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.
Слово электролит происходит от древнегреческого ήλεκτρο- ( ēlectro- ), приставки, связанной с электричеством, и λυτός ( lytos ), что означает «можно развязать или ослабить». [7]
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.
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 .
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]
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 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 ]
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 ).
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 ]
Например, в растворе обычной поваренной соли (хлорида натрия, NaCl) в воде катодная реакция будет
и газообразный водород будет пузыриться; анодная реакция - это
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 в основном можно разделить на четыре группы, описанные ниже.
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]
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]
Твердые керамические электролиты – ионы мигрируют через керамическую фазу посредством вакансий или междоузлий внутри решетки . Существуют также стеклокерамические 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]
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...