Elektrolit
U hemiji, elektrolit je supstanca koja sadrži slobodne jone koji je čine električnim provodnikom. Elektrolit se razlaže na jone kada je rastopljen ili rastvoren u rastvaraču.[1]
Sa tehničke strane gledišta, elektrolit je naziv za svaku supstancu koja je sposobna da vrši jonski prenos struje.[2] Elektroliti u ovom drugom smislu se često dele na tečne i čvrste. Elektroliti u prvom smislu se uvek mogu ubrojiti u elektrolite u drugom, dok elektroliti u drugom značenju nisu uvek i u prvom .
Primeri elektrolita
urediPrimeri elektrolita u prvom smislu su npr: vodeni rastvori soli, kiselina i baza, kao i njihovi rastopi. Ovi elektroliti se dele na slabe i jake, u zavisnosti od stepena disocijacije:
- jaki elektroliti, potpuno disosuju na jone: hidroksidi litijuma i natrijuma, kiseline, npr. HCl, HI, HBr, H2SO4, HNO3, HClO4, kao i većina neorganskih soli koje se rastvaraju u vodi (u izuzetke spadaju npr. neke soli žive- Hg(CN)2, Hg2Cl2).
- slabi elektroliti: samo delimično disosuju na jone - H2S, H2SO3, HNO2, CH3COOH.
Istorija
uredi
U svojoj disertaciji iz 1884, Svante Arenijus je izneo svoje objašnjenje čvrstih kristalnih soli koje se raspadaju na uparene naelektrisane čestice, za šta je dobio Nobelovu nagradu za hemiju 1903.[3][4][5][6] Arrheniusovo objašnjenje je bilo da se prilikom formiranja rastvora so disocira na naelektrisane čestice, čemu je Majkl Faradej (1791-1867) mnogo godina ranije dao ime „joni”. Faradej je smatrao da se joni proizvode u procesu elektrolize. Arenijus je predložio da, čak i u odsustvu električne struje, rastvori soli sadrže jone. On je stoga predložio da su hemijske reakcije u rastvoru reakcije između jona.[4][5][6]
Formiranje
urediRastvori elektrolita se normalno formiraju kada se so stavi u rastvarač, kao što je voda, i pojedinačne komponente se disociraju zbog termodinamičkih interakcija između molekula rastvarača i rastvorene supstance, u procesu koji se naziva „rastvaranje”. Na primer, kada se kuhinjska so (natrijum hlorid), NaCl, stavi u vodu, so (čvrsta supstanca) se rastvara u svoje komponente jone, u skladu sa reakcijom disocijacije
- NaCl(s) → Na+(aq) + Cl−(aq)
Takođe je moguće da supstance reaguju sa vodom, proizvodeći jone. Na primer, gas ugljen-dioksid se rastvara u vodi da bi se dobio rastvor koji sadrži jone hidronijuma, karbonata i hidrogenkarbonata.
Rastopljene soli takođe mogu biti elektroliti jer, na primer, kada se natrijum hlorid topi, tečnost provodi električnu struju. Posebno, jonske tečnosti, koje su rastopljene soli sa talištem topljenja ispod 100 °C,[7] su vrsta visoko provodljivih nevodenih elektrolita i stoga su pronašle sve veću primenu u gorivim ćelijama i baterijama.[8]
Elektrolit u rastvoru može se opisati kao „koncentrovan” ako ima visoku koncentraciju jona ili „razblažen” ako ima nisku koncentraciju. Ako veliki deo rastvorene supstance disocira da bi formirao slobodne jone, elektrolit je jak; ako većina rastvorene supstance ne disocira, elektrolit je slab. Svojstva elektrolita mogu se elektrolizom iskoristiti za izdvajanje sastavnih elemenata i jedinjenja sadržanih u rastvoru.
