stringtranslate.com

Электролит

Электролит — это среда, содержащая ионы , которые являются электропроводящими за счет движения этих ионов, но не проводят электроны . [1] [2] [3] Сюда входят большинство растворимых солей , кислот и оснований , растворенных в полярном растворителе , таком как вода . При растворении вещество разделяется на катионы и анионы , которые равномерно диспергируются по растворителю. [4] Также существуют твердотельные электролиты . В медицине, а иногда и в химии, термин «электролит» относится к растворенному веществу. [5] [6]

Электрически такой раствор нейтрален. Если к такому раствору приложить электрический потенциал , катионы раствора притягиваются к электроду с избытком электронов , а анионы — к электроду с дефицитом электронов. Движение анионов и катионов в противоположных направлениях внутри раствора представляет собой ток. Некоторые газы, например хлористый водород (HCl), в условиях высокой температуры или низкого давления также могут действовать как электролиты. [ необходимы разъяснения ] Растворы электролитов также могут возникать в результате растворения некоторых биологических (например, ДНК , полипептидов ) или синтетических полимеров (например, полистиролсульфоната ), называемых « полиэлектролитами », которые содержат заряженные функциональные группы . Вещество, диссоциирующее на ионы в растворе или в расплаве, приобретает способность проводить электричество. Натрий , калий , хлорид , кальций , магний и фосфат в жидкой фазе являются примерами электролитов.

В медицине замена электролитов необходима, когда у человека длительная рвота или диарея , а также в ответ на потоотделение из-за напряженной спортивной деятельности. Доступны коммерческие растворы электролитов, особенно для больных детей (например, раствор для пероральной регидратации , Suero Oral или Pedialyte ) и спортсменов ( спортивные напитки ). Мониторинг электролита важен при лечении анорексии и булимии .

В науке электролиты являются одним из основных компонентов электрохимических ячеек . [2]

В клинической медицине упоминания об электролитах обычно метонимически относятся к ионам и (особенно) к их концентрациям (в крови, сыворотке, моче или других жидкостях). Таким образом, упоминания об уровнях электролита обычно относятся к различным концентрациям ионов, а не к объемам жидкости.

Этимология

Слово электролит происходит от древнегреческого ήλεκτρο- ( ēlectro- ), приставки, связанной с электричеством, и λυτός ( lytos ), что означает «можно развязать или ослабить». [ нужна цитата ]

История

Сванте Аррениус , отец концепции диссоциации электролитов в водных растворах , за которую он получил Нобелевскую премию по химии в 1903 году.

В своей диссертации 1884 года Сванте Аррениус предложил объяснение того, как твердые кристаллические соли при растворении распадаются на парные заряженные частицы, за что он получил Нобелевскую премию по химии 1903 года. [7] [8] [9] [10] Объяснение Аррениуса заключалось в том, что при образовании раствора соль диссоциирует на заряженные частицы, которым Майкл Фарадей (1791-1867) много лет назад дал название « ионы ». 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 являются реакциями между ионами. [8] [9] [10]

Вскоре после гипотезы ионов Аррениуса Франц Хофмейстер и Зигмунд Левит [11] [12] [13] обнаружили, что разные типы ионов по-разному влияют на такие вещи, как растворимость белков. Последовательное упорядочение этих различных ионов по величине их воздействия последовательно возникает и во многих других системах. С тех пор эта серия стала известна как серия Хофмайстера .

Хотя происхождение этих эффектов не совсем ясно и обсуждалось на протяжении всего прошлого столетия, было высказано предположение, что плотность заряда этих ионов важна [14] и на самом деле может иметь объяснения, основанные на работах Шарля-Огюстена де Кулона. более 200 лет назад.

