Warto przeczytać

Prądem elektrycznym nazywamy uporządkowany ruch nośników elektrycznych pod wpływem pola elektrycznego. Nośnikami są cząstki obdarzone ładunkiem elektrycznym mające możliwość swobodnego ruchu w całej objętości ciała; w metalach są nimi elektrony, w półprzewodnikach - elektrony i dziury, a w elektrolitach i gazach - jony.

Wielkościami fizycznymi charakteryzującymi zdolność materiału do przewodzenia prądu elektrycznego są: opór elektryczny właściwyopór elektryczny właściwy (rezystywność)opór elektryczny właściwy i przewodnictwo właściweprzewodnictwo właściwe (konduktywność)przewodnictwo właściwe.  Im mniejszy opór elektryczny właściwy (a większe przewodnictwo właściwe), tym materiały lepiej przewodzą prąd elektryczny. Więcej informacji na temat tych wielkości znajdziesz w e‑materiale „Jak definiuje się opór właściwy materiału i jaka jest jego jednostka?”.

Przykładowe wartości oporu właściwego różnych materiałów podane są w Tabeli 1.

Tabela 1. Przykładowe wartości oporu elektrycznego właściwego.

Istotnym czynnikiem decydującym o oporze elektrycznym materiału jest ilość nośników prądu w jednostce objętości. W metalach jeden atom dostarcza jeden lub dwa swobodne elektrony. Daje to około 10Indeks górny 28²⁸ nośników na metr sześcienny, w półprzewodnikach samoistnych, które dość słabo przewodzą prąd, ilość nośników wynosi od 10Indeks górny 12¹² do 10Indeks górny 16¹⁶ na metr sześcienny.

Drugim czynnikiem wpływającym na opór elektryczny jest łatwość przemieszczania się nośników prądu, opisywana wielkością nazywaną ruchliwością nośnikówruchliwość nośników prąduruchliwością nośników. Ruchliwość jonów jest znacznie mniejsza niż ruchliwość dużo mniejszych elektronów.

Jak na tym tle wypada woda, uważana powszechnie za dobry przewodnik prądu?

Zanim odpowiemy na to pytanie, należałoby się zastanowić, co to jest woda? I z jakimi rodzajami wody mamy do czynienia?

Cząsteczka wody składa się z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu (Rys. 1a., Rys. 1b.).

RIAYQY1dvGojT

Rys. 1a. Rysunek przedstawia schematycznie cząsteczkę wody w postaci trzech kółek: jedno duże, dwa mniejsze. Na dużym kółku zaznaczono wielką literę O z dwoma minusami w indeksie górnym, co oznacza jon tlenu dwukrotnie zjonizowany. Dwa mniejsze kółka to jony wodoru z wielką literą H z plusem w indeksie górnym. Środek tlenu jest połączony dwoma odcinkami ze środkami jonów wodoru. Te odcinki tworzą kąt 104,45 stopni.

Ri7mwlsrfibd4

Rys. 2b. Rysunek przedstawia model cząsteczki wody. Tlen narysowano w postaci dużej czerwonej kulki opisanej wielką literą O, do niego przylepione są dwa atomy wodoru – opisane wielką literą H. Środki atomów wodoru i środek atomu tlenu połączono kreskami, które tworzą kąt ponad 100 stopni. Na rysunku kąt nie jest zaznaczony. Rysunek jest wizualizacją cząsteczki.

W wiązaniach między atomem tlenu i wodoru wiążąca para elektronów jest przesunięta w stronę atomu tlenu. Ponieważ atomy wodoru ułożone są po jednej stronie atomów tlenu, cząsteczka wody ma rozsunięte ładunki elektryczne – jest dipolem elektrycznym. Tym właściwościom cząsteczek woda zawdzięcza swoje zdolności do rozpuszczania innych substancji. Cząsteczki wody są jednak elektrycznie obojętne i jako takie nie są nośnikami prądu.

Czysta chemicznie woda nie ma zatem praktycznie nośników prądu. Owszem, część cząsteczek wody ulega dysocjacji – rozpada się na jony OHIndeks górny -^- i HIndeks górny +⁺ . Jednak ich ilość to jedynie 10Indeks górny 19¹⁹ na metr sześcienny. Tak mała liczba nośników prądu, przy niewielkiej ruchliwości powoduje, że opór elektryczny właściwyopór elektryczny właściwy (rezystywność)opór elektryczny właściwy czystej wody osiąga wartość do około 2·10Indeks górny 5⁵ Ωomegam. (Porównaj z danymi w Tabeli 1.)

Woda, z którą mamy do czynienia na co dzień, nie jest czysta chemicznie. Zawiera dosyć dużo rozpuszczonych substancji, które zazwyczaj ulegają w wodzie dysocjacji. Na przykład woda z naturalnych źródeł, przepływając przez grunt i skały, rozpuszcza zawarte w nich minerały.

Typowa woda mineralna ma skład jak na rysunkach poniżej.

RMHfMDXLjCoMg

Rys. 2a. Zdjęcie poglądowe przedstawia fragment etykiety butelki z wodą mineralną. Na etykiecie zapisano zawartość jonów w wodach mineralnych: Kationy mg/l: magnezowy; wapniowy; sodowy; potasowy i Aniony mg/l: wodorowęglanowy, siarczanowy, chlorkowy i fluorkowy oraz ogólną zawartość rozpuszczonych składników mineralnych.

