Электролиты

Электролит

Материал из Медицинская википедии

Электроли́т — вещество, которое проводит электрический ток вследствие диссоциации на ионы, что происходит в растворах и расплавах, или движения ионов в кристаллических решётках твёрдых электролитов.

Примерами электролитов могут служить водные растворы кислот, солей и оснований и некоторые кристаллы (например, иодид серебра, диоксид циркония).

Электролиты — проводники второго рода, вещества, электропроводность которых обусловлена подвижностью положительно или отрицательно заряженных ионов.

Степень диссоциации

Процесс распада молекул в растворе или расплаве электролита на ионы называется электролитической диссоциацией. Одновременно в электролите протекают процессы ассоциации ионов в молекулы. При неизменных внешних условиях (температура, концентрация и др.

) устанавливается динамическое равновесие между распадами и ассоциациями. Поэтому в электролитах диссоциирована определённая доля молекул вещества. Для количественной характеристики электролитической диссоциации было введено понятие степени диссоциации.

Классификация

Исходя из степени диссоциации все электролиты делятся на две группы:

1. Сильные электролиты — электролиты, степень диссоциации которых в растворах равна единице (то есть диссоциируют полностью) и не зависит от концентрации раствора. Сюда относятся подавляющее большинство солей, щелочей, а также некоторые кислоты (сильные кислоты, такие как HCl, HBr, HI, HNO3, H2SO4 ).
2. Слабые электролиты — степень диссоциации меньше единицы (то есть диссоциируют не полностью) и уменьшается с ростом концентрации. К ним относят воду, ряд кислот (слабые кислоты, такие как HF), основания p-, d- и f-элементов.

Между этими двумя группами чёткой границы нет, одно и то же вещество может в одном растворителе проявлять свойства сильного электролита, а в другом — слабого.

В естественных науках

Термин электролит широко используется в биологии и медицине. Чаще всего подразумевают водный раствор, содержащий те или иные ионы (напр., «всасывание электролитов» в кишечнике).

В технике

Слово электролит широко используется в науке и технике, в разных отраслях оно может иметь различающийся смысл.

В электрохимии

Многокомпонентный раствор для электроосаждения металлов, а также травления и др. (технический термин, например электролит золочения).

В источниках тока

Электролиты являются важной частью химических источников тока: гальванических элементов и аккумуляторов. Электролит участвует в химических реакциях окисления и восстановления с электродами, благодаря чему возникает ЭДС. В источниках тока электролит может находиться в жидком состоянии (обычно это водный раствор) или загущённым до состояния геля.

Электролитический конденсатор

Основная статья: Электролитический конденсатор

В электролитических конденсаторах в качестве одной из обкладок используется электролит. В качестве второй обкладки — металлическая фольга (алюминий) или пористый, спечённый из металлических порошков блок (тантал, ниобий). Диэлектриком в таких конденсаторах служит слой оксида самого металла, формируемый химическими методами на поверхности металлической обкладки.

Конденсаторы данного типа, в отличие от других типов, обладают несколькими отличительными особенностями:

• Высокая объёмная и весовая удельная ёмкость.
• Требование к полярности подключения в цепях постоянного напряжения. Несоблюдение полярности вызывает бурное вскипание электролита, приводящее к механическому разрушению корпуса конденсатора (взрыву).
• Значительные утечки и зависимость электрической ёмкости от температуры.
• Ограниченный сверху диапазон рабочих частот (типовые значения сотни кГц — десятки МГц в зависимости от номинальной ёмкости и технологии).

Активности в электролитах

Химический потенциал для отдельного i-го иона имеет вид: mu_i=mu_i{0}+RTlna_i, где a_i — активность i-го иона в растворе.

Для электролита в целом имеем:

mu_{el}=sum_{i}v_imu_i=v_+mu_{M+}+v_-mu_{A-}=v_+(mu_{+}{0}+RTlna_{M+})+v_-(mu_{-}{0}+RTlna_{A-})=

=(v_+mu_{+}{0}+v_-mu_{-}{0})+RTln(a_{M+}{v-}cdot a_{A-}{v-})=mu_0+RTlna, где a — активность электролита; v_i — стехиометрические числа.

Таким образом, имеем:

a=a_{+}{v+}cdot a_{-}{v-}.

Усредненная активность иона равна:

a_pm=left [ a_{+}{v+}cdot a_{-}{v-}
ight ]frac{1}{v_++v_-}.

Для одно-одновалентного электролита v_+=v_-=1 и a_pm=sqrt{a_+cdot a_-}, то есть a_pm является средним геометрическим активностей отдельных ионов.

Для добавления растворов электролитов принято пользоваться моляльной (m) концентрацией (для водных растворов m численно равен молярной (с) концентрации). Значит, a_i=gamma_im_i, где gamma_i — коэффициент активности i-го иона.

Литература

• Кистяковский В. А.,. Электролит // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.

Шаблон:Состояния материи

Что нужно знать об электролите для аккумуляторов

Наверняка значительная часть автомобилистов обладают только поверхностными знаниями об устройстве своего аккумулятора, но иногда так хочется покопаться и узнать, что же там внутри, как в детстве разломать, посмотреть. Ломать не нужно, мы постараемся Вам рассказать.

