Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для песни REM см. Electrolite .

Электролит представляет собой вещество , которое производит электропроводный раствор при растворении в полярном растворителе , таком как вода. Растворенный электролит разделяется на катионы и анионы , которые равномерно диспергируются в растворителе. В электрическом отношении такой раствор нейтрален. Если к такому раствору приложить электрический потенциал , катионы раствора притягиваются к электроду, который имеет большое количество электронов , а анионы притягиваются к электроду, который имеет дефицит электронов. Движение анионов и катионов в противоположных направлениях внутри раствора составляет ток. Сюда входят наиболее растворимыесоли , кислоты и основания . Некоторые газы, такие как хлористый водород (HCl), в условиях высокой температуры или низкого давления также могут действовать как электролиты. [ необходимо пояснение ] Растворы электролитов также могут быть результатом растворения некоторых биологических (например, ДНК , полипептиды ) и синтетических полимеров (например, полистиролсульфоната ), называемых « полиэлектролитами », которые содержат заряженные функциональные группы . Вещество, которое в растворе диссоциирует на ионы, приобретает способность проводить электричество. Натрий ,калий , хлорид , кальций , магний и фосфат являются примерами электролитов.

В медицине замена электролитов необходима при длительной рвоте или диарее , а также в ответ на тяжелую спортивную деятельность. Доступны коммерческие растворы электролитов, особенно для больных детей (например, раствор для пероральной регидратации , Suero Oral или Pedialyte ) и спортсменов ( спортивные напитки ). Мониторинг электролитов важен при лечении анорексии и булимии .

Этимология [ править ]

Слово « электролит» происходит от древнегреческого ήλεκτρο- ( ēlectro -), приставки, относящейся к электричеству, и λυτ ly ( lytos ), что означает «способный развязываться или ослаблять».

История [ править ]

Сванте Аррениус , отец концепции диссоциации электролита в водном растворе, за которую он получил Нобелевскую премию по химии в 1903 году.

В своей диссертации 1884 года Сванте Аррениус изложил свое объяснение разделения твердых кристаллических солей на парные заряженные частицы при растворении, за что он получил в 1903 году Нобелевскую премию по химии. [1] [2] [3] [4]

Объяснение Аррениуса заключалось в том, что при образовании раствора соль распадается на заряженные частицы, которые Майкл Фарадей дал название « ионы » много лет назад. Фарадей считал, что ионы образуются в процессе электролиза . Аррениус предположил, что даже в отсутствие электрического тока растворы солей содержат ионы. Таким образом, он предположил, что химические реакции в растворе - это реакции между ионами. [2] [3] [4]

Формирование [ править ]

Растворы электролитов обычно образуются, когда соль помещается в растворитель, такой как вода, и отдельные компоненты диссоциируют из-за термодинамических взаимодействий между молекулами растворителя и растворенного вещества в процессе, называемом « сольватацией ». Например, когда поваренная соль ( хлорид натрия ) NaCl помещается в воду, соль (твердое вещество) растворяется на составляющие ионы в соответствии с реакцией диссоциации.

NaCl (т) → Na + (водн.) + Cl - (водн.)

Кроме того, вещества могут реагировать с водой с образованием ионов. Например, газообразный диоксид углерода растворяется в воде с образованием раствора, содержащего ионы гидроксония , карбоната и гидрокарбоната .

Расплавленные соли также могут быть электролитами, поскольку, например, когда хлорид натрия расплавлен, жидкость проводит электричество. В частности, ионные жидкости, которые представляют собой расплавленные соли с температурой плавления ниже 100 ° C [5], представляют собой тип неводных электролитов с высокой проводимостью и, таким образом, находят все больше и больше применений в топливных элементах и ​​батареях. [6]

Электролит в растворе можно описать как «концентрированный», если он имеет высокую концентрацию ионов, или «разбавленный», если он имеет низкую концентрацию. Если большая часть растворенного вещества диссоциирует с образованием свободных ионов, электролит сильный; если большая часть растворенного вещества не диссоциирует, электролит слаб. Свойства электролитов можно использовать с помощью электролиза для извлечения составляющих элементов и соединений, содержащихся в растворе.

Щелочноземельные металлы образуют гидроксиды, которые являются сильными электролитами с ограниченной растворимостью в воде из-за сильного притяжения между составляющими их ионами. Это ограничивает их применение в ситуациях, когда требуется высокая растворимость. [7]

Физиологическое значение [ править ]

См. Также: Электрохимический градиент и водно-электролитный дисбаланс.

