11.2 Rafkleyfar

Þegar sum efni eru leyst upp í vatni verða þau fyrir annaðhvort eðlis- eða efnabreytingu sem myndar jónir í lausninni. Þessi efni mynda mikilvægan flokk efnasambanda sem kallast rafkleyfar (e. electrolytes). Efni sem mynda ekki jónir þegar þau eru leyst upp kallast órafkleyf efni (e. nonelectrolytes). Ef eðlis- eða efnaferlið sem myndar jónirnar er nánast 100% skilvirkt (allt uppleysta efnasambandið myndar jónir) er efnið þekkt sem sterkur rafkleyfi (e. strong electrolyte). Ef aðeins tiltölulega lítill hluti uppleysta efnisins fer í gegnum jónmyndunarferlið er það kallað veikur rafkleyfi (e. weak electrolyte).

Efni má flokka sem sterk, veik eða órafkleyf með því að mæla rafleiðni vatnslausnar sem inniheldur efnið. Til að leiða rafmagn verður efni að innihalda frjálst hreyfanlegar, hlaðnar agnir. Þekktast er rafleiðni í gegnum málmvíra, þar sem hreyfanlegu, hlaðnu agnirnar eru rafeindir. Lausnir geta einnig leitt rafmagn ef þær innihalda uppleystar jónir og eykst rafleiðnin eftir því sem styrkur jóna eykst. Með því að setja spennu á rafskaut sem dýft er í lausn er hægt að meta hlutfallslegan styrk uppleystra jóna, annaðhvort megindlega, með því að mæla rafstrauminn, eða eigindlega, með því að fylgjast með ljósstyrk ljósaperu sem er hluti af rafrásinni (Mynd 11.6).

This diagram shows three separate beakers. Each has a wire plugged into a wall outlet. In each case, the wire leads from the wall to the beaker and is split resulting in two ends. One end leads to a light bulb and continues on to a rectangle labeled with a plus sign. The other end leads to a rectangle labeled with a minus sign. The rectangles are in a solution. In the first beaker, labeled “Ethanol No Conductivity,” four pairs of linked small green spheres suspended in the solution between the rectangles. In the second beaker, labeled “K C l Strong Conductivity,” six individual green spheres, three labeled plus and three labeled minus are suspended in the solution. Each of the six spheres has an arrow extending from it pointing to the rectangle labeled with the opposite sign. In the third beaker, labeled “Acetic acid solution Weak conductivity,” two pairs of joined green spheres and two individual spheres, one labeled plus and one labeled minus are shown suspended between the two rectangles. The plus labeled sphere has an arrow pointing to the rectangle labeled minus and the minus labeled sphere has an arrow pointing to the rectangle labeled plus. — Mynd 11.6 Lausnir órafkleyfra efna eins og etanóls innihalda ekki uppleystar jónir og geta ekki leitt rafmagn. Lausnir rafkleyfa innihalda jónir sem leyfa rafmagni að flæða. Rafleiðni rafkleyflausnar er tengd styrk rafkleyfisins.

Jónarafkleyfar

Vatn og aðrar skautaðar sameindir dragast að jónum, eins og sýnt er á Mynd 11.7. Rafstöðuaðdráttur milli jónar og sameindar með tvískaut er kallaður jóna-tvískauta aðdráttur (e. ion-dipole attraction). Þessir aðdráttarkraftar gegna mikilvægu hlutverki við upplausn jónaefna í vatni.

The diagram shows eight purple spheres labeled K superscript plus and eight green spheres labeled C l superscript minus mixed and touching near the center of the diagram. Outside of this cluster of spheres are seventeen clusters of three spheres, which include one red and two white spheres. A red sphere in one of these clusters is labeled O. A white sphere is labeled H. Two of the green C l superscript minus spheres are surrounded by three of the red and white clusters, with the red spheres closer to the green spheres than the white spheres. One of the K superscript plus purple spheres is surrounded by four of the red and white clusters. The white spheres of these clusters are closest to the purple spheres. — Mynd 11.7 Þegar kalíumklóríð (KCl) leysist upp í vatni verða jónirnar vökvaðar. Skautuðu vatnssameindirnar dragast að hleðslum K⁺ og Cl⁻ jónanna. Vatnssameindir fyrir framan og aftan jónirnar eru ekki sýndar.