В пред идущих статьях мы разбирали из чего же состоит АКБ. Если в кратце, то из положительных и отрицательных электродов которые чередуются, а между ними пластмассовые сепараторы. Все остальное пространство заполнено электролитом.

Так что же представляет из себя электролит? Ничего сложного, состав электролита для аккумулятора — это раствор серной кислоты и дистиллированной воды. Итак, по порядку.

Аккумуляторная серная кислота

Серная кислота это тяжелая прозрачная маслянистая жидкость. Она  хорошо растворима в воде и не имеет запаха. Процесс растворения кислоты в воде при приготовлении электролита для свинцовых АКБ, сопровождается выделением тепла.

Используется серная кислота согласно ГОСТ 667-83 марки А или серная кислота особой чистоты согласно ГОСТ 142б2-78. моногидрата серной кислоты нормируется в пределах 92-94 %. Плотность по ГОСТ – 1,830 г/см3. Суммарное содержание примесей — не более 0,03665 %, в их числе марганца — не выше 0,0О01 %, железа — 0,012 %, мышьяка – 0,0001%, хлора — 0,0005 %, окислов азота – 0,0001%.

Дистиллированная вода

Процесс приготовления электролита для свинцовых аккумуляторов невозможен без дистиллированной воды. Не допускается применение технической, питьевой и речной воды.

Допускается применение конденсата воды паротурбинных установок с обязательным проведением химического анализа на содержание железа, которое не должно превышать величины 0,0004 %, и меди, с максимально допустимым её содержанием 0,005 %.

Для приготовления дистиллированной воды в лабораториях, на аккумуляторных станциях, в аптеках и лечебных учреждениях обычно применяются электрические дистилляторы.

Целесообразно не реже 1 раза в полгода проводить анализ воды, получаемой в дистилляторах. сухих веществ не должно превышать 5 мг/л, аммиака и солей аммония — не более 0,05 мг/л, сульфатов — не более 0,5 «г/л, хлоридов — не более 0,02 мг/л, кальция — не более 1,0 мг/.

Кроме того, полученная вода должна проверяться на содержание железа, тяжелых металлов и нитратов. Результаты сводятся в карту химанализа, на основании которой делается вывод о возможности использования дистиллята для приготовления электролита.

Вода должна соответствовать ГОСТ 6709-72.

Стоимость дистиллированной воды в аптеках и магазинах варьируется от 10 до 20 рублей за 1,5 литра.

Электролит

Электролит для свинцовых батарей представляет собой водный раствор серной кислоты. Серную кислоту и дистиллированную воду применяют с вышеуказанными характеристиками. Для заливки новых стационарных АКБ и вышедших из ремонта, а также для доливки применяется электролит с плотностью 1,18-1,24 г/см3.

Если для приготовления электролита применяется серная кислота с плотностью 1,83 г/см3 — целесообразно работы вести в два этапа. На первом этапе готовится электролит с плотность. 1,4 г/см3.

Необходимо обеспечить его остывание до температуры 20С. На втором этапе из электролита с плотностью 1,4 г/см3 готовят электролит необходимой плотности.

При двухэтапном процессе степень нагрева раствора серной кислоты будет значительно ниже.

Готовить электролит нужно в чистой эбонитовой, фаянсовой или специальной пластмассовой посуде. Из металлических сосудов можно применять только свинцовые. Применение стеклянной посуды категорически запрещено ввиду возможности разрушения при тепловом ударе.

Вначале в ёмкость вливается мерное количество дистиллированной воды, а потом тонкой струёй, при помешивании стеклянной или эбонитовой палочкой, вливается расчетный объем серной кислоты. Кислоту лучше доливать отдельными порциями.

Необходимо неукоснительно соблюдать следующее правило: лить кислоту в воду, а не наоборот.

Чтобы приготовить электролит плотностью 1,4 г/см3  из расчета на 1 литр раствора ниже мы приводим таблицу какие пропорции серной кислоты и дистиллированной воды необходимо выдерживать.

Таблица 1

Для  электролита плотностью 1,4 г/см3 нужно выдерживать пропоции из второй таблицы.

Таблица 2

Для приготовлении электролита из  плотностью 1,83 г/см3 воспользуйтесь третей таблицей.

Таблица 3

При измерении плотности используют ареометры с пределами измерения 1,1-1,4 г/см3 и ценой деления не грубее 0,005 г/см3 и, поскольку плотность зависит от температуры, термометры на пределы измерения 0÷50С и ценой деления 1С. Термометры не должны иметь деревянных или металлических оправ. Ареометры с указанными пределами измерения и точностью отсутствуют, поэтому применяют набор с более узкими диапазонами измерений.

Как уже упоминалось выше, в процессе приготовления электролита выделяется тепло. В таком случае измерение плотности нагретого электролита будет не корректным, соответственно при измерении необходимо вносить поправку, ну а лучше подождать пока температура станет 20С.

Температурный градиент плотности равен 0,0007 г/см3 на 1С. При температуре электролита выше приведенной, в данном случае 20С, расчетная поправка прибавляется к измеренному значению плотности. Например: температура фактическая равна 30С, разница с приведенной 20С составляет 10С. Градиент 0,0007 х 10 = 0,07 г/см3. К измеренному значению плотности прибавляем поправку, равную 0.007 г/см3.