В физиологии первичными ионами электролитов являются натрий (Na + ), калий (K + ), кальций (Ca 2+ ), магний (Mg 2+ ), хлорид (Cl - ), гидрофосфат (HPO 4 2- ), и гидрокарбонат (HCO 3 - ). [8] Символы электрического заряда плюс (+) и минус (-) указывают на то, что вещество является ионным по природе и имеет несбалансированное распределение электронов, результат химической диссоциации.. Натрий является основным электролитом, содержащимся во внеклеточной жидкости, а калий - основным внутриклеточным электролитом; [9] оба участвуют в балансе жидкости и контроле артериального давления . [10]

Все известные многоклеточные формы жизни требуют тонкого и сложного баланса электролитов между внутриклеточной и внеклеточной средами. [11] В частности, важно поддерживать точные осмотические градиенты электролитов. Такие градиенты влияют и регулируют гидратацию тела, а также pH крови и имеют решающее значение для функции нервов и мышц . У живых организмов существуют различные механизмы, которые жестко контролируют концентрацию различных электролитов.

И мышечная ткань, и нейроны считаются электрическими тканями тела. Мышцы и нейроны активируются за счет активности электролитов между внеклеточной или интерстициальной жидкостью и внутриклеточной жидкостью . Электролиты могут проникать в клеточную мембрану или покидать ее через специализированные белковые структуры, встроенные в плазматическую мембрану, которые называются « ионными каналами ». Например, сокращение мышц зависит от присутствия кальция (Ca 2+ ), натрия (Na + ) и калия (K + ). Без достаточного уровня этих ключевых электролитов может возникнуть мышечная слабость или сильные мышечные сокращения.

Электролитный баланс поддерживается пероральным или в экстренных случаях внутривенным (IV) приемом электролитсодержащих веществ и регулируется гормонами , как правило, почками, вымывающими излишки. У людей электролитный гомеостаз регулируется гормонами, такими как антидиуретические гормоны , альдостерон и паратироидные гормоны . Серьезные электролитные нарушения , такие как обезвоживание и гипергидратация , могут привести к сердечным и неврологическим осложнениям и, если они не будут быстро разрешены, вызовут неотложную медицинскую помощь .

Измерение [ править ]

Измерение электролитов - это обычно выполняемая диагностическая процедура, выполняемая медицинскими технологами путем анализа крови с помощью ионоселективных электродов или анализа мочи . Интерпретация этих значений бессмысленна без анализа истории болезни и часто невозможна без параллельных измерений почечной функции . Наиболее часто измеряемыми электролитами являются натрий и калий. Уровни хлоридов измеряются редко, за исключением анализа газов артериальной крови, поскольку они по своей природе связаны с уровнями натрия. Один из важных тестов, проводимых на моче, - это удельный вес.тест для определения возникновения электролитного дисбаланса .

Регидратация [ править ]

При пероральной регидратационной терапии напитки с электролитами, содержащие соли натрия и калия, восстанавливают концентрацию воды и электролитов в организме после обезвоживания, вызванного физическими упражнениями , чрезмерным употреблением алкоголя , потоотделением (сильным потоотделением), диареей, рвотой, интоксикацией или голоданием. Спортсмены, тренирующиеся в экстремальных условиях (в течение трех или более часов непрерывно, например, марафон или триатлон ), не потребляющие электролиты, рискуют обезвоживанием (или гипонатриемией ). [12]

Домашний электролитный напиток можно приготовить, используя воду, сахар и соль в точных пропорциях . [13] Важно включить глюкозу (сахар), чтобы задействовать механизм совместного транспорта натрия и глюкозы. Также доступны коммерческие препараты [14] как для человека, так и для ветеринарии.

Электролиты обычно содержатся во фруктовых соках , спортивных напитках, молоке, орехах и многих фруктах и ​​овощах (целых или в виде сока) (например, в картофеле, авокадо ).

Электрохимия [ править ]

Основная статья: Электролиз

Когда электроды помещаются в электролит и подается напряжение , электролит проводит электричество. Одинокие электроны обычно не могут проходить через электролит; вместо этого на катоде происходит химическая реакция , дающая электролиту электроны. Другая реакция происходит на аноде , поглощая электроны из электролита. В результате в электролите вокруг катода образуется облако отрицательного заряда, а вокруг анода - положительный заряд. Ионы в электролите нейтрализуют эти заряды, позволяя электронам продолжать течь и реакции продолжаться.

