Przewodnictwo roztworów: test z diodą LED dla soli, cukru i kwasu cytrynowego

Na czym polega przewodnictwo roztworów i dlaczego dioda LED to dobry tester?

Przewodnictwo jonowe a elektrony w metalach

Prąd elektryczny może płynąć na dwa główne sposoby. W metalach przewodzą elektrony – swobodnie poruszają się między atomami metalu. W roztworach wodnych przewodnictwo jest zwykle jonowe: prąd przenoszą jony, czyli naładowane cząstki powstałe z rozpuszczonej substancji. Żeby roztwór przewodził, musi więc zawierać cząstki, które mają ładunek elektryczny i mogą się w wodzie przemieszczać.

Typowy przewodnik jonowy to roztwór soli kuchennej: NaCl, po rozpuszczeniu w wodzie, rozpada się na jony Na⁺ i Cl⁻. Atomy sodu i chloru nie „pływają” w roztworze w całości, tylko właśnie w postaci jonów. Ich ruch pod wpływem napięcia elektrycznego powoduje przepływ prądu – a to można wykorzystać, aby zaświecić diodę LED.

Substancje takie jak cukier (np. sacharoza) rozpuszczają się inaczej. Cukier dzieli się na pojedyncze cząsteczki, ale nie tworzy jonów, bo nie ma jak się zdysocjować na ładunki dodatnie i ujemne. Roztwór cukru zawiera więc elektrycznie obojętne cząsteczki, które nie potrafią przenosić ładunku elektrycznego na tyle skutecznie, by zasilić diodę LED. To podstawowa różnica między „słodką” a „słoną” wodą pod względem przewodnictwa.

Dlaczego LED jako tester przewodnictwa roztworów?

Dioda LED jest wygodnym „czujnikiem” przewodnictwa roztworów, ponieważ:

• Reaguje na stosunkowo małe prądy – do świecenia wystarczy kilka–kilkadziesiąt miliamperów, więc nie trzeba dużego zasilania.
• Daje wyraźny sygnał wizualny – albo świeci jasno, albo słabo, albo wcale; łatwo porównać różne roztwory.
• Jest tania i bezpieczna przy pracy z małym napięciem (np. baterie 3–9 V).

Układ z diodą LED i dwiema elektrodami zanurzonymi w roztworze działa jak prosty obwód: roztwór pełni rolę „kawałka przewodu” między biegunami źródła zasilania. Gdy roztwór zawiera dużo ruchliwych jonów (np. z soli kuchennej lub kwasu), prąd rośnie i dioda świeci mocniej. Gdy jonów jest mało (lub prawie wcale, jak w wodzie destylowanej), dioda nie świeci.

Elektrolity, nieelektrolity i dysocjacja

Substancje rozpuszczone w wodzie można w dużym uproszczeniu podzielić na dwie ważne grupy:

• Elektrolity – rozpuszczone w wodzie tworzą jony i przewodzą prąd (np. sól kuchenna, kwas solny, kwas cytrynowy).
• Nieelektrolity – rozpuszczają się bez tworzenia jonów, więc ich roztwory praktycznie nie przewodzą (np. cukier, alkohol etylowy, gliceryna).

W przypadku soli kuchennej dysocjacja zachodzi niemal w 100%. Każda cząsteczka NaCl w roztworze wodnym dzieli się na Na⁺ i Cl⁻. To tzw. elektrolit mocny. Z kolei kwas cytrynowy jest elektrolitem słabym – część jego cząsteczek dysocjuje, a część pozostaje obojętna. Przewodnictwo jest więc wyraźne, ale na ogół mniejsze niż w roztworze o podobnym stężeniu soli kuchennej.

Cukier zachowuje się jak typowy nieelektrolit: nie dysocjuje na jony, więc nawet bardzo słodki roztwór będzie elektrycznie „leniwy”. Dioda LED w takim roztworze co do zasady nie powinna zaświecić, chyba że elektrolity dostały się do roztworu z zanieczyszczeń lub z samych elektrod.

Bezpieczne przygotowanie domowego „laboratorium” z diodą LED

Niezbędne elementy zestawu do testu przewodnictwa

Do domowego eksperymentu z przewodnictwem roztworów wystarczy kilka prostych elementów, które zwykle można znaleźć w domu lub tanio kupić:

• Dioda LED – dowolnego koloru, najlepiej standardowa 3 lub 5 mm. Dobrze, jeśli świeci wyraźnie już przy niewielkim prądzie.
• Źródło zasilania – popularne są:
  • bateria 9 V,
  • dwie baterie AA lub AAA połączone szeregowo (ok. 3 V),
  • bateria płaska 4,5 V.
• Rezystor (opcjonalnie, ale zalecany) – np. 220–1000 Ω, aby ograniczyć prąd przez diodę i wydłużyć jej życie.
• Dwa przewody z krokodylkami lub gołymi końcówkami – posłużą jako elektrody i połączenia.
• Elektrody – mogą to być:
  • gwoździe stalowe,
  • druciki miedziane,
  • grafitowe pręciki z ołówków (po usunięciu drewna).
• Małe naczynia – szklanki, słoiki, plastikowe kubeczki lub miseczki.

