Elektrische Leitfähigkeit von Wasser

Einführung in die elektrische Leitfähigkeit von Wasser

Die elektrische Leitfähigkeit von Wasser hängt von der Anzahl der gelösten Ionen ab. Reines destilliertes Wasser leitet den elektrischen Strom kaum, da es nur sehr wenige Ionen enthält. Im Gegensatz dazu leitet Leitungswasser oder Salzwasser den Strom gut, da darin gelöste Ionen vorhanden sind, die als Ladungsträger fungieren.

Wenn wir eine Batterie oder eine andere Stromquelle an das salzige Wasser anschließen, fließen die geladenen Ionen in der Flüssigkeit zum entgegengesetzten Pol. Die positiven Ionen (z.B. Natrium-Kationen) bewegen sich zum negativen Pol (Kathode), und die negativen Ionen (z.B. Chlorid-Anionen) bewegen sich zum positiven Pol (Anode). Diese Bewegung von Ionen erzeugt den Stromfluss in der Flüssigkeit.

Zusammengefasst: Flüssigkeiten leiten Strom, wenn sie geladene Teilchen, also Ionen, enthalten, die sich in der Flüssigkeit bewegen und so den Stromfluss ermöglichen.

Wovon hängt die elektrische Leitfähigkeit ab?

Die elektrische Leitfähigkeit von Wasser hängt von mehreren Faktoren ab:

Ionenkonzentration: Je mehr Ionen im Wasser vorhanden sind, desto besser leitet es den elektrischen Strom.
Ionentyp: Verschiedene Ionen tragen unterschiedlich stark zur Leitfähigkeit bei. Mehrfach geladene Ionen (z.B. Ca²⁺) tragen stärker zur Leitfähigkeit bei als einfach geladene Ionen (z.B. Na⁺).
Temperatur: Mit steigender Temperatur nimmt die Beweglichkeit der Ionen zu, wodurch die Leitfähigkeit erhöht wird.

Zwischenaufgabe

Notiere dir die wichtigsten Eckpunkte, wie Strom fließt und unter welchen Bedingungen ein Stromfluss in Flüssigkeiten existieren kann.

Ladungstransport in destilliertem Wasser (reines Wasser H₂O

Destilliertes Wasser enthält nur sehr wenige Ionen, die durch die Autoprotolyse des Wassers entstehen:

H₂O + H₂O ⇌ H₃O⁺ + OH^-

Dieser Prozess führt zur Bildung von Hydronium- und Hydroxidionen, allerdings in sehr geringer Konzentration, sodass destilliertes Wasser kaum leitfähig ist.

Ladungstransport in Salzlösungen

Löst man ein Salz, z.B. Kochsalz NaCl, in Wasser, so wird das Kristallgitter durch das Wasser aufgespalten und die Ionen des Salzes liegen gelöst vor. Im Falle von NaCl wären das: Na⁺ und Cl^-.

Bei der Lösung von Salzen in Wasser entstehen Ionen, die für den Ladungstransport verantwortlich sind. Auch andere Salze wie CaCl₂ und Ca(OH)₂ können in Ionen zerfallen, die die elektrische Leitfähigkeit der Lösung erhöhen. Da Wasser ein Dipol ist, also sowohl eine negativ polarisierte (am Sauerstoff), als auch eine positiv-polarisierte Seite (an den Wasserstoffen) besitzt, lagert sich das Wassermolekül um die Salz-Ionen (Kationen und Anionen). Der Vorgang heißt Hydratisierung und beschreibt, wie Wassermoleküle die Ionen umgeben und stabilisieren.

Bei der Hydratisierung lagern sich mehrere Wassermoleküle mit der polarisierten Seite zum Ion. An ein negativ geladenes Anion lagern sich also die positiv-polarisierten H-Atome des Wassermoleküls und entsprechend lagern sich negativ-polarisierte Sauerstoff-Atome der Wassermoleküle um ein positiv geladenes Kation.

Die elektrische Leitfähigkeit von Salzlösungen ist direkt abhängig von der Menge und Art der gelösten Ionen. Ein höherer Salzgehalt führt zu einer höheren Leitfähigkeit. Die Hydratisierung sorgt dafür, dass die Ionen stabil in der Lösung bleiben und frei beweglich sind, um den elektrischen Strom zu transportieren.