Электролитическая ячейка, производящая хлор (Cl 2 ) и гидроксид натрия (NaOH) из раствора поваренной соли.

Например, в растворе обычной поваренной соли (хлорида натрия, NaCl) в воде катодная реакция будет

2 H 2 O + 2e - → 2 OH - + H 2

и газообразный водород будет пузыриться; анодная реакция

2 NaCl → 2 Na + + Cl 2 + 2e -

а газообразный хлор выделяется в раствор, где он реагирует с ионами натрия и гидроксила с образованием гипохлорита натрия - бытового отбеливателя . Положительно заряженные ионы натрия Na + будут реагировать на катод, нейтрализуя отрицательный заряд OH - там, а отрицательно заряженные ионы гидроксида OH - будут реагировать на анод, нейтрализуя там положительный заряд Na + . Без ионов из электролита заряды вокруг электрода замедляли бы непрерывный поток электронов; диффузия H + и OH -через воду к другому электроду требуется больше времени, чем перемещение гораздо более распространенных ионов соли. Электролиты диссоциируют в воде, потому что молекулы воды являются диполями, и диполи ориентируются энергетически выгодным образом для сольватации ионов.

В других системах в электродных реакциях могут участвовать металлы электродов, а также ионы электролита.

Электролитические проводники используются в электронных устройствах, где химическая реакция на границе раздела металл-электролит дает полезные эффекты.

  • В батареях в качестве электродов используются два материала с разным сродством к электрону; электроны текут от одного электрода к другому вне батареи, в то время как внутри батареи цепь замыкается ионами электролита. Здесь электродные реакции преобразуют химическую энергию в электрическую. [15]
  • В некоторых топливных элементах твердый электролит или протонный проводник электрически соединяет пластины, сохраняя при этом водородный и кислородный топливные газы разделенными. [16]
  • В резервуарах для гальваники электролит одновременно наносит металл на покрываемый объект и электрически соединяет этот объект в цепи.
  • В манометрах два тонких столбика ртути разделены небольшим зазором, заполненным электролитом, и по мере прохождения заряда через устройство металл растворяется с одной стороны и отслаивается с другой, в результате чего видимый зазор медленно смещается. двигаться дальше.
  • В электролитических конденсаторах химический эффект используется для получения чрезвычайно тонкого диэлектрического или изолирующего покрытия, в то время как слой электролита ведет себя как одна пластина конденсатора.
  • В некоторых гигрометрах влажность воздуха определяется путем измерения проводимости почти сухого электролита.
  • Горячее размягченное стекло является проводником электролита, и некоторые производители стекла поддерживают его в расплавленном состоянии, пропуская через него большой ток.

Твердые электролиты [ править ]

Твердые электролиты в основном можно разделить на четыре группы:

  • Гелевые электролиты - очень похожи на жидкие электролиты. По сути, это жидкости в гибком решетчатом каркасе . Для увеличения проводимости таких систем часто применяются различные добавки . [15] [17]
  • Сухие полимерные электролиты - отличаются от жидких и гелевых электролитов тем, что соль растворяется непосредственно в твердой среде. Обычно это полимер с относительно высокой диэлектрической проницаемостью ( ПЭО , ПММА , ПАН , полифосфазены , силоксаны и т. Д.) И соль с низкой энергией решетки . Для повышения механической прочности и электропроводности таких электролитов очень часто используются композиты , вводится инертная керамическая фаза. Есть два основных класса таких электролитов: полимер в керамике и керамика в полимере. [18] [19] [20]
  • Твердые керамические электролиты - ионы мигрируют через керамическую фазу посредством вакансий или междоузлий внутри решетки . Также существуют стеклокерамические электролиты.
  • Органические ионные пластичные кристаллы - это тип органических солей, проявляющих мезофазы (то есть состояние вещества, промежуточное между жидкостью и твердым телом), в которых подвижные ионы ориентационно или вращательно неупорядочены, а их центры расположены в упорядоченных участках кристаллической структуры. [16] Они имеют различные формы беспорядка из-за одного или нескольких фазовых переходов твердое тело-твердое тело ниже точки плавления и, следовательно, обладают пластическими свойствами и хорошей механической гибкостью, а также улучшенным межфазным контактом электрод-электролит. В частности, протонные органические ионно-пластиковые кристаллы (POIPC), [16] которые являются твердыми протонными кристаллами.Органические соли, образующиеся в результате переноса протонов от кислоты Бренстеда к основанию Бренстеда и по сути являющиеся протонными ионными жидкостями в расплавленном состоянии , оказались многообещающими твердотельными протонными проводниками для топливных элементов . Примеры включают перфторбутансульфонат 1,2,4-триазолия [16] и метансульфонат имидазолия . [21]

