Miksi suolavesi johtaa sähköä, mutta sokerivesi ei? Keittiöstä alkava sähkön salaisuus (kemia)

Tervehdys! Olen tiedekouluttaja Ken Kuwako. Jokainen päivä on kokeilua!

Kun kuulet ”sähköä johtava aine”, mieleesi saattaa nousta kiiltäviä metalleja. Mutta tiesitkö, että voit valmistaa ihmeellisen, sähköä johtavan nesteen ihan vain liuottamalla tavallista, keittiöstä löytyvää ”jauhetta” veteen?

Esittelyssä on nyt tiedekoe, joka on täynnä yllätyksiä ja oivalluksia. Perehdymme yksinkertaiseen mutta syvälliseen arvoitukseen: ”Miksi suolaliuos johtaa sähköä, mutta sokeriliuos ei?” Käytämme aineita, joista olet varmasti kuullut: ruokasuolaa, sokeria ja etanolia. Tämän kokeen avulla selvitämme sähkön salaisuudet, jotka piilevät vedessä. Valmisteluaika on noin 40 minuuttia. Eikö olekin aika avata ovi tieteen maailmaan?

Esittelyssä kokeen ”pelaajat”! Keitä he oikein ovat?

Tässä ovat ne vesiliuokset ja kiinteät aineet, jotka astuvat kokeeseen. Osa läpinäkyvistä nesteistä näyttää aivan samalta, mutta sähkön edessä ne paljastavat täysin erilaiset kasvonsa.

Tislattu vesi (H₂O)

Suolaliuos (NaCl aq)

Sokeriliuos (sakkaroosiliuos C₁₂H₂₂O₁₁ aq)

Suolahappo (HCl aq)

Etanoliliuos (C₂H₆O aq)

Natriumhydroksidiliuos (NaOH aq)

Kiinteä ruokasuola (NaCl)

Kiinteä sokeri (C₁₂H₂₂O₁₁)

Tarkistamme, mitkä näistä ”johtavat sähkövirtaa” ja mitkä ”eivät johda”. Tämän eron takana piilee pienten hiukkasten, nimittäin ionien, olemassaolo. Aineita, jotka veteen liuotessaan hajoavat positiivisesti ja negatiivisesti varautuneisiin ioneihin, kutsutaan elektrolyyteiksi. Nämä ionit toimivat sähkön ”kuriireina”, jotka liikkuvat vapaasti liuoksessa ja saavat virran kulkemaan.

Sen sijaan aineita, jotka eivät liuetessaan hajoa ioneiksi, vaan pysyvät molekyyleinä, kutsutaan ei-elektrolyyteiksi. Näillä ei ole sähkön kuljettajia, joten virta ei kulje. Kumpi siis on elektrolyytti, suola vai sokeri?

※ Huomautus: Suolaliuos ja suolahappo on vaihdettava luokittain kesken kokeen, sillä ne muuttavat väriä reagoidessaan elektrodien kanssa. Itse asiassa tämä värinmuutos on myös todiste mielenkiintoisesta kemiallisesta reaktiosta.

Koekäynti! Etsi sähkön reittiä

Oppilaat jakavat liuokset varovaisesti koekennolevyille kuin oikeat tiedemiehet ja upottavat ruostumattomasta teräksestä valmistetut elektrodit niihin. Jännite asetetaan 5 V:iin, kytkin käännetään päälle… Liikkuuko virtamittarin neula, vai pysyykö se vaiti? Jännitys on käsinkosketeltava.

Jokaisen liuoksen mittaamisen jälkeen on tärkeää pestä elektrodit huolellisesti tislatulla vedellä. Jos liuokset sekoittuvat, oikeaa tulosta ei saada. Vaikka se onkin työlästä, se on ensimmäinen askel kohti tarkkaa dataa.

Mitä ne suolahapossa syntyneet kuplat ovat?

Suolahapolla (HCl aq) tehty koe sisälsi erityisen dramaattisen ilmiön. Heti kun elektrodit upotettiin, virta oli huikeat 1.13 A ja toisesta elektrodista alkoi kuplia kiivaasti!

