電解質

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電解質英語:electrolyte[註 1])是指在水溶液熔融狀態可以產生自由離子而導電的化合物。通常指在溶液中導電的物質,但熔融態及固態下導電的電解質也存在。這包括大多數可溶性。一些氣體,例如氯化氫,在高溫或低壓的條件下也可以作為電解質。電解質通常分為強電解質弱電解質

歷史[編輯]

斯凡特·奧古斯特·阿倫尼烏斯

自1881年起,斯凡特·奧古斯特·阿倫尼烏斯開始在埃里克·艾德隆德的指導下進行電解質的相關研究。1884年,他向烏普薩拉大學提交了一篇長約150頁的博士畢業論文,首次提出了「固體結晶鹽在溶解時會分解成成對的帶電粒子」這一觀點,並通過離子的概念解釋了電解質溶液的導電機理。他因此獲得了1903年的諾貝爾化學獎[1][2][3][4]

根據阿倫尼烏斯的觀點,鹽在形成溶液時會分解成一種帶電粒子,這種粒子在很多年前便被麥可·法拉第命名為「離子」。麥可·法拉第認為離子是在電解時產生的,但阿倫尼烏斯認為即使在沒有電流的情況下鹽溶液也含有離子,所以溶液中的化學反應便是離子之間的反應。[5][6][7]

形成[編輯]

當鹽被置於溶劑中時往往會形成電解質溶液,在溶劑化時水和各個組分便會由於溶劑和溶質分子之間的熱力學相互作用而離解。舉個例子,根據離解反應,當氯化鈉(NaCl)[註 2]置於水中時,固態鹽會溶解成其成分中的離子[8]

NaCl(s) → Na+(aq) + Cl(aq)

物質還可能與水反應並產生離子。例如,二氧化碳氣體在水中溶解後會得到含有水合氫離子、碳酸根離子和碳酸氫根離子的溶液。

熔融鹽也可以變為電解質。例如,氯化鈉熔融時,液體導電。尤其是離子液體,它是一種熔點低於100℃的低溫熔融鹽[9]、高導電性的非水電解質,也正因此,它得以在各種電池中被越來越廣泛的利用。[10]

應用[編輯]

生理學[編輯]

生理學中,電解質的主要離子有(Na+)、(K+)、(Ca2+)、(Mg2+)、氯化物(Cl)、磷酸(HPO42−)和碳酸氫鹽 (HCO3)。電荷符號正(+)和負( - ) 表明物質其實是具有離子性的,其電子的分布也並不平衡,而這正是化學離解的結果。鈉離子是細胞外液的主要電解質,約占外液陽離子總量的92%;鉀離子是細胞內液的主要電解質,約占內液陽離子總量的98%[11]。兩者都是人體中最為重要的電解質[12],涉及到了體液平衡英語fluid balance和血壓控制。肌肉組織神經元都被認作是人體中的電組織。

當患者長期嘔吐或腹瀉時需要補充電解質。電解質的監測在厭食或食慾過盛的治療中也是非常重要的。

電化學[編輯]

當電極置於電解質中並有電壓被施加時,電解質將導電。單個電子通常不能通過電解質。在陰極處發生的化學反應會向電解質提供電子;而另一個反應在陽極發生,會消耗電解質中的電子。結果,陰極周圍的電解質中產生了負電荷雲,而陽極周圍則形成了正電荷。電解質中的離子會中和這些電荷,從而使電子保持流動、反應繼續進行。

例如:

2H2O + 2e → 2OH + H2

氫氣將會以氣泡的形式浮上來,其陰極反應為:

2NaCl → 2 Na+ + Cl2 + 2e

氯氣也會在反應中生成。帶正電的鈉離子Na +將向陰極反應,中和OH - 的負電荷;帶負電的氫氧根離子OH-將朝向陽極反應,中和Na +的正電荷。

金屬製品[編輯]

電池中,兩種電子親和力不同的材料可被用作電極;電子從電池外部的一個電極流向另一個電極,而在電池的內部,電路由於電解質的離子而關閉。這實際上是化學能轉換成電能的過程。[13]在一些燃料電池中,固體電解質或質子導體會與導電板連接,此時的氫氣和氧氣燃料氣體也會處於分離狀態[14]。在電鍍槽中設置好電極並加入電解質的溶液後將會發生電解,這在電鍍、電鑄、電切削、電浸蝕等領域得以廣泛應用[15]

分類[編輯]

強電解質[編輯]

強電解質指的能完全或基本完全電離成為離子的化合物。通常包含三類物質:[16]

  1. 強酸[17]:如硫酸硝酸
  2. 強鹼[17]:如氫氧化鋇[16]氫氧化鈉氫氧化鉀
  3. 大多數:如氯化鈉[16]氯化鉀[18]
註:是否是強電解質與溶解性無關。如硫酸鋇氯化銀,雖為難溶物,但其溶於水的部分完全電離了,所以將其劃分為強電解質。

弱電解質[編輯]

矽酸便是一種弱酸

弱電解質指的是能部分電離成為離子的化合物。通常包含四類物質:[16]

  1. 弱酸:如、矽酸
  2. 弱鹼:如一水合氨氫氧化銅。但氫氧化鎂為強電解質
  3. 極少數:如醋酸鉛[19][20]氯化亞汞[21]氯化汞[22][21]
  4. [23]
註:水屬於極弱電解質[23]

注釋[編輯]

  1. ^ 電解質的英文單詞electrolyte源自希臘的lytós一詞,大意是「能夠解開或鬆開」。
  2. ^ 俗稱食鹽

參考資料[編輯]

