Leitfähigkeit von Elektrolytlösungen

Elektrische Leitfähigkeit von Elektrolyten

Im einem vorherigen Kapitel wurden Elektrolyte im Allgemeinen vorgestellt. Aufgrund der Leitfähigkeit von Elektrolyten und der Eigenschaft an „elektrochemischen Vorgängen“ teilzunehmen, haben Elektrolyte eine hohe Bedeutung für das Verständnis der Elektrochemie.

Die wesentliche Eigenschaft von Elektrolyten ist ihre elektrische Leitfähigkeit. Bei Elektrolyten wird der Ladungstransport (elektrischer Strom) über freibewegliche Ionen ermöglicht, bei Metallen hingegen erfolgt der Ladungstransport über freibewegliche Elektronen. Da Elektronen im Vergleich zu Ionen weniger beweglich sind, haben Elektrolyte in der Regel eine geringere Leitfähigkeit als Metalle.

Gesetzmäßigkeiten bei Elektrolyten

Wie auch bei metallischen Leitern gilt auch bei Elektrolyten bzw. Elektrolytlösungen das Ohmsche Gesetz. So hat jede Elektrolytlösung auch einen Widerstand, der mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes bestimmt werden kann.(R = U : I). Wie auch bei metallischen Leitern ist der Widerstand einer Elektrolytlösung unter anderem abhängig von der Spannung, die an der Elektrolytlösung angelegt wird.

Ebenso kann für eine Elektrolytlösung der spezifische Widerstand als auch -dessen Kehrwert- die elektrische Leitfähigkeit berechnet werden. Bei der elektrischen Leitfähigkeit von Elektrolytlösungen gilt, dass dieses umso größer ist

  • Je höher die Elektrolytkonzentration bzw. Konzentration der Ionen ist
  • Je beweglicher die Ionen in der Elektrolytlösung sind
  • Je höher die Ladung der Ionen ist

Da die elektrische Leitfähigkeit bei Elektrolytlösungen konzentrationsabhängig ist, hat man hier eine weitere Größe eingeführt, die molare Leitfähigkeit. Diese Größe entspricht dem Quotienten aus Leitfähigkeit und Konzentration der Elektrolytlösung. Somit können unterschiedliche Elektrolytlösungen miteinander vergleichen werden.

Elektrolytlösungen im elektrischen Feld

Taucht man zwei Metallstäbe, die mit einer Spannungsquelle zu einem geschlossenen, elektrischen Stromkreis verbunden sind, in eine Elektrolytlösung, so bildet sich zwischen den beiden Metallstäben ein elektrisches Feld aus. Die elektrische Feldstärke lässt sich durch E = U : l (l = Abstand der Metallstäbe zueinander) bestimmen. Aufgrund dieses elektrischen Feldes wird auf die elektrisch geladenen Teilchen (den Ionen) eine Kraft ausgeübt. Dies führt dazu, dass die positiv geladenen Kationen zum negativen Pol und die negativ geladenen Anionen zum positiven Pol wandern. Dieses Phänomen bezeichnet man als Ionenwanderung oder Migration. Diese Migration ist unter anderem abhängig von Temperatur und verwendetem Lösungsmittel.

Leitfähigkeit von Elektrolytlösungen in Abhängigkeit der Konzentration

Starke Elektrolyte
Untersucht man für starke Elektrolyte die Leitfähigkeit in Abhängigkeit der Konzentration, so lässt sich feststellen, dass die „Leitfähigkeitskurve“ anders verläuft, als man im ersten Moment erwartet:

Zu Beginn nimmt die Leitfähigkeit mit steigender Konzentration an Elektrolyt zu, bis sie bei hohen Elektrolytlösgen ein Maximum erreicht. Bei weiter steigender Konzentration an Elektrolytlösung nimmt die Leitfähigkeit aber wieder ab.

Dieses Phänomen lässt sich so erklären, dass mit steigender Konzentration (ab einer bestimmten Konzentration) die Beweglichkeit der Ionen abnimmt. Darüber hinaus können sich die Ionen so nahe kommen, dass zwischen den Kationen und Anionen eine coulombsche Anziehungskraft eintrifft. Dies führt ebenfalls zu einer Einschränkung der Ionenbeweglichkeit. Warum aber die Leitfähigkeit ab einer bestimmten Konzentration stark abnimmt, lasst sich damit begründen, dass die Anziehungskräfte zwischen Anion und Kation (bei hoher Konzentration, so dass sich die Ionen sehr nahe kommen) bewirken, dass  sich ein Ionenpaar bildet. Im Gegensatz zu den einzelnen Ionen sind diese Ionenpaare elektrisch neutral und leisten somit keinen Beitrag mehr zur Leitfähigkeit, wodurch die Leitfähigkeit stark abnimmt.

Schwache Elektrolyte
Untersucht man die Leitfähigkeit von schwachen Elektrolyten in Abhängigkeit der Konzentration des Elektrolyten, lässt sich ein ähnliches Verhalten wie bei starken Elektrolyten beobachten.




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Elektrochemie