Electrolitos
On enero 1, 2022 by adminElectrolitos
Las sustancias que dan iones cuando se disuelven en agua se llaman electrolitos. Se pueden dividir en ácidos, bases y sales, porque todos ellos dan iones cuando se disuelven en agua. Estas soluciones conducen la electricidad debido a la movilidad de los iones positivos y negativos, que se llaman cationes y aniones respectivamente. Los electrolitos fuertes se ionizan completamente cuando se disuelven, y no se forman moléculas neutras en la solución.
Por ejemplo, son electrolitos fuertes \N(\ce{NaCl}}), \N(\ce{HNO3}}), \N(\ce{HClO3}}, \N(\ce{CaCl2}}, etc. Una ionización puede representarse por
(\mathrm{NaCl_{large{(s)}} \Na^+(aq)}} + Cl^-_{{large{(aq)}})
Como \ce{NaCl}} es un sólido iónico (s), que está formado por cationes \ce{Na+}} y aniones \ce{Cl-}}, no hay moléculas de \NCl en el sólido o en la solución de \NCl. Se dice que la ionización es completa. El soluto está ionizado al cien por cien (100%). Algunos otros sólidos iónicos son: \c(\ce{CaCl2}), \c(\c{NH4Cl}), \c(\c{KBr}), \c(\c{CuSO4}), \c(\c{NaCH3COO}) (acetato de sodio), \c(\c{CaCO3}), y \c(\c{NaHCO3}) (bicarbonato de sodio).
Pequeñas fracciones de moléculas de electrolitos débiles se ionizan cuando se disuelven en agua. Algunas moléculas neutras están presentes en sus soluciones. Por ejemplo, \(\ce{NH4OH}\N (amoníaco), \(\ce{H2CO3}\N (ácido carbónico), \N(\ce{CH3COOH}\N (ácido acético), y la mayoría de los ácidos y bases orgánicas son electrolitos débiles. La siguiente ionización no es completa,
(\mathrm{H_2CO_{3\large{(aq)}} \H^+_(aq)}} + HCO^-_{3\large{(aq)}})
En una solución, hay moléculas de H2CO3. La fracción (a menudo expresada en %) que sufre la ionización depende de la concentración de la solución.
Por otra parte, la ionización puede verse como un equilibrio establecido para la reacción anterior, para la que la constante de equilibrio se define como
(\mathrm{\}mathit K = \dfrac{\})
donde usamos para significar la concentración de las especies en el . Para el ácido carbónico, K = 4,2×10-7. Puedes generalizar la definición de K aquí para dar la expresión de la constante de equilibrio para cualquier electrolito débil.
El agua pura es un electrolito muy débil.
La ionización o autoionización del agua pura puede representarse mediante la ecuación de ionización
(\mathrm{H_2O \rightleftharpoons H^+ + OH^-})
y la constante de equilibrio es
(\mathrm{\mathit K = \dfrac{ }})
Para el agua pura, \(\ce{}\}) es una constante (1000/18 = 55.6 M), y a menudo utilizamos el producto iónico, Kw, para el agua,
(\mathrm{\mathit K_w = \mathit K }\)
La constante Kw depende de la temperatura. A 298 K, Kw = 1×10-14. Si no hay soluto en el agua, la solución tiene concentraciones iguales de \ce y \ce.
(\mathrm{ = = 1\times10^{-7}}),
y
(\mathrm{pH = -\log = 7}}.
Nota que sólo a 298 K el pH del agua es = 7. A temperaturas más altas, el pH es ligeramente inferior a 7, y a temperaturas más bajas, el pH es mayor que 7.
Los electrolitos en los fluidos corporales
Nuestros fluidos corporales son soluciones de electrolitos y muchas otras cosas. La combinación de la sangre y el sistema circulatorio es el río de la vida, porque coordina todas las funciones vitales. Cuando el corazón deja de bombear en un infarto, la vida se acaba rápidamente. Conseguir que el corazón se reinicie tan pronto como se pueda es crucial para mantener la vida.
Los principales electrolitos necesarios en el fluido corporal son cationes (de calcio, potasio, sodio y magnesio) y aniones (de cloruro, carbonatos, aminoacetatos, fosfatos y yoduro). Estos se denominan nutricionalmente macrominerales.
El equilibrio electrolítico es crucial para muchas funciones corporales. He aquí algunos ejemplos extremos de lo que puede ocurrir con un desequilibrio de electrolitos: los niveles elevados de potasio pueden dar lugar a arritmias cardíacas; la disminución del potasio extracelular produce parálisis; el exceso de sodio extracelular provoca retención de líquidos; y la disminución del calcio y el magnesio plasmáticos puede producir espasmos musculares en las extremidades.
Cuando un paciente está deshidratado, se requiere una solución electrolítica cuidadosamente preparada (disponible en el mercado) para mantener la salud y el bienestar. En términos de salud infantil, el electrolito oral es necesario cuando un niño está deshidratado debido a la diarrea. El uso de soluciones orales de mantenimiento de electrolitos, responsable de salvar millones de vidas en todo el mundo en los últimos 25 años, es uno de los avances médicos más importantes en la protección de la salud de los niños en este siglo, explica el doctor Juilus G.K. Goepp, director adjunto del Departamento de Urgencias Pediátricas del Centro Infantil del Hospital Johns Hopkins. Si los padres proporcionan una solución oral de mantenimiento de electrolitos al principio de la enfermedad, se puede prevenir la deshidratación. La funcionalidad de las soluciones de electrolitos está relacionada con sus propiedades, y el interés por las soluciones de electrolitos va mucho más allá de la química.
Electrolitos y pilas
Las soluciones de electrolitos son siempre necesarias en las pilas, incluso en las pilas secas. La pila más sencilla consta de dos electrodos. La figura aquí ilustra una pila de cobre-zinc. El de la izquierda es un electrodo de zinc. Los átomos de zinc tienen tendencia a convertirse en iones, dejando los electrones atrás.
(\mathrm{Zn_{large{(s)}} \rightarrow Zn^{2+}_{\large{(aq)}} + 2 e^-}).
Como los iones de zinc van a la solución, los aniones se mueven de la célula de cobre a la célula de zinc para compensar la carga, y al mismo tiempo, los electrones van desde el electrodo de Zn al electrodo de Cu para neutralizar los iones de cobre.
(\mathrm{Cu^{2+}_{large{(aq)}} + 2 e^-) + 2 e^- \\N-flecha recta Cu_{{large{(s)}})
En las celdas secas, la solución se sustituye por una pasta para que la solución no se salga del envase. En esta célula, el electrodo (\ce{Zn}\) y \ce{Cu}\) tiene una tensión de 1,10 V, si las concentraciones de los iones son las indicadas.
Reacciones químicas de los electrolitos
Cuando se combinan soluciones de electrolitos, los cationes y los aniones se encuentran. Cuando los iones son indiferentes entre sí, no hay reacción. Sin embargo, algunos cationes y aniones pueden formar una molécula o un sólido, y así los cationes y aniones cambian de pareja. Son las llamadas reacciones de metátesis, que incluyen:
- Reacciones de formación de sólidos (o de precipitación): los cationes y aniones forman un sólido menos soluble, dando lugar a la aparición de un precipitado.
- Reacciones de neutralización: El \(\ce{H+}\ de un ácido y el \(\ce{OH-}\ de una base se combinan para dar la molécula de agua neutra.
- Reacciones de formación de gases: Cuando se forman moléculas gaseosas neutras en una reacción, salen de la solución formando un gas.
También son posibles las reacciones redox entre los distintos iones. De hecho, las operaciones de la batería implican reacciones redox.
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