Chemie · E.1 Redoxreaktionen

NaCl in Wasser – Teilchenmodell von Lösung und Elektrolyse

Die Animation zeigt den Lösungsvorgang von Natriumchlorid in Wasser auf Teilchenebene. Ein dreidimensional wirkendes NaCl-Ionengitter wird schrittweise abgebaut. Wassermoleküle richten sich entsprechend ihrer Partialladungen um die Ionen aus: Die Sauerstoffseite orientiert sich zu Na⁺, die Wasserstoffseiten zu Cl⁻. Gelöste Ionen bleiben hydratisiert und bewegen sich ungeordnet in der Lösung.

Nach vollständiger Auflösung kann eine Gleichspannung angelegt werden. Dann wird die thermische Bewegung durch eine gerichtete Ionenwanderung überlagert: Na⁺ wandert zur negativen, Cl⁻ zur positiven Elektrode. Zusätzlich zeigt das Modell den Elektronenfluss im äußeren Leiter sowie die Elektrodenreaktionen einer konzentrierten NaCl-Lösung. An der Kathode entsteht Wasserstoff, an der Anode Chlor. Die Animation kennzeichnet ausdrücklich, dass diese Elektrolysedarstellung ein vereinfachtes Sole-Modell mit schematisch dargestellten Elektroden ist.

Inhaltsart: Animation
Lernniveau: Sekundarstufe II
Bearbeitungszeit: ca. 20 Minuten

Lernziele

Die Lernenden beschreiben den schrittweisen Lösungsvorgang eines Natriumchloridkristalls auf Teilchenebene.
Die Lernenden erklären die Ausrichtung von Wassermolekülen bei der Hydratation von Na⁺- und Cl⁻-Ionen.
Die Lernenden unterscheiden die ungeordnete thermische Bewegung gelöster Ionen von ihrer gerichteten Bewegung im elektrischen Feld.
Die Lernenden erklären, dass Ionen den Ladungstransport in der Lösung und Elektronen den Ladungstransport im äußeren Leiter übernehmen.
Die Lernenden ordnen die dargestellten Vorgänge an Kathode und Anode den zugehörigen Elektrodenreaktionen zu.

Interaktiver Inhalt

Bedienhinweise

Gib zunächst den Salzkristall ins Wasser und starte anschließend die Animation. Mit Start/Pause kannst du den Lösungsvorgang anhalten und fortsetzen; über den Fortschrittsregler lässt sich die Animation außerdem vor- und zurückspulen. Ziehe direkt in der Darstellung, um die 3D-Ansicht zu drehen, und beobachte besonders, wie sich zunächst Wassermoleküle an exponierten Ionen ausrichten und diese anschließend aus dem Kristallverband gelöst werden. Über Info & Beschriftungen kannst du Bezeichnungen einblenden und den jeweils aktuellen Vorgang hervorheben. Nach vollständiger Auflösung wird „Spannung anlegen“ verfügbar. Vergleiche dann die ungeordnete Bewegung ohne Spannung mit der gerichteten Wanderung der Ionen im elektrischen Feld und beobachte die Vorgänge an beiden Elektroden. Mit der Rücksetzen-Funktion gelangst du wieder zum Ausgangszustand.

Didaktische Hinweise

Voraussetzungen

Grundvorstellung vom Aufbau von Salzen aus Ionen.
Kenntnis der Ionen Na⁺ und Cl⁻.
Grundkenntnisse zum Aufbau eines Wassermoleküls und zu Partialladungen.
Grundvorstellung von Oxidation und Reduktion für den Elektrolyse-Teil.

Typische Fehler

Beim Lösen von NaCl werden Na⁺- und Cl⁻-Ionen fälschlich als neu entstehende Teilchen interpretiert.
Die Hydratation wird mit einer chemischen Reaktion des Wassers mit NaCl verwechselt.
Die Orientierung der Wassermoleküle um Na⁺ und Cl⁻ wird vertauscht.
Die ungeordnete thermische Bewegung der Ionen wird mit der gerichteten Ionenwanderung bei angelegter Spannung verwechselt.
Es wird angenommen, dass freie Elektronen durch die Salzlösung wandern.
Die dargestellte Chlorbildung an der Anode wird unabhängig von Konzentration und Elektrodenmaterial als allgemeingültig betrachtet.

Für den Unterricht

Als Einstieg eignet sich die Frage, was auf Teilchenebene geschieht, wenn Kochsalz in Wasser „verschwindet“. Vor dem Start können die Lernenden eine Skizze oder Vermutung zur Anordnung von Na⁺, Cl⁻ und Wassermolekülen formulieren. Während der Animation sollte zunächst nur der Lösungsvorgang betrachtet werden. Ein geeigneter Arbeitsauftrag lautet: „Beobachtet, welche Ionen zuerst aus dem Gitter gelöst werden und wie sich die Wassermoleküle dabei ausrichten.“ Zur Sicherung können die Lernenden die Lösungsgleichung $NaCl(s) \rightarrow Na^+(aq)+Cl^-(aq)$ erläutern und die unterschiedliche Orientierung des Wassers an Kationen und Anionen begründen. Anschließend kann die Spannung zugeschaltet werden. In Partnerarbeit lässt sich vergleichen, was sich gegenüber der homogenen Lösung ohne elektrisches Feld verändert. Für leistungsstärkere Lernende bietet sich die Zuordnung von Ionenwanderung, Elektronenfluss sowie Kathoden- und Anodenreaktion an. Die Modellgrenze sollte ausdrücklich thematisiert werden: Gezeigt wird ein vereinfachter Sole-Fall, keine industrielle Membranzelle.

Quellen & Vertiefung

Yang et al., Physical Review E 72, 012602 (2005), DOI 10.1103/PhysRevE.72.012602.
Holmberg et al., Physical Chemistry Chemical Physics 16, 17437–17446 (2014), DOI 10.1039/C4CP00635F.
Chen et al., Physical Chemistry Chemical Physics 16, 22545–22554 (2014), DOI 10.1039/C4CP02375G.
OpenStax Chemistry, Abschnitt „Electrolytes“.
OpenStax Chemistry 2e, Abschnitt 17.7 „Electrolysis“.
Royal Society of Chemistry Education, „Electrolysis of brine“.