Electrolito - Electrolyte

Un electrolito es una sustancia que produce una solución conductora de electricidad cuando se disuelve en un disolvente polar , como el agua. El electrolito disuelto se separa en cationes y aniones , que se dispersan uniformemente a través del solvente. Eléctricamente, tal solución es neutra. Si se aplica un potencial eléctrico a dicha solución, los cationes de la solución se atraen al electrodo que tiene una abundancia de electrones , mientras que los aniones se atraen al electrodo que tiene un déficit de electrones. El movimiento de aniones y cationes en direcciones opuestas dentro de la solución equivale a una corriente. Esto incluye la mayoría de las sales , ácidos y bases solubles . Algunos gases, como el cloruro de hidrógeno (HCl), en condiciones de alta temperatura o baja presión también pueden funcionar como electrolitos. Las soluciones de electrolitos también pueden resultar de la disolución de algunos polímeros biológicos (por ejemplo, ADN , polipéptidos ) y sintéticos (por ejemplo, poliestireno sulfonato ), denominados " polielectrolitos ", que contienen grupos funcionales cargados . Una sustancia que se disocia en iones en solución adquiere la capacidad de conducir electricidad. El sodio , potasio , cloruro , calcio , magnesio y fosfato son ejemplos de electrolitos.

En medicina, el reemplazo de electrolitos es necesario cuando una persona tiene vómitos o diarrea prolongados y como respuesta a una actividad atlética intensa. Se encuentran disponibles soluciones comerciales de electrolitos, especialmente para niños enfermos (como la solución de rehidratación oral , Suero Oral o Pedialyte ) y atletas ( bebidas deportivas ). La monitorización de electrolitos es importante en el tratamiento de la anorexia y la bulimia .

Etimología

La palabra electrolito deriva del griego antiguo ήλεκτρο- ( ēlectro -), prefijo relacionado con la electricidad, y λυτός ( lytos ), que significa "capaz de desatarse o aflojarse".

Historia

Svante Arrhenius , padre del concepto de disociación de electrolitos en solución acuosa por el que recibió el Premio Nobel de Química en 1903.

En su disertación de 1884, Svante Arrhenius presentó su explicación de las sales cristalinas sólidas que se disocian en partículas cargadas emparejadas cuando se disuelven, por lo que ganó el Premio Nobel de Química en 1903. La explicación de Arrhenius fue que al formar una solución, la sal se disocia en partículas cargadas, a las que Michael Faraday (1791-1867) había dado el nombre de " iones " muchos años antes. La creencia de Faraday había sido que los iones se producían en el proceso de electrólisis . Arrhenius propuso que, incluso en ausencia de corriente eléctrica, las soluciones de sales contienen iones. Por tanto, propuso que las reacciones químicas en solución eran reacciones entre iones.

Formación

Las soluciones de electrolitos se forman normalmente cuando la sal se coloca en un disolvente como el agua y los componentes individuales se disocian debido a las interacciones termodinámicas entre el disolvente y las moléculas de soluto, en un proceso llamado " solvatación ". Por ejemplo, cuando la sal de mesa ( cloruro de sodio ), NaCl, se coloca en agua, la sal (un sólido) se disuelve en sus iones componentes, de acuerdo con la reacción de disociación.

NaCl (s) → Na + (ac) + Cl - (ac)

También es posible que las sustancias reaccionen con el agua produciendo iones. Por ejemplo, el gas de dióxido de carbono se disuelve en agua para producir una solución que contiene iones de hidronio , carbonato e hidrogenocarbonato .

Las sales fundidas también pueden ser electrolitos como, por ejemplo, cuando se funde el cloruro de sodio, el líquido conduce la electricidad. En particular, los líquidos iónicos, que son sales fundidas con puntos de fusión por debajo de 100 ° C, son un tipo de electrolitos no acuosos altamente conductores y, por lo tanto, han encontrado cada vez más aplicaciones en pilas de combustible y baterías.

Un electrolito en una solución puede describirse como "concentrado" si tiene una alta concentración de iones, o "diluido" si tiene una baja concentración. Si una alta proporción del soluto se disocia para formar iones libres, el electrolito es fuerte; si la mayor parte del soluto no se disocia, el electrolito es débil. Las propiedades de los electrolitos pueden aprovecharse mediante la electrólisis para extraer los elementos constituyentes y los compuestos contenidos en la solución.

