Un electrolito es un medio que contiene iones y que es conductor de electricidad a través del movimiento de esos iones, pero no conduce 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 aplica un potencial eléctrico a dicha solución, los cationes de la solución son atraídos hacia el electrodo que tiene abundancia de electrones , mientras que los aniones son atraídos hacia el electrodo que tiene un déficit de electrones. El movimiento de aniones y cationes en direcciones opuestas dentro de la solución equivale a una corriente. Algunos gases, como el cloruro de hidrógeno (HCl), en condiciones de alta temperatura o baja presión también pueden funcionar como electrolitos. [ se necesita aclaración ] Las soluciones de electrolitos también pueden resultar de la disolución de algunos polímeros biológicos (p. ej., ADN , polipéptidos ) o sintéticos (p. ej., poliestireno sulfonato ), denominados " polielectrolitos ", que contienen grupos funcionales cargados . Una sustancia que se disocia en iones en solución o en estado fundido 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, el reemplazo de electrolitos es necesario cuando una persona tiene vómitos o diarrea prolongados y como respuesta a la sudoración debida a una actividad atlética extenuante. Hay soluciones comerciales de electrolitos disponibles, especialmente para niños enfermos (como 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 .
En ciencia, los electrolitos son uno de los principales componentes 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 de niveles de electrolitos generalmente se refieren a las distintas concentraciones de iones, no a los volúmenes de líquido.
La palabra electrolito deriva del griego antiguo ήλεκτρο- ( ēlectro -), prefijo relacionado con la electricidad, y λυτός ( lytos ), que significa "capaz de desatar o aflojar". [7]
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. [8] [9] [10] [11] 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 era que los iones se producían en el proceso de electrólisis . Arrhenius propuso que, incluso en ausencia de corriente eléctrica, las soluciones de sales contenían iones. Por tanto, propuso que las reacciones químicas en solución eran reacciones entre iones. [9] [10] [11]
Poco después de la hipótesis de los iones de Arrhenius, Franz Hofmeister y Siegmund Lewith [12] [13] [14] descubrieron que diferentes tipos de iones mostraban diferentes efectos sobre aspectos tales como la solubilidad de las proteínas. También en muchos otros sistemas se produce una ordenación coherente de estos diferentes iones según la magnitud de su efecto. Desde entonces, esto se conoce como la serie Hofmeister .
Si bien los orígenes de estos efectos no están muy claros y han sido debatidos a lo largo del siglo pasado, se ha sugerido que la densidad de carga de estos iones es importante [15] y en realidad podría tener explicaciones que se originen en el trabajo de Charles-Augustin de Coulomb. hace más de 200 años.
Las soluciones de electrolitos normalmente se forman cuando se coloca sal en un solvente como el agua y los componentes individuales se disocian debido a las interacciones termodinámicas entre las moléculas del solvente y el soluto, en un proceso llamado " solvatación ". Por ejemplo, cuando se coloca sal de mesa ( cloruro de sodio ), NaCl, en agua, la sal (un sólido) se disuelve en los iones que la componen, según la reacción de disociación [ cita necesaria ]
También es posible que las sustancias reaccionen con el agua y produzcan iones. Por ejemplo, el gas dióxido de carbono se disuelve en agua para producir una solución que contiene iones hidronio , carbonato y carbonato de hidrógeno . [ cita necesaria ]
Las sales fundidas también pueden ser electrolitos, ya que, por ejemplo, cuando se funde el cloruro de sodio, el líquido conduce electricidad. En particular, los líquidos iónicos, que son sales fundidas con puntos de fusión inferiores a 100 °C, [16] 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. [17]
Un electrolito en una solución puede describirse como "concentrado" si tiene una alta concentración de iones, o "diluido" si tiene una concentración baja. Si una proporción elevada 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 se pueden aprovechar mediante electrólisis para extraer elementos constituyentes y compuestos contenidos en la solución. [ cita necesaria ]
Los metales alcalinotérreos forman hidróxidos que son electrolitos fuertes con solubilidad limitada en agua, debido a la fuerte atracción entre los iones que los constituyen. Esto limita su aplicación a situaciones en las que se requiere una alta solubilidad. [18]
En 2021, los investigadores descubrieron que el electrolito puede "facilitar sustancialmente los estudios de corrosión electroquímica en medios menos conductores". [19]
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− ), y carbonato de hidrógeno (HCO 3 − ). [20] [ verificación fallida ] 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; [21] ambos están involucrados en el equilibrio de líquidos y el control de la presión arterial . [22]
Todas las formas de vida multicelulares conocidas requieren un equilibrio electrolítico sutil y complejo entre los entornos intracelular y extracelular . [20] 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 . En las especies vivas existen varios mecanismos que mantienen bajo estricto control las concentraciones de diferentes electrolitos. [ cita necesaria ]
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 (Ca 2+ ), sodio (Na + ) y potasio (K + ). Sin niveles suficientes de estos electrolitos clave, pueden producirse debilidad muscular o contracciones musculares graves. [ cita necesaria ]
El equilibrio de electrolitos se mantiene mediante la ingesta oral o, en casos de emergencia, por vía intravenosa (IV) de sustancias que contienen electrolitos, y está regulado por hormonas , en general, cuando los riñones eliminan los niveles excesivos. En los seres humanos, la homeostasis de los electrolitos está regulada por hormonas como las hormonas antidiuréticas , la aldosterona y las hormonas paratiroideas . Los trastornos electrolíticos graves , como la deshidratación y la sobrehidratación , pueden provocar complicaciones cardíacas y neurológicas y, a menos que se resuelvan rápidamente, resultarán en una emergencia médica .
