Przewodnictwo elektryczne jest to zjawisko przepływu ładunków elektrycznych (prąd elektryczny) pod wpływem pola elektrycznego. Ze względu na wielkość oporności elektrycznej właściwej substancje można podzielić na izolatory (dielektryki), półprzewodniki oraz przewodniki.

Pod względem mechanizmu mikroskopowego przewodnictwo elektryczne podzielić można na elektronowe (zachodzi w metalach oraz półprzewodnikach), jonowe (w gazach, cieczach oraz kryształach jonowych) i mieszane (w plazmie). Przewodnictwo elektryczne jest jednym z zagadnień teorii transportu.

H2O jest to związek chemiczny, który występuje w wielkiej obfitości na naszej planecie. H2O jest wspaniałym izolatorem, ale skażona domieszkami w małym albo dużym stopniu przewodzi prąd. Niewątpliwie więc domieszki rozpuszczone w wodzie mają decydujący wpływ na jej przewodnictwo elektryczne.

Pierwszym naukowcem, który dokonywał analiz nad przepływem prądu przez wodne roztwory, był żyjący w latach 1791-1867 wspaniały samouk, Anglik Michael Faraday. Dzięki ogromnym uzdolnieniom oraz dużej pracowitości, z pomocnika introligatora doszedł do stanowiska profesora fizyki oraz chemii. Dokonał kilku doniosłych wykryć decydujących o postępie elektrotechniki. On właśnie zaobserwował, iż prąd elektryczny gdy płynie przez wodne roztwory soli, kwasów oraz zasad zachowuje się zupełnie inaczej aniżeli przepływając przez ciała stałe. O ile mianowicie pod wpływem prądu w ciałach stałych nie zachodzą żadne chemiczne zmiany - o tyle w roztworach wodnych ww. związków zachodzą pewne reakcje chemiczne nazywane rozkładem.

Kilkadziesiąt lat potem zaciekawił się tą sprawą jeden szwedzki uczony, Svante Arrhenius. Późniejsze analizy przepływu prądu w cieczach doprowadziły go do wykrycia praw jakie rządziły tym przepływem oraz do wytłumaczenia, na czym właściwie polega wspomniany rozkład.

Cząsteczka wszystkich kwasów złożona jest z wodoru oraz tzw. reszty kwasowej. Cząsteczką każdej zasady jest jakiś metal oraz powiązanie chemiczne wodoru z tlenem, nazywane grupą wodorotlenową. Sól chemiczna jest wynikiem chemicznego wpływu jakiegoś kwasu na zasadę - w związku z czym w skład cząstki każdej soli wchodzi ciągle jakiś metal i przytoczona wcześniej reszta kwasowa. W stanie suchym składniki kwasów, zasad oraz soli są ze sobą mocno związane. Nie wykazują przy tym przewagi żadnego ładunku elektrycznego, zostają zatem elektrycznie obojętne. W momencie gdy zanurzymy w wodzie któreś z tych ciał, z jego cząstkami zacznie się dziać coś interesującego. Dojdzie do natychmiastowego ich rozkładu na konkretne składniki, ale składniki te przestaną być obojętne elektrycznie, wykazując dużą przewagę ładunków elektrycznych odmiennych znaków. Wodór więc, a także i metale wykazują ładunki dodatnie, reszty kwasowe a także grupy wodorotlenowe - ładunki ujemne. Więc taki rozkład zanurzonych w wodzie cząsteczek kwasów, zasad oraz soli naukowcy nazywa się dysocjacją elektrolityczną. Produktom natomiast tego rozkładu w formie atomów oraz grup atomów, które wykazują ładunki przeróżnych znaków dano określenie jonów. Zatem mamy do czynienia z jonami dodatnimi (wodór oraz metale) oraz ujemnymi (reszty kwasowe a także grupy wodorotlenowe). Sam natomiast wodny roztwór kwasów, zasad czy soli nazywa się elektrolitem..

Ciekawsze rzeczy dzieją z elektrolitem, gdy doprowadzimy do niego napięcie ze źródła. W tym celu na każde z przeciwległych krańców pojemnika z elektrolitem zanurza się metalową sztabkę albo płytkę, złączoną z zadanym biegunem źródła. Sztabki te nazywa się elektrodami, ale elektroda złączona z dodatnim biegunem źródła jest anodą, z ujemnym natomiast - katodą. Zaraz po przyłożeniu w ten sposób napięcia do elektrolitu będące w nim jony ujemne zaczną być przyciągane przez anodę (jako dysponującą nadmiarem ładunków dodatnich), jony natomiast dodatnie zaczynają wędrówkę ku katodzie (jako wykazującej przewagę ładunków ujemnych). Mamy tu zatem do czynienia w wędrowaniem jonów w dwóch przeciwnych kierunkach. Tej właśnie wędrówce zawdzięczają jony swoje określenie, ponieważ jon to po grecku oznacza wędrowca. Jony dodatnie - jako że dążą do katody - uzyskały określenie kationów, jony ujemne natomiast nazwano mianem anionów, ponieważ zdążają ku anodzie. Zawarte zatem w elektrolicie jony wodoru oraz metali są kationami, w czasie gdy jony reszt kwasowych oraz grup wodorotlenowych - anionami. To zaś, co dzieje się pod wpływem prądu elektrycznego w wodnych roztworach chemicznych soli, kwasów czy zasad, nazywa się elektrolizą.