Los metales alcalinotérreos forman hidróxidos que son electrolitos fuertes con una solubilidad limitada en agua, debido a la fuerte atracción entre sus iones constituyentes. Esto limita su aplicación a situaciones en las que se requiere una alta solubilidad.

En 2021, los investigadores descubrieron que el electrolito puede "facilitar sustancialmente los estudios de corrosión electroquímica en medios menos conductores".

Importancia fisiológica

En fisiología , los iones primarios de los electrolitos son sodio (Na + ), potasio (K + ), calcio (Ca 2+ ), magnesio (Mg 2+ ), cloruro (Cl - ), hidrogenofosfato (HPO 4 2− ), e hidrogenocarbonato (HCO 3 - ). Los símbolos de carga eléctrica de más (+) y menos (-) indican que la sustancia es de naturaleza iónica y tiene una distribución desequilibrada de electrones, resultado de la disociación química . El sodio es el principal electrolito que se encuentra en el líquido extracelular y el potasio es el principal electrolito intracelular; ambos están involucrados en el equilibrio de líquidos y el control de la presión arterial .

Todas las formas de vida multicelulares conocidas requieren un equilibrio electrolítico sutil y complejo entre los entornos intracelular y extracelular . En particular, es importante el mantenimiento de gradientes osmóticos precisos de electrolitos. Dichos gradientes afectan y regulan la hidratación del cuerpo, así como el pH de la sangre , y son fundamentales para la función nerviosa y muscular . Existen varios mecanismos en las especies vivas que mantienen las concentraciones de diferentes electrolitos bajo estricto control.

Tanto el tejido muscular como las neuronas se consideran tejidos eléctricos del cuerpo. Los músculos y las neuronas se activan mediante la actividad electrolítica entre el líquido extracelular o líquido intersticial y el líquido intracelular . Los electrolitos pueden entrar o salir de la membrana celular a través de estructuras proteicas especializadas incrustadas en la membrana plasmática llamadas " canales iónicos ". Por ejemplo, la contracción muscular depende de la presencia de calcio (Ca 2+ ), sodio (Na + ) y potasio (K + ). Sin niveles suficientes de estos electrolitos clave, puede ocurrir debilidad muscular o contracciones musculares severas.

El equilibrio electrolítico se mantiene mediante la ingesta oral, o en caso de emergencia, intravenosa (IV) de sustancias que contienen electrolitos, y está regulado por hormonas , en general con los riñones eliminando los niveles excesivos. En los seres humanos, la homeostasis de electrolitos está regulada por hormonas como las hormonas antidiuréticas , la aldosterona y las hormonas paratiroideas . Las alteraciones graves de los electrolitos , como la deshidratación y la sobrehidratación , pueden provocar complicaciones cardíacas y neurológicas y, a menos que se resuelvan rápidamente, darán lugar a una emergencia médica .

Medición

La medición de electrolitos es un procedimiento de diagnóstico que se realiza comúnmente, realizado mediante análisis de sangre con electrodos selectivos de iones o análisis de orina por tecnólogos médicos . La interpretación de estos valores carece de sentido sin un análisis de la historia clínica y, a menudo, es imposible sin mediciones paralelas de la función renal . Los electrolitos que se miden con mayor frecuencia son sodio y potasio. Los niveles de cloruro rara vez se miden, excepto para interpretaciones de gases en sangre arterial, ya que están intrínsecamente vinculados a los niveles de sodio. Una prueba importante que se realiza en la orina es la prueba de gravedad específica para determinar la aparición de un desequilibrio electrolítico .

Rehidratación

En la terapia de rehidratación oral , las bebidas con electrolitos que contienen sales de sodio y potasio reponen las concentraciones de agua y electrolitos del cuerpo después de la deshidratación causada por el ejercicio , el consumo excesivo de alcohol , la diaforesis (sudoración intensa), la diarrea, los vómitos, la intoxicación o la inanición. Los deportistas que se ejercitan en condiciones extremas (durante tres o más horas de forma continua, por ejemplo, una maratón o un triatlón ) que no consumen electrolitos corren el riesgo de deshidratación (o hiponatremia ).

