stringtranslate.com

Электролит

Электролит — это вещество, которое проводит электричество посредством движения ионов , но не посредством движения электронов . [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 распределяются по всему растворителю. [4] Существуют также 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 , имеющему избыток электронов , в то время как анионы притягиваются к электроду, имеющему дефицит электронов. Движение анионов и катионов в противоположных направлениях внутри раствора равносильно току. Некоторые газы, такие как хлористый водород (HCl), в условиях высокой температуры или низкого давления также могут функционировать как электролиты. [ необходимо разъяснение ] Растворы электролитов также могут быть результатом растворения некоторых биологических (например, ДНК , полипептиды ) или синтетических полимеров (например, полистиролсульфонат ), называемых « полиэлектролитами », которые содержат заряженные функциональные группы . Вещество, которое диссоциирует 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 восполнение электролитов необходимо, когда у человека длительная рвота или диарея , а также в ответ на потоотделение из-за напряженной спортивной активности. Доступны коммерческие электролитные растворы, 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 .

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

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

Этимология

Слово «электролит» происходит от древнегреческого ήλεκτρο- ( ēlectro -), префикса, изначально означавшего янтарь , но в современном контексте связанного с электричеством, и λυτός ( lytos ), означающего «способный быть развязанным или ослабленным». [ необходима цитата ]

История

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

В своей диссертации 1884 года Сванте Аррениус изложил свое объяснение диссоциации твердых кристаллических солей на парные заряженные частицы при растворении, за что он получил Нобелевскую премию по химии 1903 года. [7] [8] [9] [10] Объяснение Аррениуса состояло в том, что при образовании раствора соль диссоциирует на заряженные частицы, которым Майкл Фарадей (1791-1867) дал название « ионы » много лет назад. Фарадей считал, что ионы образуются в процессе электролиза . Аррениус предположил, что даже при отсутствии 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 Аррениуса об ионах Франц Хофмейстер и Зигмунд Левит [11] [12] [13] обнаружили, что различные типы ионов оказывают разное влияние на такие вещи, как растворимость белков. Последовательное упорядочение этих различных ионов по величине их влияния возникает последовательно и во многих других системах. С тех пор это стало известно как ряд Хофмейстера .

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 работе Шарля-Огюстена де Кулона, написанной более 200 лет назад.

Формирование

Электролитные растворы 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 « сольватация ». Например, когда поваренная соль ( хлорид натрия ), NaCl, помещается в воду, соль (твердое вещество) растворяется в своих ионных компонентах, в соответствии с реакцией диссоциации: [ необходима цитата ]

NaCl (тв) → Na + (водный раствор) + Cl − (водный раствор)

Также возможно, что вещества реагируют с водой, производя ионы. Например, углекислый газ растворяется в воде, образуя раствор, содержащий ионы гидроксония , карбоната и гидрокарбоната . [ необходима цитата ]

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

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 слабый. Свойства электролитов можно использовать с помощью электролиза для извлечения составных элементов и соединений, содержащихся в растворе. [ необходима цитата ]

Щелочноземельные металлы образуют гидроксиды, которые являются сильными электролитами с ограниченной растворимостью в воде из-за сильного притяжения между входящими в их состав ионами. Это ограничивает их применение в ситуациях, где 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 основными ионами электролитов являются натрий (Na + ), калий (K + ), кальций (Ca 2+ ), магний (Mg 2+ ), хлорид (Cl − ), гидрофосфат (HPO 4 2− ) и гидрокарбонат (HCO 3 − ). [19] [ проверка не пройдена ] 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, обнаруженным во внеклеточной жидкости, а калий является основным внутриклеточным электролитом; [20] оба участвуют в балансе жидкости и контроле артериального давления . [21]

Все известные многоклеточные формы жизни требуют тонкого и сложного электролитного баланса между внутриклеточной и внеклеточной средой. [19] В частности, важно поддержание точных осмотических градиентов электролитов. Такие градиенты влияют и регулируют гидратацию тела, а также pH крови , и имеют решающее значение для нервной и мышечной функции. Различные механизмы существуют у живых видов, которые держат концентрации различных электролитов под строгим контролем. [22]

