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Wasser als elektrischer Leiter

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Die Autor*innen
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André Otto
Wasser als elektrischer Leiter
lernst du in der Unterstufe 3. Klasse - 4. Klasse

Beschreibung Wasser als elektrischer Leiter

Inhalt

Elektrische Leitfähigkeit von Wasser – Chemie

Ihr alle kennt die Warnung, elektrische Geräte nicht in der Nähe von Wasser zu verwenden. Schaut man sich jedoch die elektrische Leitfähigkeit von reinem Wasser im Vergleich zu stromleitenden Metallen an, stellt sich die Frage, warum das so ist. Wie kann Strom in Wasser trotz der um viele Größenordnungen geringeren Leitfähigkeit zur Lebensgefahr werden?

Elektrische Leitfähigkeit – allgemein

Die elektrische Leitfähigkeit bezeichnet die Eigenschaft eines Stoffes, den elektrischen Strom zu leiten. Grundsätzlich müssen dafür frei bewegliche, leitende Teilchen, also Ladungsträger, vorhanden sein. In Metallen sind dies die Elektronen, die sich frei bewegen können und beim Anlegen einer Spannung zum Pluspol wandern. Weitere Ladungsträger sind Anionen und Kationen wie z. B. $\ce{Na+}$ und $\ce{Cl-}$.

Elektrische Leitfähigkeit von destilliertem Wasser

Schauen wir uns also an, welche frei beweglichen Ladungsträger wir in reinem Wasser finden. Von Gasen oder Säuren kennst du bereits den Begriff der Dissoziation, also der Trennung einer chemischen Verbindung. Doch auch Wasser selbst kann dissoziieren:

$\ce{2 H2O <=> H3O+ + OH-}$

Das positiv geladene Oxoniumion ($\ce{H3O+}$) und das negativ geladene Hydroxidion ($\ce{OH-}$) wären also im Sinne der Leitfähigkeit frei bewegliche Ladungsträger. Allerdings ist in reinem Wasser nur etwa eins von zehn Millionen Wassermolekülen derart dissoziiert. Dies reicht nicht aus, um den elektrischen Strom zu leiten. Destilliertes Wasser ist demzufolge kein elektrischer Leiter. Was macht also dann die Leitfähigkeit von unserem Wasser aus?

Elektrische Leitfähigkeit von Leitungswasser

Normales Leitungswasser enthält immer einen gewissen Anteil an Kationen und Anionen. Diese Ionen können von gelösten Salzverbindungen wie z. B. Natriumsulfat und Calciumchlorid stammen.

$\ce{Na2SO4 <=> 2 Na+ + SO4^{2-}}$
$\ce{CaCl2 <=> Ca^{2+} + 2 Cl-}$

Wasser reagiert aber auch mit dem Kohlenstoffdioxid der Luft unter Bildung von frei beweglichen Ionen:

$\ce{H2O + CO2 -> H+ + HCO3-}$

Wobei das Wasserstoffion mit dem Wasser weiter zu einem Oxoniumion reagiert:

$\ce{H2O + H+ -> H3O+}$

Ebenso können Einträge von organischen Verbindungen zu einer erhöhten Anzahl an leitenden Teilchen führen. Ganz normaler Hausstaub ist zum Beispiel eine Mischung aus feinsten Partikeln organischer und anorganischer Verbindungen, welche, in Wasser gelöst, frei bewegliche Ladungsträger bilden und damit ebenfalls die Leitfähigkeit des Wassers erhöhen.

Messung der elektrischen Leitfähigkeit

Um die Leitfähigkeit von Flüssigkeiten zu bestimmen, verwendet man beispielsweise Messzellen mit mindestens zwei Elektroden. An diese wird eine Wechselspannung angelegt, welche die frei beweglichen Ionen in Bewegung versetzt und so einen elektrischen Strom erzeugt. Je höher die Anzahl der freien Ladungsträger, desto höher ist auch der resultierende Messwert für den elektrischen Strom. Die elektrische Leitfähigkeit wird dann in Siemens pro Meter ($\pu{S//m}$) angegeben. Das Siemens ist dabei der Kehrwert des elektrischen Widerstandes:

$\pu{1S} = \pu{1 1 // [\Omega]}= \pu{1 A // V}$

Elektrische Leitfähigkeit von Wasser – Beispiele

In der Tabelle findest du verschiedene Wässer mit ihren elektrischen Leitfähigkeiten sowie zum Vergleich das um zehn bis elf Größenordnungen stärker leitende Kupfer, das in unseren Stromkabeln als Leitermaterial verwendet wird.