Формирование

Растворы электролитов обычно образуются, когда соль помещают 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 ее ионы в соответствии с реакцией диссоциации: [ нужна ссылка ]

NaCl (тв) → 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 . [ нужна цитата ]

Расплавленные соли также могут быть электролитами, так как, например, когда хлорид натрия расплавлен, жидкость проводит электричество. В частности, ионные жидкости, представляющие собой расплавленные соли с температурой плавления ниже 100 °C [15] , представляют собой разновидность высокопроводящих неводных электролитов и поэтому находят все больше и больше применений в топливных элементах и ​​батареях. [16]

Электролит в растворе можно назвать «концентрированным», если он имеет высокую концентрацию ионов, или «разбавленным», 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 слабый. Свойства электролитов можно использовать с помощью электролиза для извлечения составляющих элементов и соединений, содержащихся в растворе. [ нужна цитата ]

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 ситуациями, когда требуется высокая растворимость. [17]

В 2021 году исследователи обнаружили, что электролит может «существенно облегчить исследования электрохимической коррозии в менее проводящих средах». [18]

Физиологическое значение

В физиологии первичными ионами электролитов являются натрий ( Na + ), калий (K + ), кальций (Ca2 + ), магний (Mg2 + ), хлорид (Cl- ) , гидрофосфат (HPO42- ) , и гидрокарбонат (HCO 3 - ). [19] [ не удалось проверить ] Символы электрического заряда плюс (+) и минус (-) указывают на то, что вещество имеет ионную природу и имеет несбалансированное распределение электронов, что является результатом химической диссоциации . Натрий является основным электролитом внеклеточной жидкости, а калий — основным внутриклеточным электролитом; [20] оба участвуют в балансе жидкости и контроле артериального давления . [21]

Всем известным многоклеточным формам жизни необходим тонкий и сложный баланс электролитов между внутриклеточной и внеклеточной средой. [19] В частности, важно поддерживать точный осмотический градиент электролитов. Такие градиенты влияют и регулируют гидратацию организма, а также pH крови и имеют решающее значение для функции нервов и мышц . У живых видов существуют различные механизмы, которые удерживают концентрации различных электролитов под жестким контролем. [22]

И мышечная ткань, и нейроны считаются электрическими тканями организма. Мышцы и нейроны активируются электролитной активностью между внеклеточной жидкостью или интерстициальной жидкостью и внутриклеточной жидкостью . Электролиты могут проникать в клеточную мембрану или покидать ее 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. [ нужна ссылка ] [23]

Электролитный баланс поддерживается пероральным или, в экстренных случаях, внутривенным (ВВ) введением электролитсодержащих веществ и регулируется гормонами , как правило, при этом почки вымывают избыточные уровни. У человека электролитный гомеостаз регулируется такими гормонами, как антидиуретические гормоны , альдостерон и паратиреоидные гормоны . Серьезные электролитные нарушения , такие как обезвоживание и гипергидратация , могут привести к сердечным и неврологическим осложнениям и, если они не будут быстро устранены, приведут к необходимости оказания неотложной медицинской помощи .

Измерение

Измерение уровня электролитов — это широко распространенная диагностическая процедура, выполняемая медицинскими технологами с помощью анализа крови с помощью ионоселективных электродов или анализа мочи . Интерпретация этих значений несколько бессмысленна без анализа анамнеза и часто невозможна без параллельных измерений функции почек . Электролитами, измеряемыми чаще всего, являются натрий и калий. Уровни хлоридов измеряются редко, за исключением интерпретации газов артериальной крови, поскольку они по своей сути связаны с уровнями натрия. Одним из важных тестов, проводимых с мочой, является тест на удельную плотность , позволяющий определить наличие электролитного дисбаланса . [ нужна цитата ]

Регидратация

Согласно исследованию, профинансированному Институтом спортивных наук Gatorade , электролитные напитки, содержащие соли натрия и калия, восполняют концентрацию воды и электролитов в организме после обезвоживания, вызванного физическими упражнениями , чрезмерным употреблением алкоголя , потоотделением (сильным потоотделением), диареей, рвотой, интоксикацией или голоданием. ; В исследовании говорится, что спортсмены, тренирующиеся в экстремальных условиях (в течение трех и более часов непрерывно, например, марафон или триатлон ), которые не потребляют электролиты, рискуют получить обезвоживание (или гипонатриемию ). [24] [ нужно независимое подтверждение ]

Электролитный напиток можно приготовить в домашних условиях, используя воду, сахар и соль в точных пропорциях . [25] Важно включать глюкозу (сахар), чтобы использовать механизм совместного транспорта натрия и глюкозы. Также доступны коммерческие препараты [26] для применения как у людей, так и в ветеринарии.