При фактической температуре 10С разница с приведенной температурой также 10С. Градиент, равный 0,0007 г/см3 умножаем на 10, получаем поправку 0,007 г/см3, но в данном случае поправка вычитается из измеренного значения плотности при температуре 10С.

Необходимо помнить, что заливать электролит температурой выше 25С в аккумуляторы недопустимо.

Физические свойства сернокислотного электролита

Есть еще один физический фактор, который необходимо учитывать, особенно когда приготавливаются большие объемы раствора серной кислоты и дистиллированной воды.

Это то обстоятельство, что при смешивании равных объемов серной кислоты и воды, после охлаждении такого раствора его объем будет меньше, чем сумма первоначальных объёмов.

Что бы учесть этот фактор нужно обратится к четвертой таблице, в которой указаны величины уменьшения объёмов для растворов серной кислоты различной плотности.

Вязкость

Вязкость это свойство электролита, наиболее существенно влияющее на работоспособность свинцового аккумулятора. Электрохимические процессы, протекающие при работе аккумулятора, носят диффузионный характер.

Скорость диффузии, в основном, зависит от вязкости электролита.

Именно скоростью диффузии определяется поступление электролита к поверхности и в поры электродов при разряде, особенно при установке жестких (минутных, часовых) режимов разряда.

Чем вязкость выше, тем диффузия медленнее. При понижении температуры на 25С вязкость электролита возрастает в 2 раза, а при температуре в -50С она возрастает почти в 30 раз по сравнению с вязкостью при нормальной температуре.

С увеличением вязкости падает ёмкость. Именно поэтому ра6отоспособность свинцовых аккумуляторов при низких температурах ухудшается.

Это обстоятельство необходимо учитывать при установке герметичных аккумуляторов с гелевым (загущённым) электролитом.

Удельное сопротивление электролита

Сопротивление электролита, занимающего объем, ограниченный длиной 1 см и сечением в 1 см3, рассчитывается по формуле:

=rS/L

где r – удельное сопротивление Ом см;

L- длина, см.

S — поперечное сечение см2.

Сопротивление изменяется с изменением концентрации и температуры электролита.

Чтобы иметь минимальное внутреннее сопротивление АКБ, желательно применять электролит с наименьшим удельным сопротивлением.

Величины удельных сопротивлений  приведены в таблице 5.

Таблица 5. Удельные сопротивления электролита

Удельное сопротивление электролита возрастает при снижении температуры, наиболее значительно при температуре 0С.

Температура замерзания электролита важна, постольку по мере разряда аккумулятора снижается его плотность  и, соответственно, температура его замерзания.

При замерзании объем электролита увеличивается, что приводит к разрушению сосуда и электродов аккумулятора. Наиболее низкую температуру замерзания имеет электролит плотностью 1,29 г/см3.

Для определения температур замерзания электролитов различной плотности следует пользоваться таблицей 6.

Щелочные электролиты

Обычно для приготовления электролита щелочных аккумуляторов используют едкий калий и едкий литий.

Едкий калий (КОН) — твердое белое кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде. При растворении едкого калия в воде происходит выделение тепла.

Согласно ГОСТ 9285-59 калий едкий технический изготовляется трех сортов: высший, А и Б. едкого калия в высшем сорте не менее 96%, в сорте А — 92% и в сорте Б — 88%.

Кроме того, выпускается реактивный едкий калий (ГОСТ 4203-435), содержащий меньше примесей, чем технический едкий калий.

Если электролит приготовляют из едкого калия и едкого лития, то сначала растворяют едкий калий, а затем добавляют едкий литий из расчета 10-20 г на 1 л электролита. Чтобы он остыл после разведения, а также для осаждения примесей необходимо оставить его на 15-20 часов в емкости, закрыв плотно крышкой.

По истечении этого времени очистившийся раствор осторожно сливают в чистую посуду, затем ареометром проверяют плотность, и, если нужно, доводят до нормы, добавляя воду, щелочь или готовый концентрированный электролит.

Рекомендуемую плотность электролита устанавливает завод-изготовитель кадмий-никелевых и железо-никелевых батарей.

Раствор с такими параметрами применяется при эксплуатации аккумулятора при температурах не ниже —20С. Если температура ниже, то необходим  электролит с плотностью 1,25—1,27 г /см3 без едкого лития.

Для восстановления старых щелочных кадмий-никелевых и железо-никелевых аккумуляторов применяют калиево-литиевый электролит плотностью 1,255—1,279 г/см3 с добавкой 69 г едкого лития на 1 л электролита. Для приготовления электролитов требуемой плотности необходимо руководствоваться таблицей 7.

Таблица 7. Плотность щелочных электролитов

Приготовление щелочных электролитов для железо-никелевых и кадмий-никелевых аккумуляторов

В заключение можно констатировать, что век самостоятельного приготовления электролита в гаражах уже подошёл к концу. В любом автомобильном магазине можно купить готовый  и не подвергать себя риску при работе с химическими веществами, например, серной кислотой.

ЭЛЕКТРОЛИТЫ

статьи

ЭЛЕКТРОЛИТЫ, вещества, обладающие ионной проводимостью; их называют проводниками второго рода – прохождение тока через них сопровождается переносом вещества.

К электролитам относятся расплавы солей, оксидов или гидроксидов, а также (что встречается значительно чаще) растворы солей, кислот или оснований в полярных растворителях, например в воде. Известны и твердые электролиты.

