Warum führt elektrolytische Dissoziation zur Leitfähigkeit?

Die elektrolytische Dissoziation ermöglicht elektrische Leitfähigkeit, weil sie in einer Lösung bewegliche Ionen bereitstellt. Diese positiv oder negativ geladenen Teilchen transportieren elektrische Ladung, sobald ein elektrisches Feld anliegt. Entscheidend ist also nicht allein, dass ein Stoff in Wasser gelöst ist, sondern dass dabei bewegliche Ladungsträger vorhanden sind.

Das lässt sich an Kochsalz und Zucker gut unterscheiden: Beide lösen sich in Wasser. Kochsalz liefert jedoch Natrium- und Chloridionen, während Zucker überwiegend als ungeladene Moleküle vorliegt. Eine Kochsalzlösung leitet daher deutlich besser als eine Zuckerlösung in vergleichbar reinem Wasser.

Was bei der Dissoziation von Kochsalz passiert

Elektrolytische Dissoziation bezeichnet die Auftrennung eines Elektrolyten in Ionen. Beim Lösen eines Salzes werden bereits vorhandene Ionen aus dem Kristallverband herausgelöst. Es werden dabei nicht erst neutrale Salzteilchen durch einen elektrischen Strom aufgeladen.

Festes Natriumchlorid besteht aus positiv geladenen Natriumionen und negativ geladenen Chloridionen. Diese sitzen in einem geordneten Ionengitter. Die Anziehung zwischen den entgegengesetzten Ladungen hält den Kristall zusammen.

Wasser besteht aus polaren Molekülen: Innerhalb eines Wassermoleküls ist die elektrische Ladung ungleich verteilt. Wassermoleküle können sich an die Ionen anlagern und diese umgeben. Diese Umhüllung heißt Hydratation. Unter geeigneten Bedingungen werden die Ionen dadurch aus dem Gitter gelöst und in der Flüssigkeit stabilisiert.

Für Kochsalz lässt sich der Vorgang so schreiben:

NaCl (s) → Na⁺ (aq) + Cl⁻ (aq)

Das Kürzel s steht für den festen Zustand. Die Kennzeichnung aq bedeutet, dass die Ionen in Wasser gelöst und von Wassermolekülen umgeben sind. Aus einer Formeleinheit Natriumchlorid geht jeweils ein Natriumion und ein Chloridion hervor.

Die Lösung bleibt insgesamt elektrisch neutral: Die positiven und negativen Ladungen gleichen sich aus. Elektrische Neutralität bedeutet aber nicht, dass keine geladenen Teilchen vorhanden sind. Sie beschreibt nur die Gesamtbilanz ihrer Ladungen.

Wie aus beweglichen Ionen ein elektrischer Strom wird

Ohne angelegte Spannung bewegen sich gelöste Ionen durch ihre Wärmebewegung ungeordnet. Daraus entsteht im Mittel kein gerichteter elektrischer Strom. Erst ein elektrisches Feld gibt ihrer Bewegung eine bevorzugte Richtung.

In einer einfachen Elektrolysezelle mit Gleichspannung wandern die positiv geladenen Kationen zur negativen Elektrode, der Kathode. Die negativ geladenen Anionen bewegen sich zur positiven Elektrode, der Anode. Ihrer ungeordneten Bewegung überlagert sich also eine gerichtete Drift.

Obwohl die beiden Ionensorten in entgegengesetzte Richtungen wandern, tragen beide zum Strom bei. Der Grund: Sie besitzen entgegengesetzte Ladungen. Eine negative Ladung, die nach links wandert, entspricht hinsichtlich der technischen Stromrichtung einer positiven Ladung, die nach rechts wandert. Die Beiträge heben sich deshalb nicht auf.

Du kannst den Zusammenhang in drei gedankliche Schritte zerlegen:

1. Die Dissoziation stellt gelöste, bewegliche Ionen bereit.
2. Ein angelegtes elektrisches Feld bewirkt eine gerichtete Bewegung dieser Ionen.
3. Die Ionenbewegung transportiert elektrische Ladung durch die Lösung.

Damit ist auch der Unterschied zwischen Leitfähigkeit und fließendem Strom klar: Eine Salzlösung besitzt ihre Leitfähigkeit bereits ohne angeschlossene Spannungsquelle. Ein gerichteter Strom fließt erst unter passenden elektrischen Bedingungen.

Warum festes Salz nicht wie eine Salzlösung leitet

Festes Kochsalz enthält zwar geladene Teilchen, diese sind im Kristallgitter aber weitgehend an ihre Plätze gebunden. Unter gewöhnlichen Bedingungen können sie nicht frei durch den Festkörper wandern. Für eine gute elektrische Leitung reicht die bloße Anwesenheit von Ladungen somit nicht aus.

