stringtranslate.com

Электролит

Электролит — это среда, содержащая ионы , которая является электропроводной за счет движения этих ионов, но не проводит 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 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 электролитов 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». [7]

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. [8] [9] [10] [11] 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. [9] [10] [11]

Вскоре после гипотезы ионов Аррениуса Франц Хофмейстер и Зигмунд Левит [12] [13] [14] 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 [15] и может фактически иметь объяснения, основанные на работе 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 поваренную соль ( хлорид натрия ) NaCl помещают в воду, соль (твердое вещество) растворяется на составляющие ее ионы в соответствии с реакцией диссоциации .

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

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 [16] , представляют собой разновидность высокопроводящих неводных электролитов и поэтому находят все больше и больше применений в топливных элементах и ​​батареях. [17]

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. [18]

В 2021 году исследователи обнаружили, что электролит может «существенно облегчить исследования электрохимической коррозии в менее проводящих средах». [19]

Физиологическое значение

В физиологии первичными ионами электролитов являются натрий ( Na + ), калий (K + ), кальций (Ca2 + ), магний (Mg2 + ), хлорид (Cl- ) , гидрофосфат (HPO42- ) , и гидрокарбонат (HCO 3 - ). [20] [ 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; [21] оба участвуют в балансе жидкости и контроле артериального давления . [22]

Всем известным многоклеточным формам жизни необходим тонкий и сложный баланс электролитов между внутриклеточной и внеклеточной средой. [20] 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. [ нужна цитата ]

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 цитата ]

Электролитный баланс поддерживается пероральным или, в экстренных случаях, внутривенным (ВВ) введением электролитсодержащих веществ и регулируется гормонами , обычно 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

При пероральной регидратационной терапии электролитные напитки, содержащие соли натрия и калия, восполняют концентрацию воды и электролитов в организме после обезвоживания, вызванного физической нагрузкой , чрезмерным употреблением алкоголя , потоотделением (сильным потоотделением), диареей, рвотой, интоксикацией или голоданием. 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 ). [23]

Электролитный напиток можно приготовить в домашних условиях, используя воду, сахар и соль в точных пропорциях . [24] Важно включать глюкозу (сахар), чтобы использовать механизм совместного транспорта натрия и глюкозы. Также доступны коммерческие препараты [25] 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 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 газообразный водород будет 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 гибкой решетчатой ​​структуре . Для повышения проводимости таких систем часто применяются различные добавки . [26] [28]

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. [29] [30] [31]

