B.
Aufgabe 3:
Wofür steht das Fragezeichen? Ermittelt den BSW! Dieser BSW sei C.
Hinweis: Die Herangehensweisen sind bei den Aufgaben 2 und 3 unterschiedlich!
Chemische Reaktion in einer Brennstoffzelle
Der Brennstoff, hier Wasserstoff, wird an der Anode katalytisch oxidiert und dabei unter Abgabe von Elektronen in Ionen umgewandelt. Diese gelangen durch die Ionen-Austausch-Membran in die Kammer mit dem Oxidationsmittel. Die Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen elektrischen Verbraucher, zum Beispiel eine Glühlampe, zur Kathode. An der Kathode wird das Oxidationsmittel, hier Sauerstoff, durch Aufnahme der Elektronen zu Anionen reduziert und reagiert gleichzeitig mit den durch den Elektrolyt zur Kathode gewanderten Protonen zu Wasser.
Brennstoffzellen mit einem derart beschriebenen Aufbau heißen Polymermembran-Brennstoffzellen, PEMFC (für Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) oder auch PEFC (für Proton Exchange Membrane Fuel Cell).
Gesamtreaktion: 2 H2 + O2 -> 2 H2O
Aufgabe 4:
Ermittle die Anzahl der Atome der Gesamtreaktion! Dieser Wert sei D.
Aufgabe 5:
Entscheidend bei der Zukunftsfähigkeit alternativer Antriebe ist die Wirtschaftlichkeit. Ein Kilogramm Wasserstoff kostet an der Tankstelle ca. 9,50 Euro (Stand 12/2019). Damit kann man rund 100 km fahren. Wieviel Energie (in kWh) kann mit einer Brennstoffzelle bei einem Wirkungsgrad von 60 % erzeugt werden? (bitte aufrunden, ohne Nachkommastellen).
Dieser Wert sei E.
Zum Vergleich: Ein E-Auto verbraucht derzeit modellabhängig im Durchschnitt ca. 20 kWh / 100 km.
chemische Reaktion bei der Verbrennung von Methan/(Bio)Erdgas
Eine weitere Möglichkeit alternativer Antriebe ist Erdgas. Der Vorteil von Erdgas liegt in der gegenüber Benzin und Diesel saubereren Verbrennung. Dies liegt im Fall von Erdgas/CNG einerseits daran, dass der Kraftstoff im Verbrennungsraum bereits homogen gasförmig vorliegt, und nicht in zerstäubter Form wie im Fall von Benzin und Diesel, andererseits daran, dass die Molekülketten nur ca. halb so viel Kohlenstoffatome im Verhältnis zu den Wasserstoffatomen enthalten wie in Benzin und Diesel, also bei der Verbrennung mit Sauerstoff mehr Wasser (H2O) und weniger Kohlendioxid (CO2) und Ruß entsteht. Ein Kilogramm CNG sind umgerechnet ca. 1,5 Liter Superbenzin und kostet in Strausberg derzeit 1,11 Euro.
Reaktionsschema:
CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O
Methan (Erdgas) und Sauerstoff reagieren zu Kohlenstoffdioxid und Wasser.
Aufgabe 6:
Ermittle die Anzahl der Atome der Gesamtreaktion! Dieser Wert sei F.
Aufgabe 7:
Wie viel CO2 und wieviel Wasser entstehen bei der o.g. Reaktion von 16 Gramm Methan und 64 Gramm Sauerstoff? Der Wert für CO2 sei G, der Wert für Wasser sei H.
Gesucht wird: N 52° 34.XXX E 013° 54.XXX
Für Nord soll gelten: xxx = ((A+D+E+F+G+H) x C : B) + 492
Für Ost soll gelten: xxx = (A+B+C+E+F+G+H) x D - 653
Eure Lösung könnt ihr hier überprüfen:
