Elektrische Leitfähigkeit von Zuckerlösung und Feststoff
In diesem Versuch untersuchen wir die elektrische Leitfähigkeit von Zucker, Kochsalz (Natriumchlorid) und Kaliumchlorid im Feststoffzustand und in wässriger Lösung. Die Versuche zeigen, wie sich die Leitfähigkeit durch Dissoziation in Ionen verändert und welchen Einfluss die Löslichkeit und die Ionenbeweglichkeit auf die gemessenen Werte haben.
Versuchsaufbau und benötigte Materialien
Ihr benötigt:
- 3x Becherglas (Größe: ca. 100 mL)
- 1x Spatel
- 1x Leitfähigkeitsmessgerät
- Kochsalz (Natriumchlorid)
- Kaliumchlorid
- Zucker
- zusätzlich für Versuch 1b: 1x Becherglas (Größe: ca. 100 mL), pH-Papier, destilliertes Wasser (Spritzflasche)
Beschriftet den Versuchsaufbau. Sicherheitshinweis! Bei diesen Versuchen benötigt ihr eine Schutzbrille.
Versuch 1a: Leitfähigkeit im festen Aggregatzustand
Untersucht alle Stoffe auf Aussehen und Geruch. Überprüft die elektrische Leitfähigkeit von Zucker, Kochsalz (Natriumchlorid) und Kaliumchlorid im festen Aggregatzustand. Gebt dazu jeweils zwei Spatelspitzen von jedem der drei Stoffe in drei verschiedene Bechergläser. Messt anschließend die Leitfähigkeit der Stoffe mit dem Leitfähigkeitsmessgerät. Notiert eure Beobachtungen und Messergebnisse in der Tabelle auf der Rückseite.
Erwartete Beobachtungen im Feststoffzustand
Im festen Zustand weisen ionische Feststoffe wie Kochsalz (Natriumchlorid) und Kaliumchlorid keine freie Beweglichkeit der Ionen auf, daher erwarten wir eine sehr geringe bis keine elektrische Leitfähigkeit. Zucker (Saccharose) ist ein molekularer Feststoff ohne geladene Teilchen und sollte ebenfalls nicht leitend sein. Messt die Leitfähigkeit der Stoffe mit dem Leitfähigkeitsmessgerät und notiert die sehr niedrigen oder nicht messbaren Werte.
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Versuch 1b: Leitfähigkeit in wässriger Lösung
Für diesen Versuch benötigt ihr zusätzlich ein leeres Becherglas, pH-Papier und destilliertes Wasser. Gebt etwas destilliertes Wasser in das leere Becherglas. Überprüft die elektrische Leitfähigkeit von destilliertem Wasser.
Gebt ca. 50 mL destilliertes Wasser in das Becherglas mit dem Zucker, sodass der Zucker sich im Wasser lösen kann. Überprüft die elektrische Leitfähigkeit der Lösung.
Gebt ca. 50 mL destilliertes Wasser in das Becherglas mit dem Kochsalz (Natriumchlorid), sodass das Kochsalz sich im Wasser lösen kann. Überprüft die elektrische Leitfähigkeit der Lösung.
Gebt ca. 50 mL destilliertes Wasser in das Becherglas mit dem Kaliumchlorid, sodass es sich im Wasser lösen kann. Überprüft die elektrische Leitfähigkeit der Lösung.
Erklärungen zu den Messergebnissen
Destilliertes Wasser zeigt eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit, da kaum freie Ionen vorhanden sind. Wenn sich Kochsalz (NaCl) in Wasser löst, dissoziiert es in Na+ und Cl−, die als geladene Teilchen die elektrische Leitfähigkeit der Lösung stark erhöhen. Auch Kaliumchlorid dissoziiert in K+ und Cl− und erhöht die Leitfähigkeit der Lösung.
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Zucker (Saccharose) löst sich zwar in Wasser, bildet dabei aber keine Ionen, sodass die Leitfähigkeit der Zuckerlösung nur geringfügig gegenüber destilliertem Wasser ansteigt oder nahezu unverändert bleibt.
Quantitative Aspekte und Vergleichswerte
Die spezifische Leitfähigkeit κ einer einmolaren Kochsalzlösung bei 25°C beträgt κ(1 mol/l NaCl, 25°C) = 8,5 Ω−1·m−1. Die molare Leitfähigkeit Λ von NaCl bei 25°C berechnet sich zu Λm = κ / c = 8,5 Ω−1·m−1 / (1 mol/l) = 0,0085 m2/(Ω·mol).
Die Ionenbeweglichkeiten beeinflussen die Leitfähigkeit: υ(Na+, 18°C) = 4,4·10−8 m/s per V/m und υ(Cl−, 18°C) = 6,6·10−8 m/s per V/m. Der Temperaturkoeffizient α beträgt ca. 2% pro K, was bedeutet, dass die Leitfähigkeit mit steigender Temperatur zunimmt.
Tabelle: Vergleich typischer Messwerte und Eigenschaften
| Stoff | Aggregatzustand | In Wasser gelöst | Leitfähigkeit (qualitativ) | Bemerkung |
|---|---|---|---|---|
| Zucker (Saccharose) | fest | ja | fest: sehr gering, Lösung: kaum erhöht | molekularer Stoff, keine Ionenbildung |
| Natriumchlorid (NaCl) | fest | ja | fest: sehr gering, Lösung: stark erhöht | dissoziiert in Na+ und Cl− |
| Kaliumchlorid (KCl) | fest | ja | fest: sehr gering, Lösung: stark erhöht | dissoziiert in K+ und Cl− |
| Destilliertes Wasser | flüssig | - | sehr gering | kaum gelöste Ionen |
Praktische Hinweise zur Messung
In ein 1 Liter-Becherglas mit 2 Elektroden wird zunächst destilliertes Wasser gefüllt. Hinweis zum Aufbau: Elektroden liegen in der Lösung. Messbereich des Demo-Multimeters: 100 mA. Achtet auf die Kalibrierung des Leitfähigkeitsmessgeräts und berücksichtigt den Temperaturkoeffizienten (etwa 2% pro K) bei Vergleichsmessungen.
Notiert eure Beobachtungen und Messergebnisse in der Tabelle auf der Rückseite und beschriftet den Versuchsaufbau sorgfältig.
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Wissenschaftlicher Kontext
Die Ergebnisse dieses einfachen Experiments sind grundlegend für die Wasseranalytik und Umwelttests, denn die elektrische Leitfähigkeit ist ein Indikator für den Gehalt an gelösten Ionen in einer Probe. Photometrie, Redoxpotential und pH-Wert sind weitere wichtige Parameter in der Wasseranalytik, und unterschiedliche Messgeräte (z. B. von Herstellerfirmen wie Hanna Instruments) werden zur Bestimmung dieser Größen eingesetzt.
Für genauere Analysen und industrielle Anwendungen sind zusätzliche Parameter wie Gesamthärte, Salinität oder spezifische Ionenkonzentrationen relevant. In vielen Anwendungen wird die Leitfähigkeit direkt gemessen oder nach einer Kalibrierung in Konzentrationsangaben umgerechnet.
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