Do tego dochodzą oczywiście testowane substancje: sól kuchenna, cukier i kwasek cytrynowy</strong (kwas cytrynowy spożywczy). Wystarczy po kilka łyżeczek każdego z nich oraz czysta woda (kranowa lub butelkowana). Woda destylowana będzie dodatkowym, ciekawym porównaniem.

Bezpieczne napięcia i podstawowe środki ostrożności

Aby eksperyment był w pełni bezpieczny, warto trzymać się kilku zasad:

• Napięcie tylko niskie – używaj wyłącznie baterii (3–9 V). Żadnych zasilaczy sieciowych, ładowarek bezpośrednio z gniazdka itp.
• Brak gołych przewodów z wysokim napięciem – wszystko, co zanurzasz w roztworze, musi pochodzić z obwodu niskonapięciowego.
• Sucho wokół baterii – nie stawiaj zasilania bezpośrednio na mokrej powierzchni. Przewody prowadź tak, aby nie leżały w kałużach wody.
• Brak kontaktu z oczami – roztwory są w miarę bezpieczne (to jak słona, słodka lub kwaśna woda), ale nie powinny dostać się do oczu. Po zabawie umyj ręce.
• Nie próbuj roztworów – nawet jeśli to „sam cukier i sól”, traktuj je jak odczynniki laboratoryjne, nie jako napoje.

Przy tak niskich napięciach i małych prądach nie ma ryzyka porażenia prądem w klasycznym sensie, jednak zawsze warto utrzymywać porządek na stole, by nie urwać kabli, nie przewrócić naczyń i nie zalać baterii czy sprzetu elektronicznego.

Dobór elektrod i wpływ materiału na wynik doświadczenia

Materiał elektrod wpływa zarówno na przewodnictwo, jak i na ewentualne zanieczyszczenia roztworu. Najczęściej w domowych warunkach używa się:

• Gwoździ stalowych – tanie i łatwo dostępne, ale łatwo korodują, szczególnie w roztworach soli i kwasów; może się pojawić rdza i zmiana koloru roztworu.
• Miedzi (np. drut miedziany) – dobrze przewodzi, ale w roztworach kwaśnych i słonych może się powoli rozpuszczać, powodując zabarwienie roztworu na zielonkawo-niebieskie.
• Grafitu – pręciki z ołówków (bez drewna) są chemicznie stosunkowo bierne, więc mniej wpływają na skład roztworu, choć same nieco się kruszą.

Do celów edukacyjnych najwygodniejsze są pręciki grafitowe lub czyste kawałki stali nierdzewnej. Jeśli korzystasz z gwoździ, przed użyciem dobrze jest je oczyścić papierem ściernym, żeby usunąć warstwę rdzy i zapewnić dobry kontakt z roztworem. Przy porównywaniu roztworów (sól vs cukier vs kwas cytrynowy) warto używać tych samych elektrod i tego samego zasilania, aby wyniki były porównywalne.

Budowa prostego obwodu z diodą LED do badania roztworów

Schemat połączeń krok po kroku

Podstawowy układ do testowania przewodnictwa roztworów z diodą LED można zbudować w kilku prostych krokach:

1. Podłącz dłuższą nóżkę diody LED (anodę) do jednego bieguna baterii przez rezystor (np. 220–1000 Ω).
2. Drugą nóżkę diody (katodę) połącz z pierwszym przewodem zakończonym elektrodą (np. gwoździem lub pręcikiem grafitowym).
3. Z drugiego bieguna baterii wyprowadź przewód i zakończ go drugą elektrodą.
4. Zanurz obie elektrody w roztworze testowanej substancji, zachowując między nimi odstęp (kilka centymetrów).

Gdy roztwór przewodzi prąd, obwód się zamyka i dioda LED świeci. Jeśli przewodnictwo jest bardzo słabe (jak w roztworze cukru), obwód praktycznie się nie zamyka i dioda nie świeci lub żarzy się ledwo zauważalnie.

Znaczenie rezystora ochronnego dla diody

Rezystor nie jest absolutnie konieczny, ale jego zastosowanie daje kilka korzyści:

• Chroni diodę przed zbyt dużym prądem, zwłaszcza gdy podłączasz ją do mocno przewodzącego roztworu (np. bardzo stężonej soli) i do wyższego napięcia (np. 9 V).
• Ułatwia porównania: ograniczając maksymalny prąd, stabilizuje jasno świecenie diody w różnych roztworach.
• Zapobiega nagrzewaniu się diody, co mogłoby skrócić jej żywotność.

Przy zasilaniu z baterii 3 V i słabo przewodzących roztworach dioda przeżyje nawet bez rezystora, ale przy baterii 9 V i roztworach dobrze przewodzących ryzyko jej uszkodzenia rośnie. Typowa wartość rezystora 330–470 Ω daje rozsądny kompromis między jasnością świecenia a bezpieczeństwem elementu.

Ustawienie elektrod w roztworze i odległość między nimi

Odległość między elektrodami wpływa bezpośrednio na opór roztworu. Im bliżej siebie znajdują się elektrody, tym krótsza jest „ścieżka” dla jonów i tym łatwiej prąd przepływa. Z drugiej strony zbyt mała odległość może spowodować lokalne zjawiska (np. bąbelki gazu na powierzchni elektrod), które zakłócą eksperyment.