Hartes und weiches Wasser

Um hartes und weiches Wasser chemisch zu verstehen, betrachten wir die Calcium- (Ca²⁺) und Magnesium-Ionen (Mg²⁺), die in unterschiedlichen Konzentrationen in Wasser vorkommen. Diese Ionen stammen oft aus Gesteinen wie Kalk- oder Dolomitgestein, durch die das Wasser fließt.

Gesamthärte und Karbonathärte

Die Wasserhärte wird durch den Gehalt an Härtebildnern (Calcium- und Magnesium-Ionen) bestimmt und in Grad deutscher Härte (°dH) gemessen:

• 1 °dH entspricht einer Konzentration von 10 mg Calciumoxid (CaO) pro Liter Wasser.
• Ein hoher °dH-Wert bedeutet eine hohe Konzentration an Ca²⁺- und Mg²⁺-Ionen und damit hartes Wasser.

Arten der Wasserhärte

Es gibt unterschiedliche Arten der Wasserhärte:

1. Gesamthärte: Die Gesamthärte umfasst alle gelösten Calcium- und Magnesium-Ionen im Wasser.
2. Karbonathärte (oder temporäre Härte): Dies ist der Anteil der Gesamthärte, der durch Carbonate und Hydrogencarbonate verursacht wird, wie Calciumhydrogencarbonat (Ca(HCO₃)₂). Diese Härte kann durch Kochen entfernt werden, da sich Carbonate bei Erwärmen in festes Calciumcarbonat (CaCO₃) umwandeln, das als Kalk ausfällt.
3. Nichtkarbonathärte (oder permanente Härte): Dieser Teil wird durch Sulfate wie Calciumsulfat (CaSO₄) verursacht, die auch bei Erwärmen im Wasser gelöst bleiben und zu schwer löslichen Ablagerungen führen.

Chemische Reaktion bei hartem Wasser

Bei hartem Wasser kommt es zu folgender chemischer Reaktion:

Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃ ↓ + H₂O + CO₂

Diese Reaktion zeigt, wie aus Calciumhydrogencarbonat durch Erwärmen festes Calciumcarbonat entsteht, das als Kalk CaCO₃ ↓ (der Pfeil bedeutet, dass es ausfällt) sichtbar wird.

Zusammenfassung

• Gesamthärte: Die Summe aller Ca²⁺- und Mg²⁺-Ionen im Wasser.
• Karbonathärte: Anteil der Härte, der durch Carbonate verursacht wird und durch Erhitzen entfernt werden kann.
• Nichtkarbonathärte: Bleibt auch bei Erhitzen im Wasser und führt langfristig zu schwer löslichen Ablagerungen.

Diese chemischen Prozesse sind wichtig, da hartes Wasser zu Kalkablagerungen in Geräten oder an unbeständigen Oberflächen führen kann.

Untersuchung des Wassers zuhause

Führe zuhause eine Untersuchung der Wasserhärte durch. Verwende die in der Schule bereitgestellten Teststreifen. Du findest die Teststreifen ab nächsten Montag (4.11.) in V5. Nimm dir einen Teststreifen mit und teste dein Wasser zuhause. Wie das funktioniert, steht auf der Teststreifen-Dose. Mach dir davon ein Foto. Fotografiere auch die Skala des Teststreifens, um das Experiment auswerten zu können. Dokumentiere deine Ergebnisse in einem kurzen Protokoll und beschreibe, welche Ionen das Wasser enthält und wie diese die Leitfähigkeit beeinflussen.

Stelle fest, ob dein Wasser eher hart oder weich ist, und überlege, welche Auswirkungen dies auf deinen Haushalt haben könnte. Diese Untersuchung wird dir dabei helfen, besser zu verstehen, wie die Wasserqualität deinen Alltag beeinflusst.

Vergleiche deine Ergebnisse mit jemanden aus der Klasse, der/die in einem anderen Ort wohnt.

Aufgaben:

Aufgabe 1: Beschreibe, warum destilliertes Wasser kaum leitfähig ist, während Salzwasser gut leitet.

Aufgabe 2: Erkläre, wie die Autoprotolyse des Wassers zur Leitfähigkeit von reinem Wasser beiträgt.

Aufgabe 3: Warum führt hartes Wasser oft zu Ablagerungen in Haushaltsgeräten und wie kann man diese Ablagerungen vermeiden?

Aufgabe 4: Beschreibe den Kalkkreislauf in der Natur und erkläre, wie dieser mit hartem Wasser zusammenhängt.