Fortgeschritten #49

Die elektrische Leitfähigkeit von Wasser erreicht bei 230 Grad Celsius ein Maximum

Die Eigenleitfähigkeit von reinem Wasser hat ein Maximum bei hoher Temperatur.

Wissenschaftliche Erklärung

Reines Wasser ist kein perfekter Isolator — es enthält stets geringe Mengen an Protonen (H-plus) und Hydroxidionen (OH-minus), die durch die Autoprotolyse entstehen: Zwei Wassermoleküle tauschen ein Proton aus und bilden ein Hydronium- und ein Hydroxidion. Die Konzentration dieser Ionen und ihre Mobilität bestimmen die elektrische Eigenleitfähigkeit.

Mit steigender Temperatur nimmt die Autoprotolyse zu — es bilden sich mehr Ionen, und die Leitfähigkeit steigt. Gleichzeitig steigt auch die Mobilität der Ionen mit der Temperatur. Bis etwa 230 Grad Celsius (unter genügend Druck, um Wasser flüssig zu halten) überwiegen diese beiden Effekte, und die Leitfähigkeit wächst.

Oberhalb von 230 Grad Celsius sinkt jedoch die Dielektrizitätskonstante so stark, dass das Wasser die gebildeten Ionen nicht mehr so effektiv stabilisieren kann. Die Ionenkonzentration geht zurück, und trotz weiter steigender Mobilität sinkt die Leitfähigkeit. Das Maximum bei 230 Grad Celsius markiert also den Punkt, an dem der Rückgang der Dielektrizitätskonstante den Anstieg der thermischen Energie gerade überwiegt.

Electrical Conductivity of Pure Water vs Temperature Line chart showing that the intrinsic electrical conductivity of pure water increases with temperature and reaches a maximum at about 230 degrees C, then decreases at higher temperatures as the dielectric constant drops too much to support ion formation. Conductivity (S/m) 10⁻¹ 10⁻² 10⁻³ 10⁻⁴ 0 100 200 300 400 Temperature (°C) Maximum ~230 °C Intrinsic Conductivity of Pure Water
Eigenleitfähigkeit von reinem Wasser mit Maximum bei etwa 230 Grad Celsius.

Alltagsrelevanz

Dieses Maximum ist relevant für Kraftwerke und die Geothermie. In Dampfturbinen und Druckwasserreaktoren zirkuliert Wasser bei Temperaturen um 300 Grad Celsius. Das Maximum der Leitfähigkeit bei 230 Grad bedeutet, dass in diesem Bereich die Korrosivität des Wassers besonders hoch ist, da die erhöhte Ionenkonzentration elektrochemische Reaktionen an Metalloberflächen begünstigt. Ingenieure müssen die Wasserchemie in diesen Systemen sorgfältig kontrollieren, um Korrosion zu minimieren.