Elektrolitok
On január 1, 2022 by adminElektrolitok
Azokat az anyagokat, amelyek vízben oldva ionokat adnak, elektrolitoknak nevezzük. Ezeket fel lehet osztani savakra, bázisokra és sókra, mert vízben oldva mind ionokat adnak. Ezek az oldatok az elektromosságot a pozitív és negatív ionok, az úgynevezett kationok és anionok mozgékonysága miatt vezetik. Az erős elektrolitok oldódáskor teljesen ionizálódnak, és az oldatban nem képződnek semleges molekulák.
Egy erős elektrolit például a \(\ce{NaCl}\), \(\ce{HNO3}\), \(\ce{HClO3}\), \(\ce{CaCl2}\) stb. Egy ionizáció ábrázolható
\(\mathrm{NaCl_{\large{(s)}} \rightarrow Na^+_{\large{(aq)}} + Cl^-_{\large{(aq)}}}}\)
Mivel \(\ce{NaCl}\) egy ionos szilárd anyag (s), amely kationokból \(\ce{Na+}\) és anionokból \(\ce{Cl-}\) áll, a \(\ce{NaCl}\) szilárd anyagban vagy \(\ce{NaCl}\) oldatban nincs \(\ce{NaCl}\) molekula. Az ionizációt teljesnek mondjuk. Az oldott anyag száz százalékban (100%) ionizált. Néhány más ionos szilárd anyag a \(\ce{CaCl2}\), \(\ce{NH4Cl}\), \(\ce{KBr}\), \(\ce{CuSO4}\), \(\ce{NaCH3COO}\) (nátriumacetát), \(\ce{CaCO3}\) és \(\ce{NaHCO3}\) (sütőpor).
A gyenge elektrolitok molekuláinak kis frakciói vízben oldódva ionizálódnak. Oldataikban néhány semleges molekula is jelen van. Például \(\ce{NH4OH}\) (ammónia), \(\ce{H2CO3}\) (szénsav), \(\ce{CH3COOH}\) (ecetsav) és a legtöbb szerves sav és bázis gyenge elektrolit. A következő ionizáció nem teljes,
\(\mathrm{H_2CO_{3\nagy{(aq)}} \rightleftharpoons H^+_{\large{(aq)}} + HCO^-_{3\large{(aq)}}}}\)
Az oldatban \(\ce{H2CO3}\) molekulák vannak jelen. Az ionizációnak alávetett hányad (gyakran %-ban kifejezve) az oldat koncentrációjától függ.
Az ionizációt viszont tekinthetjük a fenti reakcióra kialakult egyensúlynak, amelyre az egyensúlyi állandó a következőképpen definiált
\(\mathrm{\mathit K = \dfrac{ }{}}}\)
ahol a faj koncentrációját értjük a . A szénsav esetében K = 4,2×10-7. A K definícióját itt általánosíthatjuk úgy, hogy bármely gyenge elektrolitra megadjuk az egyensúlyi állandó kifejezését.
A tiszta víz nagyon gyenge elektrolit.
A tiszta víz ionizációja vagy autoionizációja az ionizációs egyenlettel ábrázolható
\(\mathrm{H_2O \rightleftharpoons H^+ + OH^-}\)
és az egyensúlyi állandó
\(\mathrm{\mathit K = \dfrac{ }{}}}\)
Tiszta vízre, \(\ce{}\) egy állandó (1000/18 = 55.6 M), és gyakran használjuk a vízre a Kw ionterméket,
\(\mathrm{\mathit K_w = \mathit K }\)
A Kw állandó a hőmérséklettől függ. 298 K hőmérsékleten Kw = 1×10-14. Ha a vízben nincs oldott anyag, akkor az oldatban egyenlő koncentrációjú \(\ce{}\) és \(\ce{}\) van.
\(\mathrm{ = = = 1\times10^{-7}}\),
és
\(\mathrm{pH = -\log = 7}\).
Megjegyezzük, hogy csak 298 K hőmérsékleten a víz pH-ja = 7. Magasabb hőmérsékleten a pH valamivel kisebb, mint 7, alacsonyabb hőmérsékleten pedig nagyobb, mint 7.
Elektrolitok a testnedvekben
A testnedveink elektrolitok és sok más dolog oldatai. A vér és a keringési rendszer együttese az élet folyója, mert ez koordinálja az összes életfunkciót. Ha a szív infarktusban leáll a szivattyúzás, az élet gyorsan véget ér. A szív mielőbbi újraindítása kulcsfontosságú az élet fenntartása érdekében.