Dla prostych domowych testów sprawdza się odległość 2–4 cm między elektrodami. Dobrze jest:

• zanurzyć elektrody na podobną głębokość,
• nie dopuścić do ich stykania się pod wodą,
• starać się zachować tę samą odległość w każdym testowanym roztworze.

Jeżeli dioda świeci zbyt słabo, można elektrody nieco zbliżyć. Jeśli natomiast świeci bardzo jasno i stabilnie (np. w roztworze silnego elektrolitu) przy wysokim napięciu, lepiej zostawić większą odległość i koniecznie mięć w obwodzie rezystor.

Przewodnictwo roztworu soli kuchennej a świecenie diody LED

Dysocjacja soli kuchennej i jej rola w przewodnictwie

Sól kuchenna (chlorek sodu, NaCl) jest klasycznym przykładem elektrolitu mocnego. Po rozpuszczeniu w wodzie prawie wszystkie cząsteczki NaCl rozpadają się na jony Na⁺ i Cl⁻. W uproszczeniu można zapisać:

NaCl(s) → Na⁺(aq) + Cl⁻(aq)

Pod wpływem przyłożonego napięcia dodatnie jony sodu poruszają się w stronę elektrody ujemnej, a ujemne jony chloru – w stronę elektrody dodatniej. Ich uporządkowany ruch to właśnie prąd elektryczny w roztworze. Im więcej jonów na danym odcinku roztworu, tym mniejszy opór elektryczny i tym mocniej zaświeci dioda LED.

Praktyczny test: woda czysta vs roztwór soli

Dobrym punktem wyjścia jest porównanie kilku roztworów:

1. Czysta woda (kranowa lub butelkowana).
2. Słaby roztwór soli – np. pół łyżeczki soli na szklankę wody.
3. Mocny roztwór soli – np. 2–3 łyżeczki soli na szklankę wody (aż do częściowego nasycenia).

Po zanurzeniu elektrod w każdym z roztworów:

Spodziewane obserwacje w roztworach soli

Porównując zachowanie diody w kolejnych roztworach, można zaobserwować wyraźne różnice:

• W czystej wodzie LED najczęściej w ogóle nie świeci lub lekko miga dopiero po bardzo zbliżeniu elektrod. Woda kranowa zawiera trochę jonów (wapń, magnez, wodorowęglany), ale to wciąż słaby przewodnik.
• W słabym roztworze soli dioda zaczyna świecić – zwykle dość słabo, lecz stabilnie. Zwiększenie stężenia soli powoduje, że LED rozbłyska wyraźniej.
• W mocnym roztworze soli jasność świecenia rośnie zauważalnie. Przy baterii 9 V i małej odległości elektrod dioda może świecić prawie tak, jak przy bezpośrednim połączeniu przewodami.

Czasem po kilku minutach na elektrodach pojawiają się pęcherzyki gazu (głównie wodór i tlen) – to efekt elektrolizy wody przy stosunkowo silnym prądzie. W roztworze soli może też wystąpić lekkie zmętnienie lub zabarwienie w pobliżu elektrod, świadczące o zachodzących reakcjach chemicznych.

Wpływ stężenia soli na natężenie prądu i jasność diody

Stężenie NaCl bezpośrednio wpływa na liczbę jonów w roztworze. Im więcej Na⁺ i Cl⁻, tym:

• niższy opór elektryczny roztworu,
• większy prąd w obwodzie przy tym samym napięciu,
• jasniejsze świecenie diody LED.

Można wykonać prostą „skalę jasności”: przygotować cztery szklanki z coraz większą ilością soli (np. ćwierć, pół, jedna, dwie łyżeczki na tę samą objętość wody) i kolejno zanurzać w nich elektrody. Różnica w świeceniu diody pozwala intuicyjnie powiązać pojęcie stężenia z pojęciem przewodnictwa, bez używania miernika.

Jeśli ktoś ma pod ręką prosty multimetr, można go włączyć w szereg z diodą (zamiast samej obserwacji jasności) i zobaczyć, jak rośnie natężenie prądu w miarę dosypywania soli. To pozwala przejść z jakościowego „świeci–nie świeci” do pierwszych ilościowych pomiarów.

Przewodnictwo roztworu cukru i brak jonów

Dlaczego roztwór cukru prawie nie przewodzi prądu

Cukier spożywczy (sacharoza) to związek kowalencyjny. Po rozpuszczeniu w wodzie cząsteczki cukru rozdzielają się i równomiernie mieszają z cząsteczkami wody, ale nie rozpadają się na jony. Można to zapisać symbolicznie:

C₁₂H₂₂O₁₁(s) → C₁₂H₂₂O₁₁(aq)

Nie pojawiają się tu ani kationy, ani aniony, które mogłyby przenosić ładunek między elektrodami. W efekcie roztwór cukru zachowuje się prawie jak czysta woda – dla prądu stałego jest izolatorem, przynajmniej przy niskich napięciach i domowych odległościach elektrod.

Eksperymentalne porównanie: woda z cukrem a woda z solą

Dla przejrzystości doświadczenia można przygotować trzy naczynia:

1. Czysta woda.
2. Roztwór cukru – np. 2–3 łyżeczki cukru na szklankę, dobrze wymieszane.
3. Roztwór soli o podobnym stężeniu masowym (również 2–3 łyżeczki na szklankę).

