Ionenbindung

Ionenbindung 10

10 Zucker, Kupfer und Zink in Leitungswasser

Ein einfacher Versuch mit einer Zuckerstange		Wenn wir eine Zuckerstange in ein Becherglas mit Wasser stellen, so wird sie sich nicht vollständig auflösen. Warum eigentlich nicht? Am Anfang des Versuchs, wenn wir die Zuckerstange gerade in das Wasser gestellt haben, werden sich sehr viele Zuckermoleküle aus dem festen Verband lösen und in das Wasser übergehen. Mit der Zeit wird dieser Vorgang aber immer langsamer, und am Ende werden gar keine Zuckermoleküle mehr die Zuckerstange verlassen. Der Auflösungsprozess ist zu einem Stillstand gekommen, es liegt ein Gleichgewichtszustand vor. Ist diese Vorstellung vom Auflösen der Zuckerstange korrekt? So ganz stimmt das Gesagte nicht. Tatsächlich müsste ein außenstehender Betrachter, der keine einzelnen Zuckermoleküle erkennen kann, zu genau dem Schluss kommen, der im Text oben dargestellt wurde: völliger Stillstand des Auflösungsprozesses. Könnte er aber einzelne Moleküle sehen, dann würde er feststellen, dass sich auch im Gleichgewichtszustand pro Sekunde Tausende von Zuckermolekülen lösen würden. Gleichzeitig aber würden pro Sekunde Tausende von bereits gelösten Zuckermolekülen sich wieder an die Zuckerstange setzen. Im Gleichgewichtszustand gilt also: Geschwindigkeit der Hinreaktion (Auflösen des Zuckers) = Geschwindigkeit der Rückreaktion (Kristallisation des Zuckers) Für den außenstehenden Betrachter entsteht dann der Eindruck, dass gar nichts mehr passiert.
Statt Zucker nehmen wir Zink		Nun stellen wir - wieder in Gedanken - eine Zinkstange in ein Becherglas mit Wasser. Wird hier das gleiche passieren wie bei der Zuckerstange? Nein, das Zink löst sich überhaupt nicht im Wasser. Überhaupt nicht? Doch, einige wenige Zinkteilchen lösen sich im Wasser, allerdings keine Zinkatome, sondern Zinkionen. Damit sich ein Zinkatom im Wasser lösen kann, muss es vorher zwei Elektronen abgeben und zum Zinkion werden: Zn ===> Zn2+ + 2e- In dieser Form ist das Zink sehr gut im Wasser löslich, in atomarer Form dagegen so gut wie nicht. Die beiden abgegebenen Elektronen verbleiben im Zinkmetall, sie können sich nicht im Wasser lösen. Was geschieht nun, wenn sich einige wenige Zinkatome auf diese Weise im Wasser gelöst haben? Die Zinkstange wird immer negativer, und je negativer sie wird, desto stärker wird die Kraft, mit der sie alle positiven Ionen anzieht, die im Wasser rumschwimmen. Also wird was passieren? Je negativer die Zinkstange ist, desto schwieriger wird es für das Zink, weitere Ionen an das Wasser abzugeben. Schließlich ist die Anziehungskraft so stark, das gar keine Ionen mehr abgegeben werden können. Ist diese Betrachtung korrekt? Nicht ganz, denn auch hier liegt ein dynamisches Gleichgewicht vor. Könnte der Betrachter einzelne Atome und Ionen sehen, so würde er folgendes bemerken: Pro Sekunde lösen sich z.B. 100 Zinkatome in Form von zweiwertig positiven Zinkionen. Gleichzeitig setzen sich aber auch 100 Zinkionen wieder an die negative Zinkstange und nehmen dort je zwei Elektronen auf. Nach außen hin sieht das aber so aus, als würde gar nichts passieren, als würde Stillstand herrschen.
Kupfer kommt ins Spiel		Jetzt stellen wir in das Becherglas noch eine Kupferstange dazu. Allerdings werden wir die beiden Metalle nicht miteinander verbinden, weder durch direkte Berührung noch durch Kabel. Was können wir beobachten? Natürlich nichts, schließlich können wir keine Atome und Ionen sehen. Aber in unserer Modellvorstellung können wir etwas beobachten: Beim Zink lösen sich pro Zeiteinheit und Flächeneinheit etwa 400 Ionen, gleichzeitig setzen sich 400 andere Ionen wieder an die Zinkstange und nehmen Elektronen auf. Beim Kupfer passiert im Prinzip das Gleiche. Aber Kupfer ist edler als Zink. Edle Metalle geben ihre Elektronen nicht so leicht ab wie unedle. Das Kupfer hat also viel größere Schwierigkeiten, Kupferionen an das Wasser abzugeben, als das Zink bei der Abgabe von Zinkionen. Pro Zeiteinheit gibt das Kupfer vielleicht nur 200 Ionen an das Wasser ab. Im gleichen Zeitraum setzen sich aber auch 200 Kupferionen an das Kupfer, um Elektronen aufzunehmen. Nach diesen eher theoretischen Vorüberlegungen machen wir mit einem richtigen Versuch weiter. Dazu stellen wir eine Zinkstange und eine Kupferstange in destilliertes Wasser, verbinden diesmal aber beide Elektroden mit den Eingängen eines Voltmeters (Gleichstrom). Und siehe da, wir können eine Spannung messen. Wie ist diese Spannung zu erklären? Die Erklärung ist ganz einfach (allerdings ist die Erklärung nur deswegen so einfach, weil wir schon sehr viel Vorarbeit geleistet haben). An der Zinkstange lösen sich pro Zeiteinheit mehr Zinkionen als an der Kupferstange Kupferionen. Mit anderen Worten: an der Zinkstange entsteht innerhalb einer bestimmten Zeitspanne eine stärkere negative Ladung