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Wassertsoff - Referat
Facharbeit zum Thema:
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Inhaltsverzeichnis
1. Was ist Wasserstoff und wo kommt er her?
Wer hat den Wasserstoff entdeckt?
2. Verwendung von Wasserstoff
Geschichte zur Verwendung von Wasserstoff
3. Experiment zur Herstellung von Wasserstoff
4. Die Brennstoffzelle
Aufbau einer Brennstoffzelle
Geschichte der Brennstoffzelle
5. Wie stehen Wasserstoff und Brennstoffzellen in Verbindung
6. Warum werden Wasserstofftechnologien noch nicht für die Allgemeinheit hergestellt?
7. Welche Projekte sind für die Zukunft geplant?
8. Definitionen
9. Eigene Meinung und Kritik zum Thema Wasserstoff
Alle Begriffe, die im Text unterstirchen sind, sind unter „Definitionen“ erklärt!
Was ist Wasserstoff und wo kommt er her?
Wasserstoff ist ein Element der ersten Periode und der ersten Hauptgruppe des Periodensystems mit der Ordnungszahl 1.
Es ist das am einfachsten gebaute und mit 0,084 g/L das leichteste Element.
Das Elementsymbol für Wasserstoff ist H. H wird vom griechisch-lateinischem hydrogenium abgeleitet, welches Wasserbildner bedeutet.
Wasserstoff ist ein Gas, welches bei –253°C (20K) flüssig wird und bei –259°C (14K) schon wieder fest.
ÜI-----------------------------I--------------I-------------------------------------IÞ
-259 -253 0°C
fest flüssig gasförmig
Außerdem ist Wasserstoff bei Zimmertemperatur ein farbloses und geruchloses Gas,
welches in Verbindung mit Sauerstoff und Chlorgas explosionsartig reagiert
(Knallgas- oder Chlorknallgasreaktion).
Die wohl wichtigste und bekannteste Verbindung mit Wasserstoff ist Wasser.
Wasserstoff istdas häufigste Element im Weltall mit 92,71%. Auf der Erde kommt es nur in Verbindungen vor. Der Massenanteil von Wasserstoff auf der Erde liegt bei ca. 0,12%.
Im menschlichen Körper hat Wasserstoff einen Anteil von 60,56 Atom%.
Wer hat den Wasserstoff entdeckt?
Überlegungen von vor über 2000 Jahren von Arestoteles:
- alle Stoffe ließen sich aus den Elementen Erde, Luft, Wasser und Feuer aufbauen
Die Erkenntniss Die Erkenntnis Wasser bestände aus 2 Stoffen wurde zu einer wissenschaftlichen Revolution und somit wurden die Überlegungen von Arestoteles verworfen.
1784 wurde ertsmals eine geringe Menge Wasser aus Wasserstoff und Sauerstoff hergestellt. Dies brachte der englische Chemiker Cavendish zu Stande:
Er gab verdünnte Schwefelsäure auf Eisenfeilspäne...
Den daher entstandenen Wassertoff nannte Cavendish entflammbare Luft.
Verwendung von Wasserstoff
Die Weltproduktion von Wasserstoff leigt bei ca. 350 mrd. Tonnen pro Jahr. Wasserstoff wird für technische Hydrierungen und die verschiedensten chemischen Synthesen eingesetzt.
Es dient als Reduktionsmittel für bestimmte Erze und als Raketentreibstoff. Wasserstoff ist ein wichtiger Bestandteil von Stadtgas und es wurde einige Zeit zum Befüllen von Luftschiffen verwendet.
Wasserstoff gilt als Energieträger der Zukunft, der die fossilen Brennstoffe langfristig gesehen ablösen wird und er wird unter dem Schlagwort „Wasserstoffwirtschaft“ diskutiert.
Alle wichtigen Komponente für ein solches Energiesystem befinden sich momentan zumindest im Versuchs- oder Demonstrationsstadium oder sind bereits ausreichend erprobt um eingesetzt zu werden.
Geschichte zur Verwendung von Wasserstoff
Heißer Wasserstoff – Das Optimum?
Die Rozier; eine Kombination aus Heißluft- und Gasballon.