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

Электрохимия

Когда электроды помещены в электролит и приложено напряжение , электролит проводит электричество. Одиночные электроны обычно не могут пройти через электролит; вместо этого на катоде происходит химическая реакция , доставляющая электролиту электролит. 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 продолжать реакции. [ нужна цитата ]

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 ЧАС 2 О + 2е − → 2 ОН − + ЧАС 2

и водород начнет пузыриться; анодная реакция - это

2 NaCl → 2 Na + + Cl 2 + 2e −

и газообразный хлор будет высвобождаться в раствор, где он вступит в реакцию с ионами натрия и гидроксила с образованием гипохлорита натрия – бытового отбеливателя . Положительно заряженные ионы натрия Na + будут реагировать по направлению к катоду, нейтрализуя там отрицательный заряд OH − , а отрицательно заряженные ионы гидроксида OH − будут реагировать по направлению к аноду, 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 занимает больше времени, чем перемещение гораздо более распространенных ионов соли. Электролиты диссоциируют в воде, поскольку молекулы воды являются диполями, а диполи ориентируются энергетически выгодным образом для сольватации ионов.

В других системах в электродных реакциях могут участвовать как металлы электродов, так и ионы электролита.

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

Твердые электролиты

Твердые электролиты в основном можно разделить на четыре группы, описанные ниже.

Гелевые электролиты

Гелевые электролиты – очень напоминают жидкие электролиты. По сути, это жидкости в гибком решетчатом каркасе . Для повышения проводимости таких систем часто применяются различные добавки . [27] [29]

Полимерные электролиты

Сухие полимерные электролиты – отличаются от жидких и гелевых электролитов тем, что соль растворяется непосредственно в твердой среде. Обычно это полимеры с относительно высокой диэлектрической постоянной ( ПЭО , ПММА , ПАН , полифосфазены , силоксаны и др.) и соли с низкой энергией решетки . Для повышения механической прочности и проводимости таких электролитов очень часто используют композиты и вводят инертную керамическую фазу. Существует два основных класса таких электролитов: полимер-в-керамике и керамика-в-полимере. [30] [31] [32]

Керамические электролиты

Solid ceramic electrolytes – ions migrate through the ceramic phase by means of vacancies or interstitials within the lattice. There are also glassy-ceramic electrolytes.

Organic plastic electrolytes

Organic ionic plastic crystals – are a type organic salts exhibiting mesophases (i.e. a state of matter intermediate between liquid and solid), in which mobile ions are orientationally or rotationally disordered while their centers are located at the ordered sites in the crystal structure.[28] They have various forms of disorder due to one or more solid–solid phase transitions below the melting point and have therefore plastic properties and good mechanical flexibility as well as improved electrode|electrolyte interfacial contact. In particular, protic organic ionic plastic crystals (POIPCs),[28] which are solid protic organic salts formed by proton transfer from a Brønsted acid to a Brønsted base and in essence are protic ionic liquids in the molten state, have found to be promising solid-state proton conductors for fuel cells. Examples include 1,2,4-triazolium perfluorobutanesulfonate[28] and imidazolium methanesulfonate.[33]

