Zout water is het bekendste voorbeeld van een ionische oplossing die elektriciteit geleidt, maar begrijpen waarom dit gebeurt, is niet zo eenvoudig als het uitvoeren van een thuisexperiment op het fenomeen. De reden komt neer op het verschil tussen ionische bindingen en covalente bindingen, evenals het begrijpen wat er gebeurt wanneer gedissocieerde ionen worden onderworpen aan een elektrisch veld.
Kortom, Ionische bestanddelen geleiden elektriciteit in water omdat ze zich scheiden in geladen ionen, die vervolgens worden aangetrokken door de tegengesteld geladen elektrode.
Een Ionische Bond vs. Een covalente binding
Je moet het verschil weten tussen ionische en covalente bindingen om de elektrische geleidbaarheid van ionische verbindingen beter te begrijpen.
Covalente bindingen worden gevormd wanneer atomen elektronen delen om hun buitenste (valentie) schillen te voltooien. Elementaire waterstof heeft bijvoorbeeld één "ruimte" in zijn buitenste elektronenschil, zodat het covalent kan binden met een ander waterstofatoom, waarbij beide hun elektronen delen om hun schillen te vullen.
Een ionbinding werkt anders. Sommige atomen, zoals natrium, hebben een of zeer weinig elektronen in hun buitenste schil. Andere atomen, zoals chloor, hebben buitenste schillen die slechts één elektron meer nodig hebben om een volledige schil te hebben. Het extra elektron in dat eerste atoom kan overgaan naar het tweede om die andere schil te vullen.
De processen van verliezen en winnen van verkiezingen creëren echter een onbalans tussen de lading in de kern en de lading van de elektronen, waardoor het resulterende atoom een netto positieve lading krijgt (wanneer een elektron verloren gaat) of een netto negatieve lading (wanneer een elektron verloren gaat) gewonnen). Deze geladen atomen worden ionen genoemd en tegengesteld geladen ionen kunnen samen worden aangetrokken om een ionische binding en een elektrisch neutraal molecuul te vormen, zoals NaCl of natriumchloride.
Merk op hoe "chloor" verandert in "chloride" wanneer het een ion wordt.
Dissociatie van ionische bindingen
De ionische bindingen die moleculen zoals keukenzout (natriumchloride) bij elkaar houden, kunnen onder bepaalde omstandigheden worden verbroken. Een voorbeeld is wanneer ze zijn opgelost in water; de moleculen "dissociëren" in hun samenstellende ionen, die ze terugbrengen naar hun geladen toestand.
De ionische bindingen kunnen ook worden verbroken als de moleculen onder hoge temperatuur worden gesmolten, wat hetzelfde effect heeft als ze in gesmolten toestand blijven.
Het feit dat een van deze processen leidt tot een verzameling van geladen ionen, staat centraal in de elektrische geleidbaarheid van ionische verbindingen. In hun gebonden, vaste toestand geleiden moleculen zoals zout geen elektriciteit. Maar wanneer ze worden gedissocieerd in een oplossing of door smelten, kan een stroom voeren. Dit komt omdat elektronen niet vrij door water kunnen bewegen (op dezelfde manier als in een geleidende draad), maar ionen kunnen vrij bewegen.
Wanneer een stroom wordt toegepast
Om een stroom op een oplossing aan te brengen, worden twee elektroden in de vloeistof gestoken, beide bevestigd aan een batterij of een ladingsbron. De positief geladen elektrode wordt de anode genoemd en de negatief geladen elektrode de kathode. De batterij stuurt lading naar de elektroden (op de meer traditionele manier waarbij elektronen door een vast geleidend materiaal), en ze worden verschillende bronnen van lading in de vloeistof, waardoor een elektrische veld.
De ionen in de oplossing reageren op dit elektrische veld volgens hun lading. De positief geladen ionen (natrium in een zoutoplossing) worden aangetrokken door de kathode en de negatief geladen ionen (chloride-ionen in een zoutoplossing) worden aangetrokken door de anode. Deze beweging van geladen deeltjes is een elektrische stroom, omdat stroom gewoon de beweging van lading is.
Wanneer de ionen hun respectieve elektroden bereiken, winnen of verliezen ze elektronen om terug te keren naar hun elementaire toestand. Voor gedissocieerd zout verzamelen de positief geladen natriumionen zich bij de kathode en nemen elektronen op van de elektrode, waardoor het achterblijft als elementair natrium.
Tegelijkertijd verliezen de chloride-ionen hun "extra" elektron aan de anode, waardoor elektronen naar de elektrode worden gestuurd om het circuit te voltooien. Dit proces is de reden waarom ionische verbindingen elektriciteit geleiden in water.