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Lösungsvorschlag

Versuch 1 – Gedankenexperiment zur Diffusion einer Salzlösung:

SuS zunächst in EA, dann PA, dann Plenum (System der „Wachsenden Gruppe“)
Beobachtung (eingezeichnet) nach t = 20 h: Gleichverteilung der Kalium- und Chloridionen im gesamten Gefäß
Erklärung: Kalium- und Chloridionen diffundieren aus dem Kompartiment 1 (hohe Ausgangskonzentration) ins Kompartiment 2 (geringe Ausgangskonzentration) bis ein Konzentrationsausgleich, d. h. eine Gleichverteilung der Ionen, erreicht ist. Antrieb für diese Durchmischung ist die Eigenbewegung der Teilchen (Brown’sche Molekularbewegung).

Versuch 2 – Kalium-Chlorid-Lösung an einer Kaliumionen selektiven Membran

zunächst Gedankenexperiment : Situation ohne Spannungsmesser: SuS machen begründete Vorhersage

SuS zunächst in EA, dann PA, dann Plenum

Beobachtung (eingezeichnet) nach t = 10 min: Einige Kaliumionen diffundieren über die Membran ins Kompartiment 2. Die Chloridionen bleiben vollständig zurück.
Erklärung: Sowohl für für Kalium- als auch für Chloridionen besteht ein Konzentrationsgefälle von Kompartiment 1 nach Kompartiment 2. Die Chloridionen können nicht das Kompartiment wechseln, da sie von der Membran zurückgehalten werden. Die Kaliumionen können – ihrem Konzentrationsgefälle folgend - z. T. die Seite wechseln.

Concept-Test I - Abstimmungsfrage oder Clicker-Frage oder Concept-Cartoon 1
Bei welchem der beiden Situationen (Versuch 1 bzw. 2) kann mit einem Voltmeter elektrische Spannung gemessen werden?

bei beiden
nur bei Situation 1 (Versuch 1)
nur bei Situation 2 (Versuch 2)
bei keinem

Experimentelle Überprüfung der Abstimmung! (vgl. Anleitung)

Antwort c ist korrekt! → Begründung :
Situation 1 : Die positiven und negativen Ladungen sind gleichmäßig verteilt. Voraussetzung für elektrischen Strom ist, dass Ladungen getrennt vorliegen.
Durch eine Trennung von Ladung - wie z. B. durch eine Kalium-selektiv-permeable Membran ( Situation 2 ) - wird eine Potentialdifferenz aufgebaut, d. h. eine Spannung zwischen positivem und negativem Pol. (Je mehr Ladungsträger voneinander getrennt sind, desto größer ist die Spannung.)

Kompartiment 1: [Chloridionen] > [Kaliumionen] → negativer Ladungsüberschuss (negativer Pol)

Kompartiment 2: ausschließlich Kaliumionen → positiver Ladungsüberschuss (positiver Pol)

Jedes Kaliumion, das die Seite wechselt, vergrößert das Ungleichgewicht, d. h. die Ladungstrennung = Potentialdifferenz, d. h. die elektrische Spannung.
SuS ergänzen Spannungsmesser(Voltmeter): Versuch 1 U = 0 V, Versuch 2 U = 60 mV (oder Ergebnis des Kontrollexperiments) und sichern Begründung (evtl. Tafelanschrieb).

Concept-Test II - Abstimmungsfrage oder Clicker-Frage oder Concept-Cartoon
Wird für die Kaliumionen das Konzentrationsgleichgewicht erreicht?

ja, weil die Kaliumionen sich gleichmäßig verteilen.
nein, da nur ein kleiner Teil der Kaliumionen die Seite wechselt.
nur kurzzeitig, da mit der Zeit alle Kaliumionen die Seite wechseln.

Antwort b ist korrekt! → Begründung :
Mit jedem Kaliumion, das in Kompartiment 2 diffundiert, vergrößert sich der Ladungsüberschuss negativer Ladung in Kompartiment 1 (negativer Pol). Diese Potentialdifferenz über die Membran hinweg erzeugt eine elektromotorische Kraft auf die Kaliumionen: Kaliumionen in Kompartiment 1 werden zurückgehalten, Kaliumionen in Kompartiment 2 werden Richtung Kompartiment 1 zurückgezogen.
Nach einer gewissen Zeit entsteht eine Gleichgewichtssituation: Einige Kaliumionen befinden sich in Kompartiment 2, jedoch nicht so viele wie für den Konzentrationsausgleich notwendig wären. Die elektromotorische Kraft und das Konzentrationsgefälle für Kaliumionen wirken in entgegengesetzter Richtung und sind gleich groß. Sie halten sich daher die Waage. Man spricht von einem Gleichgewichtspotential. Es ist eine Folge der selektiven Eigenschaft der Membran.