Koniec $\text{XIX}$ wieku przyniósł wiele dowodów na to, że roztwory wielu związków nieorganicznych (np. soli) przewodzą prąd elektryczny. Związki te nazywano elektrolitamielektrolitelektrolitami. W jaki sposób można wyjaśnić to zjawisko? Czy jedynie roztwory soli są zdolne do przewodzenia prądu elektrycznego?

Stały $\text{NaCl}$

Kryształy $\text{NaCl}$ składają się z naładowanych różnoimiennie jonów dodatnich (kationów) i ujemnych (anionów), które zajmują określone położenia w strukturze sieci krystalicznej i w stanie stałym nie mogą ich opuszczać (chociaż mogą wykonywać drgania). Siłą utrzymującą sieć krystaliczną $\text{NaCl}$ razem są oddziaływania elektrostatyczne wiązania jonowegowiązanie jonowewiązania jonowego. Sieć krystaliczna $\text{NaCl}$ nie zawiera więc ruchliwych jonów, zdolnych do poruszania się pomiędzy elektrodami i przewodzenia prądu elektrycznego. Z tego względu nie obserwujemy zaświeconej żarówki.

Stopiony $\text{NaCl}$

W czasie ogrzewania stałego chlorku sodu, dochodzi do jego stopienia – sieć krystaliczna rozpada się i jony, które zajmowały do tej pory określone położenia w sieci krystalicznej, mogą poruszać się swobodnie w stanie ciekłym.

Kiedy w ciekłym, czyli stopionym chlorku sodu umieścimy elektrody i podłączymy je do źródła energii, to przez niego zacznie przepływać prąd elektryczny. Aniony chlorkowe będą zbliżać się do anody (elektrody dodatniej), oddając jej elektrony i ulegając utlenieniu.

Anoda (+):

Z kolei do katody (elektrody ujemnej) zbliżać się będą kationy sodu i będą ulegać na tej elektrodzie redukcji, pobierając z niej elektrony.

Katoda (-):

Procesowi przepływu prądu przez stopioną sól towarzyszą zatem efekty chemiczne – na anodzie wydziela się gazowy chlor, a na katodzie metaliczny sód. Proces ten nazywamy elektrolizą.

Równanie sumaryczne elektrolizy:

Roztwór wodny $\mathrm{NaCl}$

W roztworze wodnym chlorek sodu ulega dysocjacji elektrolitycznej i rozpada się na jony dodatnie (kationy) i jony ujemne (aniony). Proces dysocjacji elektrolitycznejdysocjacja elektrolitycznadysocjacji elektrolitycznej można przedstawić równaniem:

Podczas rozpuszczania stałego chlorku sodu, jego sieć krystaliczna zostaje rozerwana, a poszczególne jony, solawatowane (otaczane) przez cząsteczki wody, mogą swobodnie poruszać się w roztworze. Roztwór taki przewodzi zatem prąd elektryczny. Co istotne, w roztworze wodnym mamy do czynienia z tzw. „podwójnym prądem”. Aniony poruszają się w przeciwnym kierunku niż kationy, a pola elektryczne różnoimiennie naładowanych jonów oddziałują na siebie.

Elektoliza roztworu chlorku sodu prowadzi do otrzymania gazowych produktów. Na anodzie (elektrodzie dodatniej) zachodzi proces utlenienia anionów chlorkowych, czego produktem jest gazowy chlor.

Anoda (+):

Natomiast, na katodzie (elektrodzie ujemnej) zachodzi proces redukcji wody, w wyniku którego otrzymywany jest gazowy wodór.

Katoda (-):

W procesie elektrolizy wodnego roztowu chlorku sodu otrzymuje się zatem gazowy chlor i wodór oraz zdysocjowany wodorotlenek sodu.

Równanie sumaryczne elektrolizy:

Ciekawostka

Większość soli w ciele stałym nie przewodzi prądu elektrycznego. Istnieje jednak grupa stałych soli, które charakteryzują się wysokim przewodnictwem jonowym. Są to tzw. przewodniki superjonowe, których przewodnictwo może być nawet tak duże, jak roztworów wodnych elektrolitów.