See also

References

  1. ^ Enderby JE, Neilson GW (1 June 1981). "The structure of electrolyte solutions". Reports on Progress in Physics. 44 (6): 593–653. doi:10.1088/0034-4885/44/6/001. ISSN 0034-4885. S2CID 250852242. Archived from the original on 18 December 2021. Retrieved 18 December 2021.
  2. ^ a b Petrovic S (29 October 2020). Battery technology crash course : a concise introduction. Springer. ISBN 978-3-030-57269-3. OCLC 1202758685.
  3. ^ Winie T, Arof AK, Thomas S (18 February 2020). Polymer Electrolytes: Characterization Techniques and Energy Applications. John Wiley & Sons. ISBN 978-3-527-34200-6.
  4. ^ M Andreev, JJ de Pablo, A Chremos, J F Douglas (2018). "Influence of ion solvation on the properties of electrolyte solutions". The Journal of Physical Chemistry B. 122 (14): 4029–4034. doi:10.1021/acs.jpcb.8b00518. PMID 29611710.
  5. ^ Wilkins LW (2007). Fluids and Electrolytes. Lippincott Williams & Wilkins. ISBN 978-1-58255-923-0.
  6. ^ "electrolyte". National Cancer Institute. 2 February 2011. Archived from the original on 23 April 2018. Retrieved 18 December 2021.
  7. ^ "The Nobel Prize in Chemistry 1903". Archived from the original on 8 July 2018. Retrieved 5 January 2017.
  8. ^ a b Harris W, Levey J, eds. (1975). The New Columbia Encyclopedia (4th ed.). New York City: Columbia University. p. 155. ISBN 978-0-231035-729.
  9. ^ a b McHenry C, ed. (1992). The New Encyclopædia Britannica. Vol. 1 (15 ed.). Chicago: Encyclopædia Britannica, Inc. p. 587. Bibcode:1991neb..book.....G. ISBN 978-085-229553-3.
  10. ^ a b Cillispie C, ed. (1970). Dictionary of Scientific Biography (1 ed.). New York City: Charles Scribner's Sons. pp. 296–302. ISBN 978-0-684101-125.
  11. ^ Franz Hofmeister (1888). "Zur Lehre Von Der Wirkung Der Salze". Naunyn-Schmiedeberg's Arch. Pharmacol.
  12. ^ W. Kunz, J. Henle, B. W. Ninham (2004). "'Zur Lehre von der Wirkung der Salze' (about the science of the effect of salts): Franz Hofmeister's historical papers". Current Opinion in Colloid & Interface Science. 9 (1–2): 19–37. doi:10.1016/j.cocis.2004.05.005. Archived from the original on 20 January 2022. Retrieved 8 November 2021.
  13. ^ Gregory KP, Elliott GR, Robertson H, Kumar A, Wanless EJ, Webber GB, Craig VS, Andersson GG, Page AJ (2022). "Understanding specific ion effects and the Hofmeister series". Physical Chemistry Chemical Physics. 24 (21): 12682–12718. Bibcode:2022PCCP...2412682G. doi:10.1039/D2CP00847E. PMID 35543205.
  14. ^ Kasimir P. Gregory, Erica J. Wanless, Grant B. Webber, Vince S. J. Craig, Alister J. Page (2021). "The Electrostatic Origins of Specific Ion Effects: Quantifying the Hofmeister Series for Anions". Chem. Sci. 12 (45): 15007–15015. doi:10.1039/D1SC03568A. PMC 8612401. PMID 34976339. S2CID 244578563.
  15. ^ Shi J, Sun X, Chunhe Y, Gao Q, Li Y (2002). 离子液体研究进展 (PDF). 化学通报 (in Simplified Chinese) (4): 243. ISSN 0441-3776. Archived from the original (PDF) on 2 March 2017. Retrieved 1 March 2017.
  16. ^ Jiangshui Luo, Jin Hu, Wolfgang Saak, Rüdiger Beckhaus, Gunther Wittstock, Ivo F. J. Vankelecom, Carsten Agert, Olaf Conrad (2011). "Protic ionic liquid and ionic melts prepared from methanesulfonic acid and 1H-1,2,4-triazole as high temperature PEMFC electrolytes". Journal of Materials Chemistry. 21 (28): 10426–10436. doi:10.1039/C0JM04306K. S2CID 94400312.
  17. ^ Brown, Chemistry: The Central Science, 14th edition, pg. 680.
  18. ^ Matějovský L, Staš M, Dumská K, Pospíšil M, Macák J (1 January 2021). "Electrochemical corrosion tests in an environment of low-conductive ethanol-gasoline blends: Part 1 – Testing of supporting electrolytes". Journal of Electroanalytical Chemistry. 880: 114879. doi:10.1016/j.jelechem.2020.114879. ISSN 1572-6657. S2CID 229508133.