Beide Ballontypen hatten ihre Tücken. Die Montgolfiere war ständig in Gefahr, vor dem Start Feuer zu fangen. Außderdem hatte sie nur eine kurze Reichweite. Der Gasballon war ihr überlegen, hatte aber auch nur eine begrenzte Reichweite.
Pilatre de Rozier kam auf die Idee, beide Ballontypen zu vereinen und schaffte so einen Ballon, der einfacher zu steuern war und lange Reisen zurücklegen konnte. Unter einem Gasballon brachte er einen Zylinder an, der mit Feuer aus einer darunter hängenden Pfanne aufgeheizt wurde. Kurz nach dem Start in Boulogne fing der mit Wasserstoff gefüllte Ballon allerdings Feuer und Pilatre de Rozier stürzte ab.
Heutige Rozièren werden allerdings mit einem Propangasbrenner betrieben und verwenden Helium als Füllgas. Das brennt nicht!
Experiment zur Herstellung von Wasserstoff
Material: - Wasser
- Magensium
- Bunsenbrenner
- Kleines Glasrohr
- Großes Glasrohr
- Propfen
Versuchsaufbau:
Versuchsdurchführung:
Das Magnesium wird in das große Glasrohr gelegt. Das Glasrohr wird an jeder Seite mit einem Propfen verschlossen, durch die jedoch ein kleines Glasrohr zu dem großen Glasrohr führt.
Das kleine Glasrohr führt zu einem Behälter mit Wasser, der auch mit einem Propfen verschlossen ist. Unter dem Wasserbehälter steht ein Bunsenbrenner, der das Wasser erhitzt.
Der Wasserdampf wird durch die Rohre geleitet und am Ende bleibt Wasserstoff übrig.
Beobachtung:
Sobald das Wasser erhitzt ist, kann man beobachten, dass der Wasserdampf hochsteigt, da die Glasrohre beschlagen. Wenn der Wasserdampf zum Magnesium gelangt, verfärbt dieses weiß.
Auswertung:
Wenn der Wasserdampf zum Magnesium gelangt, verbindet sich der Sauerstoff aus dem Wasser mit dem Magnesium zu Magnesiumoxid. Übrig bleibt der Wasserstoff, der dann noch durch das nächste Rohr weitergeleitet wird. Am Ende des kleinen Glasrohres verbindet er sich wieder mit Sauerstoff und wir so zu einem brennbaren Gas.
Die Brennstoffzelle
Man benutzt Brennstoffzellen um aus gewonnenem Wasserstoff Strom zu erzeugen.
Es handelt sich dabei um eine besondere Art eines galvanischen Elements.
Bakterien sind so genannte galvanische Zellen , wobei man diese jedoch nicht mit den Brennstoffzellen vewechseln / gleichstellen darf.
Brennstoffzellen können nämlich , im vergleich zu Batterien , keine Energie speichern.
Aufbau einer Brennstoffzelle:
Ein Elektrolyt der den Ionen-(meist Protonen-) Austausch ermöglicht, ist von zwei Elektronen, der Anode und der Kathode umgeben. Diese sind außerdem über einen äußeren Stomkreis verbunden.
Nach diesen Prinzip sind alle Brennstoffzellen aufgebaut. Jedoch gibt es Unterschiede zwischen den Elektrolyten und den verwendeten Brenngasen.
Geschichte der Brennstoffzelle :
Der Physiker und Jurist Sir William Robert Grove wurde in Swansea , Wales 1811 geboren und starb 1896.
Gegen 1839 experimentierte er mit der Elektrolyse von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff und stellte dabei fest , dass sich dieser Prozess auch umkehren ließ. Die erste Brennstoffzelle bestand aus zwei Platinelektronen, die in Schwefelsäure getaucht waren und um diese wurden Wasserstoff und Sauerstoff gespült.
Leider waren die Stomspannung und der Stromfluss zu gering , sodass sich die Brennstofftelle nicht gegen den Elektrodynamo oder den Verbrennungsmotor durchsetzen konnte. Bei der ersten Brennstoffzelle handelte es sich um eine „galvanische Gasbatterie“, die durch sogenannte kalte Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff Stom erzeugen konnte. 1887 erkannte der Direktor des ersten Lehrstuhls für physikalische Chemie in Leipzig jedoch die wirkliche Spannung von Groves Brennstoffzellen. (Zitat von Wilhelm Ostwald) Wilhelm Ostwald (1853-1932)
Nach Ostwalds Theorien zu Folge , besitzt die Brennstoffzelle Groves einen Wirkungsgrad von 83% , wodurch eine Welle von Konstruktionsvorschlägen in den ersten 20 Jahren des 20. Jahrhunderts vorkamen.
