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Electrólito

Un electrolito es una sustancia que conduce la electricidad mediante el movimiento de iones , pero no mediante el movimiento de electrones . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] Esto incluye la ma...

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Un electrolito es una sustancia que conduce la electricidad mediante el movimiento de iones , pero no mediante el movimiento de electrones . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] Esto incluye la mayoría de las sales , ácidos y bases solubles , disueltos en un disolvente polar como el agua. Al disolverse, la sustancia se separa en cationes y aniones , que se dispersan uniformemente por todo el disolvente. [ 4 ] También existen electrolitos en estado sólido . En medicina y, a veces, en química, el término electrolito se refiere a la sustancia que se disuelve. [ 5 ] [ 6 ]

Eléctricamente, dicha solución es neutra. Si se le aplica un potencial eléctrico , los cationes se desplazan hacia el electrodo con mayor cantidad de electrones , mientras que los aniones se desplazan hacia el electrodo con menor cantidad de electrones. El movimiento de aniones y cationes en direcciones opuestas dentro de la solución constituye una corriente eléctrica. Algunos gases, como el cloruro de hidrógeno (HCl), en condiciones de alta temperatura o baja presión, también pueden funcionar como electrolitos. Las soluciones electrolíticas también pueden resultar de la disolución de algunos polímeros biológicos (por ejemplo, ADN , polipéptidos ) o sintéticos (por ejemplo, poliestireno sulfonato ), denominados " polielectrolitos ", que contienen grupos funcionales cargados . Una sustancia que se disocia en iones en solución o al fundirse adquiere la capacidad de conducir electricidad. El sodio , el potasio , el cloruro , el calcio , el magnesio y el fosfato en fase líquida son ejemplos de electrolitos.

En medicina, la reposición de electrolitos es necesaria cuando una persona presenta vómitos o diarrea prolongados , y como respuesta a la sudoración debida a una actividad física intensa. Existen soluciones electrolíticas comerciales, especialmente para niños enfermos (como la solución de rehidratación oral Suero Oral o Pedialyte ) y deportistas ( bebidas deportivas ). El control de los electrolitos es importante en el tratamiento de la anorexia y la bulimia .

En ciencia, los electrolitos son uno de los componentes principales de las celdas electroquímicas . [ 2 ]

En medicina clínica , las menciones a electrolitos suelen referirse metonímicamente a los iones y, especialmente, a sus concentraciones (en sangre, suero, orina u otros fluidos). Por lo tanto, las menciones a los niveles de electrolitos generalmente se refieren a las distintas concentraciones de iones, no a los volúmenes de fluidos.

Etimología

La palabra electrolito deriva del griego antiguo ήλεκτρο- ( ēlectro- ), prefijo que originalmente significaba ámbar, pero que en contextos modernos se relaciona con la electricidad, y λυτός ( lytos ), que significa "que se puede separar". [ 7 ]

Historia

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

En su disertación de 1884, Svante Arrhenius presentó su explicación de la disociación de sales cristalinas sólidas en partículas cargadas apareadas al disolverse, por la cual ganó el Premio Nobel de Química de 1903. [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] La explicación de Arrhenius fue que, al formar una disolución, la sal se disocia en partículas cargadas, a las que Michael Faraday (1791-1867) había dado el nombre de " iones " muchos años antes. Faraday creía que los iones se producían en el proceso de electrólisis . Arrhenius propuso que, incluso en ausencia de una corriente eléctrica, las disoluciones de sales contenían iones. Por lo tanto, propuso que las reacciones químicas en disolución eran reacciones entre iones. [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]

Poco después de la hipótesis de Arrhenius sobre los iones, Franz Hofmeister y Siegmund Lewith [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] descubrieron que los distintos tipos de iones presentaban diferentes efectos sobre aspectos como la solubilidad de las proteínas. En muchos otros sistemas también se observa un ordenamiento consistente de estos iones según la magnitud de su efecto. Este ordenamiento se conoce como la serie de Hofmeister .

Aunque los orígenes de estos efectos no están del todo claros y se han debatido a lo largo del último siglo, se ha sugerido que la densidad de carga de estos iones es importante [ 15 ] y que podría tener explicaciones que se originan en el trabajo de Charles-Augustin de Coulomb hace más de 200 años.