A testfolyadékban szükséges elsődleges elektrolitok a kationok (kalcium, kálium, nátrium és magnézium) és az anionok (klorid, karbonátok, aminoacetátok, foszfátok és jodid). Ezeket táplálkozási szempontból makromineralitoknak nevezzük.
Az elektrolitok egyensúlya számos testfunkció szempontjából kulcsfontosságú. Íme néhány szélsőséges példa arra, hogy mi történhet az elektrolitok egyensúlyának felborulásával: a megemelkedett káliumszint szívritmuszavarokhoz vezethet; a csökkent extracelluláris káliumszint bénulást okoz; a túlzott extracelluláris nátriumszint folyadékvisszatartást okoz; a csökkent plazmakalcium- és magnéziumszint pedig a végtagok izomgörcsét okozhatja.
Ha a beteg dehidratált, az egészség és a jó közérzet fenntartásához gondosan elkészített (kereskedelmi forgalomban kapható) elektrolitoldatra van szükség. A gyermekek egészségét tekintve orális elektrolitra van szükség, ha a gyermek hasmenés miatt dehidratált. Az orális elektrolitfenntartó oldatok használata, amely az elmúlt 25 évben világszerte több millió élet megmentéséért felelős, az évszázad egyik legfontosabb orvosi vívmánya a gyermekek egészségének védelmében – magyarázza Dr. Juilus G.K. Goepp, a Johns Hopkins Kórház Gyermek Sürgősségi Osztályának igazgatóhelyettese. Ha a szülő már a betegség kezdetén szájon át adott elektrolit-fenntartó oldatot biztosít, megelőzhető a kiszáradás. Az elektrolitoldatok funkcionalitása a tulajdonságaikkal függ össze, és az elektrolitoldatok iránti érdeklődés messze túlmutat a kémián.
Elektrolitok és akkumulátorok
Az akkumulátorokban mindig szükség van elektrolitoldatokra, még a száraz cellákban is. A legegyszerűbb akkumulátor két elektródából áll. Az ábra egy réz-cink akkumulátort szemléltet. A bal oldali a cinkelektróda. A cinkatomok hajlamosak ionokká alakulni, elektronjaikat hátrahagyva.
\(\mathrm{Zn_{\large{(s)}}} \rightarrow Zn^{2+}_{\large{(aq)}} + 2 e^-}\).
Amíg a cinkionok az oldatba mennek, anionok mozognak a rézcellából a cinkcellába, hogy kompenzálják a töltést, és ugyanakkor elektronok mennek az \(\ce{Zn}\) elektródról az \(\ce{Cu}\) elektródra, hogy semlegesítsék a rézionokat.
\(\mathrm{Cu^{2+}_{\large{(aq)}}) + 2 e^- \rightarrow Cu_{\large{(s)}}}}\)
A száraz cellákban az oldatot paszta helyettesíti, hogy az oldat ne szivárogjon ki a csomagolásból. Ebben a cellában a \(\ce{Zn}\) és \(\ce{Cu}\) elektróda feszültsége 1,10 V, ha az ionok koncentrációja a megadottak szerint alakul.
Elektrolitok kémiai reakciói
Az elektrolitok oldatainak egyesítésekor a kationok és anionok találkoznak egymással. Ha az ionok közömbösek egymás számára, akkor nincs reakció. Egyes kationok és anionok azonban molekulát vagy szilárd anyagot alkothatnak, és így a kationok és anionok partnert cserélnek. Ezeket nevezzük metatézisreakcióknak, amelyek közé tartoznak:
- Szilárdságképződési (vagy csapadékképződési) reakciók: a kationok és anionok kevésbé oldódó szilárd anyagot képeznek, ami csapadék megjelenését eredményezi.
- Semlegesítési reakciók: Egy sav \(\ce{H+}\) és egy bázis \(\ce{OH-}\) egyesülése semleges vízmolekulát eredményez.
- Gázképződési reakciók: Amikor egy reakcióban semleges gázmolekulák keletkeznek, azok az oldatból gázt alkotva távoznak.
Redoxreakciók is lehetségesek a különböző ionok között. Valójában az akkumulátorok működése redoxireakciókkal jár.
Vélemény, hozzászólás?