Formeln - Didaktik der Chemie

Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Physikalische Chemie
15.12.2010
Andreas Struller, Lehramt für Berufliche Schulen Metalltechnik/Chemie, Sem. 5
Fachbetreuer PC: Dr. Rosenfeldt; Fachbetreuer Didaktik: AkadOR Wagner
Leitfähigkeit durch Ionen
Einleitung:
Alltagsproblem: Am Ende der Woche stapeln sich die Trinkwasserpfandflaschen in der Wohnung;
Idee: Einfach das Wasser aus der Leitung trinken
Doch wie ist die Trinkwasserqualität in Bayreuth?
 Auszug aus der Trinkwasseranalyse heruntergeladen
Was sagt aber nun der Parameter Leitfähigkeit über die Qualität des Wassers aus?
1.Bewegliche Ladungsträger im Wasser
Experiment: Warum leitet Leitungswasser den elektrischen Strom
erkennbar viel besser als das vollentsalzte Wasser?
 Im Leitungswasser sind Salze gelöst, die in Ionen dissoziiert sind
Ionen sind im Leitungswasser die beweglichen Ladungsträger
2. Spezifische Leitfähigkeit von Elektrolytlösungen
Der Widerstand einer Elektrolytlösung nimmt mit der Leiterlänge l zu und mit steigendem
Querschnitt A ab.
l
R  ρ
(ρ ist der spezifische Widerstand)
A
Die spezifische Leitfähigkeit κ einer Substanz ist der Kehrwert des spez.Widerstands. Es gilt also:
l
1 l
R
umgestellt nach der spez. Leitfähigkeit: κ 
AR
κA
3. Ionenbeweglichkeit
Man stelle sich ein Ion im Einfluss eines homogen elektrischen Feldes vor.
Der Abstand der beiden Elektroden sei l, die Potentialdifferenz U.
E
U
l
Dieses Feld bewirkt auf ein Ion mit der Ladung z*e eine Kraft:
FE  z  e  E
Ionen unterliegen einer Reibungskraft, wenn sie sich in wässriger Lösung bewegen:
FR  6  π  η  r  v
Die konstante Transportgeschwindigkeit ist erreicht, wenn FE  FR
v 
z  e E
6     r
Die Ionenbeweglichkeit u ergibt sich zu:
u 
v
ze

E
6π  η  r
4. Elektrolytische Leitfähigkeit
Wir beziehen uns auf einen binären Elektrolyten, der nur aus zwei Ionensorten besteht.
Es liegt also folgende Dissoziationsreaktion vor:
AB  ν+ A z+ + ν– B zEs fließt folgender Strom durch den Elektrolyten (ohne Herleitung):
UA
I  F  ( ν   c  z   u   ν   z c  u  ) 
l
U
Liegt eine Wechselspannung an, gilt: I 
R
Ersetzt man die Stromstärke durch den Quotienten aus Spannung und Widerstand ergibt sich folgende
Gleichung:
1
A
 F  ( ν   c  z   u   ν   z c  u  ) 
R
l
Löst man die spezifische Leitfähigkeit nach 1/R auf und setzt widerum ein, erhält man die spezifische
Leitfähigkeit einer binären Elektrolytlösung:
κ  F  c  (ν   z   u   ν   z   u  )
Im Leitungswasser nicht nur zwei Sorten von Ionen gelöst, sondern einige mehr
Gesamtleitfähigkeit setzt additiv aus den Leitfähigkeiten der einzelnen Ionen zusammen
5. Zusammenfassung und Ausblick
Die spezifische Leitfähigkeit eines Elektrolyten ist durch
 Konzentration
 Wertigkeit
 Beweglichkeit der einzelnen Ionen
festgelegt.
 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
 Hier in Bayreuth kommt sehr gutes Wasser aus der Leitung!
6. Literatur
Atkins/Paula, Physikalische Chemie, Wiley-Vch, Weinheim 2006
Wedler, Lehrbuch der Physikalischen Chemie, Wiley-Vch, Weinheim 2004
Gerhart Jander, Karl Friedrich Jahr, Gerhard Schulze Maßanalyse
http://www.aquacare.de/info/veroeff/lf1/lf1.htm, 2.12.2010
http://www.chempage.de/lexi/leitfaehigkeit.htm, 2.12.2010
http://www.bew-energie.de/, 29.11.10