Ionen: elektrische Leitfähigkeit von Salzlösungen

Einstieg: Warum leitet Salzwasser, Zuckerwasser aber nicht?

Elektrische Geräte haben im Badezimmer nichts zu suchen, weil Wasser „den Strom leitet“. Prüfst du das genau nach, erlebst du eine Überraschung: Destilliertes Wasser leitet den Strom kaum. Gibst du Zucker dazu, ändert sich nichts. Gibst du aber eine Prise Kochsalz dazu, leuchtet das Lämpchen im Stromkreis hell auf. Was bringt das Salz ins Wasser, das der Zucker nicht hat?

Versuch: Leitfähigkeit untersuchen

Material: Stromversorgung mit Kleinspannung (höchstens 12 V Gleichspannung), Lämpchen oder Strommessgerät, zwei Elektroden aus Graphit oder Edelstahl, Bechergläser, destilliertes Wasser, Zucker, Kochsalz, ein Kochsalzkristall, Schutzbrille.

Durchführung: Tauche die Elektroden nacheinander in die Proben und beobachte das Lämpchen. Spüle die Elektroden zwischen den Messungen mit destilliertem Wasser ab.

Probe	Lämpchen
destilliertes Wasser	leuchtet nicht
Zucker, fest	leuchtet nicht
Zuckerlösung	leuchtet nicht
Kochsalz, fest (Elektroden auf den Kristall gedrückt)	leuchtet nicht
Kochsalzlösung	leuchtet hell
Kochsalzschmelze (Lehrerversuch, über 801 °C, oder Video)	leuchtet

Sicherheit: Nur Kleinspannung aus dem Netzgerät der Schule, nie Netzspannung. Elektroden nicht berühren, solange Spannung anliegt. Bei längerer Messung an Kochsalzlösung entsteht an einer Elektrode etwas Chlor, deshalb nur kurz messen und lüften.

Erklärung: Ionen als bewegliche Ladungsträger

Elektrischer Strom ist die gerichtete Bewegung von Ladungsträgern. In Metalldrähten sind das Elektronen. In der Kochsalzlösung muss es geladene Teilchen geben, die sich zwischen den Elektroden bewegen können. Diese Teilchen heißen Ionen.

• Kationen sind positiv geladene Ionen. Sie wandern zum Minuspol (Kathode). Beispiel: Natrium-Ion $\mathrm{Na^{+}}$.
• Anionen sind negativ geladene Ionen. Sie wandern zum Pluspol (Anode). Beispiel: Chlorid-Ion $\mathrm{Cl^{-}}$.

Kochsalz (Natriumchlorid) ist aus Natrium-Ionen und Chlorid-Ionen aufgebaut. Im festen Kristall sitzen die Ionen auf festen Plätzen und können nicht wandern, deshalb leitet festes Salz nicht. In der Lösung und in der Schmelze sind die Ionen frei beweglich. Zucker dagegen besteht aus ungeladenen Molekülen und leitet weder fest noch gelöst.

Wie entstehen Ionen?

Ionen entstehen aus Atomen durch Abgabe oder Aufnahme von Elektronen. Aus dem Atombau weißt du: Atome der Hauptgruppenelemente erreichen so die energetisch günstige Edelgaskonfiguration.

$\mathrm{Na} \longrightarrow \mathrm{Na^{+}} + \mathrm{e^{-}}$

$\mathrm{Cl} + \mathrm{e^{-}} \longrightarrow \mathrm{Cl^{-}}$

Die Ladung eines Ions schreibt man rechts oben an das Symbol. Die Zahl steht vor dem Vorzeichen: $\mathrm{Mg^{2+}}$, $\mathrm{O^{2-}}$. Die Ladung 1 schreibt man nicht: $\mathrm{Na^{+}}$.

Ion	Name	Protonen	Elektronen
$\mathrm{Na^{+}}$	Natrium-Ion	11	10
$\mathrm{Mg^{2+}}$	Magnesium-Ion	12	10
$\mathrm{Al^{3+}}$	Aluminium-Ion	13	10
$\mathrm{Cl^{-}}$	Chlorid-Ion	17	18
$\mathrm{O^{2-}}$	Oxid-Ion	8	10
$\mathrm{S^{2-}}$	Sulfid-Ion	16	18

Negative Ionen von Nichtmetallen erhalten die Endung -id: Chlorid, Bromid, Iodid, Fluorid, Oxid, Sulfid, Nitrid.