И мышечная ткань, и нейроны считаются электрическими тканями тела. Мышцы и нейроны активируются электролитной активностью между внеклеточной жидкостью или интерстициальной жидкостью и внутриклеточной жидкостью . Электролиты могут входить или выходить из клеточной мембраны 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. [ необходима цитата ] [23]

Электролитный баланс поддерживается пероральным или, в экстренных случаях, внутривенным (IV) приемом электролитсодержащих веществ и регулируется гормонами , в основном почками , вымывающими избыток. У людей гомеостаз электролитов регулируется гормонами, такими как антидиуретические гормоны , альдостерон и паратиреоидные гормоны . Серьезные нарушения электролитного баланса , такие как обезвоживание и гипергидратация , могут привести к сердечным и неврологическим осложнениям и, если их быстро не устранить, приведут к неотложной медицинской помощи .

Измерение

Измерение электролитов является широко используемой диагностической процедурой, выполняемой посредством анализа крови с помощью ион-селективных электродов или анализа мочи медицинскими технологами . Интерпретация этих значений несколько бессмысленна без анализа клинической истории и часто невозможна без параллельных измерений функции почек . Чаще всего измеряются электролиты натрий и калий. Уровни хлорида измеряются редко, за исключением интерпретаций газов артериальной крови , поскольку они по своей сути связаны с уровнями натрия. Одним из важных тестов, проводимых с мочой, является тест на удельный вес для определения возникновения электролитного дисбаланса . [ необходима ссылка ]

Регидратация

Согласно исследованию, оплаченному 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 или более часов непрерывно, например, марафон или триатлон ), которые не потребляют электролиты, рискуют получить обезвоживание (или гипонатриемию ). [24] [ требуется независимое подтверждение ]

Домашний электролитный напиток можно приготовить, используя воду, сахар и соль в точных пропорциях . [25] Важно включить глюкозу (сахар), чтобы использовать механизм котранспорта натрия и глюкозы. Коммерческие препараты также доступны [26] как для человеческого, так и для ветеринарного использования.

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 помещаются в электролит и подается напряжение , электролит будет проводить электричество. Одиночные электроны обычно не могут проходить через электролит; вместо этого на катоде происходит химическая реакция , поставляющая электроны электролиту. Другая реакция происходит на аноде , потребляя 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 реакциям продолжаться. [ необходима цитата ]

Электролитическая ячейка, производящая хлор (Cl2 ) и гидроксид натрия (NaOH) из раствора поваренной соли

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

2H2O + 2e− → 2OH− + H2​

и водородный газ будет пузыриться; анодная реакция

2 NaCl → 2 Na + + Cl 2 + 2e −

и газообразный хлор будет выделяться в раствор, где он реагирует с ионами натрия и гидроксила, образуя гипохлорит натрия - бытовой отбеливатель . 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 замедлили бы непрерывный поток электронов; диффузия H + и OH − через воду к другому электроду занимает больше времени, чем движение гораздо более распространенных ионов соли. Электролиты диссоциируют в воде, потому что 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 можно разделить на четыре группы, описанные ниже.

Гелевые электролиты

Гелевые электролиты – очень похожи на жидкие электролиты. По сути, это жидкости в гибкой решетчатой ​​структуре . Для повышения проводимости таких систем часто применяются различные добавки . [27] [29]

Керамические электролиты

Твердые керамические электролиты – ионы мигрируют через керамическую фазу посредством вакансий или междоузлий внутри решетки . Существуют также стеклокерамические электролиты.

Полимерные электролиты

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 изготавливают композиты , вводят инертную керамическую фазу. Существует два основных класса таких электролитов: полимер-в-керамике и керамика-в-полимере. [30] [31] [32]

