Elektrolyte
On Januar 1, 2022 by adminElektrolyte
Stoffe, die in Wasser Ionen bilden, nennt man Elektrolyte. Sie lassen sich in Säuren, Basen und Salze unterteilen, weil sie alle in Wasser gelöst Ionen abgeben. Diese Lösungen leiten Elektrizität aufgrund der Beweglichkeit der positiven und negativen Ionen, die Kationen bzw. Anionen genannt werden. Starke Elektrolyte ionisieren vollständig, wenn sie gelöst werden, und es bilden sich keine neutralen Moleküle in der Lösung.
Zum Beispiel sind \(\ce{NaCl}\), \(\ce{HNO3}\), \(\ce{HClO3}\), \(\ce{CaCl2}\) usw. starke Elektrolyte. Eine Ionisation kann dargestellt werden durch
\(\mathrm{NaCl_{\large{(s)}} \rightarrow Na^+_{\large{(aq)}} + Cl^-_{\large{(aq)}}})
Da \(\ce{NaCl}\) ein ionischer Feststoff (s) ist, der aus Kationen \(\ce{Na+}\) und Anionen \(\ce{Cl-}\) besteht, keine Moleküle von \(\ce{NaCl}\) im \(\ce{NaCl}\) Festkörper oder in der \(\ce{NaCl}\)-Lösung vorhanden sind. Die Ionisierung wird als vollständig bezeichnet. Der gelöste Stoff ist zu hundert Prozent (100%) ionisiert. Andere ionische Feststoffe sind \(\ce{CaCl2}\), \(\ce{NH4Cl}\), \(\ce{KBr}\), \(\ce{CuSO4}\), \(\ce{NaCH3COO}\) (Natriumacetat), \(\ce{CaCO3}\) und \(\ce{NaHCO3}\) (Backpulver).
Kleine Fraktionen der Moleküle schwacher Elektrolyte ionisieren, wenn sie sich in Wasser lösen. In ihren Lösungen sind einige neutrale Moleküle vorhanden. Zum Beispiel sind \(\ce{NH4OH}\) (Ammoniak), \(\ce{H2CO3}\) (Kohlensäure), \(\ce{CH3COOH}\) (Essigsäure), und die meisten organischen Säuren und Basen schwache Elektrolyte. Die folgende Ionisierung ist nicht vollständig,
\(\mathrm{H_2CO_{3\large{(aq)}} \rightleftharpoons H^+_{\large{(aq)}} + HCO^-_{3\large{(aq)}}})
In einer Lösung sind \(\ce{H2CO3}\) Moleküle vorhanden. Der Anteil (oft in % ausgedrückt), der ionisiert wird, hängt von der Konzentration der Lösung ab.
Andererseits kann die Ionisierung als ein Gleichgewicht betrachtet werden, das für die obige Reaktion hergestellt wird, für die die Gleichgewichtskonstante definiert ist als
\(\mathrm{\mathit K = \dfrac{ }{}}\)
wobei wir die Konzentration der Spezies in der . Für Kohlensäure ist K = 4,2×10-7. Man kann die Definition von K hier verallgemeinern, um die Gleichgewichtskonstante für jeden schwachen Elektrolyten zu bestimmen.
Reines Wasser ist ein sehr schwacher Elektrolyt.
Die Ionisation oder Autoionisation von reinem Wasser kann durch die Ionisationsgleichung
\(\mathrm{H_2O \rightleftharpoons H^+ + OH^-}\)
dargestellt werden und die Gleichgewichtskonstante ist
\(\mathrm{\mathit K = \dfrac{ }{}}\)
Für reines Wasser, \(\ce{}\) ist eine Konstante (1000/18 = 55.6 M), und wir verwenden oft das Ionenprodukt Kw für Wasser,
\(\mathrm{\mathit K_w = \mathit K }\)
Die Konstante Kw hängt von der Temperatur ab. Bei 298 K ist Kw = 1×10-14. Wenn kein gelöster Stoff im Wasser vorhanden ist, hat die Lösung gleiche Konzentrationen von \(\ce{}\) und \(\ce{}\).
\(\mathrm{ = = 1\times10^{-7}}\),
und
\(\mathrm{pH = -\log = 7}\).
Beachte, dass nur bei 298 K der pH-Wert von Wasser = 7 ist. Bei höheren Temperaturen ist der pH-Wert etwas kleiner als 7, und bei niedrigeren Temperaturen ist der pH-Wert größer als 7.
Elektrolyte in Körperflüssigkeiten
Unsere Körperflüssigkeiten sind Lösungen von Elektrolyten und vielen anderen Dingen. Das Zusammenspiel von Blut und Kreislaufsystem ist der Fluss des Lebens, denn es koordiniert alle Lebensfunktionen. Wenn das Herz bei einem Herzinfarkt aufhört zu pumpen, ist das Leben schnell zu Ende. Das Herz so schnell wie möglich wieder in Gang zu bringen, ist entscheidend, um das Leben zu erhalten.