  1. ^ The Nobel Prize in Chemistry 1903. Nobel Media. [5 January 2017] (英語). 
  2. ^ Harris, William; Levey, Judith (編). The New Columbia Encyclopedia 4th. New York City: Columbia University. 1975: 155. ISBN 0-231035-721 (英語). 
  3. ^ McHenry, Charles (編). The New Encyclopedia Britannica 1 15. Chicago: Encyclopedia Britannica, Inc. 1992: 587. ISBN 085-229553-7 (英語). 
  4. ^ Cillispie, Charles (編). Dictionary of Scientific Biography 1. New York City: Charles Scribner's Sons. 1970: 296–302. ISBN 0-684101-122 (英語). 
  5. ^ Harris, William; Levey, Judith (編). The New Columbia Encyclopedia 4th. New York City: Columbia University. 1975: 155. ISBN 0-231035-721 (英語). 
  6. ^ McHenry, Charles (編). The New Encyclopedia Britannica 1 15. Chicago: Encyclopedia Britannica, Inc. 1992: 587. ISBN 085-229553-7 (英語). 
  7. ^ Cillispie, Charles (編). Dictionary of Scientific Biography 1. New York City: Charles Scribner's Sons. 1970: 296–302. ISBN 0-684101-122 (英語). 
  8. ^ Kotz, John C.; Treichel, Paul M.; Townsend, John. Chemistry and Chemical Reactivity 8. Cengage Learning. 2012: 127 [2017-02-27]. ISBN 9781133420071 (英語). 
  9. ^ 石家華; 孫遜; 楊春和; 高青雨; 李永舫. 離子液體研究進展 (PDF). 化學通報 (北京). 2002, (4): 243 [2017-03-01]. ISSN 0441-3776 (中文). 
  10. ^ Jiangshui Luo; Jin Hu; Wolfgang Saak; Rüdiger Beckhaus; Gunther Wittstock; Ivo F. J. Vankelecom; Carsten Agert; Olaf Conrad. Protic ionic liquid and ionic melts prepared from methanesulfonic acid and 1H-1,2,4-triazole as high temperature PEMFC electrolytes. 材料化學雜誌(Journal of Materials Chemistry). 2011, 21: 10426–10436. doi:10.1039/C0JM04306K (英語). 
  11. ^ 葉勝龍; 湯釗猷. 細胞膜鈉泵及其臨床意義. 上海醫學. 1986, (1): 1 (中文). 
  12. ^ 塗志全. 張定昌. 電解質紊亂對晚期腫瘤的治療影響. 中華中西醫雜誌. 2004, (10) (中文). 在正常人體內,鈉離子占細胞外液陽離子總量的92%,鉀離子占細胞內液陽離子總量的98%左右。鈉、鉀離子的相對平衡,維持著整個細胞的功能和結構的完整。鈉、鉀是人體內最主要的電解質成分... 
  13. ^ Kamil Perzyna; Regina Borkowska; Jaroslaw Syzdek; Aldona Zalewska; Wladyslaw Wieczorek. The effect of additive of Lewis acid type on lithium–gel electrolyte characteristics. Electrochimica Acta. 2011, 57: 58–65. doi:10.1016/j.electacta.2011.06.014 (英語). 
  14. ^ Jiangshui Luo; Annemette H. Jensen; Neil R. Brooks; Jeroen Sniekers; Martin Knipper; David Aili; Qingfeng Li; Bram Vanroy; Michael Wübbenhorst; Feng Yan; Luc Van Meervelt; Zhigang Shao; Jianhua Fang; Zheng-Hong Luo; Dirk E. De Vos; Koen Binnemans; Jan Fransaer. 1,2,4-Triazolium perfluorobutanesulfonate as an archetypal pure protic organic ionic plastic crystal electrolyte for all-solid-state fuel cells. 能源與環境科學(Energy & Environmental Science). 2015, 8. doi:10.1039/C4EE02280G (英語). 
  15. ^ 黃岳. 鐵屑電解法在電鍍污水處理中的應用. 化學世界. 1981, (8): 246 [2017-03-04]. ISSN 0367-6358 (中文). 
  16. ^ 16.0 16.1 16.2 16.3 羅天美. 強、弱電解質的辨析. 四川文理學院學報. 2007, 17 (S1): 149 [2017-03-03]. ISSN 1674-5248 (中文). 
  17. ^ 17.0 17.1 嚴宣申 (編). 電解質. 中國大百科全書. 28(化學卷). 中國大百科全書出版社: 155 (中文). 
  18. ^ 王丙利. 電解質氯化鉀的臨床應用. 中國醫學導報. 2005, 2 (17). ISSN 1673-7210. doi:10.3969/j.issn.1673-7210.2005.17.049 (中文). 
  19. ^ 李鴻. 也談醋酸鉛是弱電解質的實驗證明. 化學教學. 1999, (7): 46 [2017-02-28] (中文). 
  20. ^ 周金祥. 醋酸鉛是強電解質嗎. 化學教學. 1998, (10) [2017-02-28] (中文). 一、醋酸鉛儘管易溶於水,但屬弱電解質,在溶液中以分子狀... 
  21. ^ 21.0 21.1 周興偉. 有關電解質溶液的幾點疑問解析. 中學化學. 2014, 0 (7): 15 (中文). 
  22. ^ 潘傑; 晏乃強; 瞿贊; 徐浩淼; 馬永鵬; 陳萬苗; 黃文君; 趙松建. 濕法脫硫漿液中石膏與汞的結合特性模擬研究. 環境科學學報 (上海). 2015, 35 (3): 665. ISSN 0253-2468 (中文). 
  23. ^ 23.0 23.1 劉斌. 電解食鹽水的電極反應式該怎麼寫. 江蘇教育. 1989, (10): 1. ISSN 1005-6009 (中文). 

參見[編輯]

外部連結[編輯]