Elektrolyt: Ionenleitung einfach erklärt

Für elektrischen Strom müssen sich geladene Teilchen bewegen können. In einem Elektrolyten tragen Ionen die Ladung: Kationen sind positiv, Anionen negativ. Ein fester Kaliumbromidkristall enthält bereits Ionen, doch sie sitzen auf festen Gitterplätzen. Darum leitet er unter gewöhnlichen Bedingungen nicht. In der Schmelze oder nach dem Lösen in Wasser können sich die Ionen bewegen. In Wasser sind sie von Wassermolekülen umgeben und heißen hydratisiert.

\ce{KBr(s) -> K+(aq) + Br-(aq)}

(aq) kennzeichnet den in Wasser gelösten Zustand. In einem Metall bewegen sich dagegen Elektronen.

Zwei Einteilungen beantworten verschiedene Fragen. Echt oder potenziell sagt, ob die Ionen schon im Stoff vorliegen oder erst bei einer Reaktion mit dem Lösungsmittel entstehen. Stark oder schwach sagt, welcher Anteil eines gelösten Stoffes als Ionen vorliegt. Chlorwasserstoff bildet mit Wasser Ionen:

\ce{HCl + H2O -> H3O+ + Cl-}

Chlorwasserstoff ist in Wasser ein starker Elektrolyt. Bei Essigsäure bleibt ein erheblicher Teil als Molekül erhalten; ihre Ionenbildung ist umkehrbar:

\begin{aligned}&\ce{CH3COOH + H2O}\\&\ce{{}<=> CH3COO- + H3O+}\end{aligned}

Essigsäure ist deshalb ein schwacher Elektrolyt.

Eine angelegte Spannung bewirkt ein elektrisches Feld. Bei der Elektrolyse ist die Kathode der Minuspol und die Anode der Pluspol. Kationen wandern zur Kathode, Anionen zur Anode: Entgegengesetzte Ladungen ziehen sich an. Im äußeren Metallleiter bewegen sich Elektronen. An den Elektroden können Elektronen übertragen und Stoffe umgewandelt werden. Welche Produkte entstehen, behandelt die Elektrolyse. Die Lösung bleibt insgesamt elektrisch neutral. Bei Natriumsulfat zeigt die Formel die Ionenanzahlen:

\ce{Na2SO4 -> 2 Na+ + SO4^2-}

Die tiefgestellte 2 in Na₂SO₄ zählt Natriumatome pro Formeleinheit; die vorangestellte 2 zählt nach der Trennung zwei Na⁺-Ionen. Das hochgestellte 2− gehört als Ladung zum Sulfation. Zwei Na⁺ tragen zusammen +2, ein SO₄²⁻ trägt −2: insgesamt null.

Die Leitfähigkeit hängt vor allem von der Zahl beweglicher Ionen und ihrer Beweglichkeit ab. Ionensorte, Ladung, Größe und die umgebenden Wassermoleküle wirken mit. Mit mehr gelösten Ionen kann die Leitfähigkeit zunächst steigen. In konzentrierten Lösungen können sich Ionen stärker beeinflussen oder paaren; dann wird die Bewegung oder die Zahl frei leitender Teilchen kleiner. Höhere Temperatur erleichtert in vielen Lösungen die Ionenbewegung, weil die Flüssigkeit dann weniger zäh ist. Das gilt, solange sich das System nicht grundlegend ändert.

Stärke: Stärke und Löslichkeit beschreiben Verschiedenes. Ein schwer lösliches Salz kann als starker Elektrolyt gelten, wenn der kleine gelöste Anteil nahezu ganz aus Ionen besteht. Die Leitfähigkeit kann trotzdem gering sein, weil wenige Ionen gelöst sind. Eine Salzschmelze leitet durch bewegliche Ionen; ein geeigneter Festelektrolyt kann das ebenfalls.