Przy tym samym ustawieniu układu:

• w czystej wodzie – LED zwykle nie świeci,
• w roztworze cukru – sytuacja wygląda niemal identycznie; dioda pozostaje ciemna, nawet jeśli roztwór jest bardzo słodki,
• w roztworze soli – LED świeci wyraźnie, czasem bardzo jasno.

Ciekawym wariantem jest wykonanie „ślepego testu”: jedna osoba przygotowuje trzy szklanki (woda, sól, cukier), oznacza je literami, a druga osoba – mając tylko diodę, baterię i elektrody – próbuje rozpoznać, który roztwór jest który. W praktyce roztwór cukru i wody trudno odróżnić elektrycznie, za to roztwór soli natychmiast się wyróżnia.

Dlaczego nawet bardzo słodki roztwór nie pomaga diodzie

Zdarza się, że po dosypaniu dużej ilości cukru dioda zaczyna lekko żarzyć. W większości przypadków wynika to nie z samego cukru, ale z:

• zanieczyszczeń w wodzie (minerały, dodatki z kranu),
• jonów pochodzących z lekkiej korozji elektrod,
• czasem z niewielkich różnic potencjałów powstających na granicy metalu i roztworu.

Cukier nie zwiększa stężenia jonów w roztworze, więc nie poprawia znacząco przewodnictwa. Nawet bardzo słodka herbata (bez soli i bez kwasów) przewodzi prąd dużo gorzej niż woda z odrobiną soli kuchennej.

Przewodnictwo roztworu kwasku cytrynowego

Częściowa dysocjacja kwasu cytrynowego

Kwas cytrynowy (C₆H₈O₇) jest kwasem słabym. Oznacza to, że po rozpuszczeniu w wodzie tylko część jego cząsteczek rozpada się na jony. Proces dysocjacji można zapisać uproszczonym równaniem:

C₆H₈O₇(aq) ⇌ C₆H₅O₇³⁻(aq) + 3 H⁺(aq)

Podwójna strzałka oznacza, że między formą zdysocjowaną (jonową) a niezdysocjowaną (cząsteczkową) zachodzi równowaga. Mimo że nie wszystkie cząsteczki się rozpadają, w roztworze pojawiają się jony H⁺ oraz aniony cytrynianowe, zdolne do przenoszenia ładunku. Z tego powodu roztwór kwasu cytrynowego przewodzi prąd lepiej niż woda, ale zwykle słabiej niż roztwór soli o podobnym stężeniu.

Porównanie przewodnictwa: sól vs kwasek cytrynowy

Aby zestawić działanie soli i kwasu cytrynowego, można przygotować:

1. Roztwór soli – np. 1 łyżeczka NaCl na szklankę wody.
2. Roztwór kwasku cytrynowego – 1 łyżeczka na szklankę wody.
3. Roztwór cukru – 1 łyżeczka na szklankę (dla kontrastu).

Po włożeniu elektrod:

• w roztworze cukru – LED najpewniej ciemna,
• w roztworze kwasku – LED świeci, ale zwykle słabiej niż w soli,
• w roztworze soli – LED świeci najsilniej spośród trzech.

Taki zestaw pokazuje, że:

• sól – elektrolit mocny, prawie całkowicie zdysocjowany,
• kwas cytrynowy – elektrolit słaby, częściowo zdysocjowany,
• cukier – nieelektrolit, roztwór praktycznie niejonowy.

Uczniowie widzą od razu, że „kwaśny smak” idzie zwykle w parze z pewnym przewodnictwem (obecność jonów H⁺), podczas gdy smak słodki wcale nie musi oznaczać przewodzenia prądu.

Obserwacje dodatkowe w roztworach kwasu cytrynowego

Kwas cytrynowy ma jeszcze jedną zaletę w eksperymencie – działa lekko czyszcząco na metalowe elektrody. Zardzewiałe gwoździe po chwili w kwaśnym roztworze często stają się jaśniejsze w miejscach zanurzonych. Może to jednak wprowadzać pewne zakłócenia pomiarów:

• podczas „oczyszczania” elektrod do roztworu przechodzą jony metali,
• początkowa jasność świecenia diody może się nieco zmieniać w czasie.

Aby uzyskać spójne wyniki, wygodnie jest najpierw przepłukać elektrody w osobnym kubku z roztworem kwasu, przetrzeć je, a dopiero potem wykonywać właściwy test. Zmniejsza to wpływ pierwszej, intensywnej reakcji na obserwacje.

Woda destylowana i wpływ zanieczyszczeń na przewodnictwo

Dlaczego czysta woda prawie nie przewodzi prądu

Woda destylowana teoretycznie zawiera jedynie cząsteczki H₂O. Ich własna dysocjacja na jony H⁺ i OH⁻ zachodzi w bardzo niewielkim stopniu, więc liczba jonów w jednostce objętości jest znikoma. Z tego powodu czysta woda ma bardzo wysoki opór elektryczny i w praktyce w prostym układzie z diodą LED zachowuje się jak izolator.