Чтобы пропустить электрический ток через раствор электролита, в него опускают две металлические или угольные пластины – электроды – и соединяют их с полюсами источника постоянного тока. Положительный электрод называют анодом, отрицательный – катодом. Прохождение тока через электролит сопровождается химическими реакциями на электродах.

Так, на катоде, погруженном в расплав соли или оксида либо в раствор соли, обычно осаждается металл, входящий в состав электролита. На катоде, погруженном в водный раствор кислоты, основания либо соли щелочного или щелочноземельного металла, выделяется газообразный водород.

На аноде, изготовленном из инертного материала, например платины или угля, в водном растворе выделяется газообразный кислород, а в концентрированных водных растворах хлоридов или в расплавленных хлоридах – хлор. Цинковые, медные или кадмиевые аноды под действием электрического тока сами постепенно растворяются; газ в этом случае не образуется.

Законы Фарадея

Электролизом называют химические процессы, протекающие под действием электрического тока на электродах, погруженных в электролит.

Количество образовавшегося вещества связано с количеством электричества, пропущенного через электролит (сила тока ґ время), законами Фарадея: 1) количество вещества, образовавшегося на электроде при пропускании через электролит постоянного электрического тока, прямо пропорционально количеству пропущенного электричества, т.е.

силе тока и времени электролиза; 2) для разных электродных процессов при одинаковом количестве электричества, пропущенного через электролит, массы образовавшихся веществ пропорциональны их химическим эквивалентам.

(Эквивалентом элемента называется такое его количество, которое соединяется с 1 моль атомов водорода или замещает то же количество атомов водорода в химических реакциях, а эквивалентом сложного вещества называется такое его количество, которое взаимодействует без остатка с 1 экв. водорода или любого другого вещества. См. ЭКВИВАЛЕНТНАЯ МАССА.)

Законы Фарадея справедливы как для растворов, так и для расплавов и применимы к обоим электродам. Количество электричества, необходимое для образования 1 экв. любого вещества, одинаково для всех веществ; оно равно 96 485 Кл и называется числом Фарадея или постоянной Фарадея (фундаментальная физическая константа). Эта закономерность широко применяется на практике.

Исходя из количества затраченного электричества, можно рассчитать массу или толщину металлического покрытия, образующегося при гальваностегии, и наоборот, задав толщину покрытия, можно оценить, какое количество электричества для этого потребуется. Законы Фарадея лежат в основе работы вольтметра и приборов, предназначенных для измерения силы постоянного тока. См.

также ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ; ЭЛЕКТРОХИМИЯ.

Ионы

В 1833 М.Фарадей предположил, что ток через электролит переносят электрически заряженные частицы – ионы.

Положительно заряженные ионы (например, ионы металлов и водорода), движущиеся через электролит по направлению к катоду, были названы катионами, а отрицательно заряженные, перемещающиеся к аноду, – анионами.

Предполагалось, что на электродах ионы теряют заряд, при этом на катоде из катионов образуются атомы металла или водорода, а на аноде из анионов – галогены или кислород.

Эти представления – с незначительными изменениями – считаются справедливыми и сегодня. Положительным ионом (катионом) называют атом или группу атомов, утративших один или несколько электронов, а отрицательным ионом (анионом) – атом или группу атомов с одним или более избыточным электроном.

На катоде катионы электролита приобретают недостающие электроны и нейтрализуют свой положительный заряд. Аналогично анионы отдают избыточные электроны, достигая анода. Если материал анода реакционноспособен, он может сам служить источником электронов, поскольку его атомы отдают электроны легче, чем анионы.

Образующиеся катионы переходят при этом в раствор.

Поскольку для осаждения или нейтрализации 1 экв. любого вещества требуется одно и то же количество электричества, очевидно, что заряд, переносимый ионами, содержащимися в 1 экв., одинаков для всех веществ.

Число эквивалентов в одном моле ионов равно валентности иона, поэтому число единичных зарядов (электронов), переносимых ионом, можно отождествить с его валентностью.

У двухвалентного катиона (например, Ca2+, Zn2+, Cu2+) недостает двух электронов, он переносит два единичных положительных заряда и т.д. Единичный отрицательный заряд одновалентного аниона (Cl–, Br–) создается одним избыточным по отношению к нейтральному атому электроном.

Теория Аррениуса

Предположив, что электрический ток в электролитах переносят ионы, Фарадей ничего не сказал об их происхождении. Некоторые соображения по этому поводу были высказаны немецким физиком Р.Клаузиусом в 1857, а первое наиболее полное описание процесса образования ионов принадлежит шведскому физикохимику С.Аррениусу (1883–1897).

Аррениус предположил, что соли, кислоты и основания при растворении в подходящем растворителе (например, в воде) распадаются (диссоциируют) на ионы. Например, хлорид натрия NaCl диссоциирует на ионы натрия Na+ и хлора Cl–. Электрический ток в самом процессе диссоциации никак не участвует, он лишь направляет ионы к соответствующим электродам.

Теория электролитической диссоциации не только объясняет образование ионов в растворе, но и проливает свет на многие ранее непонятные явления. Так, в 1887 нидерландский физикохимик Я.