Formación

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

NaCl (s) → Na + (acuoso) + Cl − (acuoso)

También es posible que las sustancias reaccionen con el agua, produciendo iones. Por ejemplo, el dióxido de carbono se disuelve en agua para producir una solución que contiene iones hidronio , carbonato e hidrogenocarbonato . [ 16 ]

Las sales fundidas también pueden ser electrolitos, ya que, por ejemplo, cuando el cloruro de sodio se funde, el líquido conduce la electricidad. En particular, los líquidos iónicos , que son sales fundidas con puntos de fusión inferiores a 100  °C, [ 17 ] 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. [ 18 ] Además, los electrolitos altamente concentrados, o electrolitos de disolvente en sal, son un tipo de electrolito prometedor en el que la concentración de sal supera los 3 M. [ 19 ]

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 electrólisis para extraer los elementos y compuestos constituyentes de la solución. [ 20 ]

Los metales alcalinotérreos forman hidróxidos que son electrolitos fuertes con solubilidad limitada en agua, debido a la fuerte atracción entre sus iones constituyentes. Esto limita su aplicación a situaciones donde se requiere alta solubilidad. [ 21 ]

En 2021, los investigadores descubrieron que el electrolito puede "facilitar sustancialmente los estudios de corrosión electroquímica en medios menos conductores". [ 22 ]

Importancia fisiológica

En fisiología , los iones primarios de los electrolitos son sodio ( Na + ), potasio (K + ), calcio (Ca2 + ), magnesio (Mg2 + ), cloruro (Cl− ) , fosfato de hidrógeno (HPO42− ) y carbonato de hidrógeno (HCO3− ) . [ 23 ] Los símbolos de carga eléctrica 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; [ 24 ] ambos participan en el equilibrio de líquidos y el control de la presión arterial . [ 25 ]

Todas las formas de vida multicelulares conocidas requieren un equilibrio electrolítico sutil y complejo entre los entornos intracelular y extracelular . [ 23 ] En particular, el mantenimiento de gradientes osmóticos precisos de electrolitos es importante. Dichos gradientes afectan y regulan la hidratación del cuerpo, así como el pH sanguíneo , y son fundamentales para la función nerviosa y muscular . En las especies vivas existen diversos mecanismos que mantienen las concentraciones de diferentes electrolitos bajo un control estricto. [ 26 ]

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 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 (Ca²⁺ ) , sodio (Na⁺ ) y potasio (K⁺ ) . Sin niveles suficientes de estos electrolitos clave, puede producirse debilidad muscular o contracciones musculares severas. [ 27 ]

El equilibrio electrolítico se mantiene mediante la ingesta oral o, en casos de emergencia, intravenosa (IV) de sustancias que contienen electrolitos, y está regulado por hormonas , generalmente con los riñones eliminando los niveles excesivos. En los seres humanos, la homeostasis electrolítica está regulada por hormonas como la hormona antidiurética , la aldosterona y la hormona paratiroidea . Los trastornos electrolíticos graves , 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 diagnóstico común, realizado mediante análisis de sangre con electrodos selectivos de iones o análisis de orina por técnicos médicos . La interpretación de estos valores es en cierto modo inútil sin el análisis de la historia clínica y, a menudo, imposible sin mediciones paralelas de la función renal . Los electrolitos que se miden con mayor frecuencia son el sodio y el potasio. Los niveles de cloruro rara vez se miden, excepto en las interpretaciones de gases en sangre arterial, ya que están intrínsecamente ligados a los niveles de sodio. Una prueba importante que se realiza en la orina es la prueba de densidad específica para determinar la presencia de un desequilibrio electrolítico .

Las celdas de conductividad son otro tipo de herramientas utilizadas para medir la capacidad de la solución electrolítica para conducir electricidad. [ 28 ]

Rehidratación

Según un estudio financiado por el Instituto de Ciencias del Deporte Gatorade , las bebidas electrolíticas 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 / hiperhidrosis (sudoración abundante), la diarrea, los vómitos, la intoxicación o la inanición; el estudio indica que los atletas que se ejercitan en condiciones extremas (durante tres o más horas continuas, por ejemplo, un maratón o un triatlón ) y que no consumen electrolitos corren el riesgo de deshidratarse (o sufrir hiponatremia ). [ 29 ]

Se puede preparar una bebida electrolítica casera utilizando agua, azúcar y sal en proporciones precisas . [ 30 ] Es importante incluir glucosa (azúcar) para aprovechar el mecanismo de cotransporte de sodio y glucosa . También existen preparados comerciales [ 31 ] para uso humano y veterinario.

Los electrolitos se encuentran comúnmente en los zumos de frutas , las bebidas deportivas, la leche, los frutos secos y muchas frutas y verduras (enteras o en forma de zumo) (por ejemplo, patatas, aguacates ).