als an der Kupferstange. Da die beiden Metalle elektrisch leitend verbunden sind, kann es zu einem Ladungsausgleich kommen: Elektronen strömen vom Zink zum Kupfer. In dem oben abgebildeten Beispiel haben sich in der Zinkstange 10, in der Kupferstange aber nur vier Elektronen gebildet. Demnach müssten jetzt 3 Elektronen vom Zink zum Kupfer fließen. Den Ladungsunterschied kann man als Spannung messen, das Fließen der Elektronen als Stromstärke. Was geschieht aber, wenn diese drei Elektronen geflossen sind, wenn es zum Ladungsausgleich gekommen ist? Ist dann Schluss? Nein. Durch das Strömen der Elektronen wird die negative Ladung der Zinkstange kleiner, es können sich somit wieder weitere Zinkionen in dem Wasser lösen. Dabei entstehen wieder neue Elektronen, und der Ladungsüberschuss auf der Zinkseite ist wiederhergestellt. Natürlich strömt auch ein Teil dieser Elektronen zum Kupfer, wieder um einen Ladungsausgleich zu erzielen. Aber gerade durch dieses Strömen werden auf der Zinkseite wieder Elektronen abgezogen, und es können weitere Zinkionen entstehen. Langer Rede, kurzer Sinn: die Zinkstange löst sich langsam aber sicher auf, während sich die Kupferstange so gut wie nicht verändert. Und genau diesen Effekt nutzt man in der Technik. Schon mal was von einer "Opferanode" gehört? Der wertvolle Metallgegenstand, der dem Wetter oder der Erdfeuchtigkeit ausgesetzt ist, wird elektrisch leitend mit einem unedleren Metall verbunden. Dieses löst sich im Laufe der Zeit auf und setzt dabei Elektronen frei, die in das edlere Metall fließen und dieses so vor Korrosion schützen.   Interessierte Schüler können sich noch die folgenden Ausführungen über die Frage: "warum löst sich ein Stoff überhaupt?" durchlesen. Warum löst sich ein Stoff überhaupt? Gute Frage. Wieso passiert eigentlich etwas, wenn man eine Zuckerstange in Wasser stellt. Weder der Massenerhaltungssatz noch der Energieerhaltungssatz würde verletzt werden, wenn gar nichts passieren würde. Es gibt aber noch ein drittes wichtiges Prinzip der physikalischen Chemie, und das kommt jetzt zur Anwendung: Zunahme der Entropie. Unter diesem Begriff versteht man soviel wie "Unordnung". Wenn ich mir z.B. mein Arbeitszimmer anschaue, herrscht ständig ein Zustand hoher Entropie. Wenn sich allerdings mal Besuch angekündigt hat, räume ich auf, und dann herrscht erst mal ein Zustand extrem niedriger Entropie (also hoher Ordnung). Im Laufe der kommenden Tage nimmt aber die Entropie wieder unaufhaltsam zu. Am Ende sieht alles so aus wie immer. So ist der natürliche Lauf der Dinge. Schauen wir uns einen kalten Stein an, der neben einem warmen Stein liegt. Berühren sich die beiden Steine, haben nach einiger Zeit beide die gleiche Temperatur angenommen. In der Küche riecht es nach Zwiebeln, im Wohnzimmer nicht. Öffnet man die Verbindungstür, so herrscht in beiden Zimmern nach einiger Zeit der gleiche mittelstarke Zwiebelgeruch. Gießt man in eine Glas Tee vorsichtig etwas Zuckersirup, so kann man am Anfang noch zwei Schichten beobachten. Nach einiger Zeit liegt eine homogene Lösung vor, der Zucker hat sich gleichmäßig im Tee verteilt. Was haben diese Beispiele gemeinsam? Am Anfang hat immer eine Art Ordnung geherrscht: links kalt, rechts war, in der Küche starker Geruch, im Wohnzimmer gar keiner, in der oberen Schicht kein Zucker, in der unteren Schicht jede Menge Zucker. Am Ende dagegen herrscht immer eine starke Gleichverteilung, die Entropie des Systems hat stark zugenommen. Und genau das besagt auch dieser berühmte dritte wichtige Satz der Physik: das bei natürlichen Vorgängen die Entropie immer zunimmt. Und nicht nur das. Diese Entropiezunahme ist sogar die treibende Kraft für viele natürliche Vorgänge. Eine Mauer zerfällt mit der Zeit. Noch niemals ist beobachtet worden, dass aus einem Haufen Steine spontan eine Mauer entsteht. Kommen wir also zurück zu unserer Zuckerstange. Stellt man eine solche Zuckerstange in ein Glas mit Wasser, so ist das ein Zustand hoher Ordnung oder niedriger Entropie. Das System "Zucker - Wasser" strebt aber einen Zustand geringer Ordnung (hoher Entropie) an. Auf welchem Weg ist das Ziel erreichbar? Klar - der Zucker löst sich im Wasser auf, am Ende haben wir eine Gleichverteilung der Zuckermoleküle im Wasser. Dumm nur, dass das Wasser eine begrenzte Aufnahmekapazität für Zuckermoleküle hat. Irgendwann liegt eine gesättigte Zuckerlösung vor, und der Rest der Zuckerstange kann sich nicht mehr auflösen. Bei einem Zinkstab im Wasser herrschen ähnliche Verhältnisse. Auch er "will" sich gerne im Wasser auflösen. Allerdings ist die Löslichkeit von Zinkatomen extrem gering. Die von Zinkionen aber nicht. Zinkionen lösen sich ausgesprochen gern im Wasser. Also bleibt dem Zink nichts anderes übrig, als Ionen zu bilden und diese an das Wasser abzugeben.
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