Warum leiten Ionen im Wasser Elektrizität?

Warum leiten Ionen im Wasser Elektrizität? – Ein tieferer Blick in die elektrolytische Leitfähigkeit

Reines Wasser ist ein hervorragender Isolator. Die gängige Aussage, dass Wasser Strom leitet, ist daher nur bedingt richtig und hängt entscheidend von seinem Reinheitsgrad ab. Der Schlüssel zum Verständnis liegt in den gelösten Ionen. Während reines H₂O nur in minimalem Umfang in Hydronium- (H₃O⁺) und Hydroxid-Ionen (OH⁻) dissoziiert – ein Prozess, der als Autoprotolyse bekannt ist –, ist diese Eigenleitfähigkeit verschwindend gering. Erst die Anwesenheit freier, beweglicher Ladungsträger, eben dieser Ionen, ermöglicht einen messbaren Stromfluss.

Diese Ionen verhalten sich wie winzige, geladene Kugeln, die sich im Wasser frei bewegen können. Wird ein elektrisches Feld angelegt – beispielsweise durch Anlegen einer Spannung an zwei Elektroden im Wasser –, werden diese Ionen von dem Feld beeinflusst. Positive Ionen (Kationen) wandern zur negativ geladenen Kathode, während negative Ionen (Anionen) zur positiv geladenen Anode driften. Dieser gerichtete Ionenstrom stellt den elektrischen Strom dar. Je höher die Konzentration der Ionen im Wasser, desto mehr Ladungsträger stehen zur Verfügung und desto besser leitet das Wasser Elektrizität.

Die Konzentration dieser Ionen wird maßgeblich durch gelöste Stoffe beeinflusst. Salze wie Natriumchlorid (NaCl) dissoziieren vollständig in Wasser und liefern eine große Anzahl an Natrium- (Na⁺) und Chlorid-Ionen (Cl⁻). Diese Ionen erhöhen die Leitfähigkeit drastisch. Ähnliches gilt für Säuren und Basen, die ebenfalls in Ionen dissoziieren und somit die Anzahl der Ladungsträger im Wasser erhöhen. Starke Säuren und Basen, die vollständig dissoziieren, führen zu einer höheren Leitfähigkeit als schwache Säuren und Basen, die nur teilweise dissoziieren.

Die elektrolytische Leitfähigkeit von Wasser wird daher nicht nur durch die Ionenkonzentration, sondern auch durch die Art der Ionen und deren Beweglichkeit beeinflusst. Größere Ionen bewegen sich langsamer als kleinere und beeinflussen die Leitfähigkeit entsprechend. Die Temperatur spielt ebenfalls eine Rolle, da höhere Temperaturen die Beweglichkeit der Ionen erhöhen und somit die Leitfähigkeit steigern.

Zusammenfassend lässt sich sagen: Die Leitfähigkeit von Wasser ist direkt proportional zur Konzentration und Beweglichkeit der darin gelösten Ionen. Reines Wasser leitet nur minimal Strom aufgrund seiner geringen Eigenionisierung. Erst die Zugabe von Salzen, Säuren oder Basen führt zu einer signifikanten Erhöhung der Leitfähigkeit, da diese Stoffe die Anzahl der beweglichen Ladungsträger im Wasser drastisch erhöhen und somit den elektrischen Stromfluss ermöglichen. Dieses Prinzip findet breite Anwendung in verschiedenen Bereichen, von der Elektrolyse bis hin zur Messung der Wasserqualität.