Beim Lösen in Wasser wird diese räumliche Bindung aufgehoben. Die hydratisierten Ionen können sich durch die Flüssigkeit bewegen und Ladung transportieren. Auch geschmolzenes Natriumchlorid leitet durch bewegliche Ionen, obwohl dabei kein Wasser vorhanden ist. Eine Salzschmelze ist allerdings kein geeigneter Versuch für zu Hause.

In Metallen funktioniert die Leitung anders: Dort übernehmen bewegliche Elektronen den Ladungstransport. In einer gewöhnlichen wässrigen Salzlösung sind hingegen die Ionen die maßgeblichen Ladungsträger. Die Elektronen im angeschlossenen Metalldraht und die Ionen in der Lösung erfüllen also verwandte Aufgaben, bewegen sich aber in unterschiedlichen Teilen des Stromkreises.

Salzwasser, Zuckerwasser und reines Wasser im Vergleich

Ob eine Lösung Strom leitet, hängt von den gelösten Teilchen ab. Dass ein Stoff nicht mehr sichtbar ist, beweist noch keine Dissoziation.

• Kochsalzlösung enthält bewegliche Natrium- und Chloridionen. Sie besitzt eine deutlich höhere Leitfähigkeit als das dafür verwendete reine Wasser.
• Zuckerlösung enthält überwiegend ungeladene Zuckermoleküle. Zucker liefert beim gewöhnlichen Lösen keine vergleichbare Menge zusätzlicher Ionen und erhöht die Leitfähigkeit daher nicht wie Kochsalz.
• Sehr reines Wasser enthält nur geringe Mengen an Oxonium- und Hydroxidionen aus der Eigenreaktion des Wassers. Seine Leitfähigkeit ist sehr niedrig, aber nicht exakt null.
• Leitungswasser enthält gelöste Ionen, etwa Calcium-, Magnesium- und Hydrogencarbonationen. Es leitet daher meist deutlich besser als sehr reines Wasser.

Bei destilliertem Wasser kommt eine praktische Grenze hinzu: Es kann beim Kontakt mit Luft und Gefäßen Stoffe aufnehmen. Gelöstes Kohlenstoffdioxid und Verunreinigungen verändern die Zusammensetzung und damit die Leitfähigkeit. Eine messbare Leitfähigkeit widerlegt also nicht automatisch, dass Wasser zuvor destilliert wurde.

Umgekehrt lässt sich aus guter Leitfähigkeit nicht ableiten, welcher Stoff gelöst ist. Verschiedene Ionen können zu einem ähnlichen Messwert beitragen. Ein Leitfähigkeitsmessgerät identifiziert deshalb weder einzelne Salze noch zuverlässig die Trinkwasserqualität.

Warum nicht jede Elektrolytlösung gleich gut leitet

Die Dissoziation erklärt, woher die Ladungsträger kommen. Wie hoch die Leitfähigkeit ausfällt, hängt zusätzlich von ihrer Anzahl, Ladung und Beweglichkeit sowie von der Temperatur ab.

Ionenkonzentration und Dissoziationsgrad

In verdünnten Lösungen eines starken Elektrolyten wie Natriumchlorid liegt der gelöste Stoff weitgehend in Form von Ionen vor. Bei schwachen Elektrolyten bleibt unter den jeweiligen Bedingungen ein erheblicher Anteil undissoziiert beziehungsweise ungeladen. Bei gleicher eingesetzter Stoffmengenkonzentration stehen dann nicht automatisch gleich viele Ladungsträger zur Verfügung.

Ein bekanntes Beispiel für einen schwachen Elektrolyten ist Essigsäure. Sie reagiert nur teilweise mit Wasser zu Acetat- und Oxoniumionen. Ihre Lösung enthält deshalb sowohl ungeladene Essigsäuremoleküle als auch Ionen.

Mehr gelöstes Salz erhöht bei vielen Elektrolyten zunächst die spezifische Leitfähigkeit, weil mehr Ladungsträger pro Volumen vorhanden sind. Diesen Zusammenhang solltest du jedoch nicht unbegrenzt fortschreiben: In konzentrierten Lösungen beeinflussen sich die Ionen stärker, und ihre Beweglichkeit verändert sich. Die Leitfähigkeit steigt daher nicht allgemein proportional zur Salzmenge.

Ionenbeweglichkeit und Temperatur

Verschiedene Ionen bewegen sich in Wasser unterschiedlich leicht. Ihre Wechselwirkung mit den Wassermolekülen spielt dabei eine Rolle. Die reine Anzahl der Ionen reicht deshalb nicht aus, um die Leitfähigkeit zweier unterschiedlicher Elektrolytlösungen vorherzusagen.