Nämä kuplat syntyivät ilmiössä, jota kutsutaan elektrolyysiksi – sähkön ”taikatemppu” liuokselle. Suolahapossa olevat ionit muuttivat sähköenergian vaikutuksesta toisiksi aineiksi, eli vetykaasuksi (H₂) ja kloorikaasuksi (Cl₂). Hetken kuluttua huoneilmaan levisi uimahallimainen, tunnusomainen kloorin haju ja liuos muuttui hieman kellertäväksi.

Ennen ja jälkeen kokeen

Mysteeri suolaliuoksessa tapahtuneen värinmuutoksen takana

Myös suolaliuoksessa (NaCl aq) havaittiin mielenkiintoinen muutos. Virran kulkiessa liuos alkoi muuttua vähitellen samean oranssiksi. Mistä tämä johtui?

Ennen ja jälkeen kokeen

Suolaliuos elektrolyysin jälkeen. Muodostuu oranssia sakkaa.

Itse asiassa tämä ei johtunutkaan suolaliuoksen reaktiosta, vaan siitä, että anodin (+-napa) ruostumattomasta teräksestä valmistetusta elektrodista liukeni rautaioneja, jotka muodostivat oranssia sakkana olevaa rauta(III)hydroksidia. On kiehtovaa, kuinka kemiassa itse liuos, mutta myös ”kulissina” toimiva elektrodi osallistuvat reaktioon.

Kun virta annetaan kulkea pidempään, väri erottuu selvästi. Vasemmalla suolahappo, oikealla suolaliuos.

Tarkemman selityksen siitä, miksi näin tapahtuu, voit lukea näistä linkeistä:

Suolahapon tapauksessa → Anodilla syntyy klooria, joka liukenee veteen ja muuttaa liuoksen kellanvihreäksi. Reaktio tarkemmin tästä

Suolaliuoksen tapauksessa → Ruostumaton teräselektrodi reagoi, ja anodista vapautuva rauta(III)hydroksidi samentaa liuoksen rusehtavan tai kellertävän väriseksi. Tarkempi selitys tästä tai tästä.

Lopputulos! Mitkä johtivat sähköä?

Nyt kun kaikki kokeet on tehty, kootaan tulokset yhteen.

【Johtivat (elektrolyytit)】 Suolaliuos, suolahappo, natriumhydroksidiliuos

【Johtavat heikosti/eivät johda (ei-elektrolyytit)】 Tislattu vesi, sokeriliuos, etanoli

【Eivät johtaneet】 Kiinteä ruokasuola, kiinteä sokeri

Tuloksista näkyy selvästi, että elektrolyytit, kuten suola, vetykloridi ja natriumhydroksidi, johtavat sähköä hyvin veteen liuotettuina.

Erityisen mielenkiintoista on havainto, että kiinteä ruokasuola ei johda sähköä, mutta veteen liuotettuna se alkaa johtaa. Tämä johtuu siitä, että kiinteässä aineessa ionit ovat tiukasti sidottuja kiderakenteeseen eivätkä pääse liikkumaan. Veteen liuetessaan ne vapautuvat ja pääsevät liikkumaan vapaasti. Sähkön kuljettajat, eli ionit, tarvitsevat siis vapaan ”tien (=veden)” voidakseen käyttää voimiaan.

Jos jaat koko luokan tulokset tässä taulukkolaskenta-arkissa, saatat tehdä vielä hauskempia löytöjä. Yksittäisten tulosten vaihteluista huolimatta esiin nousee varma tieteen laki.

Keittiöstäsi löytyvät suola ja sokeri ovat portteja suureen kemian maailmaan. Ehkä sinun ympärilläsi piilee vielä tiedon salaisuuksia, joita et ole huomannut.

Yhteydenotot ja pyynnöt

Tehdään tieteen ihmeistä ja hauskuudesta helpommin lähestyttävää! Olen koonnut ohjeita kotona tehtäviin hauskoihin tiedekokeisiin ja niiden nikseihin selkeästi. Selaa vapaasti! ・Tietoa ylläpitäjä Ken Kuwakosta tästä ・Erilaiset pyynnöt (kirjoitus, luennot, tiedekurssit, TV-konsultointi, esiintymiset jne.) tästä ・Artikkelipäivitykset X:ssä!

Koevideoita Tieteen temput -kanavalla!