См. Также [ править ]

  • Сильный электролит
  • ITIES (граница раздела двух несмешивающихся растворов электролитов)
  • Ионный транспортный номер
  • Электролитдатенбанк Регенсбург
  • ВТПР

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Нобелевская премия по химии 1903" . Проверено 5 января 2017 года .
  2. ^ а б Харрис, Уильям; Леви, Джудит, ред. (1975). Энциклопедия Новой Колумбии (4-е изд.). Нью-Йорк: Колумбийский университет. п. 155 . ISBN 978-0-231035-729.
  3. ^ a b МакГенри, Чарльз, изд. (1992). Новая Британская энциклопедия . 1 (15 изд.). Чикаго: Британская энциклопедия, Inc., стр. 587. Bibcode : 1991neb..book ..... G . ISBN 978-085-229553-3.
  4. ^ a b Cillispie, Charles, ed. (1970). Словарь научной биографии (1-е изд.). Нью-Йорк: Сыновья Чарльза Скрибнера. С. 296–302. ISBN 978-0-684101-125.
  5. ^ Ши, Цзяхуа (石家华); Сунь, Сюнь (孙 逊); Чуньхэ (杨春 和), Ян; Гао, Цинюй (高 青 雨); Ли, Юнфан (李永 舫) (2002). «Архивная копия»离子 液体 研究 进展 (PDF) .化学 通报(на китайском языке) (4): 243. ISSN  0441-3776 . Архивировано 2 марта 2017 года из оригинального (PDF) . Проверено 1 марта 2017 года .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
  6. ^ Цзяншуй Луо; Цзинь Ху; Вольфганг Саак; Рюдигер Бекхаус; Гюнтер Виттсток; Иво Ф.Дж. Ванкелеком; Карстен Агерт; Олаф Конрад (2011). «Протонная ионная жидкость и ионные расплавы, полученные из метансульфоновой кислоты и 1H-1,2,4-триазола в качестве высокотемпературных электролитов PEMFC». Журнал химии материалов . 21 (28): 10426–10436. DOI : 10.1039 / C0JM04306K . S2CID 94400312 . 
  7. ^ Браун, Химия: Центральная наука, 14-е издание, стр. 680.
  8. ^ Alfarouk, Халид O .; Ахмед, Самрейн Б.М.; Ахмед, Ахмед; Эллиотт, Роберт Л .; Ибрагим, Мунтасер Э .; Али, Heyam S .; Уэльс, Кристиан К .; Нурвали, Ибрагим; Aljarbou, Ahmed N .; Башир, Адиль Х.Х .; Алхуфи, Сари Т.С.; Алькахтани, Саад Саид; Cardone, Rosa A .; Фаис, Стефано; Харгинди, Сальвадор; Решкин, Стефан Дж. (7 апреля 2020 г.). «Взаимодействие нерегулируемого pH и электролитного дисбаланса при раке» . Раки . 12 (4): 898. DOI : 10,3390 / cancers12040898 . PMC 7226178 . PMID 32272658 .  
  9. ^ Йе, Шенглонг (叶胜龙); Тан, Чжаоюй (汤钊猷) (1986).细胞膜 钠泵 及其 临床 意义.上海 医学[Шанхайская медицина] (на китайском языке) (1): 1.
  10. ^ Ту, Чжицюань (涂 志 全) (2004). 张定昌. 电解质 紊乱 对 晚期 肿瘤 的 治疗 影响.中华 中 西医 杂志[Китайский журнал китайской и западной медицины] (на китайском языке) (10).正常人 体内 ， 钠 离子 占 细胞 外 液 阳离子 总量 的 ​​92% ， 钾 离子 占 内 液 阳离子 总量. 98%。 子 的 相对 平衡 着 整个 细胞 的 功能 和 结构 的 完整。 钠 钾 体内 最主要 的 电解质 成分 ...
  11. ^ Alfarouk, Халид O .; Ахмед, Самрейн Б.М.; Ахмед, Ахмед; Эллиотт, Роберт Л .; Ибрагим, Мунтасер Э .; Али, Heyam S .; Уэльс, Кристиан К .; Нурвали, Ибрагим; Aljarbou, Ahmed N .; Башир, Адиль Х.Х .; Алхуфи, Сари Т.С.; Алькахтани, Саад Саид; Cardone, Rosa A .; Фаис, Стефано; Харгинди, Сальвадор; Решкин, Стефан Дж. (7 апреля 2020 г.). «Взаимодействие нерегулируемого pH и электролитного дисбаланса при раке» . Раки . 12 (4): 898. DOI : 10,3390 / cancers12040898 . PMC 7226178 . PMID 32272658 .  
