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电解液

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电解质是一种在极性溶剂(如水)中溶解时产生导电溶液的物质。溶解的电解质解离成阳离子和阴离子,均匀地分散在溶剂中。从电学上讲,溶液是电中性的。如果向该溶液施加电压,溶液中的阳离子会被吸引到电子富余的电极,而阴离子被吸引到电子缺乏的电极。阴离子和阳离子在溶液中沿相反方向的移动形成电流。电解质包括大多数可溶性盐、酸和碱。一些气体(如氯化氢)在高温或低压条件下也可以作为电解质。一些生物(例如,脱氧核糖核酸、多肽)和合成聚合物(例如,聚苯乙烯磺酸盐)溶解后也能产生电解质溶液,这些含有带电官能团的聚合物被称为“聚电解质”。在溶液中离解成离子的物质具有导电能力。钠、钾、氯、钙、镁和磷酸盐都是电解质。

在医学上,当一个人长时间呕吐或腹泻时,以及剧烈运动后,需要补充电解质。有商品化的电解质溶液,特别是针对患病儿童(如口服补液、苏埃罗口服液或儿科电解质)和运动员(运动饮料)的电解质溶液。电解质监测在厌食症和贪食症的治疗中很重要。

1 语源编辑

电解质一词源于希腊语lytós,意思是“能够解开或松开”。

2 历史编辑

Svante Arrhenius

斯万特·阿伦尼乌斯在1884年的论文中提出了他对固体结晶盐溶解时解离为成对带电粒子这一事实的解释,为此他获得了1903年诺贝尔化学奖。[1][2][3][4]

阿伦尼乌斯的解释是,在形成溶液的过程中,盐分解成带电粒子,多年前迈克尔·法拉第曾将这些带电粒子命名为“离子”。法拉第认为离子是在电解过程中产生的。阿伦尼乌斯则认为即使没有电流,盐溶液中也含有离子。他因此提出溶液中的化学反应实际上是离子之间的反应。[2][3][4]

3 形成编辑

通常,将盐放入溶剂(如水)中可形成电解质溶液,由于溶剂和溶质分子之间的热力学相互作用,单个组分解离,这一过程称为“溶剂化”。例如,当食盐(氯化钠,NaCl)放入水中时,固体食盐溶解成其组分离子,解离反应如下:

NaCl (s) → Na + (aq) + Cl (aq)

物质也可以通过与水反应产生离子。例如,二氧化碳气体溶解在水中,产生含有水合氢离子、碳酸根离子和碳酸氢根离子的溶液。

熔融盐也可以是电解质,例如,熔融的氯化钠液体是导电的。特别地,离子液体是熔点低于100℃的熔融盐,[5] 是一种高导电性的非水电解质,并越来越多的应用在燃料电池和电池中。[6]

当电解质溶液中离子浓度高时称为“浓溶液”,离子浓度低时称为“稀溶液”。强电解质溶质分子在溶液中大部分解离为游离离子,而弱电解质溶质分子在溶液中大部分不解离。可以利用电解质的性质通过电解来提取溶液中所含的元素及其化合物。

碱土金属形成的氢氧化物是强电解质,由于碱土金属离子与氢氧根作用力很强,因此碱土金属氢氧化物在水中溶解度较低。这使它们仅能在不需要高溶解度的情况下应用。[7]

4 生理重要性编辑

生理学上,主要的电解质离子是钠离子(Na+)、钾离子(K+)、钙离子(Ca2+)、镁离子(Mg2+)、氯离子(Cl-)、磷酸氢根离子(HPO42-)和碳酸氢根离子(HCO3)。正(+)、负(-)电荷符号表示其离子属性,这是化学离解导致的电子不平衡分布的结果。钠离子是细胞外液中的主要电解质,钾离子是细胞内的主要电解质;[8]两者都与液体平衡和血压控制相关。[9]

所有已知的高等生命形式都需要细胞内和细胞外环境之间微妙而复杂的电解质平衡。特别是保持电解质精确的渗透梯度很重要。这种梯度影响和调节身体水合作用以及血液酸碱度,对神经和肌肉功能至关重要。生物物种中存在各种使不同电解质的浓度受到严格控制的机制。

肌肉组织和神经元都被认为是机体的电组织。肌肉和神经元被细胞外液或间质液与细胞内液之间的电解质活动激活。电解质可以通过嵌入在质膜中被称为“离子通道”的特殊蛋白质结构进入或离开细胞膜。例如,肌肉收缩取决于钙、钠和钾的存在。如果这些关键电解质含量不足,可能会导致肌肉无力或严重的肌肉收缩。

电解质平衡是通过口服摄入来维持,并由激素调节,过量的电解质通常由肾脏排出,在紧急情况下可通过静脉注射含电解质的物质来维持电解质平衡。人体的电解质稳态由抗利尿激素、醛固酮和甲状旁腺激素等激素调节。严重的电解质紊乱(如脱水和水中毒)可能导致心脏和神经系统并发症,如果不及时解决会危及生命。

