Sauerstoff als Oxidationsmittel

Oxidation, Reduktion. Schonmal gehört, doch lange ist´s her. Was hat es damit nochmal auf sich? Was ist ein Oxidationsmittel? Und überhaupt: Was hat das alles mit der Brennstoffzellen-Technologie zu tun? Sehr viel, denn ohne Oxidationsmittel kann weder eine EFOY Jupiter Wasserstoff-Brennstoffzelle noch eine EFOY Direktmethanol-Brennstoffzelle arbeiten. Zum Start zunächst die Erklärung des Unterschieds: Oxidation ist eine chemische Reaktion mit Sauerstoff. Bei der Reduktion handelt es sich um eine Sauerstoffentzug-Reaktion. Da es sich in der Folge vor allem um das Oxidationsmittel dreht, steht natürlich die Oxidation im Mittelpunkt. Reaktionen mit Sauerstoff sind typisch für Verbrennungsvorgänge, beispielsweise, um Energie zu gewinnen. Sie kommen ebenso in Brennstoffzellen vor. In ihrer Funktion als Wandler produzieren Brennstoffzellen mit Hilfe chemischer Reaktionsenergie Strom. Hierzu benötigt die Brennstoffzelle die Kombination aus einem kontinuierlich zugeführten Betriebsstoff – Wasserstoff oder Methanol – und Sauerstoff. Sauerstoff fungiert in der Brennstoffzelle als Oxidationsmittel[1]. Doch dazu an späterer Stelle mehr.

Die Definition eines Oxidationsmittels ist vergleichsweise einfach. Ein Oxidationsmittel ist ein chemischer Stoff, der geeignet ist, andere Stoffe oxidieren zu lassen, bei diesem Vorgang aber selbst reduziert wird. Oxidationsmittel können Elektronen, hierbei handelt es sich um negativ geladene Elementarteilchen, aufnehmen, während Reduktionsmittel sie abgeben.[2] Reagieren die Stoffe gemeinsam, kommt es zu einer sogenannten Redoxreaktion. Der eine Reaktionspartner überträgt Elektronen auf den anderen. Das war es schon mit der Oxidationsmittel Definition.[3] In der Chemie und vor allem in der Elektro-Chemie ist dieses Konzept von großer Bedeutung. Typisch sind Redoxreaktionen in Form von Verbrennungen zur Umwandlung in Bewegungsenergie. Zum Beispiel bei Pkw, Lkw, Schiffen und Flugzeugen, wenn Benzin, Diesel und Kerosin im Motor verbrannt werden.[4] Noch eindrucksvoller zeigt sich die Redoxreaktion an Silvester. Raketen und Wunderkerzen funktionieren ebenfalls dank Oxidationsmittel und Reduktionsmittel. Genauso wie das zuvor entzündete Feuerzeug oder Streichholz.[5]

Besonders starke Oxidationsmittel

Grundsätzlich macht sich die Brennstoffzelle das gleiche Prinzip zu Nutze. Genauso wie eine Batterie verfügt auch sie über Elektroden: eine Anode und eine Kathode. Jede der Elektroden ist mit einem Metall als Katalysator beschichtet, zum Beispiel Nickel oder Platin.[6] Hierbei handelt es sich um sehr wertvolle Metalle, die SFC Energy übrigens im Recycling-Prozess zurückgewinnt. 95 Prozent einer SFC Energy Brennstoffzelle sind recycelfähig. Die Anode und Kathode in der Brennstoffzelle sind durch einen Elektrolyten voneinander getrennt. Diese gasundurchlässige Membran sorgt für eine getrennte Leitung der Ionen (positive Ladung) und Elektronen (negative Ladung). Der kontinuierlich zugeführte Betriebsstoff, beispielsweise Wasserstoff, umspült die Anode. Gleichzeitig gelangt Sauerstoff in seiner Funktion als Oxidationsmittel an die Kathode.[7] Nun passiert auf der Anodenseite die Oxidation. Der Wasserstoff oxidiert durch Abgabe von Elektronen zu Protonen. Die Elektronen fließen in der Folge von der Anode zur Kathode – es fließt also Strom. Die Protonen dringen in den Elektrolyten, der Anode und Kathode trennt, ein und gelangen zur Kathode.[8]