Auch die Temperatur verändert den Ladungstransport. Bei vielen wässrigen Elektrolytlösungen nimmt die Leitfähigkeit mit steigender Temperatur zu, unter anderem weil die Flüssigkeit weniger zähflüssig wird und sich Ionen leichter bewegen können. Ein fairer Vergleich verlangt daher dieselbe Temperatur oder eine geeignete Temperaturkompensation des Messgeräts.

Außerdem solltest du Leitfähigkeit und gemessenen elektrischen Leitwert unterscheiden: Der Leitwert einer Messanordnung hängt auch vom Elektrodenabstand und von der wirksamen Elektrodenfläche ab. Die spezifische Leitfähigkeit beschreibt dagegen die Lösung unter festgelegten Bedingungen unabhängig von dieser Messgeometrie.

Dissoziation, Ionisation und Elektrolyse sind nicht dasselbe

Beim Lösen von Natriumchlorid werden vorhandene Ionen getrennt. Bei molekularen Säuren entstehen Ionen dagegen durch eine Reaktion mit Wasser. Im Unterricht werden beide Vorgänge häufig im Zusammenhang mit elektrolytischer Dissoziation behandelt; genauer lässt sich beim zweiten Vorgang von Ionisation beziehungsweise einer Säure-Base-Reaktion sprechen.

Chlorwasserstoff reagiert beispielsweise mit Wasser zu Oxonium- und Chloridionen:

HCl + H₂O → H₃O⁺ + Cl⁻

Für die Leitfähigkeit zählt das gemeinsame Ergebnis: In der Lösung liegen bewegliche geladene Teilchen vor. Die Entstehungsweise dieser Ionen ist jedoch unterschiedlich.

Elektrolyse bezeichnet wiederum eine durch elektrischen Strom angetriebene chemische Umsetzung an den Elektroden. Sie ist nicht der Vorgang, der beim gewöhnlichen Auflösen von Kochsalz zunächst die Ionen freisetzt. Für einen dauerhaft fließenden Gleichstrom müssen geeignete Elektrodenreaktionen den Ladungsaustausch zwischen Lösung und äußerem Stromkreis ermöglichen. Ohne passenden Ladungsaustausch kann sich der Strom auf einen kurzen Ladeeffekt beschränken.

Die Aussage, dass eine Lösung leitfähig ist, legt außerdem noch nicht fest, welche Stoffe an ihren Elektroden entstehen. Das hängt unter anderem vom Elektrolyten, vom Elektrodenmaterial und von den Betriebsbedingungen ab.

Wie du den Zusammenhang mit einer Messung nachvollziehst

Ein Vergleich von Wasser, Zuckerwasser und Salzwasser kann den Unterschied zwischen Lösen und Dissoziieren sichtbar machen. Dafür eignet sich ein für wässrige Lösungen bestimmtes Leitfähigkeitsmessgerät. Ein selbst gebauter Versuch mit Netzspannung ist ungeeignet und gefährlich.

Für einen einfachen qualitativen Vergleich gehst du so vor:

1. Verteile dasselbe möglichst reine Wasser auf drei saubere Gefäße. Halte die Proben auf möglichst gleicher Temperatur.
2. Lass eine Probe unverändert. Löse in der zweiten etwas Zucker und in der dritten etwas Kochsalz vollständig auf. Verwende keine unbekannten Stoffe oder Reinigungsmittel.
3. Miss zuerst das unveränderte Wasser und anschließend die Zuckerlösung. Spüle die Sonde zwischen den Proben entsprechend der Geräteanleitung mit reinem Wasser.
4. Miss die Salzlösung zuletzt, damit verschleppte Salzreste die anderen Proben möglichst wenig beeinflussen.
5. Vergleiche die Anzeigen qualitativ. Die Salzlösung sollte gegenüber dem Ausgangswasser einen klaren Anstieg zeigen. Die Zuckerlösung sollte keinen vergleichbaren Anstieg durch den Zucker selbst zeigen.

Zeigt schon das Ausgangswasser einen hohen Wert, kommen gelöste Stoffe im Wasser oder Rückstände im Gefäß infrage. Steigt der Wert der Zuckerlösung unerwartet stark, sind Verunreinigungen oder verschleppte Salzreste mögliche Erklärungen. Das Messergebnis allein beweist keine bestimmte Ursache.

Mit diesem Vergleich erhältst du keinen exakten Dissoziationsgrad und keine allgemeine Rangfolge aller Lösungen. Er veranschaulicht aber den entscheidenden Unterschied: Das Auflösen macht einen Stoff nicht automatisch zum elektrischen Leiter. Für elektrolytische Leitung braucht die Flüssigkeit bewegliche Ionen, die im elektrischen Feld Ladung transportieren können.