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PhysikLösungshinweise• Zum Fahren benötigen Autos Energie.• Üblicherweise wird diese mit den Energieträgern Benzinund Diesel geliefert.• Autos mit Brennstoffzellenantrieb können die Energieim Prinzip mit Wasserstoff bekommen.• Es bleibt aber die Frage, woher der Wasserstoff kommt,wie er gebildet wird, … Die zur Beantwortung dieserFrage entscheidenden Zusammenhänge können mithilfedes chemischen Energie-Träger-Stromkreis durchschaubargemacht werden.Abb. 17: Entscheidend ist, „wer kurbelt“, d. h., wer die Energie für denchemischen Energietransport liefert!einander in Verbindung gebracht und es wird dabei eineneue Masche des begrifflichen Netzes geknüpft.7 Die Übertragung der grundlegenden Konzepteauf die anderen NaturwissenschaftenDas „Energie-Träger-Konzept“ und das „Strom-Antrieb-Konzept“ können auf die anderen Naturwissenschaftenübertragen werden. Dadurch werden die Naturwissenschaftennicht nur stärken miteinander verzahnt, sondernes wird „kummulatives“ Lehren und Lernen über dieFächergrenzen hinweg möglich. Im Folgenden soll angedeutetwerden, wie dies mithilfe des neu konzipierten chemischenEnergie-Träger-Stromkreises möglich wird.7.1 Antrieb durch BrennstoffzellenLeitfrage: Beurteile die folgende Aussage: „Experten ausder Chemie- und Automobilindustrie optimieren Brennstoffzellen,die Autos nur noch mit Wasserstoff antreiben. Dasist eines von zahlreichen Beispielen, wie die Chemie hilft, alternativeEnergiequellen zu erschließen. Damit werden wiralle unabhängiger von Öl und Gas.“ (GEO 04/2006 aufSeite 39).7.2 Der chemische Energie-Träger-StromkreisDer Aufbau des chemischen Energie-Träger-Stromkreises[9] entspricht dem „hydraulischen Energie-Träger-Stromkreis“(Abb. 7). Die Wasserpumpe wurde durch einenElektrolyseur (Elektrolysezelle) und der Wassergeneratordurch eine Brennstoffzelle ersetzt.Leitfrage: „Wie wird die Energie beim chemischen Energie-Träger-Stromkreisvom Elektrolyseur zur Brennstoffzelletransportiert?“Mit einem Netzgerät, einem Handgenerator oder einer Solarzellewird der Elektrolyseur so lange betrieben, bis sichder Propeller deutlich dreht. Das Drehen des Propellerszeigt an, dass dort Energie ankommt. Die Energie kann nurvom Netzgerät, dem Handgenerator oder der Solarzellekommen, die dann zum Elektrolyseur, zur Brennstoffzelleund zum Lüfter strömt. Somit ist der Weg des Energiestromsidentifiziert.Zwischen Elektrolyseur und Brennstoffzelle wird der Energiestromvon stofflichen Strömen begleitet: Im Elektrolyseurwerden Wasserstoffgas und Sauerstoffgas gebildet. Beidieser chemischen Reaktion verschwindet Wasser. Die imElektrolyseur gebildeten Gase strömen durch die zwei getrenntenSchläuche zur Brennstoffzelle. Dort findet dieumgekehrte chemische Reaktion statt: Wasserstoffgas undSauerstoffgas verschwinden, Wasser wird gebildet. Bei derchemischen Reaktion im Elektrolyseur wird Energie aufgenommen.Bei der Umkehrreaktion in der Brennstoffzellewird diese Energie wieder abgegeben, auf Elektrizitätbzw. elektrischen Strom umgeladen und zum Lüfter transportiert.Bei diesem chemischen Energietransport strömtder Energieträger in einem geschlossenen Stromkreis:Wasserstoff und Sauerstoff werden aus Wasser im Elektrolyseurgebildet, strömen zur Brennstoffzelle, bilden Wasser,das zum Elektrolyseur zurückströmt. Diese Stoffströmespielen beim chemischen Energietransport dieselbeAbb. 18: Der Energietransport in der NahrungsketteLichtKartoffeln, SauerstoffENERGIEKartoffelpflanzeENERGIEMenschWasser, Kohlenstoffdioxid12 PdN-PhiS. 6/55. Jg. 2006