Органические пластиковые электролиты

Органические ионные пластиковые кристаллы – это тип органических солей, демонстрирующих мезофазы (т.е. состояние вещества, промежуточное между жидкостью и твердым телом), в которых подвижные ионы ориентационно или вращательно неупорядочены, в то время как их центры расположены в упорядоченных местах в кристаллической структуре. [28] Они имеют различные формы беспорядка из-за одного или нескольких переходов твердое тело-твердое тело ниже точки плавления и поэтому обладают пластическими свойствами и хорошей механической гибкостью, а также улучшенным контактом на границе раздела электрод-электролит. В частности, протонные органические ионные пластиковые кристаллы (POIPC), [28] которые представляют собой твердые протонные органические соли, образованные переносом протона от кислоты Бренстеда к основанию Бренстеда и по сути являются протонными ионными жидкостями в расплавленном состоянии , оказались перспективными твердотельными протонными проводниками для топливных элементов . Примерами являются перфторбутансульфонат 1,2,4-триазолия [28] и метансульфонат имидазолия . [33]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Enderby JE, Neilson GW (1 июня 1981 г.). «Структура растворов электролитов». Reports on Progress in Physics . 44 (6): 593–653. doi :10.1088/0034-4885/44/6/001. ISSN  0034-4885. S2CID  250852242. Архивировано из оригинала 18 декабря 2021 г. Получено 18 декабря 2021 г.
  2. ^ ab Petrovic S (29 октября 2020 г.). Краткий курс по технологии аккумуляторов: краткое введение. Springer. ISBN 978-3-030-57269-3. OCLC  1202758685.
  3. ^ Вини Т., Ароф АК., Томас С. (18 февраля 2020 г.). Полимерные электролиты: методы характеризации и энергетические приложения. John Wiley & Sons. ISBN 978-3-527-34200-6.
  4. ^ M Andreev, JJ de Pablo, A Chremos, JF Douglas (2018). «Влияние сольватации ионов на свойства растворов электролитов». The Journal of Physical Chemistry B. 122 ( 14): 4029–4034. doi :10.1021/acs.jpcb.8b00518. PMID  29611710.
  5. ^ Wilkins LW (2007). Жидкости и электролиты. Lippincott Williams & Wilkins. ISBN 978-1-58255-923-0.
  6. ^ "электролит". Национальный институт рака . 2 февраля 2011 г. Архивировано из оригинала 23 апреля 2018 г. Получено 18 декабря 2021 г.
  7. ^ "Нобелевская премия по химии 1903". Архивировано из оригинала 8 июля 2018 года . Получено 5 января 2017 года .
  8. ^ ab Harris W, Levey J, ред. (1975). Новая Колумбийская энциклопедия (4-е изд.). Нью-Йорк: Колумбийский университет. стр. 155. ISBN 978-0-231035-729.
  9. ^ аб МакГенри С, изд. (1992). Новая Британская энциклопедия . Том. 1 (15 изд.). Чикаго: Британская энциклопедия, Inc., стр. 587. Бибкод :1991неб..книга.....Г. ISBN 978-085-229553-3.
  10. ^ ab Cillispie C, ed. (1970). Словарь научной биографии (1-е изд.). Нью-Йорк: Charles Scribner's Sons. стр. 296–302. ISBN 978-0-684101-125.
  11. ^ Франц Хофмейстер (1888). «Zur Lehre Von Der Wirkung Der Salze». Арка Наунина-Шмидеберга. Фармакол .
  12. ^ В. Кунц, Дж. Хенле, Б.В. Нинхэм (2004). «Zur Lehre von der Wirkung der Salze» (о науке о влиянии солей): исторические статьи Франца Хофмайстера». Текущее мнение в области коллоидной и интерфейсной науки . 9 (1–2): 19–37. doi :10.1016/j.cocis.2004.05.005. Архивировано из оригинала 20 января 2022 года . Проверено 8 ноября 2021 г.
  13. ^ Gregory KP, Elliott GR, Robertson H, Kumar A, Wanless EJ, Webber GB, Craig VS, Andersson GG, Page AJ (2022). «Понимание специфических ионных эффектов и ряда Хофмейстера». Physical Chemistry Chemical Physics . 24 (21): 12682–12718. Bibcode :2022PCCP...2412682G. doi : 10.1039/D2CP00847E . PMID  35543205.
  14. ^ Казимир П. Грегори, Эрика Дж. Уонлесс, Грант Б. Уэббер, Винс С. Дж. Крейг, Алистер Дж. Пейдж (2021). «Электростатические истоки специфических ионных эффектов: количественная оценка ряда Хофмейстера для анионов». Chem. Sci . 12 (45): 15007–15015. doi :10.1039/D1SC03568A. PMC 8612401. PMID 34976339.  S2CID 244578563  . 