Jeśli w naczyniu z wodą destylowaną dioda zaczyna słabo świecić, przyczyną jest niemal zawsze:

• kontakt z powietrzem (rozpuszczone gazy, głównie CO₂),
• zmywanie zanieczyszczeń z elektrod,
• resztki innych roztworów na ściankach naczynia lub w przewodach.

Woda „laboratoryjnie czysta” wymaga specjalnych warunków. W domu wystarczy zostawić otwarte naczynie na kilka minut, aby część dwutlenku węgla z powietrza rozpuściła się w wodzie i utworzyła śladowe ilości jonów wodorowęglanowych oraz H⁺. To wystarcza, by superczułe przyrządy zarejestrowały prąd, ale dla diody LED zwykle jest to nadal zbyt mało.

Domowe porównanie: kranówka vs woda destylowana

Krótki test, który dobrze obrazuje rolę jonów pochodzących z rozpuszczonych soli:

1. Napełnić jedną szklankę wodą kranową, drugą – wodą destylowaną.
2. W obu przypadkach zanurzyć te same, wcześniej przepłukane elektrody.
3. Obserwować świecenie diody przy zachowaniu tej samej odległości między elektrodami.

W typowych warunkach:

• w kranówce LED może lekko zaświecić, zwłaszcza przy większym napięciu,
• w wodzie destylowanej LED pozostaje ciemna lub świeci jeszcze słabiej.

Jeżeli do wody destylowanej doda się szczyptę soli lub kwasu cytrynowego i wymiesza, dioda zaczyna świecić znacznie wyraźniej. Jedna mała łyżeczka soli potrafi zmienić praktycznie izolator w całkiem przyzwoity przewodnik – dobry punkt wyjścia do rozmowy o tym, co w praktyce oznacza „zanieczyszczenie jonowe”.

Rozszerzenia doświadczenia i proste modyfikacje układu

Skala porównawcza dla różnych roztworów

Aby wprowadzić odrobinę porządku do obserwacji, można umówić się na prostą skalę wizualną:

• 0 – dioda nie świeci wcale,
• 1 – ledwo widoczna po zaciemnieniu pomieszczenia,
• 2 – słabe, ale wyraźne świecenie,
• 3 – jasne świecenie, zbliżone do połączenia przewodami.

Następnie dla każdego testowanego roztworu (różne stężenia soli, kwasu, cukru, kranówka, woda destylowana) można przyznać ocenę 0–3. Otrzymuje się w ten sposób prostą „mapę przewodnictwa”, bez miernika i bez liczb, ale z jasnym porównaniem. Przy dłuższych zajęciach uczniowie potrafią samodzielnie przewidzieć wynik, zanim włożą elektrody.

Włączanie i wyłączanie przewodnictwa – domowy „przełącznik chemiczny”

Ciekawym pomysłem jest zbudowanie prostego „przełącznika”, w którym zamiast klasycznego styku używa się roztworu. Przykładowa sekwencja:

1. Do szklanki nalać wody destylowanej – LED nie świeci (0).
2. Dodać łyżeczkę cukru i wymieszać – LED nadal nie świeci (0).
3. Dosypać odrobinę soli i wymieszać – LED zapala się (2–3).
4. Dolewać stopniowo wody, obserwując, jak LED stopniowo gaśnie (3 → 2 → 1 → 0).

W ten sposób można pokazać, że tym samym obwodem można sterować nie tylko mechanicznym włącznikiem, ale także składem chemicznym roztworu. Dla młodszych uczniów to często pierwszy kontakt z myśleniem: „to, co jest rozpuszczone w wodzie, ma znaczenie dla prądu”.

Prosty pomiar względny z użyciem dwóch diod LED

Jeżeli dostępne są dwie identyczne diody LED i dwie takie same baterie, da się zbudować dwa równoległe stanowiska:

Równoczesne porównywanie dwóch roztworów

Dwa identyczne zestawy (bateria + LED + elektrody) pozwalają porównywać roztwory „na żywo”. Schemat pracy jest prosty:

1. Do dwóch jednakowych szklanek wlać tę samą objętość wody.
2. Do pierwszej dodać np. sól, do drugiej – kwasek cytrynowy albo sam cukier.
3. W obu roztworach zanurzyć jednocześnie elektrody, włączając obwody w tym samym momencie.

Różnica w jasności świecenia diod jest wtedy widoczna od razu, bez konieczności „zapamiętywania”, jak świeciła dioda minutę wcześniej. Uczniowie szybko zauważają, że:

• LED w roztworze soli reaguje bardzo czułe na niewielkie zmiany stężenia,
• LED w roztworze kwasu cytrynowego „dogania” ją dopiero przy większej ilości rozpuszczonej substancji,
• w roztworze cukru nawet dodanie kolejnych łyżeczek niewiele zmienia.

Jeżeli pracuje się z grupą, można rozdzielić zadania: jedna para bada stężenia soli, inna kwasu cytrynowego, kolejna sprawdza wpływ temperatury. Po zebraniu obserwacji powstaje rodzaj „mapy” przewodnictwa dla różnych warunków.

