11.2 Raflausnir

11.2 Raflausnir

Þegar sum efni eru leyst upp í vatni gangast þau undir annaðhvort eðlis- eða efnabreytingu sem myndar jónir í lausninni. Þessi efni mynda mikilvægan flokk efnasambanda sem kallast rafvakar. Efni sem mynda ekki jónir þegar þau leysast upp kallast órafvakar. Ef eðlis- eða efnaferlið sem myndar jónirnar er nánast 100% skilvirkt, þannig að allt uppleysta efnasambandið myndar jónir, telst efnið sterkur rafvaki. Ef aðeins tiltölulega lítill hluti uppleysta efnisins gengst undir jónamyndandi ferlið kallast það veikur rafvaki.

Greina má efni sem sterka rafvaka, veika rafvaka eða órafvaka með því að mæla rafleiðni vatnslausnar sem inniheldur efnið. Til að leiða rafmagn verður efni að innihalda frjálsar, hreyfanlegar og hlaðnar agnir. Algengust er rafleiðni um málmvíra, en þá eru hreyfanlegu, hlöðnu agnirnar rafeindir. Lausnir geta einnig leitt rafmagn ef þær innihalda uppleystar jónir og leiðnin eykst eftir því sem jónastyrkurinn eykst. Með því að setja spennu á rafskaut sem sökkt er í lausn má meta hlutfallslegan styrk uppleystra jóna, annaðhvort megindlega með því að mæla rafstrauminn eða eigindlega með því að fylgjast með birtustigi ljósaperu sem tengd er í rafrásina (mynd 11.6).

Jónarafvakar

Vatn og aðrar skautaðar sameindir dragast að jónum, eins og sýnt er á mynd 11.7. Rafstöðukrafturinn milli jónar og sameindar með tvískaut kallast jóna-tvískautskraftur. Þessir kraftar gegna mikilvægu hlutverki þegar jónasambönd leysast upp í vatni.

Þegar jónasambönd leysast upp í vatni aðskiljast jónirnar í fasta efninu og dreifast jafnt um lausnina vegna þess að vatnssameindir umlykja og leysihjúpa jónirnar, sem dregur úr sterku rafstöðukröftunum á milli þeirra. Þetta ferli er eðlisleg breyting sem kallast sundrun. Við flestar aðstæður sundrast jónasambönd nánast að fullu þegar þau leysast upp og flokkast því sem sterkir rafvakar. Jafnvel torleyst jónasambönd eru sterkir rafvakar, því það litla magn sem leysist upp sundrast að fullu.

Hugleiðum hvað gerist á smásæjum kvarða þegar föstu KCl er bætt út í vatn. Jóna-tvískautskraftar draga jákvæða (vetnis) enda skautuðu vatnssameindanna að neikvæðu klóríðjónunum á yfirborði fasta efnisins og neikvæðu (súrefnis) endana að jákvæðu kalíumjónunum. Vatnssameindirnar umlykja stakar K⁺- og Cl⁻-jónir, draga úr sterku jónakröftunum sem binda jónirnar saman og gera þeim kleift að færast út í lausnina sem leysihjúpaðar jónir, eins og mynd 11.7 sýnir. Þegar rafstöðuaðdrátturinn er yfirunninn getur hver vatnshjúpuð jón hreyfst sjálfstætt í þynntri lausn þegar jónirnar færast úr föstum stöðum í óleysta efnasambandinu yfir í víða dreifðar, leysihjúpaðar jónir í lausninni.

Samgildir rafvakar

Hreint vatn er afar lélegur rafleiðari því það jónast aðeins örlítið; einungis um tvær af hverjum milljarði sameinda jónast við 25 °C. Vatn jónast þegar ein vatnssameind gefur frá sér róteind (H⁺-jón) til annarrar vatnssameindar og myndar oxóníum- og hýdroxíðjónir.

Í sumum tilvikum leiða lausnir, sem útbúnar eru úr samgildum efnasamböndum, rafmagn vegna þess að sameindir leysta 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 rafleiðari, sem gefur til kynna að talsverður styrkur jóna sé til staðar í lausninni.

Þar sem HCl er sýra hvarfast sameindir hennar við vatn og flytja H⁺-jónir til að mynda oxóníumjónir (H₃O⁺) og klóríðjónir (Cl⁻):

Þetta efnahvarf gengur nánast að fullu fyrir HCl, það er, HCl er sterk sýra og þar af leiðandi sterkur rafvaki. Sömuleiðis mynda veikar sýrur og basar, sem hvarfast aðeins að hluta til, tiltölulega lágan styrk jóna þegar þau leysast upp í vatni og flokkast því sem veikir rafvakar. Lesandanum gæti þótt gagnlegt að rifja upp umfjöllunina um sterkar og veikar sýrur í fyrri kafla þessarar bókar, um flokka efnahvarfa og efnamagnreikninga.