Вант-Гофф обнаружил, что температура замерзания растворов электролитов значительно ниже, а температура кипения намного выше, чем рассчитанные исходя из их молекулярных масс (см. также РАСТВОРЫ). Природа этих отклонений становится ясной, если учесть, что свойства разбавленных растворов зависят не от природы растворенных частиц, а от их числа.

При диссоциации из одной молекулы электролита образуются два и более иона, а число частиц в растворе становится гораздо больше, чем в случаях, когда электролитическая диссоциация по каким-то причинам не происходит.

Константа диссоциации

Согласно Аррениусу, степень диссоциации, т.е. доля молекул, распавшихся на ионы, возрастает по мере разбавления раствора. Предположив, что скорости перемещения ионов через электролит не зависят от концентрации раствора, и измерив электропроводность, Аррениус рассчитал степень диссоциации нескольких электролитов при разных концентрациях. В.

Оствальд в 1888 использовал этот метод для расчета концентрации свободных ионов и недиссоциированных молекул в растворе, а отсюда – константы равновесия (константы диссоциации) реакции диссоциации.

водные растворы сильных кислот, оснований и большинства солей, ведут себя иначе; оказалось, что фундаментальный постулат Аррениуса о постоянстве скоростей перемещения ионов и независимости их от концентрации неприменим к сильным электролитам.

Теория межионного взаимодействия

Согласно современным представлениям, основанным на теории валентности и данных по рентгеноструктурному анализу кристаллов, большинство солей ионизировано уже в твердом состоянии; при этом положительные и отрицательные ионы удерживаются вместе электростатическими силами. Когда соль растворяется (например, в воде), ионы притягивают к себе молекулы растворителя – сольватируются (или гидратируются, если растворитель – вода). Выделяющейся в процессе сольватации энергии достаточно для преодоления электростатических сил притяжения ионов, так что ионы в растворе отделяются друг от друга, т.е. происходит электролитическая диссоциация. Сильные электролиты, в частности галогениды и нитраты щелочных и щелочноземельных металлов, полностью ионизированы в растворе при всех приемлемых концентрациях.

Противоположно заряженные ионы в растворе притягиваются друг к другу, причем степень притяжения возрастает с увеличением концентрации, поскольку расстояние между ионами уменьшается. Диссоциация, особенно при высоких концентрациях, никогда не бывает полной. Здесь нужно остановиться на различии между диссоциацией и ионизацией.

Сильные электролиты (например, соль) в растворе полностью ионизированы фактически при всех концентрациях, но степень их диссоциации зависит от концентрации и становится достаточно высокой только в очень разбавленных растворах.

Слабые электролиты, напротив, ионизированы лишь частично, и степень ионизации у них очень мало отличается от степени диссоциации; это и подтверждают измерения электропроводности.

Теория Дебая – Хюккеля

Описанные выше представления составляют основу теории межионного взаимодействия электролитов. Вкратце суть ее состоит в следующем: электростатическое притяжение между ионами существует во всех электролитах, но в слабых электролитах, где число ионов относительно мало и поэтому они находятся далеко друг от друга, оно несущественно.

Таким образом, концепция межионного взаимодействия относится главным образом к сильным электролитам. В количественном виде эту концепцию представили П.Дебай и Э.Хюккель в 1923, и она называется теорией Дебая – Хюккеля.

Основная ее идея состоит в том, что вследствие электростатического притяжения между положительными и отрицательными ионами вблизи каждого иона находятся главным образом ионы противоположного знака, т.е. ион как бы окружен ионной атмосферой. Суммарный заряд этой атмосферы по абсолютной величине равен заряду центрального иона, но противоположен ему по знаку.

Тормозящее действие ионной атмосферы на передвижение ионов проявляется таким образом, что все свойства, зависящие от концентрации ионов (такие, как электрическая проводимость, осмотическое давление и т.д.), отвечают заниженной степени диссоциации – кажущейся степени диссоциации.

Для оценки состояния ионов в растворе пользуются понятием активности иона – его условной концентрации, соответственно которой он действует при химических реакциях: a = fC, где a – активность иона, C – его концентрация, f – коэффициент активности.

Значение f< 1 указывает на связывающее взаимодействие ионов; если f близок к единице, это говорит о слабом межионном взаимодействии. В очень разбавленных растворах действие межионных сил почти не проявляется. Применяя различные математические методы для описания свойств ионной атмосферы, во многом удалось объяснить поведение разбавленных растворов сильных электролитов. Поведение же их концентрированных растворов требует дальнейших исследований.

Электролиты: свойства и классификации

Электролиты – растворы, имеющие в своем составе заряженные частицы, которые принимают участие в переносе зарядов между электродом и катодом. Могут быть сильными и слабыми.

Процесс распада молекул на ионы называется электролитической диссоциацией. Неэлектролиты – водные растворы, в которые вещество перешло в виде молекул с сохранением первоначальной структуры.

Все молекулы вещества в таких растворах окружены гидратными оболочками (молекулами воды) и не могут переносить электрический заряд.

Растворение кристалла поваренной соли

Как протекает электролитическая диссоциация

Вещества-электролиты устроены за счет ионных или ковалентных полярных связей.

Во время растворения происходит химическое воздействие вещества с молекулами воды, в результате чего оно распадается на электроны. Молекулы воды – активные диполи с двумя полюсами: положительным и отрицательным. Атомы водорода располагаются под углом 104,5°, за счет этого молекула воды приобретает угловую форму.