Substanz el. Leitfähigkeit in $\pu{S//m}$
destilliertes Wasser $\ce{5*10^{-6}}$
Regenwasser $\ce{3*10^{-5}}$
Leitungswasser $\ce{5 ... 50*10^{-3}}$
Meerwasser $\ce{5}$
Kupfer $\ce{58*10^{6}}$

Ist Wasser ein elektrischer Leiter?

Nun hast du gelernt, dass reines Wasser wegen der fehlenden frei beweglichen Teilchen kein elektrischer Leiter ist. In normalem Wasser wie unserem Leitungswasser finden wir allerdings durch verschiedene Prozesse ausreichend leitende Teilchen:

  • Eigendissoziation von $\ce{H2O}$
  • Lösung von $\ce{CO2}$
  • Lösung von Salzen
  • Lösung von organischen und anorganischen Verbindungen, z. B. Hausstaub

Je mehr bewegliche Ladungsträger vorhanden sind, desto höher auch die Leitfähigkeit des Wassers.

Dieses Video

In diesem Video wird der Frage nachgegangen, ob Wasser als elektrischer Leiter fungieren kann. Dazu wird anfangs die Leitfähigkeit von Wasser mit metallischen Leitern verglichen und festgestellt, dass diese viel geringer ist. Dies steht aber im Widerspruch zu Beobachtungen aus dem Alltag wie dem Verbot der Nutzung von Elektrogeräten in der Badewanne. Im weiteren Video wird dir dann der Unterschied zwischen reinem Wasser und Wasser, so, wie es aus der Hausleitung kommt, beschrieben und erklärt. Wenn du mehr dazu erfahren willst, dann schau dir das Video an. Im Anschluss findest du interaktive Übungen und Arbeitsblätter, um dein Wissen zu überprüfen.