Þegar jónaefni leysast upp í vatni skiljast jónirnar í fasta efninu að og dreifast jafnt um lausnina vegna þess að vatnssameindir umlykja og leysa jónirnar og draga þannig úr sterkum rafstöðukröftum milli þeirra. Þetta ferli er eðlisbreyting sem kallast sundrun (e. dissociation). Við flestar aðstæður sundrast jónaefni nánast alveg þegar þau eru leyst upp og eru því flokkuð sem sterkir rafkleyfar. Jafnvel torleyst jónaefni eru sterkir rafkleyfar, þar sem litla magnið sem leysist upp sundrast alveg.

Skoðum hvað gerist á smásæjum mælikvarða þegar föstu KCl er bætt út í vatn. Jóna-tvískauta kraftar draga jákvæða (vetnis) enda skautuðu vatnssameindanna að neikvæðu klóríðjónunum á yfirborði fasta efnisins og þeir draga neikvæðu (súrefnis) endana að jákvæðu kalíumjónunum. Vatnssameindirnar umlykja stakar K⁺ og Cl⁻ jónir, draga úr sterkum millijónakröftum sem binda jónirnar saman og leyfa þeim að hreyfast út í lausnina sem leystar jónir, eins og Mynd 11.7 sýnir. Með því að yfirstíga rafstöðuaðdráttinn er sjálfstæð hreyfing hverrar vökvaðrar jónar í þunnri lausn möguleg þegar jónirnar færast úr föstum stöðum í óuppleysta efnasambandinu yfir í víðdreifðar, leystar jónir í lausn.

Samgildir rafkleyfar

Hreint vatn er afar lélegur rafleiðari vegna þess að það er aðeins mjög lítið jónað – aðeins um tvær af hverjum 1 milljarði sameinda jónast við 25 °C. Vatn jónast þegar ein vatnssameind gefur frá sér róteind (H⁺ jón) til annarrar vatnssameindar og myndar þannig hýdróníum- og hýdroxíðjónir.

H_{2} O (l) + H_{2} O (l) ⇌ H_{3} O^{+} (a q) + {OH}^{−} (a q)

Í sumum tilfellum leiða lausnir úr samgildum efnasamböndum rafmagn vegna þess að sameindir leysis efnisins hvarfast efnafræðilega við leysinn og mynda jónir. Til dæmis er hreint vetnisklóríð gas sem samanstendur af samgildum HCl-sameindum. Þetta gas inniheldur engar jónir. Hins vegar er vatnslausn af HCl mjög góður leiðari, sem bendir til þess að umtalsverður styrkur jóna sé til staðar í lausninni.

Vegna þess að HCl er sýra hvarfast sameindir þess við vatn og flytja H⁺ jónir til að mynda hýdróníumjónir (H₃O⁺) og klóríðjónir (Cl⁻):

A chemical equation is shown. To the left, two hydrogen atoms are linked, each with a single dash to a central oxygen atom to the left and below the oxygen symbol, which has two pairs of dots, above and to the right of the atom. A plus sign is shown to the right, then a hydrogen atom linked to the left side of chlorine atom by a single dash with three pairs of dots, above, to the right, and below the element symbol. An arrow points to the products which are three hydrogen atoms linked by single dashes to a central oxygen atom shown in brackets with superscript plus. The oxygen atom has a single pair of dots above the element symbol. This is followed by a plus and C l superscript minus. This symbol is surrounded by four pairs of dots, above and below and to the left and right of the element symbol.

Þetta efnahvarf er nánast 100% fullkomið fyrir HCl (þ.e. það er sterk sýra og þar af leiðandi sterkur rafkleyfi). Á sama hátt mynda veikar sýrur og basar, sem hvarfast aðeins að hluta, tiltölulega lágan styrk jóna þegar þau eru leyst upp í vatni og eru flokkuð sem veikir rafkleyfar. Lesandinn gæti viljað rifja upp umfjöllunina um sterkar og veikar sýrur sem er að finna í fyrri kafla þessarar bókar um hvarfflokka og hlutfallaefnafræði.

Námsmarkmið