Zusätzlich zur gewonnenen Energie entsteht durch Zugabe von Sauerstoff als Oxidationsmittel in der Brennstoffzelle Wasser und Wärme als Nebenprodukt. So produziert die Brennstoffzelle insgesamt umweltfreundlichen Strom. Mit der Reaktionswärme, die während des Prozesses entsteht, lässt sich sogar heizen. Die Brennstoffzelle ist also ein wahres Multi-Talent. Genauso wie das Oxidationsmittel, das in Kombination mit dem Reduktionsmittel Energie erzeugt. Sauerstoff ist allerdings nicht das einzige Oxidationsmittel. Es gibt weitere und besonders starke Oxidationsmittel. Sauerstoffdifluorid und Fluor gelten nach Kryptondifluorid als die stärksten Oxidationsmittel überhaupt.[9] Letztgenanntes ist höchst instabil, reagiert also umgehend. Darauf lassen bereits die Existenzbedingungen von Kryptondifluorid schließen. Es kann ausschließlich bei Temperaturen von etwa -80°C stabil existieren. Um es herstellen zu können, muss es noch weitaus kälter sein. Das stärkste Oxidationsmittel entsteht im Produktionsprozess unter hohen elektrischen Entladungen aus Krypton und Fluor im Elementarzustand und ausschließlich bei Temperaturen von etwa -196°C. Das Ergebnis ist eine farblose, kristalline Substanz.[10]

Oxidationsmittel im Alltag

Das klingt alles sehr technisch und es fällt schwer, sich Oxidationsmittel beim alltäglichen Einsatz vorzustellen. Zusätzlich zu ihrer Verwendung in Brennstoffzellen und Verbrennungsmotoren, gibt es weitaus profanere Funktionen, die sie übernehmen. Wasserstoffperoxid als Oxidationsmittel ist so ein Fall. Vermutlich werden bereits zahlreiche LeserInnen mit dieser blassblauen, cremartigen Substanz in Berührung gekommen sein. Wasserstoffperoxid ist nämlich ein hochwirksames Bleich- und Desinfektionsmittel. FriseurInnen setzen auf die Kraft von Wasserstoffperoxid als hocheffiziente Blondierungscreme. Wer also schon einmal die eigene Haarfarbe verändert hat, wird Wasserstoffperoxid benutzt haben. Auch Zahnärzte verwenden dieses kraftvolle Oxidationsmittel. Es bleicht die Zähne und macht sie nach jahrelanger Kaffee- und Zigarettengabe wieder strahlend weiß. Doch Vorsicht, Wasserstoffperoxid wirkt stark ätzend. Kommt es mit der Haut in Berührung, sollte die Stelle schleunigst gereinigt werden. Als Desinfektionsmittel leistet es ebenfalls großartige Dienste. Stark verdünnt hilft Wasserstoffperoxid im Mund- und Rachenraum im Kampf gegen Bakterien. Es desinfiziert ebenso Kontaktlinsen und die Hände.[11]

Neben Sauerstoff, Wasserstoffperoxid und den genannten starken Oxidationsmitteln wie Kryptondifluorid, Sauerstoffdifluorid und Fluor gehören auch zahlreiche Chlorite, Nitrate und Säuren zu dieser Gruppe. Häufig heißt es, dass sogar Gold und Platin als Oxidationsmittel verwendbar sind. Das ist richtig, allerdings kaum praktikabel. Edelmetalle wie diese beiden Vertreter eignen sich nur bedingt als Oxidationsmittel. Zum einen sind sie sehr teuer, was ihren Einsatz zu kostspielig macht. Zum anderen ist es äußerst schwierig, sie überhaupt in Lösung zu bringen. Daher setzt die Industrie auf andere günstigere und leichter zu verarbeitende Oxidationsmittel.[12] Das ist kein Problem, es gibt schließlich genug davon. Oxidationsmittel Beispiele gibt es viele; zu viele, um sie alle an dieser Stelle aufzuzählen. Sie fallen grundsätzlich unter die Gruppe der brandfördernden Stoffe. Übersichtlich lassen sich Oxidationsmittel in einer Tabelle anordnen. Beispielsweise nach zunehmender Oxidationskraft. Auf diese Weise erhält man die sogenannte Spannungsreihe.[13] Für Brennstoffzellen von SFC Energy ist dies allerdings nicht von Bedeutung. EFOY Brennstoffzellen brauchen lediglich Sauerstoff als Oxidationsmittel. Und das ist gut so. Schließlich geht es hier um nichts Geringeres als die Herstellung von sauberer und umweltfreundlicher Energie.