Energie in Physik und ChemieWasserstoff, Sauerstoffm = 0 kJ/molm = 0 kJ/molENERGIE437 kJ/molElektrolyseurENERGIEBrennstoffzelleENERGIE437 kJ/molm = – 437 kJ/molm = – 437 kJ/molWasserAbb. 19: quantitative Beschreibung des EnergietransportsRolle wie Wasser und Elektrizität beim hydraulischen undelektrischen Energietransport: sie transportieren Energievon einer Stelle zu einer anderen, sie haben die Funktioneines „Energieträgers“.Durch entsprechende Handbewegungen können die unterschiedlichenWege von Energie („linear“) und der Energieträger(„im Kreis“) anschaulich verdeutlicht werden.Pfeile symbolisieren diese unterschiedlichen Wege.7.3 „Wer kurbelt?“ Das ist die entscheidende Frage!Nun wollen wir klären, „ob mithilfe von Wasserstoff alternativeEnergiequellen erschlossen werden können“.Wasserstoffgas kommt in der Natur nicht in großen Mengenvor. Der chemische Energie-Träger-Stromkreis verdeutlicht,dass Wasserstoff mithilfe einer chemischen Reaktionnur unter Energiezugabe erzeugt werden kann. Dieentscheidende Frage lautet deshalb, woher diese Energiekommt, welche Energiequellen diese Energie liefern. Vondaher ist die Aussage, dass Wasserstoff hilft, alternativeEnergiequellen zu erschließen, dass wir durch Wasserstoffunabhängiger von Öl und Gas werden, so nicht richtig,denn es könnte ja sein, dass diese Energie von Atomkraftwerkenoder Braunkohlekraftwerken und nicht von Fotovoltaikanlagengeliefert wird.7.4 Chemische Energietransporte in biologischen undgeografischen SystemenDer chemische Energie-Träger-Stromkreis kann im Unterrichtfür die Schülerinnen und Schüler ein grundlegendesBeispiel für die Vielzahl der Stoffkreisläufe werden, die inNatur und Technik mit Energietransporten verbundensind. Abb. 18 zeigt vereinfacht den Nahrungskreislauf desMenschen. Die Solarzelle steht im Experiment anstelle desBlatts (Photosynthese).8 Abschließende Bemerkungenelektrisches Potenzial ϕ angibt, wie viel Energie ein Trägertransportiert bzw. deren Differenz angibt, wie viel Energiein einem System bei einer entsprechenden chemischen Reaktionauf- bzw. abgeladen wird, analog der Druckdifferenz∆p und der elektrische Potenzialdifferenz ∆ϕ , die derelektrischen Spannung U entspricht. Das chemische Potenzialwird in der Chemie üblicherweise molare freie Standardbildungsenthalpiegenannt. In der angegebenen Literaturwird auch ausgeführt, wie das „Strom-Antrieb-Konzept“auf chemische Reaktionen übertragen werden kann,dass die Differenz des chemischen Potenzials als Antriebeiner chemischen Reaktion betrachtet werden kann undwie der chemische Energietransport, wie in Abb. 19 dargestellt,schrittweise immer weiter quantifiziert werdenkann.Literatur[1] NW1 als Datei unter http://www.ls-bw.de/allg/publikationen/onlineoder als LS-heft NW1 zu beziehen bei Landesinstitut für SchulentwicklungRotebühlstr. 131, 70197 Stuttgart, Fax: 0711/6642-102[2] Bildungsstandards Baden-Württemberg, Physik, Gymnasien;www.bildungstandards-bw.de[3] R.P. Feynmann, R.B. Leighton, M. Sands: Vorlesungen über PhysikBand I, 2001 Oldenbourg Verlag München[4] Dieter Plappert: Umsetzungsbeispiele zu den Bildungsstandards Physik,LS-heft Ph 41, zu beziehen bei Landesinstitut für Schulentwicklung,Rotebühlstr. 131, 70197 Stuttgart, Fax: 0711/6642-102[5] Dieter Plappert: Verständliche Elektrizitätslehre, PdN-PhiS 7/52 (2003)[6] Dieter Plappert: Kumulatives Lernen – die Bildung des Entropiebegriffsin Sekundarstufe I, PdN-PhiS 4/53 (2004)[7] Dieter Plappert: Impuls von Anfang an – zur Einführung physikalischerGrößen, PdN-PhiS 1/54 (2005)[8] Versuchsanleitung des Bausatzes „Energiewerke“, durch den handlungsorientiertder Energiebegriff eingeführt werden kann, unterwww.plappert-freiburg.de/physik, Bestellung unter www.opitec.de BausatzNr. 123.987 zu 12,90 €[9] Analogieserie zu beziehen bei: Conatex, Postfach 1407, 66514 Neunkirchen,06821/94110, www.conatex.com[10] Dieter Plappert: physikalische Konzepte angewandt auf chemischeReaktionen, PdN-PhiS 3/54 (2005)[11] Seitz, Steinbrenner, Zachmann, LS-heft NW2, Stuttgart 2006. Zu beziehenbei Landesinstitut für Schulentwicklung Rotebühlstr. 131, 70197Stuttgart, Fax: 0711/6642-102[12] Seitz, Steinbrenner, Zachmann: Chemische Reaktionen – physikalischbeschrieben, PdN-PhiS 2/55 (2006)[13] Ich danke Jasna Schultheiß für diese AnregungEs würde den Rahmen dieser Darstellungen sprengen,wenn der Brückenschlag zu den Begriffen und Konzeptender Chemie weiter vertieft werden würde. In [11] und [12]wird gezeigt, wie das chemische Potenzial µ als die Größeeingeführt werden kann, die wie z. B. der Druck p und dasAnschrift des Verfassers:StD Dieter Plappert, Staatliches Seminar für Didaktik und Lehrerbildung,Kunzenweg 21, 79117 FreiburgPdN-PhiS. 6/55. Jg. 2006 13
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