Elektronik Lösungen. 1 Elektrische Leitungsvorgänge.

Elektronik

Lösungen

1 Elektrische Leitungsvorgänge

1.2 Elektrische Leitung in Flüssigkeiten

1.2 Elektrische Leitung in Flüssigkeiten1.2 Elektrische Leitung in Flüssigkeiten1.2 Elektrische Leitung in Flüssigkeiten

Entsprechend dem allgemeinen Leitungsmodell müssen für einen elektrischen Leitungsvor-gang zwei Voraussetzungen erfüllt sein:



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Vorhandensein frei beweglicher (wanderungsfähiger) Ladungsträger: Bringt man in destilliertes Wasser Salze, Basen oder Säuren, so bilden sich durch Dissoziation positiv und negativ geladene Ionen, die sich in der Flüssigkeit frei bewegen können.



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Existenz eines elektrischen Feldes: Das wird durch Anlegen einer elektrischen Spannung erreicht.



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Der Verlauf des elektrischen Leitungsvorganges in Flüssigkeiten ist dadurch gekennzeich-net, dass



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sich positiv und negativ geladene Ionen in der Flüssigkeit gerichtet bewegen, dabei erfolgt mit dem Ladungstransport auch ein Stofftransport,



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die gerichtete Bewegung der Ionen durch Zusammenstöße mit anderen Ionen und Molekülen behindert wird,



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beim Leitungsvorgang elektrische Energie in thermische Energie umgewandelt wird. Die thermische Energie wird in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben.



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Leitungsvorgänge in Flüssigkeiten können überall dort auftreten, wo sich Ionen in einer Flüs- sigkeit befinden. Das ist z. B. auch bei Mineralwasser oder Leitungswasser der Fall. Deshalb:



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Vorsicht im Umgang mit Flüssigkeiten und Elektrizität!



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Vorsicht im Umgang mit Flüssigkeiten und Elektrizität!

Leitungsvorgänge in Flüssigkeiten werden z. B. bei der Elektrolyse, beim Galvanisieren oder beim Lackieren von Autoteilen genutzt.


Als Dissoziation bezeichnet man die Aufspaltung von Molekülen in kleinere Bestandteile. Dies können Atome, einfache Ionen oder Ionenverbindungen sein. Die Dissoziation von Molekülen wird durch verschiedene Vorgänge ausgelöst. Sie erfolgt beim Lösen von Stoffen in Wasser oder anderen Lösungsmitteln, kann aber auch durch hohe Temperaturen, elektrische Ströme, radioaktive oder elektromagnetische Strahlung hervorgerufen werden.

1.2 Elektrische Leitung in FlüssigkeitenNachfolgend wird als Beispiel die Dissoziation von Kochsalzkristallen in Wasser näher betrachtet. Im Kristallgefüge werden die einzelnen Natrium- und Chlorionen durch die gegenseitige elektrostatische Anziehung an ihrem Platz gehalten. Dabei sind die Natriumionen positiv und die Chlorionen negativ geladen. Gelangt ein Kochsalzkristall in Wasser, dann treten die Ionen an seiner Oberfläche in Wechselwirkung mit den Wassermolekülen. Dabei wirkt sich besonders der Dipolcharakter der Wassermoleküle aus. Darunter versteht man folgende Eigenschaft:

In den Wassermolekülen sind die Wasserstoffatome und die Sauerstoffatome mit ihren gemeinsamen Bindungselektronen so verteilt, dass ein Teil des länglichen Wassermoleküles positiv, der andere Teil negativ geladen ist. Die Wassermoleküle lagern sich daher so an die Kochsalzoberfläche an, dass ihr positiv geladener Abschnitt in Richtung Chlorionen zeigt und diese weitgehend umschließt. Andere Wassermoleküle lagern sich mit ihrem negativ geladener Teil um die Natriumionen an.