4.1 测量

测量电解质是一种常用的诊断程序,由医学技术人员用离子选择电极对血液或尿液进行分析。测试结果需要结合临床病史和肾功能测试结果一同分析,否则将没有太多意义。最常测量的电解质是钠和钾。除了动脉血气分析外,很少测量氯化物的含量,因为它们与钠的含量有内在联系。比重测试是尿液分析的一项重要测试,以确定是否发生电解质失衡。

4.2 再水化

在口服补液疗法中,含有钠盐和钾盐的电解质饮料可以补充因运动、过量饮酒、发汗(大量出汗)、腹泻、呕吐、中毒或饥饿导致的脱水后体内水和电解质浓度。运动员在极端条件下运动(连续运动三个小时或更长,如马拉松或三项全能)而不摄入电解质会有脱水(或低钠血症)的风险。[10]

将特定比例的水、糖和盐混合可以自制电解质饮料。[11][12]也有商业制剂可供人和兽医使用。

果汁、运动饮料、牛奶、坚果和多数水果和蔬菜(完整或果汁形式,例如土豆、鳄梨)中均含有电解质。

5 电化学编辑

当电极放置在电解液中并施加电压时,电解液将导电。孤立的电子通常不能通过电解质传导;取而代之的是,阴极发生化学反应为电解质提供电子。另一个反应在阳极发生,消耗电解质中的电子。总的结果是阴极周围的电解质形成负电荷云,阳极周围的电解质形成正电荷云。电解质中的离子中和这些电荷,使电子保持流动,反应持续进行。

例如,在食盐(氯化钠,NaCl)的水溶液中,阴极反应将是:

2H2O + 2e → 2OH + H2

会产生氢气;阳极反应是:

2NaCl → 2 Na+ + Cl2 + 2e

会产生氯气。带正电荷的钠离子(Na+)会向阴极反应,中和带负电荷的氢氧根离子,带负电荷的氢氧根离子(OH-)会向阳极反应,中和带正电荷的钠离子。H+和OH-通过水扩散到另一个电极所需时间比普遍的盐离子更长,如果没有电解质中的离子,电极周围的电荷将使持续的电流减小。电解质在水中离解是因为水分子是偶极子,偶极子可以采用能量上有利的方式定向排列将离子溶剂化。

在其他体系中,电极反应可能涉及电极金属以及电解质的离子。

电解导体用于电子设备中,其中金属-电解质界面处的化学反应产生有用的功效。

  • 在电池中,两种具有不同电子亲和力的材料被用作电极;电子从一个电极经过电池外部流向另一个电极,而在电池内部通过电解质离子移动形成电流回路。在电池中,电极反应将化学能转化为电能。[13]
  • 在一些燃料电池中,极板通过固体电解质或质子导体电性连接,同时将燃料氢气和氧气分离开来。[14]
  • 在电镀槽中,电解液在将金属沉积在待镀物体上时,还将该物体电连接到电路中。
  • 在工作小时计量表中,两个薄的水银柱被一个充满电解质的小间隙隔开,当电荷通过该装置时,一侧的金属溶解,另一侧的金属板向外移动,导致可见间隙缓慢移动。
  • 在电解电容器中,化学效应用于产生极薄的电介质或绝缘涂层,而电解质层表现为一个电容器极板。
  • 在一些湿度计中,通过测量近干燥电解质的电导率来测量空气湿度。
  • 热的软化玻璃是一种电解导体,一些玻璃制造商通过让大电流通过来保持玻璃处于熔化状态。

6 固体电解质编辑

固体电解质主要可分为四大类:

  • 凝胶电解质—非常类似液体电解质。本质上,它们是被限制在柔性晶格框架中的液体。经常使用各种添加剂来增加凝胶电解质的导电性。[13][15]
  • 干聚合物电解质—不同于液体和凝胶电解质,盐是直接溶解在固体介质中的。通常是由低晶格能的盐和相对高介电常数的聚合物(环氧乙烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚磷腈、硅氧烷等)组成。常使用复合材料并引入惰性陶瓷相来增加此类电解质的机械强度和导电性。干聚合物电解质分为两大类:陶瓷包聚合物和聚合物包陶瓷。[16][17][18]
  • 固体陶瓷电解质—离子通过晶格中的空位 或空隙在陶瓷相中迁移。同时也有玻璃陶瓷电解质。
  • 有机离子塑晶是一种中间相(即介于液体和固体之间的物质状态)有机盐,其中移动离子是定向或旋转无序的,而其中心位于晶体结构中的有序位置。[14] 基于低于熔点的一种或多种固-固相变,它们具有不同的无序形式,因此它们具有塑性,良好的机械柔韧性,以及良好的电极|电解质界面接触。其中,质子有机离子塑晶(POIPCs )[14]是质子从布朗斯特酸转移到布朗斯特碱而形成的固体质子有机盐,本质上是熔融状态的质子离子液体,有望成为燃料电池的固态质子导体。如1,2,4-三唑𬭩全氟丁烷磺酸盐[14]和甲基磺酸盐咪唑。[19]

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