Вещества, имеющие ионную кристаллическую решетку, намного легче диссоциируют, они уже состоят из активных ионов, а диполи воды во время растворения только ориентируют их. Между диполями воды и ионами электролита возникают усилия взаимного притяжения, связи кристаллической решетки ослабевают и ионы покидают кристалл.

Последовательность процессов при диссоциации растворов с ионной связью

На первом этапе молекулы вещества ориентируются около диполей воды, далее происходит гидратация, а на завершающем этапе диссоциация.

Похожим образом диссоциируют электролиты, у которых молекулы строятся за счет ковалентных связей. Разница только в том, что диполи воды превращают ковалентные связи в ионные. При этом наблюдается такая последовательность процессов:

В растворах происходит хаотическое движение гидратированных ионов, они могут сталкиваться между собой и опять образовывать отдельные связи. Такой процесс называется ассоциацией.

Классификация электролитов

Все электролиты кроме ионов содержат молекулярные структуры, неспособные переносить разряд. Процентное содержание этих элементов оказывает прямое влияние на возможность проводить ток, параметр обозначается α и определяется по формуле:

Для вычисления берется отношение количества частиц, распавшихся на ионы к общему числу растворенных частиц.

Степень распада определяется опытным путем, если она равняется нулю, то диссоциация полностью отсутствует, если равняется единице, то все вещества в электролите распались на ионы.

С учетом химического состава электролиты имеют неодинаковую степень диссоциации, параметр зависит от природы и концентрации раствора, чем ниже концентрация, тем выше диссоциация. Согласно данным определениям все электролиты делятся на две группы.

1. Слабые электролиты. Имеют очень незначительную степень диссоциации, химические элементы почти не распадаются на ионы. К таким электролитам относится большинство неорганических и некоторые органические кислоты. Слабые электролиты расщепляются на ионы обратимо, процессы диссоциации и ассоциации по интенсивности могут сравниваться, раствор очень плохо проводит электрический ток.

Способность к диссоциации зависит от нескольких факторов, слабые электролиты во многом определяются химическими и физическими особенностями вещества. Важное значение имеет химический состав растворителя.

1. Сильные электролиты. Эти растворы в водных растворах интенсивно диссоциируют на ионы, сильные электролиты могут иметь степень диссоциации равную единице. К ним относятся почти весь перечень солей и многие кислоты неорганического происхождения. Сильные электролиты диссоциируют необратимо:

От каких факторов зависит степень диссоциации

1. Природа растворителя. Степень диссоциации веществ увеличивается прямо пропорционально полярности. Чем больше полярность, тем выше активность имеют сильные электролиты.
2. Температура во время подготовки раствора. Повышение температуры растворителя увеличивает активность ионов и их количество. Правда, при этом есть вероятность одновременного повышения ассимиляции. Процесс растворения веществ в растворителе должен непрерывно контролироваться, при обнаружении отклонений от заданных параметров немедленно вносятся корректировки.
3. Концентрация химических веществ. Чем выше концентрация, тем больше вероятность, что после растворения образуются слабые электролиты.

График зависимости константы диссоциации от концентрации

Главные положения теории электролитической диссоциацииСогласно существующей теории, электролитическая диссоциация позволяет растворам проводить электрический ток. В зависимости от этой способности они делятся на электролиты и неэлектролиты.

Процесс распада веществ на ионы называется диссоциацией, положительно заряженные двигаются к катоду и называются катионами, негативно заряженные двигаются к аноду и называются анионами.

Состав электролитов оказывает влияние на способность к диссоциации, технические нормы позволяют определять эту зависимость количественно.

1.Кислоты. В результате распада образуются анионы кислотного остатка и катионы водорода. Кислоты многоосновные могут преобразовываться по первой степени:

2. Основания. Электролиты, дисоциирующие на анионы гидроксогрупп и катионы металла.

3. Соли. Электролиты диссоциируют на анионы кислотного остатка и катионы металлов. Процесс происходит в одну ступень.

Химические свойства электролитов описываются при помощи химических уравнений и определяются свойствами образованных ионов. Для удаления вредных химических соединений, выделяемых в воздух во время диссоциации, используются химически нейтральные пластиковые воздуховоды.

Перспективы развития теории диссоциацииНа современном этапе развития теории ученые предпринимают попытки описать динамические и термодинамические свойства электролитов учитывая концепцию ионно-молекулярной структуры.

Классическая теория считается примитивной, в ней ионы представляются как заряженные жесткие сферы. Главный недостаток традиционной теории – невозможность объяснить локальное снижение диэлектрической проницательности в первом приближении.

Ряд растворителей поддается описанию физических свойств ступенчатой зависимостью, но протонные водные растворители имеют намного сложнее процессы релаксации.

Непримитивные модели, рассматривающие ионы в одинаковом масштабе, делятся на две группы:

1. Первая. Жидкие фазы рассматриваются как максимально разупорядочные кристаллы, размеры не более пяти молекулярных диаметров.
2. Вторая. Жидкости описываются как сильно неидеальные газы. Молекулы растворителя являются точными или обыкновенными диполями.