Modyfikacja układu: dioda LED szeregowo z rezystorem

W wielu szkolnych zestawach do dyspozycji jest nie tylko dioda, ale także kilka rezystorów. Włączenie rezystora szeregowo z LED:

• zabezpiecza diodę przed zbyt dużym prądem w bardzo dobrze przewodzących roztworach,
• sprawia, że różnice w jasności świecenia są bardziej subtelne, ale też stabilniejsze.

Dla roztworów o słabym przewodnictwie (mało soli, kwas słaby, woda kranowa) dodatkowy opór niewiele zmienia – i tak „wąskim gardłem” jest roztwór. Gdy jednak elektrody zewrze się bezpośrednio przewodem, prąd nie wzrośnie gwałtownie, bo ograniczy go rezystor. Znika więc ryzyko jednorazowego, krótkiego „błysku” LED przy przypadkowym zwarciu.

Można też porównać dwa identyczne układy, z których w jednym znajduje się dodatkowy rezystor. Uczniowie widzą, że:

• dla tego samego roztworu LED bez rezystora świeci jaśniej,
• ale różnice między roztworami są mniej kontrolowane i bardziej „skokowe”.

To naturalne wprowadzenie do pojęcia oporu całkowitego w obwodzie: przewodnictwo roztworu to tylko jeden z elementów, obok oporu przewodów, złącz diody i dodanych rezystorów.

Zmiana temperatury roztworu a jasność diody

Przewodnictwo jonowe zależy od temperatury – jony poruszają się szybciej w cieplejszej wodzie. W warunkach domowych da się to pokazać na roztworze soli lub kwasu cytrynowego:

1. Przygotować dwa identyczne roztwory (np. sól + woda) w dwóch szklankach.
2. Jedną szklankę lekko podgrzać w kąpieli wodnej lub w ciepłej wodzie z kranu.
3. Do drugiej dodać parę kostek lodu lub wsypać lód kruszony.
4. Zanurzyć elektrody i porównać jasność świecenia diod.

W cieplejszym roztworze dioda na ogół świeci odrobinę jaśniej. Różnica nie jest ogromna, ale da się ją wychwycić zwłaszcza w półmroku. W bardzo zimnym roztworze świecenie czasem nawet gaśnie, jeśli stężenie soli jest niskie i prąd dodatkowo hamuje wzrost oporu przy niższej temperaturze.

Pomocne jest zanotowanie trzech obserwacji:

• roztwór zimny – poziom 1 na przyjętej wcześniej skali,
• roztwór w temperaturze pokojowej – np. poziom 2,
• roztwór ciepły – poziom 2–3.

Taka seria porządkuje w głowie proste skojarzenie: ten sam „skład chemiczny”, ale inne warunki fizyczne, a przewodnictwo się zmienia.

Wpływ rodzaju i powierzchni elektrod

W wielu opisach doświadczenia pojawia się tylko wzmianka „dwa gwoździe jako elektrody”. W praktyce materiał i kształt elektrod istotnie wpływają na wynik:

• Stalowe gwoździe – łatwo rdzewieją, przez co powierzchnia aktywna zmienia się w czasie, a do roztworu przechodzą jony żelaza.
• Drut miedziany (bez izolacji) – daje stabilniejsze połączenie, ale w roztworach kwaśnych może się powoli rozpuszczać.
• Grafit (np. z grubych ołówków lub prętów grafitowych) – jest stosunkowo obojętny chemicznie, więc mniej „brudzi” roztwór jonami metali.

Istotny jest też rozmiar i odległość elektrod:

• większa powierzchnia zanurzona – więcej miejsca na przepływ jonów, mniejszy opór, jaśniejsza dioda,
• mniejsza odległość między elektrodami – krótsza „droga” dla prądu, również mniejszy opór.

Przy pracy z klasą dobrze jest ustalić proste zasady: np. zanurzać elektrody na tę samą głębokość (zaznaczoną mazakiem) i trzymać je w stałej odległości, np. 1–2 cm. Wtedy różnice jasności świecenia można rzeczywiście przypisać roztworowi, a nie zmianom w ustawieniu mechaniki układu.

Prosty „tester napojów” z diodą LED

Ta sama aparatura świetnie sprawdza się jako tester napojów codziennego użytku. Wystarczy niewielka ilość płynu w szklance lub w małym słoiku. Bez formalnego miernika da się wychwycić wyraźne różnice:

• woda mineralna – dioda świeci słabiej niż w roztworze soli kuchennej o zbliżonym smaku, ale wyraźnie lepiej niż w wodzie destylowanej,
• napój gazowany (słodki) – przewodnictwo zależy od zawartych kwasów i soli; mimo dużej ilości cukru dioda świeci wcale nie dzięki niemu, lecz dzięki jonom,
• sok cytrusowy – zwykle bardzo dobry przewodnik, bo zawiera zarówno kwasy organiczne (w tym cytrynowy), jak i rozpuszczone sole.

Warto przed zanurzeniem elektrod opłukać je w wodzie kranowej i delikatnie wytrzeć, aby pozbyć się pozostałości poprzedniego napoju. W przeciwnym razie pierwszy badany roztwór może „przynieść” do następnego swoje jony, co zaburza porównanie. Uczniowie szybko zauważają, że napoje o intensywnym, kwaśnym smaku niemal zawsze dobrze przewodzą prąd, natomiast sama słodycz niewiele zmienia.