Transkript Wasser als elektrischer Leiter

Guten Tag und herzlich willkommen. Das Thema des Videos lautet "Wasser als elektrischer Leiter". Betrachten wir einmal die elektrische Leitfähigkeit von reinem Wasser und 2 typischen Leitern: dem Kupfer und dem Aluminium. So ist es natürlich ganz klar, dass die elektrische Leitfähigkeit dieser Metalle viel größer ist, aber um welchen Wert? Man höre und staune: Es geht hier um einen Unterschied von 1011 und das ist wirklich erheblich. Man lasse sich das einmal auf der Zunge zergehen: Wasser leitet den elektrischen Strom 100.000.000.000 mal schlechter als Kupfer oder Aluminium. Warum dann aber warnt man stets vor solchen Situationen: zum Beispiel der Benutzung des Föhns beim Baden. Wie kann es dann zu tödlichen Unfällen mit Elektrogeräten im Bad kommen? Betrachten wir einmal reines Wasser, und das darf nicht aus der Leitung kommen. Solches Wasser bezeichnet man auch als "destiliert" oder "entionisiertes Wasser". In der Schule wird den Schülerinnen und Schülern häufig verschwiegen, dass Wasser sowie Salze, Säuren oder Basen auch dissoziiert; das heißt, es kommt zur Dissoziation der Wassermoleküle. Wasser dissoziiert in ein positiv geladenes Wasserstoffion und in ein negativ geladenes Hydroxidion. Ionen sind Ladungsträger und Ladungsträger führen zur elektrischen Leitung des Stoffes. Man muss aber auch sagen, dass die Dissoziation des Wassers nur sehr schwach abläuft. Daher möchte ich den Pfeil in Richtung der Bildung der Ionen nur sehr verkürzt darstellen. Nur ein einziges von 10.000.000 Wassermolekülen zerfällt, was bedeutet: Man hat nur wenig Ionen, praktisch keine, und damit auch keine Ladungsträger und somit auch keine elektrische Leitung. Wir können somit feststellen: Reines Wasser leitet den elektrischen Strom praktisch nicht. Somit besteht also keine Gefahr für Gesundheit und Leben, wenn man es mit reinem, destillierten oder entionisiertem Wasser zu tun hat. Lässt man reines Wasser, zum Beispiel in einem Becherglas, eine gewisse Zeit an der Luft stehen, so kommt es zu einem interessanten Prozess. Das Kohlenstoffdioxid der Luft vermischt sich mit dem Wasser. Man sagt dann, was eigentlich nicht korrekt ist, dass das Wasser überschüssige Kohlensäure enthalte. Für unsere Betrachtung ist interessant zu wissen, dass das Wasser mit dem Kohlenstoffdioxid Ladungsträger bildet. Das sind elektrisch geladene Teilchen: Ionen. Wir wollen einmal die Reaktionsgleichung in Formelschreibweise notieren: H2O+CO2 -> H++HCO3-. Die gebildeten Ionen H+ und HCO3- erhöhen die elektrische Leitfähigkeit des Wassers. Betrachten wir nun Trinkwasser. Im Trinkwasser sind Salze gelöst. Die Salze dissoziieren. Es bilden sich Ionen. Ich möchte zwei Beispiele für solche Dissoziationen aufschreiben: Na2SO4 dissoziiert in wässriger Lösung in zwei einfach positiv geladene Natriumionen und in ein zweifach negativ geladenes Sulfation. Na+ und SO42- sind Ionen und rechts ein Beispiel: CaCl2 dissoziiert in wässriger Lösung in ein zweifach positiv geladenes Calciumion und in zwei einfach negativ geladene Chloridion. Ca2+ und Cl- sind Ionen. Ionen sind Ladungsträger. Es kommt zur elektrischen Leitung des Wassers. Nehmen wir nun an, dass unser ursprünglich reines Wasser durch organische Verunreinigungen verschmutzt wird. Als Beispiel soll uns Ethanol dienen mit der Formel CH3CH2OH. Bei der Vermischung von Ethanol mit Wasser kommt es zu einer "Reaktion", obwohl das am Anfang unwahrscheinlich klingt. Daher schreibe ich das Wort "reagiert" in Anführungszeichen. Wir haben schon besprochen, dass Wasser in sehr geringen Mengen dissoziiert (Ionen bildet): H+ und OH-. Das Wasserstoffatom H+ reagiert nun mit dem Ethanolmolekül. Warum ist das so? Das bewirken die beiden nicht bindenden Elektronenpaare (rot eingezeichnet) am Ethanolmolekül. H+ reagiert mit einem dieser Bindungspaare und bildet eine richtige feste chemische Bindung aus. Es entsteht ein Teilchen mit einer positiven Ladung: ein Ion. Wenn aber ein Wasserstoffion H+ aus dem Gleichgewicht mit dem Wasser verschwindet, muss es nachgebildet werden usw. Es entstehen viele dieser rot eingefärbten Ionen. So ähnlich, wenn auch viel komplexer und komplizierter, reagiert Hausstaub. Das heißt, auch Hausstaub erhöht die elektrische Leitfähigkeit des Wassers. Fassen wir nun zusammen: Welche Einflüsse erhöhen die elektrische Leitfähigkeit des Wassers? Zunächst die Eigendissoziation: Deren Beitrag ist nur verschwindend gering. Das Kohlenstoffdioxid der Luft: Es erhöht die Leitfähigkeit des Wassers schon in höherem Maße. Dann die im Trinkwasser gelösten Salze: Sie sind hauptsächlich für die elektrische Leitfähigkeit des Wassers verantwortlich. Und schließlich der Hausstaub: Auch er führt spürbar dazu, dass die elektrische Leitfähigkeit des Wassers wächst. Damit haben wir gefunden, dass reines Wasser kein elektrischer Leiter ist; nur die in ihm gelösten Inhaltsstoffe führen zu einer Erhöhung seiner Leitfähigkeit.

Ich danke für Eure Aufmerksamkeit. Alles Gute. Auf Wiedersehen.

1 Kommentar

1 Kommentar
  1. Sesuper

    Von Renate 16, vor fast 3 Jahren

Wasser als elektrischer Leiter Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Wasser als elektrischer Leiter kannst du es wiederholen und üben.
  • Bestimme die Faktoren, die die Leitfähigkeit des Wassers erhöhen.

    Tipps

    Teilchen im Wasser erhöhen die elektrische Leitfähigkeit.

    Lösung

    Reines Wasser leitet den elektrischen Strom nicht. Erst durch Teilchen im Wasser wird es elektrisch leitfähig. Dabei erhöhen Salze im Trinkwasser die elektrische Leitfähigkeit am meisten. Die Eigendissoziation des Wassers erhöht die elektrische Leitfähigkeit auch, allerdings ist die Eigendissoziation so verschwindend gering, dass man sie fast vernachlässigen kann.

  • Stelle die Reaktionsgleichung von Ethanol mit Wasser auf.

    Tipps

    Wasser besitzt eine Eigendissoziation.

    Es entsteht ein positiv geladenes Ion.