  12. ^ J, Эстевес Э; Бакеро Э; Мора-Родригес Р. (2008). «Анаэробные показатели при регидратации водой или имеющимися в продаже спортивными напитками во время длительных тренировок в жару». Прикладная физиология, питание и обмен веществ . 33 (2): 290–298. DOI : 10.1139 / H07-188 . PMID 18347684 . 
  13. ^ "Регидратационные напитки" . Webmd.com. 28 апреля 2008. Архивировано из оригинала 23 октября 2008 года . Проверено 25 декабря 2018 .
  14. ^ "Поставщики соли для пероральной регидратации" . Rehydrate.org. 7 октября 2014 . Проверено 4 декабря 2014 .
  15. ^ a b Камил Пержина; Регина Борковская; Ярослав Сыздек; Алдона Залевская; Владислав Вечорек (2011). «Влияние добавки типа кислоты Льюиса на характеристики литий-гелевого электролита». Electrochimica Acta . 57 : 58–65. DOI : 10.1016 / j.electacta.2011.06.014 .
  16. ^ а б в г Цзяншуй Луо; Аннеметта Х. Йенсен; Нил Р. Брукс; Йерун Сникерс; Мартин Книппер; Дэвид Айли; Цинфэн Ли; Брэм Ванрой; Михаэль Вуббенхорст; Фэн Янь; Люк Ван Меервельт; Чжиган Шао; Цзяньхуа Фанг; Чжэн-Хун Ло; Дирк Э. Де Вос; Коэн Биннеманс; Ян Франсаер (2015). «Перфторбутансульфонат 1,2,4-триазолия в качестве типичного чистого протонного органического ионного пластичного кристаллического электролита для твердотельных топливных элементов». Энергетика и экология . 8 (4): 1276–1291. DOI : 10.1039 / C4EE02280G . S2CID 84176511 . 
  17. ^ "Революция батарейки Roll-to-Roll" . Ev World. Архивировано из оригинального 10 июля 2011 года . Проверено 20 августа 2010 года .
  18. ^ Syzdek Дж, Борковск R, Perzyna К, Тараскон JM, Вицорек Вт (2007). «Новые композиционные полимерные электролиты с поверхностно-модифицированными неорганическими наполнителями». Журнал источников энергии . 173 (2): 712–720. Bibcode : 2007JPS ... 173..712S . DOI : 10.1016 / j.jpowsour.2007.05.061 . ISSN 0378-7753 . 
  19. ^ Syzdek Дж, Арманд М, Marcinek М, Zalewska А, Żukowska G, Вицорек Вт (2010). «Детальные исследования модификации наполнителей и их влияния на композитные полимерные электролиты на основе поли (оксиэтилена)». Electrochimica Acta . 55 (4): 1314–1322. DOI : 10.1016 / j.electacta.2009.04.025 . ISSN 0013-4686 . 
  20. ^ Syzdek Дж, Арманд М, Gizowska М, Marcinek М, Сасят Е, Szafran М, Вицорек Вт (2009). «Керамика в полимере против полимерных электролитов в керамике - новый подход». Журнал источников энергии . 194 (1): 66–72. Bibcode : 2009JPS ... 194 ... 66S . DOI : 10.1016 / j.jpowsour.2009.01.070 . ISSN 0378-7753 . 
  21. ^ Цзяншуй Луо; Олаф Конрад; Иво Ф.Дж. Ванкелеком (2013). «Метансульфонат имидазолия как высокотемпературный протонный проводник». Журнал Материалы ХИМИИ . 1 (6): 2238–2247. DOI : 10.1039 / C2TA00713D . S2CID 96622511 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Смеси электролитов
  • Многокомпонентная диффузия электролита
  • Вязкость сильных электролитов