Elektroliza

Jest to proces chemiczny jaki zachodzi na elektrodach, jeżeli elektrody te są połączone z zewnętrznym źródłem prądu stałego. Elektrody (bardzo często metaliczne) zanurzone są w roztworze elektrolitu albo w elektrolicie stopionym.

Anoda jest elektrodą złączona z dodatnim biegunem źródła prądu, a katoda złączona jest z ujemnym biegunem źródła prądu.

Dodatnio naładowane jony elektrolitu (kationy) wędrują do ujemnej katody, zabierają od niej elektrony oraz przechodzą w obojętne atomy. Proces ten jest nazywany jest procesem redukcji. Na katodzie więc odbywa się ciągle proces redukcji.

Ujemnie naładowane jony elektrolitu (aniony) wędrują do dodatniej anody, dając jej elektrony, a same wydzielają się w formie wolnych pierwiastków. Oddawanie elektronów jest procesem utleniania jonów. Na anodzie więc odbywa się ciągle proces utleniania.

Procesy rozładowywania jonów odbywają się jednocześnie na obydwu elektrodach. Katoda w sposób ciągły oddaje elektrony, a anoda przyjmuje elektrody od anionów. W wyniku tych procesów w przewodniku metalowym, łączącym elektrody ze źródłem prądu, płynie prąd elektryczny (strumień elektronów).

Zauważyć możemy zatem, iż po przyłożeniu napięcia do elektrolitu dochodzi w nim do przemieszczenia się ładunków ujemnych - co stanowi przepływ prądu elektrycznego.

Przepływ prądu przez elektrolit nie zachodzi identycznie jak przez ciała stałe - z tym tylko, iż sprawia chemiczny rozkład elektrolitu.

W ciałach stałych prąd elektryczny stanowił sztafetowe przesuwanie się ujemnych ładunków na barkach wolnych elektronów wzdłuż obwodu, w kierunku dodatniego bieguna źródła. W cieczach natomiast "sprawcami" prądu są jony. Dodatnie jony wodoru oraz dodatnie jony metalu dążą do katody. Ładunek wodoru ulega tam zobojętnieniu, przyjmuje z niej elektrony, a sam wodór w formie pęcherzyków wydostaje się na powierzchnię elektrolitu, aby połączyć się z atmosferą. Ładunek metalu także ulega zobojętnieniu na katodzie, ale sam metal osadza się w sposób trwały na jej powierzchni. Tak samo rzecz ma się z ujemnymi jonami reszty kwasowej. Uzyskawszy anodę ulegają one tam zobojętnieniu, oddając jej swój nadmiar elektronów - ale tlen (który wchodził w skład reszt kwasowych) już wolny, wydostaje się do atmosfery.

W elektrolicie zatem nosicielami ujemnych ładunków są jony ujemne, które kierują się ku anodzie - ich przesuwanie się stanowi prąd elektryczny płynący w tej cieczy. Dlatego w cieczach mamy do czynienia z tzw. jonowym przewodzeniem prądu - w porównaniu z ciałami stałymi, charakteryzujących się tzw. przewodzeniem elektronowym.

Praktyczne wykorzystanie przewodnictwa elektrycznego cieczy

Pierwszym z praktycznych wykorzystań przewodnictwa elektrycznego cieczy jest zastosowanie przewodzenia prądu przez kwas w ogniwach elektrycznych, np. w akumulatorze samochodowym. Kolejnym przykładem może być wykorzystanie właściwości elektrolizy w galwanoplastyce, galwanostegii oraz elektrolitycznym czyszczeniu metali. Dla przybliżenia tego tematu, opiszemy teraz na czym polega proces elektrolitycznego czyszczenia metali na przykładzie miedzi.

Po wykryciu w naszym kraju nowych, zasobnych złóż miedzi zaczęto wydobywać ten cenny metal na skałę przemysłową. Czyszczenie go z domieszek prowadzi się przy pomocy elektrolizy. W roztworze siarczanu miedzi zanurzony jest blok nie oczyszczonej miedzi jako anoda. Katodą jest cienka płytka miedzi czystej. Podczas elektrolizy dodatnie jony metalu osadzają się na katodzie powoli ją pogrubiając. Jony ujemne reszty kwasowej dochodzą do anody, pozbywają się nadmiaru elektronów oraz rozpadają się na tlen oraz trójtlenek siarki. Na ich miejsce do tej akcji wchodzą kolejne jony elektrolitu. Ubytek ich jest uzupełniany kosztem anody, co sprawia powolny jej rozkład. Proces zostaje zakończony, w momencie gdy płytka katody uzyskuje właściwą grubość. Tak otrzymany czysty produkt nazywa się miedzią elektrolityczną.