Zemnoalkalni metali formiraju hidrokside koji su jaki elektroliti sa ograničenom rastvorljivošću u vodi, zbog snažne privlačnosti između sastavnih jona. Ovo ograničava njihovu primenu u situacijama u kojima je potrebna visoka rastvorljivost.[9]
Godine 2021. istraživači su otkrili da elektrolit može „značajno olakšati studije elektrohemijske korozije u manje provodljivim medijima”.[10]
Fiziološki značaj
urediU fiziologiji, primarni joni elektrolita su natrijum (Na+), kalijum (K+), kalcijum (Ca2+), magnezijum (Mg2+), hlorid (Cl−), hidrogenfosfat (HPO42−−) i hidrogenkarbonat (HCO3−).[11] Simboli električnog naboja plus (+) i minus (-) ukazuju na to da je supstanca jonske prirode i da ima neuravnoteženu raspodelu elektrona, rezultat hemijske disocijacije. Natrijum je glavni elektrolit koji se nalazi u vanćelijskoj tečnosti, a kalijum je glavni unutarćelijski elektrolit;[12] oba su uključena u ravnotežu tečnosti i kontrolu krvnog pritiska.[13]
Svi poznati višećelijski oblici života zahtevaju suptilnu i složenu ravnotežu elektrolita između unutarćelijskog i vanćelijskog okruženja.[11] Posebno je važno održavanje preciznih osmotskih gradijenata elektrolita. Takvi gradijenti utiču i regulišu hidrataciju tela, kao i pH krvi, i kritični su za funkciju živaca i mišića. Kod živih vrsta postoje različiti mehanizmi koji drže koncentracije različitih elektrolita pod strogom kontrolom.
Rehidracija
urediU oralnoj rehidracionoj terapiji, elektrolitski napici koji sadrže soli natrijuma i kalijuma nadoknađuju telesnu koncentraciju vode i elektrolita nakon dehidracije izazvane vežbanjem, prekomernom konzumacijom alkohola, dijaforezom (obilno znojenje), dijarejom, povraćanjem, intoksikacijom ili gladovanjem. Sportisti koji vežbaju u ekstremnim uslovima (tri ili više sati neprekidno, na primer maraton ili triatlon) koji ne konzumiraju elektrolite rizikuju dehidraciju (ili hiponatremiju).[14]
Domaće piće od elektrolita može se napraviti upotrebom vode, šećera i soli u preciznim proporcijama.[15] Važno je uključiti glukozu (šećer) da bi se iskoristio mehanizam kotransporta natrijuma i glukoze. Dostupni su i komercijalni preparati[16] za humanu i veterinarsku upotrebu.
Čvrsti elektroliti
urediČvrsti elektroliti se uglavnom mogu podeliti u četiri grupe:
- Gelni elektroliti - veoma podsećaju na tečne elektrolite. U suštini, to su tečnosti u fleksibilnom rešetkastom okviru. Često se primenjuju različiti aditivi za povećanje provodljivosti takvih sistema.[17]
- Suvi polimerni elektroliti - razlikuju se od tečnih i gel elektrolita u smislu da se so rastvara direktno u čvrstom medijumu. Obično je to polimer sa visokom dielektričnom konstantom (PEO, PMMA, PAN, polifosfazeni, siloksani itd) i so sa niskom energijom rešetke. Da bi se povećala mehanička čvrstoća i provodljivost takvih elektrolita, vrlo često se koriste kompoziti i uvodi inertna keramička faza. Postoje dve velike klase takvih elektrolita: polimer-u-keramici i keramika-u-polimeru.[18][19][20]
- Čvrsti keramički elektroliti - joni migriraju kroz keramičku fazu pomoću praznina ili međuprostora unutar rešetke. Postoje i staklokeramički elektroliti.
- Organski jonski plastični kristali - su organske soli tipa mezofaza (tj. stanje materije koje se nalazi između tečnosti i čvrstog materijala), u kojima su mobilni joni orijentaciono ili rotaciono neuređeni, dok su njihovi centri locirani na uređenim mestima u kristalnoj strukturi.[21] Oni imaju različite oblike poremećaja zbog jednog ili više faznih prelaza čvrsta-čvrsta materija ispod tačke topljenja i stoga imaju plastična svojstva i dobru mehaničku fleksibilnost, kao i poboljšani međufazni kontakt elektrode i elektrolita. Konkretno, protonski organski jonski plastični kristali (POIPCs),[21] koji su čvrste protične organske soli nastale prenosom protona sa Brenstedove kiseline na Brenstedovu bazu i u suštini su protonske jonske tečnosti u rastopljenom stanju, obećavajući su poluprovodnički protonski provodnici za gorivne ćelije. Primeri uključuju 1,2,4-triazolijum perfluorobutansulfonat[21] i imidazolijum metansulfonat.[22]
Izvori
uredi- ^ Joyce LeFever Kee; Paulanka, Betty J.; Polek, Carolee (2009). Handbook of Fluid, Electrolyte and Acid Base Imbalances (3. izd.). Delmar Cengage Learning. ISBN 978-1-4354-5368-5.
- ^ Sheng Shui ZhangCorresponding author contact information (2006). „A review on electrolyte additives for lithium-ion batteries”. Journal of Power Sources. 162 (2): 1379—1394.
- ^ „The Nobel Prize in Chemistry 1903”. Pristupljeno 5. 1. 2017.
