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 , в то время как 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. [ требуется 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
Слово электролит происходит от древнегреческого ήλεκτρο- ( ēlectro -), приставки, относящейся к электричеству, и λυτός ( lytos ), что означает «способный развязываться или ослаблять».
История
В своей диссертации 1884 года Сванте Аррениус изложил свое объяснение того, как твердые кристаллические соли при растворении распадаются на парные заряженные частицы, за что он получил Нобелевскую премию по химии 1903 года. [1] [2] [3] [4] Аррениус объяснил, что при образовании раствора соль распадается на заряженные частицы, которым 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
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.)
Также возможно, что вещества вступают в реакцию с водой, образуя ионы. Например, углекислый газ 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
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 в виде плюса (+) и минуса (-) указывают на то, что вещество имеет ионную природу и имеет несбалансированное распределение электронов в результате 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 поддержание точных осмотических градиентов электролитов. Такие градиенты влияют и регулируют гидратацию тела, а также pH крови и имеют решающее значение для функции нервов и мышц . У живых существ существуют различные механизмы, которые строго контролируют концентрацию различных электролитов.
И мышечная ткань, и нейроны считаются электрическими тканями тела. Мышцы и нейроны активируются активностями электролита между внеклеточной жидкостью или интерстициальной жидкостью и внутриклеточной жидкостью . Электролиты могут проникать или покидать клеточную мембрану через специализированные белковые структуры, встроенные в плазматическую мембрану, называемые « 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 такими гормонами, 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 решены, вызовут неотложную медицинскую помощь .
Измерение
Измерение электролитов является обычно проводится диагностическая процедура, выполняется посредством анализа крови с ион-селективных электродов или мочи с помощью медицинских технологов . 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. Одним из важных тестов, проводимых с мочой, является тест на удельный вес, чтобы определить возникновение электролитного дисбаланса .
Регидратация
При пероральной регидратационной терапии напитки с электролитами, содержащие соли натрия и калия, восстанавливают концентрацию воды и электролитов в организме после обезвоживания, вызванного 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 включать глюкозу (сахар), чтобы задействовать механизм совместного транспорта натрия и глюкозы. Имеются также коммерческие препараты [14] как для людей, 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
Когда электроды помещены в электролит и приложено напряжение , электролит будет проводить 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 движение и реакции продолжаться.
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 будет выделяться в раствор, где он вступает в реакцию 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 электролита заряды вокруг электрода замедлили бы непрерывный поток электронов; диффузия H + и OH - через воду к другому электроду занимает 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 электродные реакции могут включать 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 часовых 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
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 проводимости таких электролитов очень часто используются композиты , а также 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 разупорядочены, 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 пластичными свойствами и хорошей механической гибкостью, а также улучшенным межфазным контактом электрод-электролит. В частности, протонно-органические ионные пластичные кристаллы (POIPC) [16], которые представляют собой твердые протонные органические соли, образованные переносом протона от кислоты Бренстеда к основанию Бренстеда и по существу являются протонными ионными жидкостями в расплавленном состоянии , оказались многообещающими. твердотельные протонные проводники для топливных элементов . Примеры включают перфторбутансульфонат 1,2,4-триазолия [16] и метансульфонат имидазолия . [21]
Смотрите также
- Сильный электролит
- ITIES (граница раздела двух несмешивающихся растворов электролитов)
- Ионный транспортный номер
- Электролитдатенбанк Регенсбург
- ВТПР
Рекомендации
- ^ «Нобелевская премия по химии 1903 года» . Проверено 5 января 2017 года .
- ^ 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.
- ^ а б 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.
- ^ а б Cillispie, Charles, ed. (1970). Словарь научной биографии (1-е изд.). Нью-Йорк: Сыновья Чарльза Скрибнера. С. 296–302. ISBN 978-0-684101-125.
- ^ Ши, Джиахуа (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 )
- ^ 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 .
- ^ Браун, Химия: Центральная наука, 14-е издание, стр. 680.
- ^ Alfarouk, Khalid 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 .
- ^ Е, Шэнлун (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.
- ^ 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] (по - китайски) (10).
在正常人体内,钠离子占细胞外液阳离子总量的92%,钾离子占细胞内液阳离子总量的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 ...
- ^ Alfarouk, Khalid 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 .
- ^ 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 .
- ^ «Регидратирующие напитки» . Webmd.com. 28 апреля 2008. Архивировано из оригинала 23 октября 2008 года . Проверено 25 декабря 2018 года .
- ^ «Поставщики соли для пероральной регидратации» . Rehydrate.org. 7 октября 2014 . Проверено 4 декабря 2014 .
- ^ а б 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 .
- ^ 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 пластического кристаллического электролита для твердотельных топливных элементов». Энергетика и экология . 8 (4): 1276–1291. DOI : 10.1039 / C4EE02280G . S2CID 84176511 .
- ^ «Революция рулонных батарей» . Ev World. Архивировано из оригинального 10 июля 2011 года . Проверено 20 августа 2010 года .
- ^ Сыздек Дж., Борковска Р., Пержина К., Тараскон Дж. М., Вичорек В. (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 .
- ^ Сыздек Дж., Арманд М., Марцинек М., Залевска А., Луковска Г., Вечорек В. (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 .
- ^ Сыздек Дж., Арманд М., Гизовска М., Марцинек М., Сасим Э., Шафран М., Вичорек В. (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 .
- ^ 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
- Смеси электролитов
- Многокомпонентная диффузия электролита
- Вязкость сильных электролитов