Leitfähigkeit im Schülerlabor
AFB I–IIEine Gruppe prüft verschiedene Proben mit zwei Elektroden, einer Spannungsquelle und einem Strommessgerät. Die Tabelle zeigt ihre Messwerte.
| Probe | Stromstärke |
|---|---|
| destilliertes Wasser | 0,1 mA |
| Leitungswasser | 2 mA |
| Zuckerlösung | 0,1 mA |
| Natriumchlorid, fest | 0 mA |
| Natriumchlorid-Lösung | 45 mA |
| Lithiumchlorid-Schmelze | 80 mA |
- Entnimm der Tabelle, welche Proben den Strom gut leiten.
- Deute die Messwerte für festes Natriumchlorid und für Natriumchlorid-Lösung im Teilchenmodell.
- Stelle die Vorgänge in der Natriumchlorid-Lösung zwischen den Elektroden dar (Skizze oder Text).
- Begründe, warum Leitungswasser einen kleinen Strom leitet, destilliertes Wasser dagegen kaum.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Gut leiten die Natriumchlorid-Lösung (45 mA) und die Lithiumchlorid-Schmelze (80 mA). Leitungswasser leitet nur schwach (2 mA), die übrigen Proben praktisch nicht.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Im festen Natriumchlorid sitzen Na⁺ und Cl⁻ fest auf ihren Gitterplätzen, es gibt keine beweglichen Ladungsträger: 0 mA. In der Lösung sind die Ionen aus dem Gitter gelöst und frei beweglich; sie transportieren Ladung: 45 mA.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Na⁺-Ionen wandern zur negativen Elektrode (Minuspol), Cl⁻-Ionen zur positiven Elektrode (Pluspol). Die Wanderung der Ionen in entgegengesetzte Richtungen ist der elektrische Strom in der Lösung; in den Drähten fließen Elektronen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Leitungswasser enthält gelöste Mineralsalze, also bewegliche Ionen, wenn auch nur wenige — daher ein kleiner Strom. Destilliertes Wasser ist fast ionenfrei und leitet deshalb kaum.
Salz oder Metall im Heizstab?
AFB II–IIIEin Schmied schlägt auf ein Stück Kupfer und auf einen Steinsalz-Kristall: Das Kupfer wird flach, der Kristall zerspringt. In Heizstäben von Wasserkochern liegt der glühende Heizdraht in einem Metallrohr, dazwischen ist ein Salzpulver als elektrischer Isolator eingefüllt. Der Draht wird bis etwa 900 °C heiß. Zur Wahl stehen Natriumchlorid (Schmelztemperatur 801 °C) und Magnesiumoxid (2852 °C).
- Vergleiche das Verhalten von Kupfer und Steinsalz beim Hammerschlag.
- Erkläre mithilfe von Abb. 1, warum der Salzkristall zerspringt.
- Beurteile, welches der beiden Salze sich als Füllung für den Heizstab eignet.
- Stelle eine begründete Vermutung auf, warum Magnesiumoxid so viel höher schmilzt als Natriumchlorid.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Kupfer ist verformbar: Es lässt sich flach schlagen, ohne zu brechen. Steinsalz ist spröde: Es verformt sich nicht, sondern zerspringt in Bruchstücke mit glatten Flächen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Im Gitter wechseln sich Kationen und Anionen ab. Der Schlag verschiebt eine Ionenschicht um eine Ionenlage. Danach liegen gleich geladene Ionen direkt übereinander (+ über +, − über −) und stoßen sich ab. Die Schichten werden auseinandergedrückt, der Kristall bricht entlang dieser Fläche.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Natriumchlorid ist ungeeignet: Bei 900 °C wäre es geschmolzen, die Ionen würden beweglich und die Schmelze würde den Strom leiten — die Isolierung versagt, es droht ein Kurzschluss. Magnesiumoxid bleibt bei 900 °C weit unter seiner Schmelztemperatur fest, seine Ionen bleiben unbeweglich; es isoliert. Magnesiumoxid ist die richtige Wahl (es wird in Heizstäben tatsächlich verwendet).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
In Magnesiumoxid tragen die Ionen doppelte Ladungen (Mg²⁺, O²⁻) statt einfacher (Na⁺, Cl⁻). Die Anziehung zwischen doppelt geladenen Ionen ist viel stärker; außerdem sind die Ionen kleiner und liegen enger beieinander. Um das Gitter aufzubrechen, braucht man deshalb viel mehr Energie — also eine höhere Temperatur.