RuYKy1vRZZgD3

Rys. 2b. Zdjęcie poglądowe przedstawia fragment etykiety butelki z wodą wysokozmineralizowaną, wydobywaną ze złóż w Piwnicznej‑Zdroju. Wymienione są na etykiecie: Kationy: wapniowy, sodowy, magnezowy, potasowy, litowy oraz Aniony: wodorowęglanowy, siarczanowy i fluorkowy oraz ogólna zawartość rozpuszczonych składników mineralnych. Dodatkowo napisano, że zawiera wapń, magnez i wodorowęglany z odwiertów: P5, P6, P8, P9, P11, P14, P17, P18 woda napowietrzana i filtrowana naturalna woda mineralna nasycona CO z indeksem dolnym 2, niskonasycona dwutlenkiem węgla.

RcplBwrn9G42o

Rys. 2c. Zdjęcie poglądowe przedstawia fragment etykiety butelki z wodą źródlaną, na której wymieniono sumę składników mineralnych 230,00 mg/l a w tym: anion wodorowęglanowy 131,06 mg/l, anion fluorkowy 0,07 mg/l, kation magnezowy 5,62 mg/l, kation wapniowy 41,69 mg/l oraz kation sodowy 9,65 mg/l.

RIv3ULJD1c6Zm

Rys. 2d. Zdjęcie poglądowe przedstawia fragment etykiety butelki z naturalną wodą mineralną jurajską, lekko gazowaną, średnionasyconą CO z indeksem dolnym 2, poddaną procesowi napowietrzania i filtracji z informacją, że woda ta jest odpowiednia dla diety ubogiej w sód (ogólna mineralizacja 515 mg/l). Wymienione są Kationy: wapniowy 66,9; magnezowy 32,0; sodowy 9,5 i potasowy 3,0 oraz Aniony: wodorowęglanowy 342,0; siarczanowy, 37,3; chlorkowy 7,5 i fluorkowy 0,3.

Jak można odczytać z etykiet, woda mineralna zawiera w jednym litrze od jednego do dwóch gramów rozpuszczonych substancji, z których większość rozpada się na jony. Jony zawarte w wodzie stają się nośnikami prądu, dzięki czemu opór elektryczny takiej wody wyraźnie spada w porównaniu z czystą chemicznie wodą, osiągając opór elektryczny właściwy do około 10 Ωomegam.

Jeszcze mniejszy opór właściwy osiąga woda morska, ze względu na duże stężenie soli mineralnych. Jej opór właściwy osiąga wartość około 0,1 Ωomegam. W Tabeli 2. zebrane są przykładowe wartości oporów różnych rodzajów wód i dla porównania opór elektryczny stężonych kwasów i zasad.

Tabela 2. Opór elektryczny właściwy różnych rodzajów wód oraz (dla porównania) stężonych kwasów i zasad.

Jak widać z danych zebranych w tabeli, opór wody zmienia się w bardzo szerokim zakresie, w zależności od tego, skąd pochodzi i do czego ma być przeznaczona.

Pomiar oporu elektrycznego właściwego wody, a częściej przewodności właściwejprzewodnictwo właściwe (konduktywność)przewodności właściwej, jest używany do oznaczania zawartości jonów w badanej próbce i stopnia jej zanieczyszczenia. Wykorzystuje się to w praktyce do monitorowania jakości wód chemicznych, gruntowych, powierzchniowych, głębinowych, w oczyszczalniach ścieków, wody używanej w szpitalach oraz wody mineralnej i wody pitnej (wodociągowej). Dla określenia zawartości w wodzie związków chemicznych nieprzewodzących prądu konieczne są dodatkowe badania.

Szczególnie istotna jest czystość wody stosowanej w przemyśle farmaceutycznym i kosmetycznym. Dla wody stosowanej do produkcji leków i kosmetyków wymagana jest przewodność nie większa niż 4,3$\frac{\mathrm{\mu S}}{\mathrm{cm}}$ (mikrosimens na centymetr), co odpowiada oporowi elektrycznemu właściwemu 2,3·10Indeks górny 3³ Ωomegam. Jeszcze większej czystości wymaga się dla wody wykorzystywanej do rozpuszczania leków aplikowanych w postaci zastrzyków – jej przewodność nie powinna być większa niż 1,1 $\frac{\mathrm{\mu S}}{\mathrm{cm}}$, co odpowiada oporowi właściwemu 9·10Indeks górny 3³ Ωomegam.

Przedstawione dane pokazują, że nie da się jednoznacznie odpowiedzieć na pytanie: Czy woda przewodzi prąd elektryczny? Wszystko zależy od źródła wody. Wody występujące w naturze przewodzą prąd elektryczny, choć dużo gorzej niż metale. Przy wykorzystaniu przewodzenia roztworów wodnych w technologiach przemysłowych, na przykład w elektrolizie lub tworzeniu powłok galwanicznych, stosuje się duże przekroje poprzeczne naczyń, w których roztwór wodny przewodzi prąd. Czysta chemicznie woda praktycznie nie przewodzi prądu.

Słowniczek