Beispiele

Beispiel 1: Calcium-Ion

Calcium steht in der II. Hauptgruppe und hat die Elektronenverteilung 2, 8, 8, 2. Es gibt die 2 Valenzelektronen ab und erreicht die Argonkonfiguration (2, 8, 8). Ladung: 20 Protonen minus 18 Elektronen ergibt 2+.

$\mathrm{Ca} \longrightarrow \mathrm{Ca^{2+}} + 2\,\mathrm{e^{-}}$

Beispiel 2: Leitfähigkeit vorhersagen

Leitet eine Lösung von Kaliumbromid den Strom? Kalium ist ein Metall, Brom ein Nichtmetall. Ihre Verbindung ist aus Kalium-Ionen $\mathrm{K^{+}}$ und Bromid-Ionen $\mathrm{Br^{-}}$ aufgebaut. In Wasser gelöst werden die Ionen beweglich. Die Lösung leitet.

Merksatz

Ionen sind elektrisch geladene Teilchen. Metallatome geben Elektronen ab und werden zu positiven Kationen, Nichtmetallatome nehmen Elektronen auf und werden zu negativen Anionen. Dabei erreichen sie meist Edelgaskonfiguration. Stoffe aus Ionen leiten den Strom nur, wenn die Ionen beweglich sind, also in Lösung oder Schmelze.

Übungen

Grundlagen

1. Erkläre den Unterschied zwischen einem Atom und einem Ion am Beispiel von Natrium.
2. Gib Symbol und Ladung der Ionen an, die Kalium, Magnesium, Fluor und Schwefel bilden, und benenne sie.
3. Erkläre, warum festes Kochsalz den Strom nicht leitet, Kochsalzlösung aber schon.

Weiter

4. Stelle die Gleichungen für die Bildung des Aluminium-Ions und des Oxid-Ions auf.
5. Bestimme Protonen und Elektronen in $\mathrm{K^{+}}$, $\mathrm{Br^{-}}$ und $\mathrm{N^{3-}}$.
6. Leitungswasser leitet den Strom etwas, destilliertes Wasser kaum. Erkläre den Unterschied.

Knobeln

7. Plane einen Versuch, mit dem du zeigst, dass sich in einer Lösung positive und negative Teilchen in verschiedene Richtungen bewegen. Tipp: Es gibt farbige Ionen, zum Beispiel das blaue Kupfer-Ion.
8. Natrium-Ion und Neonatom haben gleich viele Elektronen. Erkläre, warum ein Natrium-Ion trotzdem kleiner ist als ein Natriumatom.

Lösungen

1. Das Natriumatom hat 11 Protonen und 11 Elektronen und ist neutral. Das Natrium-Ion hat ein Elektron abgegeben: 11 Protonen, 10 Elektronen, Ladung 1+.
2. $\mathrm{K^{+}}$ Kalium-Ion, $\mathrm{Mg^{2+}}$ Magnesium-Ion, $\mathrm{F^{-}}$ Fluorid-Ion, $\mathrm{S^{2-}}$ Sulfid-Ion.
3. Im festen Salz sitzen die Ionen auf festen Plätzen und können nicht wandern. In der Lösung sind sie frei beweglich und transportieren Ladung zu den Elektroden.
4. $\mathrm{Al} \longrightarrow \mathrm{Al^{3+}} + 3\,\mathrm{e^{-}}$ und $\mathrm{O} + 2\,\mathrm{e^{-}} \longrightarrow \mathrm{O^{2-}}$
5. $\mathrm{K^{+}}$: 19 Protonen, 18 Elektronen. $\mathrm{Br^{-}}$: 35 Protonen, 36 Elektronen. $\mathrm{N^{3-}}$: 7 Protonen, 10 Elektronen.
6. Leitungswasser enthält gelöste Salze, also Ionen, zum Beispiel Calcium-, Magnesium- und Hydrogencarbonat-Ionen. Destilliertes Wasser enthält kaum Ionen.
7. Ein mit Kochsalzlösung getränkter Filterpapierstreifen liegt auf einem Objektträger, an beiden Enden Elektroden mit Kleinspannung. In die Mitte gibt man einen Tropfen Kupfersulfatlösung. Nach einigen Minuten wandert der blaue Fleck zum Minuspol: Die blauen Kupfer-Ionen sind positiv geladen. Kupfersulfat ist gesundheitsschädlich und umweltgefährlich, deshalb nur einen Tropfen verwenden, Handschuhe tragen und Reste getrennt entsorgen.
8. Das Natriumatom hat drei besetzte Schalen, das Natrium-Ion nach Abgabe des Außenelektrons nur noch zwei. Außerdem ziehen 11 Protonen die 10 Elektronen stärker zusammen. Das Ion ist deshalb deutlich kleiner.