Technische Entwicklungen blieben jedoch erst aus, da die Wissenschaft noch nicht so weit war, um alle chemischen Vorgänge zu klären und auch Werkstoffprobleme traten auf. Erste Fortschritte waren z.B. die Korrosion der Elektroden in den Griff zu bekommen.
In den 60er Jahren wurden dann erste Brennstoffzellen an Bord von Satteliten des amerikanischen Raumfahrtprogramms und später sogar beim Apollo Mondflug eingesetzt. Hierbei spielten Kosten und Reinheitsgrad der benötigten Gase keine Rollen.
Wie stehen Wasserstoff und Brennstoffzellen in Verbindung?
Wasserstoff und Brennstoffzellen werden in einem Atemzug genannt.
In einer Brennstoffzelle wird als Brennstoff Wasserstoff eingesetzt. Wasserstoff reagiert mit Sauerstoff, dabei wird elektrischer Strom erzeugt. Wasser und Wärme sind dabei die einzigen Nebenprodukte.
Zusammen sollen der neue Energieträger (Wasserstoff) und der neuartige Energiewandler (Brennstoffzelle) die Probleme unsere Ernegieversorgung lösen.
Es heißt: Wasserstoff wird zur unendlichen und sauberen Energiequelle hochstilisert und die Brennstoffzelle würde dieses Gas dann mit hoher Effizienz in Strom verwandeln...
Warum werden Wasserstofftechnologien noch nicht für die Allgemeinheit hergestellt?
Es gibt mehrere Probleme die verhindern, dass den Wasserstoff Technologien der große Durchbruch gelingt.
Um wasserstoffbetriebene Autos herstellen zu können ist im Moment noch zu wenig Geld vorhanden. Denn es ist wesentlich teurer ein wasserstoffbetriebenes Auto herzustellen als eines das mit Benzin angetrieben wird. In den 80ger Jahren wurde eine Methode entwickelt, in der der Wasserstoff chemisch gebunden ist. Es handelt sich bei dieser Flüssigkeit um Methylzyclohexan. Mithilfe der vorhandenen Auspuffhitze wird der Wasserstoff dann wieder abgetrennt und die Restflüssigkeit wird später mit neuem Wasserstoff aufgetankt. Im einzelnen funktioniert das so, dass der Wasserstoff an den Benzinzusatz Toluol gebunden wird. Jedoch gibt es dort das Problem, dass für 1kg Wasserstoff gleich 15kg Toluol benötigt werden.
Durch Dehydrierung wird Methylzyclohexan mittels eines Katalysators in Wasserstoff und Toluol zerlegt und zwar an dem Ort, wo der Wasserstoff gebraucht wird. Das Toluol was bei diesem Vorgang nicht verbraucht wird, sondern nur als Wasserstoffträger dient, ist beliebig lange lagerbar. Das heißt also, dass immer nur neuer Wasserstoff hinzugefügt werden muss. Aber es ist sehr schwer den Wasserstoff zu transportieren, egal in welchem Aggregatzustand er sich befindet. Außerdem würden die Autos einen viel zu großen Tank benötigen um Methylzyclohexan transportieren zu können. Auch die Dehydrierungsanlagen wären zu schwer und zu groß um sie auf einem Auto platzieren zu können. Ein weiteres Problem das sich stellt, ist die Infrastruktur. Es müssten viele Dinge erneuert werden, die auch wieder viel Geld kosten würden. Zum Beispiel müssten die Tankstellen extra umgebaut werden, damit sie den Wasserstoff speichern können. Man würde bestimmte Zapfsäulen brauchen um den Wasserstoff in die Autos zu leiten und es müssten sichere Tanks hergestellt werden. Es müssten große Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden, denn beim tanken von Wasserstoff bestünde die Gefahr, dass Wasserstoff und Sauerstoff sich vermischen und so ein hochexplosives Gas zusammen bilden. Es könnten also schwere Brandunfälle passieren. Schon das rauchen einer Zigarette an einer Tankstelle könnte da schlimmste Folgen haben.
