Słona woda jest najbardziej znanym przykładem roztworu jonowego, który przewodzi prąd, ale zrozumienie, dlaczego tak się dzieje, nie jest tak proste, jak przeprowadzenie domowego eksperymentu na tym zjawisku. Powód sprowadza się do różnicy między wiązaniami jonowymi i kowalencyjnymi, a także do zrozumienia, co dzieje się, gdy zdysocjowane jony są poddawane działaniu pola elektrycznego.
W skrócie, Związki jonowe przewodzą prąd w wodzie, ponieważ rozdzielają się na naładowane jony, które są następnie przyciągane do przeciwnie naładowanej elektrody.
Więź jonowa kontra Wiązanie kowalencyjne
Musisz znać różnicę między wiązaniami jonowymi i kowalencyjnymi, aby lepiej zrozumieć przewodnictwo elektryczne związków jonowych.
Wiązania kowalencyjne powstają, gdy atomy dzielą się elektronami, aby uzupełnić swoje zewnętrzne (walencyjne) powłoki. Na przykład wodór pierwiastkowy ma jedną „przestrzeń” w swojej zewnętrznej powłoce elektronowej, więc może wiązać się kowalencyjnie z innym atomem wodoru, przy czym oba mają wspólne elektrony, aby wypełnić ich powłoki.
Na wiązanie jonowe działa inaczej. Niektóre atomy, takie jak sód, mają jeden lub bardzo niewiele elektronów w zewnętrznej powłoce. Inne atomy, takie jak chlor, mają zewnętrzne powłoki, które potrzebują tylko jednego elektronu więcej, aby mieć pełną powłokę. Dodatkowy elektron w tym pierwszym atomie może przenieść się do drugiego, aby wypełnić tę drugą powłokę.
Jednak procesy przegrywania i zdobywania wyborów tworzą nierównowagę między ładunkiem w jądrze a ładunkiem z elektrony, nadając wypadkowemu atomowi ładunek dodatni netto (gdy elektron jest tracony) lub ładunek ujemny netto (gdy jeden jest zdobyte). Te naładowane atomy nazywane są jonami, a przeciwnie naładowane jony mogą być przyciągane razem, tworząc wiązanie jonowe i elektrycznie obojętną cząsteczkę, taką jak NaCl lub chlorek sodu.
Zwróć uwagę, jak „chlor” zmienia się w „chlorek”, gdy staje się jonem.
Dysocjacja wiązań jonowych
Wiązania jonowe, które utrzymują razem cząsteczki, takie jak sól kuchenna (chlorek sodu), mogą w pewnych okolicznościach zostać rozerwane. Jednym z przykładów jest to, że są rozpuszczony w wodzie; cząsteczki „dysocjują” na swoje składowe jony, co przywraca je do stanu naładowanego.
Wiązania jonowe mogą również zostać zerwane, jeśli cząsteczki zostaną stopione w wysokiej temperaturze, co ma ten sam efekt, gdy pozostają one w stanie stopionym.
Fakt, że każdy z tych procesów prowadzi do gromadzenia naładowanych jonów, ma kluczowe znaczenie dla przewodnictwa elektrycznego związków jonowych. W swoich związanych, stałych stanach cząsteczki takie jak sól nie przewodzą elektryczności. Ale kiedy są zdysocjowane w roztworze lub przez topienie, mogą nosić prąd. Dzieje się tak, ponieważ elektrony nie mogą swobodnie poruszać się w wodzie (tak samo jak w przewodzie przewodzącym), ale jony mogą poruszać się swobodnie.
Po przyłożeniu prądu
Aby przyłożyć prąd do roztworu, do cieczy wkłada się dwie elektrody, obie podłączone do akumulatora lub źródła ładunku. Dodatnio naładowana elektroda nazywana jest anodą, a ujemnie naładowana elektroda nazywana jest katodą. Bateria wysyła ładunek do elektrod (w bardziej tradycyjny sposób, w którym elektrony poruszają się stały materiał przewodzący) i stają się odrębnymi źródłami ładunku w cieczy, wytwarzając elektryczność pole.
Jony w roztworze reagują na to pole elektryczne zgodnie z ich ładunkiem. Dodatnio naładowane jony (sód w roztworze soli) są przyciągane do katody, a jony naładowane ujemnie (jony chlorkowe w roztworze soli) są przyciągane do anody. Ten ruch naładowanych cząstek jest prąd elektryczny, ponieważ prąd to po prostu ruch ładunku.
Kiedy jony dotrą do odpowiednich elektrod, albo zyskują, albo tracą elektrony, aby powrócić do swojego stanu pierwiastkowego. W przypadku soli zdysocjowanej dodatnio naładowane jony sodu gromadzą się na katodzie i odbierają elektrony z elektrody, pozostawiając ją jako elementarny sód.
Jednocześnie jony chlorkowe tracą swój „dodatkowy” elektron na anodzie, wysyłając elektrony do elektrody, aby zamknąć obwód. Ten proces powoduje, że związki jonowe przewodzą prąd w wodzie.