محلول یونی رسانا: محلول یون‌ها رسانای برق است.

محلول‌های یونی: رسانای نامرئی جریان برق

یون‌ها: سربازان باردار در دنیای مواد

همه‌ی مواد از ذرات ریزی به نام اتم ساخته شده‌اند. اتم‌ها در حالت عادی از نظر بار الکتریکی خنثی هستند. اما گاهی یک اتم می‌تواند یک یا چند الکترون(ذره‌ی با بار منفی) از دست بدهد یا به دست آورد. وقتی این اتفاق بیفتد، اتم به یک ذره‌ی باردار تبدیل می‌شود که به آن یون¹ می‌گوییم.

بسیاری از مواد در حالت جامد، از آرایش منظمی از یون‌های مثبت و منفی تشکیل شده‌اند. به این مواد، ترکیبات یونی⁴ می‌گویند. مثال آشنا، نمک طعام یا سدیم کلرید⁵ است. فرمول شیمیایی آن را به صورت $NaCl$ می‌نویسیم که نشان‌دهنده‌ی نسبت یک به یک یون‌های سدیم و کلرید در ساختار بلوری آن است.

آب، حلالی جادویی برای آزاد کردن یون‌ها

جامد یونی مثل نمک طعام در حالت خشک، رسانای خوبی برای برق نیست زیرا یون‌های آن در جای خود ثابت هستند و قادر به حرکت آزادانه نیستند. اما وقتی این جامد را در یک حلال مناسب مانند آب حل می‌کنیم، معجزه رخ می‌دهد. مولکول‌های آب قطبی هستند، یعنی یک سر آنها کمی مثبت و سر دیگر کمی منفی است. این خاصیت باعث می‌شود مولکول‌های آب مانند آهنرباهای کوچک، یون‌های نمک را احاطه کرده و آن‌ها را از شبکه بلوری جدا کنند. به این فرآیند تفکیک یا dissociation⁶ می‌گویند.

وقتی نمک در آب حل می‌شود، معادله شیمیایی آن را به صورت زیر نشان می‌دهیم:

حالا در محلول، میلیاردها یون مثبت و منفی به صورت آزاد شناور هستند و آماده‌ی حرکت و انتقال بار الکتریکی می‌باشند. به چنین محلولی که حاوی یون‌های آزاد باشد، الکترولیت⁷ یا محلول یونی رسانا می‌گویند.

چگونه محلول یونی، جریان برق را منتقل می‌کند؟

برای درک این موضوع، یک مدار ساده‌ی برقی را با یک باتری، دو الکترود (مثبت و منفی) و یک لامپ در نظر بگیرید. اگر بین دو الکترود را با یک محلول یونی (مثل آب نمک) پر کنیم، اتفاق زیر می‌افتد:

الکترود منفی (کاتد)، الکترون اضافی دارد. یون‌های مثبت (کاتیون‌ها) در محلول، به دلیل جذب بار مخالف، به سمت این الکترود حرکت می‌کنند. در آنجا الکترون دریافت کرده و خنثی می‌شوند (احیاء می‌شوند).

الکترود مثبت (آند)، الکترون از دست می‌دهد. یون‌های منفی (آنیون‌ها) در محلول، به سمت این الکترود حرکت کرده و الکترون از دست می‌دهند (اکسید می‌شوند).

این حرکت هدفمند یون‌های مثبت و منفی در جهت‌های مخالف، در واقع همان جریان الکتریکی درون محلول است. این جریان باعث می‌شود مدار کامل شده و لامپ روشن شود. به این پدیده کلی هدایت الکترولیتی⁸ می‌گویند.

از آزمایشگاه تا زندگی: محلول‌های یونی در اطراف ما

شما هر روز با انواع محلول‌های یونی سر و کار دارید، حتی اگر متوجه نباشید! در اینجا به چند مثال آشنا اشاره می‌کنیم:

• آشپزخانه:آبلیمو و سرکه به دلیل داشتن اسید (اسید سیتریک و استیک) که در آب به یون تفکیک می‌شوند، رسانای جریان برق هستند. به همین دلیل اگر دستتان خیس باشد و به پریز برق دست بزنید، خطر برق‌گرفتگی بیشتر است، زیرا رطوبت (حاوی نمک‌های طبیعی پوست) یک محلول یونی روی پوست ایجاد کرده است.

• طبیعت و محیط زیست: دلیل اصلی رسانایی آب دریا، وجود نمک‌های محلول فراوان مانند سدیم کلرید، منیزیم سولفات و ... در آن است. این رسانایی بر زندگی آبزیان و حتی بر قایق‌ها و سیستم‌های ارتباطی دریایی اثر می‌گذارد.

• سلامتی و پزشکی: مایعات بدن ما مثل خون و عرق، محلول‌های یونی هستند. یون‌های سدیم، پتاسیم، کلسیم و کلرید در انتقال پیام‌های عصبی و انقباض عضلات نقش حیاتی دارند. دستگاه نوار قلب(ECG) فعالیت الکتریکی قلب را که ناشی از حرکت همین یون‌هاست، ثبت می‌کند.

• صنعت و فناوری: اساس کار باتری‌ها بر انتقال یون بین دو قطب مثبت و منفی استوار است. همچنین در فرآیند آبکاری فلزات (مثل آبکاری طلا روی زیورآلات)، از یک محلول یونی حاوی یون فلز مورد نظر استفاده می‌شود تا لایه‌ای از آن فلز روی جسم دیگر بنشیند.

پرسش‌های مهم و تصورات نادرست

پاورقی

¹یون (Ion): یک اتم یا گروهی از اتم‌ها که در اثر از دست دادن یا گرفتن الکترون، باردار شده‌اند.
²کاتیون (Cation): یون با بار مثبت.
³آنیون (Anion): یون با بار منفی.
⁴ترکیبات یونی (Ionic Compounds): ترکیباتی که از نیروی جاذبه الکترواستاتیکی بین یون‌های مثبت و منفی تشکیل شده‌اند.
⁵سدیم کلرید (Sodium Chloride): فرمول شیمیایی نمک طعام.
⁶تفکیک (Dissociation): فرآیند جدایی یک ترکیب یونی به یون‌های تشکیل‌دهنده‌ی آن در هنگام حل شدن در حلال.
⁷الکترولیت (Electrolyte): ماده‌ای که در محلول (یا حالت مذاب) به یون تجزیه شده و رسانای جریان الکتریسیته می‌شود.
⁸هدایت الکترولیتی (Electrolytic Conductivity): رسانایی الکتریکی یک محلول ناشی از حرکت یون‌ها.