Зависимость диэлектрической проницаемости от расстояния между ионами

Неравновесные явления в растворах электролитов

Неравновесный распад объясняется несколькими физическими процессами.

1. Миграцией и диффузией ионов. Обуславливается сравнительно большим количеством ионных перескоков за единицу времени в сравнении с иными направлениями.

Контакт двух растворов с различными показателями концентрации

1. Эквивалентной и удельной электропроводностью. Электропроводность обеспечивается миграцией ионов, замеры выполняются таким способом, чтобы исключалось влияние градиента химического потенциала.

Принципиальная схема моста переменного тока во время измерения электропроводности

1. Числом переноса. Определяется суммой электрической проворности аниона и катиона. Доля тока называется электрическим числом переноса.

Схема определения числа переноса

Перемещение ионов в среде электрического поля по статистике является усредненным процессом, ионы делают беспорядочные перескоки, а элегическое поле оказывает только определенное влияние, точно рассчитать силу и вероятность влияния невозможно. В связи с этим, аналогия диссоциации с обыкновенным поступательным движением твердых тел весьма приближенная, но она позволяет принимать правильные качественные выводы.

Нормы электролитов в крови и признаки отклонений

Из-за разрушения в организме щелочей, кислот и солей образуются частицы, имеющие отрицательный либо положительный заряд. Это электролиты, в крови они участвуют во многих процессах: метаболизме, нервно-мышечных сокращениях и расслаблениях, построении костной системы, активизация многих ферментов.

Для того чтобы понять, что это такое, важно знать, что в крови присутствуют электролиты в виде разнозаряженных частиц:

• анионы имеют отрицательный заряд;
• катионы – положительный .

Частицы со знаком «-» — соединения бикарбонатов, фосфатов, хлоридов, органические кислоты. Частицы положительные — магниевые, кальциевые, натриевые, калиевые соединения.

В плазме на электролиты приходится не более 1%, но в организме их роль значительна.

От расположения катионов и анионов, их количественного состава зависит проницаемость мембранной оболочки клеток. Участвуют они и в процессе выведения отработанных продуктов из клеток, способствуют проникновению внутрь питательных веществ.

Функции и роль электролитов

Эти элементы присутствуют в клетках и пространстве между ними. От электролитного состава крови зависит ее свертываемость, тромбообразование, клеточная возбудимость. Частицы отвечают за транспортировку молекул жидкости в ткани из кровеносного русла, обеспечивают необходимую кислотность крови, передачу нервных импульсов.

У каждого элемента отдельная роль и ответственность за определенные процессы. Наиболее значимы для человека ионы калия, натрия с положительным зарядом и с отрицательным — хлора.

Попадают важные вещества в организм вместе с пищей, а избыток выводится в основном через почки.

1. Калий в большей степени (почти 90%) содержится во внутриклеточной жидкости и отвечает за регуляцию водного баланса, стабильность сердечного ритма. Он участвует в снабжении мозга кислородом.
2. Максимальная концентрация натрия — в пространстве вне клеток. Около 40% — в межклеточной жидкости, почти 50% — в костной и хрящевой ткани, не более 10% — внутри клеток. С участием натрия регулируется кислотно-щелочное равновесие в организме, он воздействует на мембранный потенциал и возбудимость клеток, тонус сосудов. Элемент помогает поддерживать в нормальном состоянии осмотическое давление жидкости, преимущественно межклеточной.
3. В большей своей массе (90%) хлор присутствует во внеклеточном пространстве и обеспечивает нейтральность клеток. Количество хлора в крови пропорционально содержанию ионов натрия. Элемент способствует оптимизации деятельности пищеварительной системы, улучшает работу печени.

Другие микроэлементы, поддерживающие электролитный баланс, не менее важны для человеческого организма.

Магний, наряду с калием, обеспечивает нормальную работу сердца, формирует костную ткань. Кальций участвует в построении скелета, отвечает за нормальную свертываемость крови, регулирует процессы обмена. Почти 90% фосфатов находится в костях.

Для чего нужен анализ

Количественный состав катионов и анионов меняется при острых и хронических патологиях. Анализ крови на электролиты проводят при необходимости отследить деятельность сердечной системы и почек, если имеются подозрения на дисбаланс обмена веществ. Иногда он нужен для отслеживания эффективности терапии и оценки динамики заболевания.

Из-за разнообразия патологий не всегда можно получить необходимую информацию, узнав концентрацию электролитов. 

Поэтому исследование проводят при особых показаниях:

• не определено точно заболевание, сопровождающееся головокружением, тошнотой, неадекватным поведением;
• при аритмиях различной локализации и происхождения;
• в отдельных случаях при артериальной гипертензии для подбора наиболее эффективных методов ее компенсации;
• при патологиях выделительной системы для диагностики заболеваний поджелудочной железы и печени.

Обычно не вполне достаточное количество или избыточное содержание ионов бывает одновременно по нескольким элементам. Если же отклонение обнаружено только у одного показателя, проводят повторный анализ для построения динамики.

Подготовка к анализу

Определение уровня электролитов проводится по направлению лечащего врача. Для этого берется венозная кровь, причем утром. Для того чтобы в биохимическом анализе крови не было ложной информации, нужна правильная подготовка. 