Se puede preparar una bebida casera con electrolitos utilizando agua, azúcar y sal en proporciones precisas . Es importante incluir glucosa (azúcar) para utilizar el mecanismo de cotransporte de sodio y glucosa. Las preparaciones comerciales también están disponibles para uso humano y veterinario.

Los electrolitos se encuentran comúnmente en jugos de frutas , bebidas deportivas, leche, nueces y muchas frutas y verduras (enteras o en forma de jugo) (p. Ej., Papas, aguacates ).

Electroquímica

Cuando los electrodos se colocan en un electrolito y se aplica un voltaje , el electrolito conducirá la electricidad. Los electrones solitarios normalmente no pueden atravesar el electrolito; en cambio, se produce una reacción química en el cátodo , que proporciona electrones al electrolito. Otra reacción ocurre en el ánodo , consumiendo electrones del electrolito. Como resultado, se desarrolla una nube de carga negativa en el electrolito alrededor del cátodo y se desarrolla una carga positiva alrededor del ánodo. Los iones en el electrolito neutralizan estas cargas, permitiendo que los electrones sigan fluyendo y las reacciones continúen.

Celda electrolítica que produce cloro (Cl 2 ) e hidróxido de sodio (NaOH) a partir de una solución de sal común.

Por ejemplo, en una solución de sal común de mesa (cloruro de sodio, NaCl) en agua, la reacción del cátodo será

2 H 2 O + 2e - → 2 OH - + H 2

y burbujeará gas hidrógeno ; la reacción del ánodo es

2 NaCl → 2 Na + + Cl 2 + 2e -

y el cloro gaseoso se liberará en una solución donde reaccionará con los iones de sodio e hidroxilo para producir hipoclorito de sodio , blanqueador doméstico . Los iones de sodio cargados positivamente Na + reaccionarán hacia el cátodo, neutralizando la carga negativa de OH - allí, y los iones de hidróxido cargados negativamente OH - reaccionarán hacia el ánodo, neutralizando la carga positiva de Na + allí. Sin los iones del electrolito, las cargas alrededor del electrodo ralentizarían el flujo continuo de electrones; la difusión de H + y OH - a través del agua hacia el otro electrodo lleva más tiempo que el movimiento de los iones de sal mucho más frecuentes. Los electrolitos se disocian en el agua porque las moléculas de agua son dipolos y los dipolos se orientan de una manera energéticamente favorable para solvatar los iones.

En otros sistemas, las reacciones de los electrodos pueden involucrar los metales de los electrodos así como los iones del electrolito.

Los conductores electrolíticos se utilizan en dispositivos electrónicos donde la reacción química en una interfaz metal-electrolito produce efectos útiles.

  • En las baterías , se utilizan como electrodos dos materiales con diferentes afinidades electrónicas; los electrones fluyen de un electrodo al otro fuera de la batería, mientras que dentro de la batería el circuito está cerrado por los iones del electrolito. Aquí, las reacciones de los electrodos convierten la energía química en energía eléctrica.
  • En algunas celdas de combustible , un electrolito sólido o conductor de protones conecta las placas eléctricamente mientras mantiene separados los gases combustibles de hidrógeno y oxígeno.
  • En los tanques de galvanoplastia , el electrolito deposita simultáneamente metal sobre el objeto que se va a recubrir y conecta eléctricamente ese objeto en el circuito.
  • En los medidores de horas de funcionamiento, dos columnas delgadas de mercurio están separadas por un pequeño espacio lleno de electrolito y, a medida que la carga pasa a través del dispositivo, el metal se disuelve en un lado y se esparce por el otro, lo que hace que el espacio visible se reduzca lentamente. superar.
  • En los condensadores electrolíticos, el efecto químico se utiliza para producir un recubrimiento dieléctrico o aislante extremadamente delgado , mientras que la capa de electrolito se comporta como una placa de condensador.
  • En algunos higrómetros, la humedad del aire se detecta midiendo la conductividad de un electrolito casi seco.
  • El vidrio caliente y ablandado es un conductor electrolítico, y algunos fabricantes de vidrio mantienen el vidrio fundido al pasar una gran corriente a través de él.

Electrolitos sólidos

Los electrolitos sólidos se pueden dividir principalmente en cuatro grupos:

Ver también

Referencias

enlaces externos