Slana voda najpoznatiji je primjer ionske otopine koja provodi elektricitet, ali razumijevanje zašto se to događa nije tako jednostavno kao izvođenje kućnog eksperimenta na tom fenomenu. Razlog se svodi na razliku između ionskih i kovalentnih veza, kao i na razumijevanje što se događa kada su disocirani ioni izloženi električnom polju.
Ukratko, ionski spojevi provode struju u vodi jer se odvajaju u nabijene ione, koje zatim privlači suprotno nabijena elektroda.
Jonska obveznica vs. Kovalentna veza
Morate znati razliku između ionskih i kovalentnih veza da biste bolje razumjeli električnu vodljivost ionskih spojeva.
Kovalentne veze nastaju kada atomi dijele elektrone kako bi upotpunili svoje vanjske (valentne) ljuske. Na primjer, elementarni vodik ima jedan "prostor" u svojoj vanjskoj elektronskoj ljusci, pa se može kovalentno povezati s drugim atomom vodika, pri čemu obojica dijele svoje elektrone kako bi ispunili svoje ljuske.
An ionska veza djeluje drugačije. Neki atomi, poput natrija, imaju jedan ili vrlo malo elektrona u vanjskim ljuskama. Ostali atomi, poput klora, imaju vanjske ljuske kojima treba samo još jedan elektron da bi imali punu ljusku. Suvišni elektron u tom prvom atomu može se prenijeti u drugi kako bi ispunio tu drugu ljusku.
Međutim, procesi gubitka i dobivanja izbora stvaraju neravnotežu između naboja u jezgri i naboja iz elektroni, dajući rezultirajućem atomu neto pozitivni naboj (kad se elektron izgubi) ili neto negativni naboj (kada jedan stekao). Ti se nabijeni atomi nazivaju ioni, a suprotno nabijeni ioni mogu se privući da bi stvorili ionsku vezu i električki neutralnu molekulu, poput NaCl ili natrijevog klorida.
Imajte na umu kako se "klor" mijenja u "klorid" kada postane ion.
Disocijacija jonskih veza
Jonske veze koje molekule poput zajedničke soli (natrijev klorid) drže zajedno mogu se u nekim okolnostima razbiti. Jedan od primjera je kad jesu otopljen u vodi; molekule se "razdvajaju" na sastavne ione, što ih vraća u nabijeno stanje.
Ionske veze također se mogu prekinuti ako se molekule rastope pod visokom temperaturom, što ima isti učinak kada ostanu u rastaljenom stanju.
Činjenica da bilo koji od ovih procesa dovodi do sakupljanja nabijenih iona ključna je za električnu vodljivost ionskih spojeva. U svojim vezanim, čvrstim stanjima, molekule poput soli ne provode električnu energiju. Ali kad su razdvojeni u otopini ili topljenjem, oni limenka nose struju. To je zato što se elektroni ne mogu slobodno kretati kroz vodu (na isti način kao u vodljivoj žici), ali ioni se mogu slobodno kretati.
Kada se primijeni struja
Da bi se na otopinu primijenila struja, u tekućinu se umetnu dvije elektrode, obje pričvršćene na bateriju ili izvor punjenja. Pozitivno nabijena elektroda naziva se anoda, a negativno nabijena elektroda katoda. Baterija šalje naboj na elektrode (na tradicionalniji način koji uključuje elektrone koji se kreću kroz kruti vodljivi materijal), a oni postaju različiti izvori naboja u tekućini, proizvodeći električni polje.
Ioni u otopini reagiraju na ovo električno polje prema svom naboju. Pozitivno nabijeni ioni (natrij u otopini soli) privlače se na katodu, a negativno nabijeni ioni (kloridni ioni u otopini soli) na anodu. Ovo kretanje nabijenih čestica je električna struja, jer je struja jednostavno kretanje naboja.
Kad ioni dosegnu odgovarajuće elektrode, oni ili dobivaju ili gube elektrone da bi se vratili u svoje elementarno stanje. Za razdvojenu sol pozitivno nabijeni natrijevi ioni skupljaju se na katodi i uzimaju elektrode s elektrode, ostavljajući je kao elementarni natrij.
Istodobno, kloridni ioni gube svoj „dodatni“ elektron na anodi, šaljući elektrone u elektrodu da završe krug. Ovaj je postupak razlog zašto ionski spojevi provode električnu energiju u vodi.