Керамические электролиты

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

Органические пластиковые электролиты

Органические ионопластические кристаллы – это тип органических солей , находящихся в мезофазах (т.е. состоянии вещества, промежуточном между жидким и твердым), в которых подвижные ионы ориентационно или вращательно разупорядочены, а их центры расположены в упорядоченных участках кристаллической структуры. [27] Они имеют различные формы беспорядка из-за одного или нескольких фазовых переходов твердое тело-твердое тело ниже температуры плавления и, следовательно, обладают пластическими свойствами и хорошей механической гибкостью, а также улучшенным межфазным контактом электрод-электролит. В частности, оказались перспективными кристаллы протонных органических ионопластик (ПОИПК), [27] которые представляют собой твердые протонные органические соли, образующиеся при переносе протона от кислоты Бренстеда к основанию Бренстеда и по своей сути представляют собой протонные ионные жидкости в расплавленном состоянии . твердотельные протонные проводники для топливных элементов . Примеры включают перфторбутансульфонат 1,2,4-триазолия [27] и метансульфонат имидазолия. [32]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Эндерби Дж. Э., Нилсон Г. В. (1 июня 1981 г.). «Строение растворов электролитов». Отчеты о прогрессе в физике . 44 (6): 593–653. дои : 10.1088/0034-4885/44/6/001. ISSN  0034-4885. S2CID  250852242. Архивировано из оригинала 18 декабря 2021 года . Проверено 18 декабря 2021 г.
  2. ^ аб Петрович С (29 октября 2020 г.). Ускоренный курс по аккумуляторным технологиям: краткое введение. Спрингер. ISBN 978-3-030-57269-3. OCLC  1202758685.
  3. ↑ Вини Т., Ароф А.К., Томас С. (18 февраля 2020 г.). Полимерные электролиты: методы определения характеристик и применение в энергетике. Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-3-527-34200-6.
  4. ^ М. Андреев, Дж. Дж. де Пабло, А. Хремос, Дж. Ф. Дуглас (2018). «Влияние ионной сольватации на свойства растворов электролитов». Журнал физической химии Б. 122 (14): 4029–4034. doi : 10.1021/acs.jpcb.8b00518. ПМИД  29611710.
  5. ^ Уилкинс Л.В. (2007). Жидкости и электролиты. Липпинкотт Уильямс и Уилкинс. ISBN 978-1-58255-923-0.
  6. ^ «Электролит». Национальный институт рака . 2 февраля 2011 г. Архивировано из оригинала 23 апреля 2018 г. Проверено 18 декабря 2021 г.
  7. ^ «Электролит - определение, список электролитов и примеры с видео» . БИДЖУС . Архивировано из оригинала 3 февраля 2023 года . Проверено 10 июля 2022 г.
  8. ^ «Нобелевская премия по химии 1903 года». Архивировано из оригинала 8 июля 2018 года . Проверено 5 января 2017 г.
  9. ^ Аб Харрис В., Леви Дж., ред. (1975). Энциклопедия Новой Колумбии (4-е изд.). Нью-Йорк: Колумбийский университет. п. 155. ИСБН 978-0-231035-729.
  10. ^ 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.
  11. ^ ab Силлиспи C, изд. (1970). Словарь научной биографии (1-е изд.). Нью-Йорк: Сыновья Чарльза Скрибнера. стр. 296–302. ISBN 978-0-684101-125.
  12. ^ Франц Хофмейстер (1888). «Zur Lehre Von Der Wirkung Der Salze». Арка Наунина-Шмидеберга. Фармакол .
  13. ^ 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.
  14. ^ Грегори КП, Эллиотт Г.Р., Робертсон Х., Кумар А., Ванлесс Э.Дж., Уэббер ГБ, Крейг В.С., Андерссон Г.Г., Пейдж AJ (2022). «Понимание специфических ионных эффектов и серии Хофмайстера». Физическая химия Химическая физика . 24 (21): 12682–12718. Бибкод : 2022PCCP...2412682G. дои : 10.1039/D2CP00847E . ПМИД  35543205.
  15. ^ Казимир П. Грегори, Эрика Дж. Уэнлесс, Грант Б. Уэббер, Винс С. Дж. Крейг, Алистер Дж. Пейдж (2021). «Электростатическое происхождение специфических ионных эффектов: количественное определение ряда Хофмайстера для анионов». хим. Наука . 12 (45): 15007–15015. дои : 10.1039/D1SC03568A. ПМЦ 8612401 . PMID  34976339. S2CID  244578563. 
  16. ^ 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.
  17. ^ 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. дои : 10.1039/C0JM04306K. S2CID  94400312.
  18. ^ Браун, Химия: Центральная наука, 14-е издание, стр. 680.
  19. ↑ Матейовский Л., Сташ М., Думска К., Поспишил М., Мачак Дж. (1 января 2021 г.). «Электрохимические коррозионные испытания в среде малопроводящих смесей этанола и бензина: Часть 1 – Испытания фоновых электролитов». Журнал электроаналитической химии . 880 : 114879. doi : 10.1016/j.jelechem.2020.114879. ISSN  1572-6657. S2CID  229508133.
  20. ^ 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. 
  21. ^ 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. .
  22. ^ Ту Z( (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 упрощенном китайском) (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98 % – это 98 %, которые можно использовать в качестве топлива, а также продукты питания, которые можно использовать в качестве топлива.主要的电解质成分...
  23. ^ Дж, Эстевес Э, Бакеро Э, Мора-Родригес Р (2008). «Анаэробная эффективность при регидратации водой или имеющимися в продаже спортивными напитками во время длительных тренировок на жаре». Прикладная физиология, питание и обмен веществ . 33 (2): 290–298. дои : 10.1139/H07-188. ПМИД  18347684.
  24. ^ «Регидратационные напитки». Webmd.com. 28 апреля 2008 г. Архивировано из оригинала 23 октября 2008 г. Проверено 25 декабря 2018 г.
  25. ^ «Поставщики соли для пероральной регидратации» . Регидрат.орг. 7 октября 2014 года. Архивировано из оригинала 7 декабря 2014 года . Проверено 4 декабря 2014 г.
  26. ^ 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.
  27. ^ abcd Цзяншуй Ло, Аннеметт Х. Дженсен, Нил Р. Брукс, Джерун Сникерс, Мартин Книппер, Дэвид Айли, Цинфэн Ли, Брэм Ванрой, Майкл Вюббенхорст, Фэн Ян, Люк Ван Меервельт, Чжиган Шао, Цзяньхуа Фан, Чжэн-Хун Луо , Дирк Э. Де Вос, Коэн Биннеманс, Ян Франсаер (2015). «Перфторбутансульфонат 1,2,4-триазолия как типичный чистый протонный органический ионный пластиковый кристаллический электролит для полностью твердотельных топливных элементов». Энергетика и экология . 8 (4): 1276–1291. дои : 10.1039/C4EE02280G. S2CID  84176511.
  28. ^ «Революция рулонных аккумуляторов» . Эв Мир. Архивировано из оригинала 10 июля 2011 года . Проверено 20 августа 2010 г.
  29. ^ Сыздек Дж., Борковска Р., Пержина К., Тараскон Дж.М., Вечорек В. (2007). «Новые композиционные полимерные электролиты с поверхностно-модифицированными неорганическими наполнителями». Журнал источников энергии . 173 (2): 712–720. Бибкод : 2007JPS...173..712S. дои : 10.1016/j.jpowsour.2007.05.061. ISSN  0378-7753.
  30. ^ Сиздек Дж, Арманд М, Марцинек М, Залевска А, Жуковска Г, Вечорек В (2010). «Детальные исследования модификации наполнителей и их влияния на композиционные полимерные электролиты на основе полиоксиэтилена». Электрохимика Акта . 55 (4): 1314–1322. doi :10.1016/j.electacta.2009.04.025. ISSN  0013-4686.
  31. ^ 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.
  32. ^ Цзяншуй Ло, Олаф Конрад, Иво Ф. Дж. Ванкелеком (2013). «Метансульфонат имидазолия как высокотемпературный проводник протонов». Журнал химии материалов А. 1 (6): 2238–2247. дои : 10.1039/C2TA00713D. S2CID  96622511.

Внешние ссылки