Welche Projekte sind für die Zukunft geplant?
Autos der Zukunft:
- Ingeneure arbeiten an umweltfreundlichen und sparsamen Autos
- Vorräte an fossilen Brennstoffzellen sind begrenzt
è Forschung auf dem Gebiet alternativer Antrieb/ Kraftstoffe notwendig
- Elektroautos sind umweltfreundlich
- Kraftstoffverbrauch, Abgaswerte verringern technische Errungenschaften wie Katalysatoren, Direkteinspritzsysteme, neue Automatikschaltung
- 3 Liter auf 100km = erklärtes Ziel der Autoherrsteller
è Leichtbauweise + Wasserstoff als alternativer Treibstoff sind diskutiert, damit man das Ziel erreichen kann
- Brennstoffzellen sind auch in Überlegung
Weltraumtechnik im Auto
Zukunftsautos könnten, die zum Betreiben der Elektromotoren nötige, Spannung mit Wasserstoff-Sauerstoff-Elementen erzeugen.
Die Brennstoffzelle wurde ursprünglich von der amerikanischen Weltraumbehörde NASA für die benannte Raumfahrt entwickelt.
Da es sich bei Wasserstoff und Sauerstoff jedoch um explosive Stoffe handelt, ist es zur Vermeidung des Risikos einer Knallgasexplosion besser, den Wasserstoff aus Methanol abzuspalten, während Sauerstoff der Luft direkt entnommen werden kann.
Definitionen
Elektrolyt:
Ein Stoff, der in wässriger Lösung den elektrischen Strom leitet. Die Moleküle eines Elektrolyten trennen sich bei der Lösung in Wasser in frei bewegliche, elektrisch geladene Ionen.
Elektrolyse
Zerlegung einer chemischen Verbindung durch den elektrischen Strom, sozusagen eine „elektrische Analyse“.
Kalte Verbrennung
Bei Brennstoffzellen werden Elektroden in einen Elektrlyten getaucht. Durch eine Elektrode wird Wasserstoff durch die andere Sauerstoff geleitet. Die Wasserstoffatome geben elektronen ab, sodass sich eine Elektrode negativ auflädt. Die Sauerstoffmoleküle spalten sich unter Mitwirkung eines katalysators und reagieren mit den Wasserstoffionen zu Hydroxidionen und dann zu Wassermolekülen. Dabei entziehen sie der Elektrode Elektronen. Verbindet man die Elektronen, fließen Elektronen als Strom von der negativen zur positiven Elektrode.
Korrosion:
Die Schädigung und Zerstörung von Werkstoffen durch chemische oder elektronische Reaktionen, die durch Elektrolytlösungen, feuchte Gase, Schmelzen u.a. hervorgerufen werden können.
Eigene Meinung und Kritik zum Thema Wasserstoff
Es hat uns sehr viel Spaß gemacht das Thema „Wasserstofftechnologien“ zu bearbeiten, weil wir durch das selbständige Arbeiten uns über viele Dinge selber Gedanken machen mussten und uns damit auseinander gesetzt haben.
Dadurch haben wir viel gelernt, was wir auch sicher ersteinmal einige Zeit behalten werden.
Dennoch war es zeitweise sehr anstrengend bei der Sache zu bleiben, weil es doch ein ziemlich schwieriges und komplexes Thema ist. Es gibt viele Fakten und Zusammenhänge, in die man sich richtig reindenken muss, damit man sie versteht!
Ich glaube, ganz verstehen, wie z.B. eine Brennstoffzelle funktioniert, können wir noch nicht, weil wir dazu noch nicht genug über die Materie an sich wissen und weil wir nicht genug Hintergrundwissen haben. Aber es hat trotzdem Spaß gemacht, sich mit einem Thema auseinanderzusetzen, welches ja doch ein wahrscheinlich wichtiger Teil der Zukunft sein wird.
Alles in Allem halten wir die Wasserstofftechnologien für eine sicherlich gute Zukunftsplanung und denken dass es nicht mehr lange dauern wird, bis sie auch für den Autonormalgebrauch reif genug sind.
Dieses Referat wurde eingesandt vom User: benny2905
Kommentare zum Referat Wassertsoff:
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