  19. ^ a b Alfarouk KO, Ahmed SB, Ahmed A, Elliott RL, Ibrahim ME, Ali HS, Wales CC, Nourwali I, Aljarbou AN, Bashir AH, Alhoufie ST, Alqahtani SS, Cardone RA, Fais S, Harguindey S, Reshkin SJ (7 April 2020). "The Interplay of Dysregulated pH and Electrolyte Imbalance in Cancer". Cancers. 12 (4): 898. doi:10.3390/cancers12040898. PMC 7226178. PMID 32272658.
  20. ^ Ye S(, Tang Z( (1986). 细胞膜钠泵及其临床意义. 上海医学 [Shanghai Medicine] (in Simplified Chinese) (1): 1. Archived from the original on 3 March 2017. Retrieved 3 March 2017.
  21. ^ Tu Z( (2004). 电解质紊乱对晚期肿瘤的治疗影响. 中华中西医杂志 [Chinese Magazine of Chinese and Western Medicine] (in Simplified Chinese) (10). 张定昌. 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%左右。钠、钾离子的相对平衡，维持着整个细胞的功能和结构的完整。钠、钾是人体内最主要的电解质成分...
  22. ^ Open Resources for Nursing, Ernstmeyer K, Christman E (2021), "Chapter 15 Fluids and Electrolytes", Nursing Fundamentals [Internet], Chippewa Valley Technical College, retrieved 28 February 2024
  23. ^ "Reproductive Consequences of Electrolyte Disturbances in Domestic Animals".
  24. ^ J, Estevez E, Baquero E, Mora-Rodriguez R (2008). "Anaerobic performance when rehydrating with water or commercially available sports drinks during prolonged exercise in the heat". Applied Physiology, Nutrition, and Metabolism. 33 (2): 290–298. doi:10.1139/H07-188. PMID 18347684.
  25. ^ "Rehydration drinks". Webmd.com. 28 April 2008. Archived from the original on 23 October 2008. Retrieved 25 December 2018.
  26. ^ "Oral Rehydration Salt Suppliers". Rehydrate.org. 7 October 2014. Archived from the original on 7 December 2014. Retrieved 4 December 2014.
  27. ^ a b Kamil Perzyna, Regina Borkowska, Jaroslaw Syzdek, Aldona Zalewska, Wladyslaw Wieczorek (2011). "The effect of additive of Lewis acid type on lithium–gel electrolyte characteristics". Electrochimica Acta. 57: 58–65. doi:10.1016/j.electacta.2011.06.014.
  28. ^ a b c d Jiangshui Luo, Annemette H. Jensen, Neil R. Brooks, Jeroen Sniekers, Martin Knipper, David Aili, Qingfeng Li, Bram Vanroy, Michael Wübbenhorst, Feng Yan, Luc Van Meervelt, Zhigang Shao, Jianhua Fang, Zheng-Hong Luo, Dirk E. De Vos, Koen Binnemans, Jan Fransaer (2015). "1,2,4-Triazolium perfluorobutanesulfonate as an archetypal pure protic organic ionic plastic crystal electrolyte for all-solid-state fuel cells". Energy & Environmental Science. 8 (4): 1276–1291. doi:10.1039/C4EE02280G. S2CID 84176511.
  29. ^ "The Roll-to-Roll Battery Revolution". Ev World. Archived from the original on 10 July 2011. Retrieved 20 August 2010.
  30. ^ Syzdek J, Borkowska R, Perzyna K, Tarascon JM, Wieczorek W (2007). "Novel composite polymeric electrolytes with surface-modified inorganic fillers". Journal of Power Sources. 173 (2): 712–720. Bibcode:2007JPS...173..712S. doi:10.1016/j.jpowsour.2007.05.061. ISSN 0378-7753.
  31. ^ Syzdek J, Armand M, Marcinek M, Zalewska A, Żukowska G, Wieczorek W (2010). "Detailed studies on the fillers modification and their influence on composite, poly(oxyethylene)-based polymeric electrolytes". Electrochimica Acta. 55 (4): 1314–1322. doi:10.1016/j.electacta.2009.04.025. ISSN 0013-4686.
  32. ^ Syzdek J, Armand M, Gizowska M, Marcinek M, Sasim E, Szafran M, Wieczorek W (2009). "Ceramic-in-polymer versus polymer-in-ceramic polymeric electrolytes—A novel approach". Journal of Power Sources. 194 (1): 66–72. Bibcode:2009JPS...194...66S. doi:10.1016/j.jpowsour.2009.01.070. ISSN 0378-7753.
  33. ^ Jiangshui Luo, Olaf Conrad, Ivo F. J. Vankelecom (2013). "Imidazolium methanesulfonate as a high temperature proton conductor". Journal of Materials Chemistry A. 1 (6): 2238–2247. doi:10.1039/C2TA00713D. S2CID 96622511.

External links