Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 02.02.15


Leitfähigkeit durch Ionen

Vortrag von Andreas Struller im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Physikalische Chemie", WS 2010/11


Gliederung:


Alltagsproblem: Am Ende der Woche stapeln sich die Pfandflaschen in der Wohnung


Abb. 1: Schrank voller Pfandflaschen

Lösung des Problems:

Warum nicht einfach Leitungswasser trinken? Ist die Trinkwasserqualität in Bayreuth so schlecht?

Aufschluss über die Trinkwasserqualität kann der Auszug aus der Trinkwasseranalyse der Stadtwerke Bayreuth geben!

Was aber sagt der Parameter Leitfähigkeit über die Qualität des Wassers aus?


1 Versuch zu beweglichen Ladungsträgern im Wasser

Experiment Bewegliche Ladungsträger im Wasser
Material
  • 2 Bechergläser 150 ml
  • Stativ, Muffe, Klammer
  • Labornetzgerät
  • 2 Kohle- od. Edelstahlelektroden
  • Glühlämpchen ca. 3-6V
Durchführung Bechergläser jeweils zu 3/4 mit Leitungswasser und voll entsalztem Wasser füllen. Stromkreis gemäß Skizze aufbauen. In die Bechergläser ragen jeweils zwei lange Kohle- oder Edelstahlelektroden, die mit den ≈ -Polen des Netzgerätes (Wechselspannung!) verbunden sind.
Spannung am Netzgerät jeweils vorsichtig erhöhen und das Glühlämpchen beobachten
Beobachtung Leitungswasser leitet Strom erkennbar viel besser als voll entsalztes Wasser
Interpretation Im Leitungswasser sind Salze gelöst, die in Ionen dissoziiert sind. Ionen im Leitungswasser sind die beweglichen Ladungsträger.

2 Spezifische Leitfähigkeit von Elektrolytlösungen

Der Widerstand einer Elektrolytlösung nimmt mit der Leiterlänge l zu und mit steigendem Querschnitt A ab. (ρ ist der spezifische Widerstand)

Die spezifische Leitfähigkeit κ ist der Kehrwert des spezifischen Widerstands:

Umgestellt nach der Leitfähigkeit κ:


3 Ionenbeweglichkeit

Man stelle sich ein Ion im Einfluss eines homogenen elektrischen Feldes vor. Der Abstand der beiden Elektroden sei l, die Potentialdifferenz U.

Dieses Feld bewirkt auf ein Ion mit einer Ladung z*e eine Kraft:

Ionen unterliegen einer Reibungskraft, wenn sie sich in wässriger Lösung bewegen:

Die Transportgeschwindigkeit errechnet sich folgendermaßen:

Die Ionenbeweglichkeit u ergibt sich zu:


4 Spezifische Leitfähigkeit

Wir beziehen uns auf einen binären Elektrolyten, der nur aus zwei Ionensorten besteht. Es liegt also folgende Dissoziationsreaktion vor:

Es fließt folgender Storm durch den Elektrolyten (ohne Herleitung):

Liegt eine Wechselspannung an, gilt :

Ersetzt man die Stormstärke durch den Quotienten aus Spannung und Widerstand, ergibt sich folgende Gleichung:

Löst man die spezifische Leitfähigkeit nach 1/R auf und setzt wiederum ein, erhält man die spezifische Leitfähigkeit einer binären Elektrolytlösung:

Im Leitungswasser sind nicht nur zwei Sorten von Ionen gelöst, sondern einige mehr.

Die Gesamtleitfähigkeit setzt sich additiv aus den Leitfähigkeiten der einzelnen Ionen zusammen!


Zusammenfassung und Ausblick

Die spezifische Leitfähigkeit eines Elektrolyten ist durch Konzentration, Wertigkeit und Beweglichkeit der einzelnen Ionen festgelegt.

Die Leitfähigkeitsmessung dient dem Abschätzen der Salzfracht im Leitungswasser.

Die deutsche Trinkwasserverordnung schreibt einen Wert von höchstens 2000 µS/cm für das Leitungswasser vor, so dass es für den Menschen noch genießbar ist.

Das heißt für alle Bayreuther: Es kommt sehr gutes Wasser aus der Leitung!


Literatur:

  1. Atkins P.; de Paula J.: Physikalische Chemie, 4. Auflage, Wiley-VCH, Weinheim, 2006.

  2. Wedler G.: Lehrbuch der Physikalischen Chemie, 5.Auflage, Wiley-VCH, Weinheim, 2004.

  3. Jander G.; Jahr K.; Schulze G.:Maßanalyse, 16. Auflage, de Gruyter, Berlin, 2003.

  4. http://www.aquacare.de/ (Stand: 02.12.2010)

  5. http://www.chempage.de/ (Stand: 02.12.2010)

  6. http://www.bew-energie.de/ (Stand: 29.11.2010)


E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 02.02.15