Saltvatten är det mest kända exemplet på en jonlösning som leder elektricitet, men att förstå varför detta händer är inte så enkelt som att utföra ett hemexperiment på fenomenet. Anledningen beror på skillnaden mellan jonbindningar och kovalenta bindningar, samt att förstå vad som händer när dissocierade joner utsätts för ett elektriskt fält.
Kortfattat, jonföreningar leda elektricitet i vatten eftersom de separeras i laddade joner, som sedan lockas till den motsatt laddade elektroden.
En jonisk obligation vs. En kovalent obligation
Du måste veta skillnaden mellan joniska och kovalenta bindningar för att få en bättre förståelse för jonföreningarnas elektriska ledningsförmåga.
Kovalenta bindningar bildas när atomer delar elektroner för att slutföra sina yttre (valens) skal. Elementärt väte har till exempel ett "utrymme" i sitt yttre elektronskal, så det kan bindas kovalent med en annan väteatom, där båda delar sina elektroner för att fylla sina skal.
Ett jonbindning fungerar annorlunda. Vissa atomer, som natrium, har en eller mycket få elektroner i sina yttre skal. Andra atomer, som klor, har yttre skal som bara behöver ytterligare en elektron för att ha ett helt skal. Den extra elektronen i den första atomen kan överföras till den andra för att fylla det andra skalet.
Processerna att förlora och vinna val skapar emellertid en obalans mellan laddningen i kärnan och laddningen från elektronerna, vilket ger den resulterande atomen en nettoladdning (när en elektron förloras) eller en nettoladdning (när en är fått). Dessa laddade atomer kallas joner och motsatt laddade joner kan lockas samman för att bilda en jonbindning och en elektriskt neutral molekyl, såsom NaCl eller natriumklorid.
Observera hur "klor" ändras till "klorid" när det blir en jon.
Dissociation av joniska obligationer
De jonbindningar som håller molekyler som vanligt salt (natriumklorid) tillsammans kan brytas isär under vissa omständigheter. Ett exempel är när de är löst i vatten; molekylerna "dissocieras" i deras beståndsdelar, vilket återför dem till sitt laddade tillstånd.
De joniska bindningarna kan också brytas om molekylerna smälts under hög temperatur, vilket har samma effekt när de förblir i smält tillstånd.
Det faktum att någon av dessa processer leder till en samling laddade joner är central för den elektriska ledningsförmågan hos jonföreningar. I sina bundna fasta tillstånd leder molekyler som salt inte elektricitet. Men när de dissocieras i en lösning eller genom smältning, gör de det burk bära en ström. Detta beror på att elektroner inte kan röra sig fritt genom vatten (på samma sätt som de gör i en ledande tråd), men joner kan röra sig fritt.
När en ström tillämpas
För att applicera en ström på en lösning sätts två elektroder in i vätskan, båda fästa på ett batteri eller en laddningskälla. Den positivt laddade elektroden kallas anoden och den negativt laddade elektroden kallas katoden. Batteriet skickar laddning till elektroderna (på det mer traditionella sättet som involverar elektroner som rör sig genom en fast ledande material), och de blir distinkta laddningskällor i vätskan och producerar en elektrisk fält.
Jonerna i lösningen svarar på detta elektriska fält enligt deras laddning. De positivt laddade jonerna (natrium i en saltlösning) lockas till katoden och de negativt laddade jonerna (kloridjoner i en saltlösning) lockas till anoden. Denna rörelse av laddade partiklar är en elektrisk ström, eftersom strömmen helt enkelt är laddningens rörelse.
När jonerna når sina respektive elektroder vinner eller förlorar de antingen elektroner för att återgå till deras elementära tillstånd. För dissocierat salt samlas de positivt laddade natriumjonerna vid katoden och plockar upp elektroner från elektroden och lämnar den som elementärt natrium.
Samtidigt förlorar kloridjonerna sin "extra" elektron vid anoden och skickar elektroner in i elektroden för att slutföra kretsen. Denna process är anledningen till att jonföreningar leder elektricitet i vatten.