Electroquímica

Cuando se colocan electrodos en un electrolito y se aplica un voltaje , el electrolito conduce la electricidad. Los electrones libres normalmente no pueden atravesar el electrolito; en cambio, se produce una reacción química en el cátodo , que proporciona electrones al electrolito. Otra reacción tiene lugar en el ánodo , que consume electrones del electrolito. Como resultado, se desarrolla una nube de carga negativa en el electrolito alrededor del cátodo y una carga positiva alrededor del ánodo. Los iones del electrolito neutralizan estas cargas, lo que permite que los electrones sigan fluyendo y que las reacciones continúen. [ 32 ]

Celda electrolítica que produce cloro (Cl₂ ) 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 el gas hidrógeno burbujeará; la reacción del ánodo es

2 NaCl → 2 Na + + Cl 2 + 2e −

y el gas cloro se liberará en la solución donde reacciona con los iones sodio e hidroxilo para producir hipoclorito de sodio , el blanqueador doméstico . Los iones sodio con carga positiva Na + reaccionarán hacia el cátodo, neutralizando la carga negativa de OH− allí , y los iones hidróxido con carga negativa 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 tarda más que el movimiento de los iones de sal, mucho más abundantes.

Los electrolitos se disocian en agua porque las moléculas de agua son dipolos y estos se orientan de manera energéticamente favorable para solvatar los iones. [ 33 ]

En otros sistemas, las reacciones de los electrodos pueden involucrar tanto a los metales de los electrodos como a los iones del electrolito. [ 34 ]

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 dos materiales con diferentes afinidades electrónicas como electrodos; los electrones fluyen de un electrodo al otro fuera de la batería, mientras que dentro de la batería el circuito se cierra por los iones del electrolito. Aquí, las reacciones electroquímicas convierten la energía química en energía eléctrica. [ 35 ]
  • En algunas pilas de combustible , un electrolito sólido o conductor de protones conecta eléctricamente las placas manteniendo separados los gases combustibles de hidrógeno y oxígeno. [ 36 ]
  • En los tanques de galvanoplastia , el electrolito deposita simultáneamente metal sobre el objeto que se va a recubrir y conecta eléctricamente dicho objeto en el circuito.
  • En los medidores de horas de funcionamiento, dos finas columnas de mercurio están separadas por un pequeño espacio lleno de electrolito y, a medida que pasa carga a través del dispositivo, el metal se disuelve en un lado y se deposita en el otro, lo que provoca que el espacio visible se desplace lentamente.
  • 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 del 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 haciendo pasar una gran corriente eléctrica a través de él.

electrolitos sólidos

Los electrolitos sólidos se pueden dividir principalmente en cuatro grupos que se describen a continuación.

Electrolitos en gel

Electrolitos en gel: se asemejan mucho a los electrolitos líquidos. En esencia, son líquidos en una estructura reticular flexible. A menudo se aplican diversos aditivos para aumentar la conductividad de estos sistemas. [ 35 ] [ 37 ]

electrolitos cerámicos

Electrolitos cerámicos sólidos: los iones migran a través de la fase cerámica mediante vacantes o intersticiales dentro de la red cristalina . También existen electrolitos vitrocerámicos . [ 38 ]

electrolitos poliméricos

Los electrolitos poliméricos secos se diferencian de los electrolitos líquidos y en gel en que la sal se disuelve directamente en el medio sólido. Generalmente se trata de un polímero con una constante dieléctrica relativamente alta ( PEO , PMMA , PAN , polifosfacenos , siloxanos , etc.) y una sal con baja energía reticular . Para aumentar la resistencia mecánica y la conductividad de estos electrolitos, a menudo se fabrican compuestos y se introduce una fase cerámica inerte. Existen dos clases principales de estos electrolitos: polímero en cerámica y cerámica en polímero. [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]

electrolitos plásticos orgánicos

Los cristales plásticos iónicos orgánicos son un tipo de sales orgánicas que exhiben mesofases (es decir, un estado de la materia intermedio entre líquido y sólido), en las que los iones móviles están desordenados orientacional o rotacionalmente mientras que sus centros se encuentran en los sitios ordenados en la estructura cristalina. [ 36 ] Tienen varias formas de desorden debido a una o más transiciones de fase sólido-sólido por debajo del punto de fusión y, por lo tanto, tienen propiedades plásticas y buena flexibilidad mecánica, así como un contacto interfacial electrodo-electrolito mejorado. En particular, los cristales plásticos iónicos orgánicos protónicos (POIPC), [ 36 ] que son sales orgánicas protónicas sólidas formadas por transferencia de protones de un ácido de Brønsted a una base de Brønsted y que en esencia son líquidos iónicos protónicos en estado fundido , han encontrado ser conductores de protones de estado sólido prometedores para pilas de combustible . Ejemplos incluyen el perfluorobutanosulfonato de 1,2,4-triazolio [ 36 ] y el metanosulfonato de imidazolio . [ 42 ]

Véase también

Referencias

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