4.6: Roztwory elektrolitów i nieelektrolitów

Substancje, które w roztworze ulegają przemianom fizycznym lub chemicznym w celu wytworzenia jonów mogących przewodzić prąd, nazywane są elektrolitami. Jeśli substancja wydziela jony w roztworze (czyli jeśli związek ulega w 100% dysocjacji), mówi się, że jest mocnym elektrolitem. Całkowitą dysocjację wskazuje pojedyncza strzałka do przodu. Na przykład rozpuszczalne w wodzie związki jonowe, takie jak chlorek sodu, dysocjują na kationy sodu i aniony chlorkowe w roztworze wodnym.

Innymi przykładami mocnych elektrolitów są wodorotlenki metali z grupy 1 i grupy 2 oraz mocne kwasy, takie jak HCl i HNO3.

Jeśli tylko niewielka część substancji dysocjuje na jony (czyli jeśli związek ulega częściowej dysocjacji w roztworze), nazywa się go słabym elektrolitem. Częściowa dysocjacja jest oznaczona odwracalną strzałką. Na przykład słabe kwasy, takie jak kwas octowy, częściowo jonizują w wodzie, dając jony octanowe i jony hydroniowe.

Innymi przykładami słabych elektrolitów są słabo rozpuszczalne sole, takie jak AgCl i PbCl2, oraz słabe zasady, takie jak amoniak.

Przyciąganie elektrostatyczne pomiędzy jonem a cząsteczką z dipolem – zwane przyciąganiem jonowo-dipolowym – odgrywa ważną rolę w rozpuszczaniu związków jonowych w wodzie. Związki jonowe rozpuszczają się w wodzie, natomiast jony w ciele stałym oddzielają się i równomiernie rozpraszają w roztworze. Dzieje się tak, ponieważ cząsteczki wody otaczają i solwatują jony, zmniejszając silne siły elektrostatyczne pomiędzy nimi.

Roztwory związków kowalencyjnych przewodzą prąd, ponieważ cząsteczki substancji rozpuszczonej reagują chemicznie z rozpuszczalnikiem, tworząc jony. Na przykład czysty chlorowodór jest gazem składającym się z kowalencyjnych cząsteczek HCl. Gaz ten nie zawiera jonów. Wodny roztwór HCl jest bardzo dobrym przewodnikiem, co wskazuje, że w roztworze występuje znaczne stężenie jonów.

Ponieważ HCl jest kwasem, jego cząsteczki reagują z wodą, przenosząc jony H+, i tworząc jony hydroniowe (H3O+) i jony chlorkowe (Cl−):

Ta reakcja jest zasadniczo zakończona w 100% dla HCl (mocnego elektrolitu). Podobnie słabe kwasy i zasady, które reagują tylko częściowo, po rozpuszczeniu w wodzie generują stosunkowo niskie stężenia jonów i są klasyfikowane jako słabe elektrolity.

Substancje, które po rozpuszczeniu w wodzie nie wydzielają jonów, nazywane są nieelektrolitami. Substancje takie rozpuszczają się w roztworze jako cząsteczki obojętne, a każda z nich otoczona cząsteczkami wody. Na przykład związek molekularny sacharoza, rozpuszcza się w wodzie w postaci nienaruszonych cząsteczek.

Podsumowując, substancje można zidentyfikować jako mocne, słabe lub nieelektrolity poprzez pomiar przewodności elektrycznej wodnego roztworu zawierającego substancję. Aby przewodzić prąd, substancja musi zawierać swobodnie poruszające się, naładowane cząstki. Najbardziej znane jest przewodzenie prądu przez metalowe druty, w którym to przypadku ruchomymi, naładowanymi jednostkami są elektrony. Roztwory mogą również przewodzić prąd, jeśli zawierają rozpuszczone jony, a przewodność wzrasta wraz ze wzrostem stężenia jonów. Przyłożenie napięcia do elektrod zanurzonych w roztworze pozwala na ocenę względnego stężenia rozpuszczonych jonów albo ilościowo, mierząc przepływ prądu elektrycznego, albo jakościowo, obserwując jasność żarówki zawartej w obwodzie.

Woda może rozpuszczać wiele substancji ze względu na swój skład chemiczny. Chociaż jej ogólny ładunek elektryczny jest neutralny, cząsteczka wody ma częściowy ładunek ujemny na końcu tlenu i częściowy ładunek dodatni na każdym z końców wodoru. To sprawia, że woda jest rozpuszczalnikiem polarnym. 

Kiedy jonowa substancja rozpuszczona, taka jak stały związek jonowy, jest dodawana do wody, cząsteczki wody oddziałują z jonami substancji rozpuszczonej. 

Jeśli silne siły przyciągania substancja rozpuszczona-rozpuszczalnik pokonają oddziaływania substancja rozpuszczona-substancja rozpuszczona utrzymująca związek razem, jony substancji rozpuszczonej są rozrywane.

Polarne cząsteczki wody otaczają lub "nawilżają" jony, gdy są one oddzielane. Uwodnione jony są następnie równomiernie rozpraszane w całym roztworze. 

Kiedy potencjał elektryczny jest przykładany do roztworu jonowego, jony stają się nośnikami ładunku, które przemieszczają się w kierunku przeciwnie naładowanych elektrod. Powoduje to powstanie prądu w roztworze; Innymi słowy, przewodzi prąd. 

Substancje, które po rozpuszczeniu w rozpuszczalnikach polarnych wytwarzają roztwory przewodzące prąd elektryczny, nazywane są elektrolitami. Jednym z takich przykładów jest chlorek sodu.

Jednak gdy związek molekularny, taki jak sacharoza, rozpuszcza się w wodzie, jego cząsteczki pozostają nienaruszone, gdy są otoczone cząsteczkami wody. Roztwór zawiera tylko obojętne cząsteczki sacharozy i dlatego nie przewodzi elektryczności.

Substancje, które po rozpuszczeniu w rozpuszczalnikach polarnych nie wytwarzają roztworów przewodzących prąd elektryczny, nazywane są nieelektrolitami.

To, ile związku dysocjuje na jony, decyduje o jego sile jako elektrolitu.

Prawie każda cząsteczka silnego elektrolitu, takiego jak mocny kwas, taki jak kwas solny, dysocjuje na jony w wodzie, dzięki czemu roztwór jest dobrym przewodnikiem elektryczności. 

Z drugiej strony tylko niektóre cząsteczki słabego elektrolitu, takie jak słaby kwas, taki jak kwas fluorowodorowy, ulegną dysocjacji na jony. Dlatego może przewodzić prąd tylko w niewielkim stopniu.