    Lösung

    Ethanol reagiert nicht wirklich mit Wasser, allerdings macht es Wasser elektrisch leitfähiger, ähnlich wie Hausstaub. Wasser dissoziiert in Wasserstoff- und Hydroxid-Ionen. Das Wasserstoff-Ion bindet dann an eines der freien Elektronenpaare am Sauerstoff vom Ethanol und es entsteht ein positiv geladenes Ion.

    Die Ionen sind es, die das Wasser elektrisch leitfähiger machen, da sie den elektrischen Strom weiterleiten.

  • Gib an, welches Wasser den Strom am besten leitet.

    Tipps

    Destilliertes Wasser ist reines Wasser.

    Wo kommt Mineralwasser her?

    Lösung

    Mineralwasser ist die Art Wasser, die am besten Strom leitet. Es stammt aus irdischen Quellen und nimmt dort viele Salze auf und enthält somit entsprechend viele Ionen.

    Danach kommt Trinkwasser. Es ist ganz normales Leitungswasser, stammt also aus Seen und Flüssen und wird aufbereitet und enthält deshalb nur einige gelöste Salze und damit Ionen.

    Destilliertes Wasser ist vollkommen reines Wasser und enthält keinerlei Salze oder Gase und damit auch keine Ionen.

    Regen entsteht durch kondensierten Wasserdampf. Er nimmt allerdings durch die Umgebungsluft verschiedene Oxide wie das Kohlenstoffdioxid auf, sodass auch Regen einige Ionen enthält.

  • Erkläre den Umgang mit Wasser bei Elektrogeräten.

    Tipps

    Reines Wasser ist normalerweise nicht elektrisch leitfähig. Doch kommt bei dir zu Hause reines, also destilliertes Wasser aus dem Wasserhahn?

    Bei dir zu Hause kommt Trinkwasser aus dem Wasserhahn.

    Lösung

    Reines Wasser ist nicht elektrisch leitfähig. Aber reines destilliertes Wasser kommt für gewöhnlich nicht aus den Wasserhähnen bei dir zu Hause. Bei dir zu Hause kommt Trinkwasser aus dem Wasserhahn. Trinkwasser enthält immer einen gewissen Anteil an gelösten Salzen und damit auch Ionen, die darin gelöst sind. Diese Ionen bewirken eine elektrische Leitfähigkeit. Deshalb ist es immer gefährlich, elektrische Geräte, die an Strom angeschlossen sind, in Gegenwart von Wasser zu benutzen. So solltest du zum Beispiel den Fön nicht in, auf oder neben einer vollen Badewanne benutzen. Zwar sind Kabel immer gut isoliert, aber kleine Risse in der Isolation reichen schon aus, um einen Kurzschluss zu verursachen.

    Weniger Gefahr hingegen droht bei akku- oder batteriebetriebenen Geräten. Diese gehen schlimmstenfalls kaputt, da das Wasser einen Kurzschluss bewirkt. Die Akkus oder Batterien sind allerdings nicht stark genug, um dir einen Stromschlag zu verpassen.

  • Stelle die Gleichung der Dissoziation von Wasser auf.

    Tipps

    Dissoziation bedeutet Teilung.

    Lösung

    Die Eigendissoziation von Wasser bedeutet nichts anderes, als dass sich Wasser in seine Ionen aufteilt. Es entstehen aus $H_2O$ ein positiv geladenes $H^+$-Ion und ein negativ geladenes $OH^-$-Ion.

    Wasser dissoziiert allerdings nur zu einem sehr geringen Teil, sodass im Wasser hauptsächlich undissoziierte Wassermoleküle vorliegen. Das Gleichgewicht dieser Reaktion liegt also stark auf Seiten des Wassers.

  • Schätze ab, ob folgende Lösungen Strom leiten.

    Tipps

    Salze dissoziieren in Wasser und bilden Ionen.

    Ionen leiten den elektrischen Strom.

    Lösung

    Du weißt bereits, dass destilliertes, also reines Wasser den Strom nicht leitet, da es keine gelösten Salze und somit keine Ionen enthält.

    Schüttest du Kochsalz $(NaCl)$ in dieses Wasser, löst es sich in $Na^+$- und $Cl^-$-Ionen auf. Diese Ionen leiten den elektrischen Strom. Auch Natriumnitrat $(NaNO_3)$ dissoziiert in $Na^+$- und ${NO_3}^-$-Ionen und leitet dadurch den elektrischen Strom.

    Eine Zucker-Lösung hingegen leitet den elektrischen Strom nicht. Zucker dissoziiert nicht in Wasser. Es besitzt keinerlei Ladung und leitet deshalb elektrischen Strom nicht.

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