Zależność między stężeniem soli a jasnością diody

Przy przewodnictwie roztworów soli kuchennej szczególnie zachęcające jest zbadanie kilku kolejnych rozcieńczeń. Zamiast wsypywać za każdym razem „na oko”, lepiej przyjąć prosty schemat objętościowy:

1. Przygotować roztwór podstawowy – np. 1 łyżeczka soli na pół szklanki wody, dobrze wymieszać.
2. Odlać z niego część (np. ¼ szklanki) do osobnego naczynia i uzupełnić wodą do tej samej objętości – to pierwsze rozcieńczenie.
3. Czynność powtórzyć kilka razy, za każdym razem biorąc roztwór bardziej rozcieńczony.

W każdym kolejnym naczyniu jasność świecenia diody maleje. Początkowo różnice są niewielkie, potem zaczynają być wyraźne, aż wreszcie dochodzi się do poziomu, gdzie LED świeci ledwie zauważalnie, a kolejne rozcieńczenie już całkiem ją gasi. Takie „stopniowe gaśnięcie” dobrze pokazuje, że przewodnictwo nie jest cechą zero-jedynkową – zmienia się płynnie wraz ze stężeniem jonów.

Dodatkowo można zaznaczyć przy każdym naczyniu liczbę rozcieńczeń (0, 1, 2, 3, …) i na kartce przypisać im oceny 0–3 z przyjętej skali. Otrzymuje się prosty, jakościowy „wykres” zależności przewodnictwa od stężenia soli.

Ostrożność przy wyższych napięciach i innych źródłach zasilania

Czasem pojawia się pokusa, aby zamiast pojedynczej baterii 1,5 V użyć kilku baterii szeregowo albo zasilacza. W doświadczeniach z roztworami wodnymi i gołymi elektrodami trzeba zachować szczególną ostrożność:

• napięcia powyżej kilku woltów przyspieszają elektrolizę wody i rozpuszczanie elektrod,
• powstające na elektrodach gazy (wodór, tlen) mogą tworzyć pęcherzyki, które chwilowo zmieniają przewodnictwo,
• przy zasilaczach sieciowych, nawet stabilizowanych, nie wolno zanurzać przewodów w cieczy, jeśli układ nie jest bezpiecznie odseparowany od sieci.

W typowym, szkolnym doświadczeniu w pełni wystarczają pojedyncze baterie 1,5 V lub małe baterie 9 V z rezystorem ograniczającym prąd. Wyższe napięcia nie wnoszą nowych, prostych obserwacji, za to zwiększają ilość reakcji ubocznych i przyspieszają korozję elektrod.

Łączenie doświadczenia z pojęciem elektrolizy

Jeżeli uczestnicy są nieco starsi i znają już pojęcie reakcji chemicznych, ten sam układ można wykorzystać do pierwszego spotkania z elektrolizą. Wystarczy dłużej pozostawić zanurzone elektrody w dobrze przewodzącym roztworze (sól, kwas cytrynowy, roztwór sody oczyszczonej). Po pewnym czasie na elektrodach pojawiają się:

• pęcherzyki gazu – efekt rozkładu wody na tlen i wodór,
• zmiany barwy – na przykład przy użyciu stali lub miedzi.

Wprowadza to rozróżnienie między samym przewodnictwem (ruch jonów, prąd) a skutkami chemicznymi przepływu prądu. Dla wielu uczniów zaskoczeniem jest to, że „zapalenie diody” oznacza, iż w roztworze naprawdę zachodzą procesy – nie tylko mechaniczne „przejście prądu”, ale też zmiany składu chemicznego w okolicy elektrod.

Notowanie wyników i proste wnioski ilościowe

Chociaż układ z diodą LED ma charakter przede wszystkim jakościowy, przy odrobinie dyscypliny można wyciągnąć z niego wnioski półilościowe. Wystarcza regularne notowanie:

• rodzaju roztworu (sól, cukier, kwasek, napój),
• orientacyjnego stężenia (liczba łyżeczek, kolejne rozcieńczenie),
• temperatury (zimny, pokojowy, ciepły),
• oceny jasności LED w skali 0–3.

Po kilku seriach pomiarów pojawiają się wyraźne tendencje: przewodnictwo rośnie wraz z ilością jonów, maleje po rozcieńczeniu, słabo reaguje na obecność nieelektrolitów, wzrasta w wyższej temperaturze. Taki zestaw obserwacji tworzy spójny obraz, który później łatwo połączyć z definicją przewodnictwa jonowego i dysocjacji elektrolitycznej omawianej już formalnie na lekcjach chemii i fizyki.

Najczęściej zadawane pytania (FAQ)

Dlaczego roztwór soli przewodzi prąd, a roztwór cukru nie?

Roztwór soli kuchennej (NaCl) przewodzi prąd, ponieważ sól w wodzie dysocjuje na jony Na⁺ i Cl⁻. To właśnie te ruchome, naładowane cząstki przenoszą ładunek elektryczny w roztworze.

Cukier po rozpuszczeniu dzieli się na obojętne elektrycznie cząsteczki, ale nie tworzy jonów. Brak jonów oznacza brak nośników ładunku, więc roztwór cukru praktycznie nie przewodzi prądu i nie zasili diody LED.