  15. ^ Ши Дж, Сунь X, Чунхэ Ю, Гао Q, Ли Ю (2002). 离子液体研究进展(PDF) .化学通报(на упрощенном китайском языке) (4): 243. ISSN  0441-3776. Архивировано из оригинала (PDF) 2 марта 2017 года . Проверено 1 марта 2017 г.
  16. ^ Цзяншуй Ло, 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.
  17. ↑ Браун, Химия: Центральная наука, 14-е издание, стр. 680.
  18. ^ Matějovský L, Staš M, Dumská K, Pospíšil M, Macák J (1 января 2021 г.). «Электрохимические коррозионные испытания в среде смесей этанола и бензина с низкой проводимостью: Часть 1 – Испытание поддерживающих электролитов». Журнал электроаналитической химии . 880 : 114879. doi : 10.1016/j.jelechem.2020.114879. ISSN  1572-6657. S2CID  229508133.
  19. ^ аб Альфарук КО, Ахмед С.Б., Ахмед А., Эллиотт Р.Л., Ибрагим М.Е., Али Х.С., Уэльс CC, Нурвали I, Альджарбу А.Н., Башир А.Х., Альхуфи С.Т., Алкахтани С.С., Кардоне Р.А., Фейс С., Харгинди С., Решкин С.Дж. ( 7 апреля 2020 г.). «Взаимодействие нарушения регуляции pH и электролитного дисбаланса при раке». Раки . 12 (4): 898. doi : 10.3390/cancers12040898 . ПМЦ 7226178 . ПМИД  32272658. 
  20. ^ Ye S(, Tang Z( (1986). 细胞膜钠泵及其临床意义.上海医学[Шанхайская медицина] (на упрощенном китайском языке) (1): 1. Архивировано из оригинала 3 марта 2017 года . Проверено 3 марта 2017 года. .
  21. ^ Ту З( (2004). 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 упрощенном китайском языке) (10). 92 %, 92 %, 92 %, 92 % 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. ^ Открытые ресурсы для сестринского дела, Ernstmeyer K, Christman E (2021), «Глава 15 Жидкости и электролиты», Nursing Fundamentals [Интернет] , Chippewa Valley Technical College , дата обращения 28 февраля 2024 г.
  23. ^ «Репродуктивные последствия электролитных нарушений у домашних животных».
  24. ^ J, Estevez E, Baquero E, Mora-Rodriguez R (2008). «Анаэробная производительность при регидратации водой или коммерчески доступными спортивными напитками во время длительных упражнений в жару». Прикладная физиология, питание и метаболизм . 33 (2): 290–298. doi :10.1139/H07-188. PMID  18347684.
  25. ^ "Напитки для регидратации". Webmd.com. 28 апреля 2008 г. Архивировано из оригинала 23 октября 2008 г. Получено 25 декабря 2018 г.
  26. ^ "Поставщики солей для пероральной регидратации". Rehydrate.org. 7 октября 2014 г. Архивировано из оригинала 7 декабря 2014 г. Получено 4 декабря 2014 г.
  27. ^ ab Камиль Пержина, Регина Борковска, Ярослав Сыздек, Альдона Залевска, Владислав Вечорек (2011). «Влияние добавки типа кислоты Льюиса на характеристики литий-гелевого электролита». Электрохимика Акта . 57 : 58–65. doi :10.1016/j.electacta.2011.06.014.
  28. ^ abcd 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 electrolit 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. Архивировано из оригинала 10 июля 2011 г. Получено 20 августа 2010 г.
  30. ^ Syzdek J, Borkowska R, Perzyna K, Tarascon JM, Wieczorek W (2007). «Новые композитные полимерные электролиты с поверхностно-модифицированными неорганическими наполнителями». 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). «Подробные 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.
  32. ^ Сиздек Дж, Арманд М, Гизовска М, Марцинек М, Сасим Э, Шафран М, Вечорек В (2009). «Керамика в полимере или полимерные электролиты полимер в керамике - новый подход». Журнал источников энергии . 194 (1): 66–72. Бибкод : 2009JPS...194...66S. дои : 10.1016/j.jpowsour.2009.01.070. ISSN  0378-7753.
  33. ^ Цзяншуй Ло, Олаф Конрад, Иво Ф. Дж. Ванкелеком (2013). «Метансульфонат имидазолия как высокотемпературный протонный проводник». Журнал химии материалов A. 1 ( 6): 2238–2247. doi :10.1039/C2TA00713D. S2CID  96622511.

Внешние ссылки