La medición de electrolitos es un procedimiento de diagnóstico que se realiza comúnmente mediante análisis de sangre con electrodos de iones selectivos o análisis de orina realizados por tecnólogos médicos . La interpretación de estos valores carece de sentido sin el 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 el sodio y el potasio. Los niveles de cloruro rara vez se miden, excepto para las interpretaciones de los gases en sangre arterial , ya que están inherentemente relacionados con 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 . [ cita necesaria ]
En la terapia de rehidratación oral , 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 (sudoración intensa), la diarrea, los vómitos, la intoxicación o el hambre. Los atletas que hacen ejercicio en condiciones extremas (durante tres o más horas seguidas, por ejemplo, un maratón o un triatlón ) que no consumen electrolitos corren el riesgo de deshidratarse (o hiponatremia ). [23]
Se puede elaborar una bebida electrolítica casera utilizando agua, azúcar y sal en proporciones precisas . [24] Es importante incluir glucosa (azúcar) para utilizar el mecanismo de cotransporte de sodio y glucosa. También hay disponibles preparaciones comerciales [25] para uso humano y veterinario.
Los electrolitos se encuentran comúnmente en los jugos de frutas , bebidas deportivas, leche, nueces y muchas frutas y verduras (enteras o en jugo) (p. ej., papas, aguacates ).
Cuando se colocan electrodos en un electrolito y se aplica un voltaje , el electrolito conducirá electricidad. Los electrones solitarios normalmente no pueden atravesar el electrolito; en cambio, se produce una reacción química en el cátodo , proporcionando 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 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. [ cita necesaria ]
Por ejemplo, en una solución de sal de mesa común (cloruro de sodio, NaCl) en agua, la reacción catódica será
y el gas hidrógeno burbujeará; la reacción del ánodo es
y el cloro gaseoso se liberará en una solución donde reaccionará con los iones sodio e hidroxilo para producir hipoclorito de sodio ( lejía doméstica ). Los iones de sodio Na + cargados positivamente reaccionarán hacia el cátodo, neutralizando la carga negativa de OH − allí, y los iones de hidróxido OH − cargados negativamente 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 hasta 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 tanto a los metales de los electrodos como a los iones del electrolito.
Los conductores electrolíticos se utilizan en dispositivos electrónicos donde la reacción química en una interfaz metal-electrolito produce efectos útiles.
Los electrolitos sólidos se pueden dividir principalmente en cuatro grupos que se describen a continuación.
Electrolitos en gel: se parecen mucho a los electrolitos líquidos. En esencia, son líquidos en una estructura reticular flexible . A menudo se aplican varios aditivos para aumentar la conductividad de dichos sistemas. [26] [28]
Electrolitos poliméricos secos: se diferencian de los electrolitos líquidos y en gel en el sentido de que la sal se disuelve directamente en el medio sólido. Suele ser 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 dichos electrolitos, muy a menudo se utilizan compuestos y se introduce una fase cerámica inerte. Hay dos clases principales de este tipo de electrolitos: polímero en cerámica y cerámica en polímero. [29] [30] [31]
Electrolitos cerámicos sólidos: los iones migran a través de la fase cerámica por medio de vacantes o intersticiales dentro de la red . También existen electrolitos vitrocerámicos.
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 el que los iones móviles están desordenados en términos de orientación o rotación, mientras que sus centros están ubicados en sitios ordenados en la estructura cristalina. [27] 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 mejor contacto interfacial entre electrodo y electrolito. En particular, los cristales plásticos iónicos orgánicos próticos (POIPC), [27] que son sales orgánicas próticas sólidas formadas por transferencia de protones de un ácido de Brønsted a una base de Brønsted y, en esencia, son líquidos iónicos próticos en estado fundido , han resultado ser prometedores. Conductores de protones de estado sólido para pilas de combustible . Los ejemplos incluyen perfluorobutanosulfonato de 1,2,4-triazolio [27] y metanosulfonato de imidazolio. [32]
胞内液阳离子总量98% de garantía.电解质成分...
Medios relacionados con electrolitos en Wikimedia Commons