Czy kwasek cytrynowy przewodzi prąd lepiej niż sól kuchenna?

Kwasek cytrynowy jest elektrolitem słabym – tylko część jego cząsteczek rozpada się na jony. Oznacza to, że przewodzi prąd, ale z reguły gorzej niż roztwór soli kuchennej o podobnym stężeniu.

Sól kuchenna (NaCl) jest elektrolitem mocnym, dysocjuje niemal całkowicie na jony, dlatego jej roztwór zwykle sprawi, że dioda LED zaświeci jaśniej niż w porównywalnym roztworze kwasu cytrynowego.

Jak podłączyć diodę LED do badania przewodnictwa roztworów w domu?

Najprostszy układ to: bateria (np. 3–9 V), rezystor (220–1000 Ω), dioda LED i dwie elektrody zanurzone w roztworze. Tworzysz obwód, w którym roztwór jest „kawałkiem przewodu” pomiędzy elektrodami.

Jeden biegun baterii łączysz z rezystorem i diodą LED, a z niej prowadzisz przewód do pierwszej elektrody. Druga elektroda wraca przewodem do drugiego bieguna baterii. Gdy roztwór dobrze przewodzi, obwód się zamyka i dioda świeci.

Jakie elektrody najlepiej użyć do eksperymentu z diodą LED i roztworami?

W domowych warunkach możesz użyć stalowych gwoździ, drucików miedzianych lub grafitu z ołówków (po usunięciu drewna). Ważne, by obie elektrody były czyste i miały możliwie dużą powierzchnię styku z roztworem.

Grafit z ołówków jest wygodny, bo jest stosunkowo chemicznie obojętny – mniej zanieczyszcza roztwór jonami z elektrod niż np. stal czy miedź, co pozwala lepiej porównywać przewodnictwo różnych substancji.

Czy dioda LED może zaświecić w samym roztworze cukru?

W idealnych warunkach – nie. Cukier jest nieelektrolitem, nie tworzy w wodzie jonów, więc jego roztwór nie powinien przewodzić prądu na tyle dobrze, by zasilić diodę LED.

Jeśli dioda jednak lekko zaświeci, najczęściej jest to efekt zanieczyszczeń (np. soli, resztek innych substancji w naczyniu lub na elektrodach) albo jonów, które przeszły do roztworu z samych elektrod podczas wcześniejszych doświadczeń.

Dlaczego woda destylowana nie przewodzi prądu, a kranowa już tak?

Czysta woda destylowana zawiera znikome ilości jonów, więc jej przewodnictwo jest bardzo małe – dioda LED zwykle nie zaświeci lub będzie świeciła niezauważalnie.

Woda kranowa zawiera różne rozpuszczone sole (np. wapnia, magnezu, sodu), które dostarczają jonów. Dlatego jej roztwór przewodzi prąd znacznie lepiej i w prostym układzie z diodą LED można zwykle zaobserwować świecenie, choć słabsze niż w roztworze mocno zasolonej wody.

Czy eksperyment z diodą LED i roztworami jest bezpieczny do wykonania w domu?

Tak, pod warunkiem używania niskich napięć (3–9 V z baterii) i podstawowej ostrożności. Nie korzystaj z gniazdka sieciowego, nie dotykaj jednocześnie gołych przewodów i roztworu podczas pracy układu.

Używane substancje – sól, cukier, kwas cytrynowy – są stosunkowo bezpieczne, ale warto unikać kontaktu roztworów z oczami i przechowywać je z dala od małych dzieci. Po zakończeniu doświadczenia wylej roztwory do zlewu i wypłucz naczynia oraz elektrody.

Co warto zapamiętać

• W roztworach wodnych prąd przewodzą jony, a nie elektrony jak w metalach, dlatego do przewodnictwa potrzebne są rozpuszczone, swobodne nośniki ładunku.
• Sól kuchenna (NaCl) jest mocnym elektrolitem – praktycznie w całości dysocjuje na jony Na⁺ i Cl⁻, dzięki czemu jej roztwór dobrze przewodzi prąd i łatwo zasila diodę LED.
• Cukier jest nieelektrolitem – rozpuszcza się w postaci obojętnych cząsteczek, nie tworzy jonów, więc nawet bardzo słodki roztwór praktycznie nie przewodzi prądu i nie zapala diody LED.
• Kwas cytrynowy jest słabym elektrolitem – tylko część jego cząsteczek dysocjuje na jony, dlatego roztwór przewodzi prąd gorzej niż roztwór soli o podobnym stężeniu, ale wyraźnie lepiej niż roztwór cukru.
• Dioda LED jest czułym, prostym i tanim testerem przewodnictwa: przy małych prądach zmienia jasność świecenia, co pozwala łatwo porównywać różne roztwory.
• Układ z diodą LED, źródłem zasilania i dwiema elektrodami zanurzonymi w roztworze traktuje roztwór jak „odcinek przewodu”, którego opór zależy od liczby i ruchliwości jonów.
• Domowy eksperyment wymaga jedynie podstawowych elementów (LED, baterii, ewentualnego rezystora, elektrod i naczyń) oraz prostych substancji (sól, cukier, kwasek cytrynowy), co pozwala bezpiecznie badać różnice w przewodnictwie.