Salzwasser ist das bekannteste Beispiel für eine ionische Lösung, die Elektrizität leitet, aber zu verstehen, warum dies geschieht, ist nicht so einfach wie ein Heimexperiment zu diesem Phänomen. Der Grund dafür liegt im Unterschied zwischen ionischen Bindungen und kovalenten Bindungen sowie im Verständnis, was passiert, wenn dissoziierte Ionen einem elektrischen Feld ausgesetzt werden.
Zusamenfassend, ionische Verbindungen leiten Elektrizität im Wasser, weil sie sich in geladene Ionen aufspalten, die dann von der entgegengesetzt geladenen Elektrode angezogen werden.
Eine Ionenbindung vs. Eine kovalente Bindung
Sie müssen den Unterschied zwischen ionischen und kovalenten Bindungen kennen, um die elektrische Leitfähigkeit ionischer Verbindungen besser zu verstehen.
Kovalente Bindungen entstehen, wenn Atome Elektronen teilen, um ihre äußeren (Valenz-)Schalen zu vervollständigen. Elementarer Wasserstoff hat beispielsweise einen „Raum“ in seiner äußeren Elektronenhülle, sodass er sich kovalent mit einem anderen Wasserstoffatom verbinden kann, wobei beide ihre Elektronen teilen, um ihre Hüllen zu füllen.
Ein Ionenverbindung funktioniert anders. Einige Atome, wie Natrium, haben ein oder sehr wenige Elektronen in ihrer äußeren Hülle. Andere Atome, wie Chlor, haben äußere Schalen, die nur ein weiteres Elektron brauchen, um eine volle Schale zu haben. Das zusätzliche Elektron in diesem ersten Atom kann auf das zweite übertragen werden, um diese andere Schale zu füllen.
Die Prozesse des Verlierens und Gewinnens von Wahlen schaffen jedoch ein Ungleichgewicht zwischen der Ladung im Atomkern und der Ladung von die Elektronen, wodurch das resultierende Atom eine positive Nettoladung (wenn ein Elektron verloren geht) oder eine negative Nettoladung (wenn eines ist) gewonnen). Diese geladenen Atome werden Ionen genannt, und entgegengesetzt geladene Ionen können zusammen angezogen werden, um eine Ionenbindung und ein elektrisch neutrales Molekül wie NaCl oder Natriumchlorid zu bilden.
Beachten Sie, wie sich "Chlor" in "Chlorid" ändert, wenn es zu einem Ion wird.
Dissoziation ionischer Bindungen
Die ionischen Bindungen, die Moleküle wie Kochsalz (Natriumchlorid) zusammenhalten, können unter Umständen aufgebrochen werden. Ein Beispiel ist, wenn sie in Wasser gelöst; die Moleküle „dissoziieren“ in ihre konstituierenden Ionen, wodurch sie in ihren geladenen Zustand zurückversetzt werden.
Die ionischen Bindungen können auch gebrochen werden, wenn die Moleküle unter hoher Temperatur geschmolzen werden, was den gleichen Effekt hat, wenn sie in geschmolzenem Zustand verbleiben.
Die Tatsache, dass jeder dieser Prozesse zu einer Ansammlung geladener Ionen führt, ist von zentraler Bedeutung für die elektrische Leitfähigkeit ionischer Verbindungen. In ihrem gebundenen, festen Zustand leiten Moleküle wie Salz keinen Strom. Aber wenn sie in einer Lösung oder durch Schmelzen dissoziiert werden, werden sie können einen Strom tragen. Dies liegt daran, dass sich Elektronen nicht frei durch Wasser bewegen können (genauso wie in einem leitfähigen Draht), aber Ionen können sich frei bewegen.
Wenn ein Strom angelegt wird
Um einen Strom an eine Lösung anzulegen, werden zwei Elektroden in die Flüssigkeit eingeführt, die beide an einer Batterie oder Ladequelle befestigt sind. Die positiv geladene Elektrode wird als Anode bezeichnet, die negativ geladene Elektrode wird als Kathode bezeichnet. Die Batterie sendet Ladung an die Elektroden (auf die traditionellere Weise mit Elektronen, die sich durch ein festes leitfähiges Material) und sie werden zu verschiedenen Ladungsquellen in der Flüssigkeit, wodurch ein elektrisches Feld.
Die Ionen in der Lösung reagieren entsprechend ihrer Ladung auf dieses elektrische Feld. Die positiv geladenen Ionen (Natrium in einer Salzlösung) werden von der Kathode angezogen und die negativ geladenen Ionen (Chloridionen in einer Salzlösung) werden von der Anode angezogen. Diese Bewegung geladener Teilchen ist ein elektrischer Strom, denn Strom ist einfach die Ladungsbewegung.
Wenn die Ionen ihre jeweiligen Elektroden erreichen, gewinnen oder verlieren sie Elektronen, um in ihren elementaren Zustand zurückzukehren. Bei dissoziiertem Salz sammeln sich die positiv geladenen Natriumionen an der Kathode und nehmen Elektronen von der Elektrode auf, wodurch sie als elementares Natrium zurückbleiben.
Gleichzeitig verlieren die Chloridionen ihr „zusätzliches“ Elektron an der Anode und schicken Elektronen in die Elektrode, um den Stromkreis zu schließen. Dieser Prozess ist der Grund, warum ionische Verbindungen im Wasser Strom leiten.