Для этого достаточно соблюдать несложные правила перед тем, как сдать кровь:

• последний прием пищи должен быть не позднее чем за 8 (а лучше 12) часов до забора;
• не следует употреблять напитки, кроме обычной воды без газа;
• за сутки снизить физическую активность;
• отказаться от курения минимум за 2 часа.

В случае приема лекарственных препаратов необходимо предупредить об этом доктора. Если кровь берется у детей в возрасте до 5 лет, им на протяжении получаса полезно давать пить воду небольшими порциями (50—100 мл).

Способы определения количества электролитов

Норму электролитов выделяют отдельно для каждого и определяют несколькими способами:

• метод атомно-спектральный, при котором анализируемые образцы из состояния жидкости переводятся в «атомный пар», путем их нагревания (температура несколько тысяч градусов);
• весовой метод, при котором исследуют пробы сыворотки путем реакции, в результате которой выпадает осадок, затем производится его взвешивание;
• способ фотоэлектроколориметрирования, позволяющий добиться нужной цветовой реакции раствора с пробой крови, по насыщенности его цвета делают заключение.

Водный баланс определяют при помощи специального прибора — анализатора электролитов. Он показывает содержание калиевых, натриевых, кальциевых ионов, ph плазмы крови. Анализатор комплектуется электродами, позволяющими за счет их различной установки определить только уровень калия и натрия либо всех частиц.

Нормы элементов

Расшифровка анализа для выявления дефицита или избытка электролитов производится только специалистом на основании разработанных норм.

Для взрослых

Доктор опирается на специальную таблицу. Концентрация большей части элементов не связана с полом и одинакова у мужчин и женщин.

Нормальное ли количество в крови электролитов у женщин и мужчин, определяется лечащим доктором индивидуально. Это зависит от физиологических данных, состояния организма.

Для детей

Оптимальное содержание ионов натрия, магния, кальция, хлора такое же, как и у взрослых. Количество калия и железа зависит от возраста, а уровень фосфора у детей с ним не связан.

Определение электролитов позволяет выявить их дисбаланс, вовремя назначить необходимое лечение.

Дисбаланс и его причины

Любое отклонение концентрации электролитов в большую или меньшую сторону негативно сказывается на состоянии человека и нарушает водно-электролитный баланс.

Избыточное количество

Повышенные электролиты, каждый в отдельности, указывают на развитие той или иной патологии или провоцируют ее:

• избыток кальция провоцирует образование камней в почках;
• высокая концентрация натрия чревата солевой перегрузкой организма, что ведет к возникновению почечных заболеваний, связанных с задержкой выведения мочи;
• повышенный магний свидетельствует об обезвоживании организма, почечной недостаточности либо о дисфункции паращитовидной железы;
• избыток калия вызывает слабость мышечной ткани, нарушает сердечный ритм, провоцируя приступ.

Симптомы, указывающие на переизбыток того или иного элемента:

• натрия – постоянная жажда, чувство сухости во рту, непроизвольное подергивание мышц, раздражительность;
• калия – слабость мышц, онемение и покалывание в них;
• магния – покраснение кожи, ее поверхность теплая на ощупь, чувство слабости.

Избыточное накопление в организме калия, фосфора, магния, натрия мешает усвоению кальция. При избытке последнего никаких особых симптомов не наблюдается. Лишь при значительном превышении кальция человек ощущает слабость, боль в костях.

Пониженный уровень

Малое содержание в крови электролитов также приводит к негативным последствиям для организма. Человек ощущает общую слабость, падение работоспособности. Низкие электролиты часто показывают на обезвоживание организма. 

Каждый элемент вызывает определенные симптомы:

• натрий – тягу к соленой пище, усталость, слабость в мышцах;
• калий – утомляемость, слабость, судороги ног, запор, аритмию;
• кальций – хрупкость костей, выпадение волос, мышечные судороги;
• магний – трудность при глотании, дезориентацию.

Причинами низкого уровня электролитов являются заболевания ЖКТ (рвота, диарея), изнуряющие физические нагрузки, несбалансированная диета, злоупотребление слабительными и мочегонными медикаментами.

Последствия дисбаланса

При избыточном скоплении жидкости (гипергидратации) происходит ее концентрация в межклеточном пространстве, повышается уровень внутри клеток, они набухают. Если это нервные клетки, то возбуждаются нервные центры, появляются судороги.

Если жидкости недостаточно (дегидратация), происходит сгущение крови, она становится вязкой, что приводит к образованию тромбов, нарушается поступление ее к органам и тканям. В этом случае снижается масса тела, кожа становится сухой и легко собирается в складки, давление падает, нарушается сердечный ритм.

Как нормализовать уровень электролитов

Организация правильного питания способствует нормализации водно-солевого баланса. Снижение количества соленой пищи и достаточное потребление жидкости помогает избежать переизбытка натрия. Это же способствует и уменьшению количества магния в организме.

Снизить уровень кальция, кроме нормального водного режима, поможет и употребление достаточного количества продуктов, богатых клетчаткой.

При повышенной физической нагрузке важно соблюдать питьевой режим, помогающий восполнить потерю жидкости через пот. Повысить электролиты можно, если просто пересмотреть свой рацион. Продукты должны содержать все необходимые микроэлементы.

Мы настоятельно рекомендуем не заниматься самолечением, лучше обратитесь к своему лечащему доктору. Все материалы на сайте носят ознакомительный характер!