1.2 Elektrische Leitung in FlüssigkeitenDurch die Wassermoleküle werden die von den Ionen ausgehenden elektrostatischen Kräfte abgeschwächt. Die Ionen an der Oberfläche werden dadurch nicht mehr ausreichend an das Kochsalzgitter gebunden und verlassen es. Kurz darauf umschließen die Wassermoleküle die einzelnen freien Ionen vollständig. Sie bilden ein kleine Wasserhülle um sie, die man auch Solvathülle nennt. Schritt für Schritt wird nun der ganze Kristall gelöst - er dissoziiert. Die Dissoziationsgleichung lautet in diesem Fall:

NaCl Na Cl+ -® +Die einzelnen Ionen sind mit ihren Solvathüllen im Wasser nahezu frei beweglich. Ausreichend durch die geordneten Wassermoleküle ihrer Solvathüllen abgeschirmt beeinflussen sie sich - verglichen mit den Kräften im Kristallgitter - kaum noch gegenseitig.

1.2 Elektrische Leitung in FlüssigkeitenNaCl

Na+ Cl-

2H O

Na+

2H O Na+Cl-

Cl-

Cl-

Na+

Na+

Cl-

NaCl (Kochsalz) wird in H2O (Wasser) aufgelöst.

1.2 Elektrische Leitung in FlüssigkeitenNaCl

Na+ Cl-

2H O

Na+

2H O Na+Cl-

Cl-

Cl-

Na+

Na+

Cl-

NaCl (Kochsalz) wird in H2O (Wasser) aufgelöst. Dabei spaltet das Wasser die festen NaCl - Moleküle in positive Na+ - und negative Cl- - Ionen.

Na+

2H O Na+Cl-

Cl-

Cl-

Na+

Na+

Cl-

A

1.2 Elektrische Leitung in FlüssigkeitenAnode (verbunden mit dem Pluspol) und Katode (verbunden mit dem Minuspol) einer Spannungsquelle werden in die Flüssigkeit getaucht. Zur Kontrolle wird ein Ampèremeter, das den elektrischen Strom misst, in die Leitung eingeschalten.

2H O Na+

Cl-

Cl-Cl-

A

Na+

Na+ Na+ Cl-

Na+

2H O Na+Cl-

Cl-

Cl-

Na+

Na+

Cl-

A

1.2 Elektrische Leitung in FlüssigkeitenAnode (verbunden mit dem Pluspol) und Katode (verbunden mit dem Minuspol) einer Spannungsquelle werden in die Flüssigkeit getaucht. Zur Kontrolle wird ein Ampèremeter, das den elektrischen Strom misst, in die Leitung eingeschalten.

Die positiven Na+ - Ionen wandern zur Katode (Minuspol), die negativen Cl- - Ionen wandern zur Anode (Pluspol).


2H O Na+Cl-Cl-

A

Na+

Cl-

Cl-

H+

H+NaOH

NaOH

An der Anode (Pluspol) angekommen, gibt das negative Cl- - Ion sein Elektron an die Anode ab. Gleichzeitig reagiert das positve Na+ - Ion mit H2O, so dass H+ und NaOH entsteht. An der Katode (Minuspol) nimmt das positive H+ - Ion ein Elektron auf.


2H O Na+Cl-Cl-

A

Na+

Cl-

Cl-

H+

H+NaOH

NaOH


2H O Na+Cl-Cl-

A

Na+ -

-2C l

-

-

2H

NaOHNaOH

Das Elektron, das an der Anode von dem Cl- - Ion abgegeben wird, fliesst also durch das Ampèremeter zum Pluspol der Spannungsquelle, geht innerhalb der Spannungsquelle zum Minuspol und fliesst dann zur Katode, wo das Elektron dann von dem H+ - Ion aufgenommen wird.


2H O Na+Cl-Cl-

A

Na+

Cl-

Cl-

H+

H+NaOH

NaOH


2H O Na+Cl-Cl-

A

Na+ -

-2C l

-

-

2H

NaOHNaOH

Das Elektron, das an der Anode von dem Cl- - Ion abgegeben wird, fliesst also durch das Ampèremeter zum Pluspol der Spannungsquelle, geht innerhalb der Spannungsquelle zum Minuspol und fliesst dann zur Katode, wo das Elektron dann von dem H+ - Ion aufgenommen wird.

Zwei neutrale Cl - Atome verbinden sich zu Cl2 und steigen als Gas an der Anode auf.

Zwei neutrale H - Atome verbinden sich zu H2 und steigen als Gas an der Katode auf.

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