Jak wiadomo, w ciele stałym soli ruch jonów (prócz drgań wokół położenia równowagi) jest niemożliwy – są one bowiem uwięzione w sieci krystalicznej. Wprawdzie w kryształach przewodników superjonowych występują również wiązania jonowe, jednak dzięki tzw. defektom sieci krystalicznej jony mogą się poruszać. Do przewodników superjonowych zalicza się m.in. jodek srebra w temperaturze powyżej 420 K (faza βbeta), w którym jony srebra mogą swobodnie przemieszczać się między większymi jonami jodkowymi.

Przewodniki superjonowe są wykorzystywane m.in. w konstrukcji ogniw paliwowych.

R1RLEs9aEiERS

Ilustracja przedstawiająca defekty punktowe w dwuwymiarowej sieci krystalicznej. Sieć krystaliczną tworzą szare kulki zajmujące pole w kształcie prostokąta o wymiarach dziewięć na piętnaście kulek. Wśród defektów wyróżniono: defekt Frenkla powstający w wyniku przejścia części kationów z położeń równowagowych w węzłach sieci do położeń międzywęzłowych. Co reprezentuje żółta kulka, która pierwotnie otoczona była czterema szarymi kulkami znajdującymi się odpowiednio nad nią, pod nią, po prawej i po lewej stronie. Po przejściu po skosie w dół otoczona jest ona przez cztery inne kulki, które znajdują się po skosie po prawo u góry i u dołu oraz po skosie po lewej u góry i u dołu. Oprócz tego, można zauważyć puste miejsce sieciowe, w miejscu, w którym powinna znajdować się jedna z kulek jest pusta przestrzeń (brak jest kulki, która powinna znajdować się w odległości czterech kulek do góry i trzech w prawo względem lewego dolnego rogu sieci tworzącej prostokąt). Kolejny defekt stanowi położenie międzywęzłowe atomu, które to w idealnej sieci nie miałoby miejsca. Żółta kulka zamiast być otoczoną po prawej, po lewej, od góry i od dołu przez cztery szare kulki jest otoczona przez te same kulki, jednak znajdują się one po skosie po prawej stronie u góry i u dołu oraz po skosie po lewej u góry i u dołu. Następnie, defektem sieci może być podstawienie większym atomem lub jonem, co oddziałuje na pozostałe otaczające kulki. W środku sieci znajduje się jedna duża, fioletowa kulka, która "rozpycha" otaczające ją atomy, co również burzy strukturę sieci. Ostatni defekt stanowi podstawienie mniejszym atomem lub jonem, co podobnie wpływa na sąsiednie indywidua, zmieniając położenie kolejnych kulek. Szare kulki zamiast być równomiernie rozłożonymi w całej sieci, w tych samych odległościach, są bliżej małej, brązowej kulki.

Większość soli w stanie stałym praktycznie nie przewodzi prądu elektrycznego. Dobrym przewodnictwem elektrycznym cechują się za to roztwory wodne soli oraz sole w postaci stopionej, z uwagi na obecność ruchliwych jonów.

Słownik

Bibliografia

Bieniek G., Chemia doświadczenia chemiczne w zadaniach. Trening przed maturą, Kraków 2007.

Czerwiński A., Czerwińska A., Jelińska‑Kazimierczuk M., Kuśmierczyk K., Chemia 1, Warszawa 2002.

Encyklopedia PWN

Jagodziński P., Wolski R., Aspekty Metodyczne eksperymentów chemicznych. Szkoła ponadgimnazjalna. Nowa podstawa programowa, cz. 2, Warszawa 2013.

Litwin M., Styka‑Wlazło Sz., Szymońska J., To jest chemia 2. Chemia organiczna. Podręcznik dla liceum ogólnokształcącego i technikum. Zakres rozszerzony, Warszawa 2016.