- ^ a b Harris, William; Levey, Judith, ur. (1975). The New Columbia Encyclopedia
(4th izd.). New York City: Columbia University. str. 155. ISBN 978-0-231035-729.
- ^ a b McHenry, Charles, ur. (1992). The New Encyclopædia Britannica. 1 (15 izd.). Chicago: Encyclopædia Britannica, Inc. str. 587. Bibcode:1991neb..book.....G. ISBN 978-085-229553-3.
- ^ a b Cillispie, Charles, ur. (1970). Dictionary of Scientific Biography (1 izd.). New York City: Charles Scribner's Sons. str. 296—302. ISBN 978-0-684101-125.
- ^ Shi, Jiahua (石家华); Sun, Xun (孙逊); Chunhe (杨春和), Yang; Gao, Qingyu (高青雨); Li, Yongfang (李永舫) (2002). „Archived copy” 离子液体研究进展 (PDF). 化学通报 (na jeziku: kineski) (4): 243. ISSN 0441-3776. Arhivirano iz originala (PDF) 2. 3. 2017. g. Pristupljeno 2017-03-01.
- ^ 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. S2CID 94400312. doi:10.1039/C0JM04306K.
- ^ Brown, Chemistry: The Central Science, 14th edition, pg. 680.
- ^ „Journal of Electroanalytical Chemistry | ScienceDirect.com by Elsevier”. www.sciencedirect.com (na jeziku: engleski). Pristupljeno 2021-10-04.
- ^ a b Alfarouk, Khalid O.; Ahmed, Samrein B. M.; Ahmed, Ahmed; Elliott, Robert L.; Ibrahim, Muntaser E.; Ali, Heyam S.; Wales, Christian C.; Nourwali, Ibrahim; Aljarbou, Ahmed N.; Bashir, Adil H. H.; Alhoufie, Sari T. S.; Alqahtani, Saad Saeed; Cardone, Rosa A.; Fais, Stefano; Harguindey, Salvador; Reshkin, Stephan J. (7. 4. 2020). „The Interplay of Dysregulated pH and Electrolyte Imbalance in Cancer”. Cancers. 12 (4): 898. PMID 32272658. doi:10.3390/cancers12040898
.
- ^ Ye, Shenglong (叶胜龙); Tang, Zhaoyou (汤钊猷) (1986). 细胞膜钠泵及其临床意义. 上海医学 [Shanghai Medicine] (na jeziku: kineski) (1): 1. Arhivirano iz originala 03. 03. 2017. g. Pristupljeno 17. 10. 2021.
- ^ Tu, Zhiquan (涂志全) (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 [Chinese Magazine of Chinese and Western Medicine] (na jeziku: kineski) (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...”
- ^ 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. PMID 18347684. doi:10.1139/H07-188.
- ^ „Rehydration drinks”. Webmd.com. 2008-04-28. Arhivirano iz originala 2008-10-23. g. Pristupljeno 2018-12-25.
- ^ „Oral Rehydration Salt Suppliers”. Rehydrate.org. 2014-10-07. Pristupljeno 2014-12-04.
- ^ „The Roll-to-Roll Battery Revolution”. Ev World. Arhivirano iz originala 10. 7. 2011. g. Pristupljeno 2010-08-20.
- ^ 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. ISSN 0378-7753. doi:10.1016/j.jpowsour.2007.05.061.
- ^ 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. ISSN 0013-4686. doi:10.1016/j.electacta.2009.04.025.
- ^ 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. ISSN 0378-7753. doi:10.1016/j.jpowsour.2009.01.070.
- ^ a b v 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. S2CID 84176511. doi:10.1039/C4EE02280G.
- ^ 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. S2CID 96622511. doi:10.1039/C2TA00713D.
Literatura
uredi- Joyce LeFever Kee; Paulanka, Betty J.; Polek, Carolee (2009). Handbook of Fluid, Electrolyte and Acid Base Imbalances (3. izd.). Delmar Cengage Learning. ISBN 978-1-4354-5368-5.
- 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.
Dodatna literatura
uredi- Friedman, Harold L. (1960). „Mayer's Ionic Solution Theory Applied to Electrolyte Mixtures”. The Journal of Chemical Physics. 32 (4): 1134—1149. Bibcode:1960JChPh..32.1134F. doi:10.1063/1.1730863.
- Leaist, Derek G.; Lyons, Philip A. (1981). „Multicomponent diffusion of electrolytes with incomplete dissociation. Diffusion in a buffer solution”. The Journal of Physical Chemistry. 85 (12): 1756—1762. doi:10.1021/j150612a033.