Ist Sauerstoff ein starkes Oxidationsmittel?

Sauerstoff ist eines der stärksten Oxidationsmittel und reagiert sehr leicht mit anderen Stoffen. Bei einer Oxidation gibt Sauerstoff Elektronen ab und wandelt sich dabei in eine höhere Oxidationsstufe um.

Warum ist Sauerstoff ein Oxidationsmittel?

Sauerstoff fungiert in der Brennstoffzelle als Oxidationsmittel, da es in chemischen Reaktionen andere Stoffe oxidieren lässt und dabei selbst reduziert wird. In Brennstoffzellen ist Sauerstoff für die Produktion von Strom durch chemische Reaktionsenergie unerlässlich.

Was ist ein Oxidationsmittel?

Ein Oxidationsmittel ist ein Stoff, der andere Stoffe oxidieren lässt, dabei aber selbst reduziert wird. Es kann Elektronen aufnehmen. Das Konzept ist wichtig, da es Redoxreaktionen ermöglicht, wie bei Verbrennungen in Motoren.

Was sind Beispiele für Oxidationsmittel im Alltag?

Oxidationsmittel sind nicht nur in Brennstoffzellen und Verbrennungsmotoren, sondern auch im Alltag zu finden. Wasserstoffperoxid als Desinfektions- und Bleichmittel sowie zahlreiche Chlorite, Nitrate und Säuren gehören zu dieser Gruppe.

Quellen

[1] Kurzweil, Peter: „Brennstoffzellentechnik – Grundlagen, Komponenten, Systeme, Anwendungen“; Springer Fachmedien; Wiesbaden; 2003, 2013 – S. 3 ff.

[2] Universität Dusiburg/Essen: https://www.uni-due.de/~hc0014/S+WM/Definitionen/Oxidationsmittel.htm

[3] Spektrum der Wissenschaft: https://www.spektrum.de/lexikon/biologie/redoxreaktionen/55953

[4] Bayerischer Rundfunk: https://www.br.de/telekolleg/faecher/chemie/telekolleg-chemie-11-redoxreaktionen-102.html

[5] Ebd.

[6] Heise Medien: https://www.heise.de/hintergrund/Brennstoffzellen-ohne-Platin-275962.html

[7] EnBW: https://www.enbw.com/energie-entdecken/mobilitaet/brennstoffzellenantrieb/

[8] Töpler, Johannes; Lehmann, Jochen (Hrsg.): „Wasserstoff und Brennstoffzelle – Technologien und Marktperspektiven“; Springer-Verlag Berlin, Heidelberg 2014.

[9] ChemgaPedia/Wiley Information Services GmbH: http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/11/aac/vorlesung/kap_11/vlus/energiebetrachtungen.vlu/Page/vsc/de/ch/11/aac/vorlesung/kap_11/kap11_2/text_c.vscml.html

[10] Latscha, Hans Peter; Kazmaier, Uli; Klein, Helmut Alfons: Organische Chemie „Chemie-Basiswissen II“; Springer-Verlag GmbH Berlin, Heidelberg 2016

[11] Universität Regensburg: https://www.uni-regensburg.de/chemie-pharmazie/anorganische-chemie-pfitzner/medien/data-demo/2010-2011/wasserstoffperoxid_mh.pdf

[12] Spektrum der Wissenschaft: https://www.spektrum.de/lexikon/chemie/gold/3827

[13] https://www.chemie.de/lexikon/Elektrochemische_Spannungsreihe.html