Die wichtigsten Elektrolyte in der Körperflüssigkeit sind Kationen (Kalzium, Kalium, Natrium und Magnesium) und Anionen (Chlorid, Carbonate, Aminoacetate, Phosphate und Jodid). Diese werden ernährungsphysiologisch als Makromineralien bezeichnet.
Das Elektrolytgleichgewicht ist für viele Körperfunktionen entscheidend. Hier einige extreme Beispiele dafür, was bei einem Ungleichgewicht der Elektrolyte passieren kann: Ein erhöhter Kaliumspiegel kann zu Herzrhythmusstörungen führen; ein vermindertes extrazelluläres Kalium führt zu Lähmungen; ein übermäßiges extrazelluläres Natrium verursacht eine Flüssigkeitsretention; und ein vermindertes Plasmakalzium und -magnesium kann Muskelkrämpfe in den Extremitäten hervorrufen.
Wenn ein Patient dehydriert ist, ist eine sorgfältig zubereitete (im Handel erhältliche) Elektrolytlösung erforderlich, um Gesundheit und Wohlbefinden zu erhalten. Im Hinblick auf die Gesundheit von Kindern ist eine orale Elektrolytlösung erforderlich, wenn ein Kind aufgrund von Durchfall dehydriert ist. Die Verwendung von oralen Elektrolytlösungen, die in den letzten 25 Jahren weltweit Millionen von Menschenleben gerettet haben, ist einer der wichtigsten medizinischen Fortschritte zum Schutz der Gesundheit von Kindern in diesem Jahrhundert, erklärt Juilus G.K. Goepp, MD, stellvertretender Direktor der pädiatrischen Notaufnahme des Kinderzentrums am Johns Hopkins Hospital. Wenn ein Elternteil gleich zu Beginn der Krankheit eine orale Elektrolyterhaltungslösung verabreicht, kann eine Dehydrierung verhindert werden. Die Funktionalität von Elektrolytlösungen hängt mit ihren Eigenschaften zusammen, und das Interesse an Elektrolytlösungen geht weit über die Chemie hinaus.
Elektrolyte und Batterien
In Batterien werden immer Elektrolytlösungen benötigt, selbst in Trockenzellen. Die einfachste Batterie besteht aus zwei Elektroden. Die folgende Abbildung zeigt eine Kupfer-Zink-Batterie. Die linke Hand ist eine Zinkelektrode. Die Zinkatome haben die Tendenz, zu Ionen zu werden und die Elektronen zurückzulassen.
\(\mathrm{Zn_{\large{(s)}} \rightarrow Zn^{2+}_{\large{(aq)}} + 2 e^-}\).
Wenn die Zinkionen in die Lösung gehen, wandern Anionen von der Kupferzelle zur Zinkzelle, um die Ladung auszugleichen, und gleichzeitig wandern Elektronen von der \(\ce{Zn}\)-Elektrode zur \(\ce{Cu}\)-Elektrode, um die Kupferionen zu neutralisieren.
(\mathrm{Cu^{2+}_{\large{(aq)}} + 2 e^- \rightarrow Cu_{\large{(s)}}})
In Trockenzellen wird die Lösung durch eine Paste ersetzt, damit die Lösung nicht aus der Verpackung austritt. In dieser Zelle hat die \(\ce{Zn}\) und \(\ce{Cu}\) Elektrode eine Spannung von 1,10 V, wenn die Konzentrationen der Ionen wie angegeben sind.
Chemische Reaktionen von Elektrolyten
Wenn Lösungen von Elektrolyten kombiniert werden, treffen die Kationen und Anionen aufeinander. Wenn die Ionen gleichgültig zueinander sind, findet keine Reaktion statt. Einige Kationen und Anionen können jedoch ein Molekül oder einen Festkörper bilden, so dass die Kationen und Anionen ihre Partner wechseln. Diese werden als Metathesereaktionen bezeichnet, zu denen gehören:
- Festkörperbildungsreaktionen (oder Fällungsreaktionen): die Kationen und Anionen bilden einen weniger löslichen Festkörper, was zum Auftreten eines Niederschlags führt.
- Neutralisierungsreaktionen: \(\ce{H+}\) einer Säure und \(\ce{OH-}\) einer Base verbinden sich zum neutralen Wassermolekül.
- Gasbildungsreaktionen: Wenn bei einer Reaktion neutrale gasförmige Moleküle gebildet werden, verlassen sie die Lösung und bilden ein Gas.
Redoxreaktionen sind auch zwischen den verschiedenen Ionen möglich. Tatsächlich sind die Vorgänge in der Batterie mit Redoxreaktionen verbunden.
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