Electrólito
Sólidos iónicos cuya disociación en agua libera iones que transportan la corriente eléctrica en solución.

Un electrolito es una sustancia que conduce electricidad a través del movimiento de iones , pero no a través del movimiento de electrones . [1] [2] [3] Esto incluye la mayoría de las sales solubles , ácidos y bases , disueltas 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, una solución de este tipo es neutra. Si se aplica un potencial eléctrico a dicha solución, los cationes de la solución son atraídos hacia el electrodo que tiene una 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. [ aclaración necesaria ] Las soluciones electrolíticas también pueden resultar de la disolución de algunos polímeros biológicos (p. ej., ADN , polipéptidos ) o sintéticos (p. ej., sulfonato de poliestireno ), denominados " polielectrolitos ", que contienen grupos funcionales cargados . Una sustancia que se disocia en iones en solución o en la masa fundida 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 tiene vómitos o diarrea prolongados y como respuesta a la sudoración debido a una actividad atlética extenuante. Existen soluciones comerciales de electrolitos, en particular para niños enfermos (como la solución de rehidratación oral , Suero Oral o Pedialyte ) y para deportistas ( bebidas deportivas ). El control de 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 los electrolitos suelen hacer referencia metonímica 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 suelen referirse a las diversas 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 relacionaba con la electricidad, y λυτός ( lytos ), que significa "capaz de desatarse o soltarse". [ cita requerida ]

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 tesis de 1884, Svante Arrhenius expuso su explicación de la disocia de las sales cristalinas sólidas en partículas cargadas apareadas cuando se disuelven, por la que ganó el Premio Nobel de Química en 1903. [7] [8] [9] [10] 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 una corriente eléctrica, las soluciones de sales contenían iones. Por lo tanto, propuso que las reacciones químicas en solución eran reacciones entre iones. [8] [9] [10]

Poco después de la hipótesis de los iones de Arrhenius, Franz Hofmeister y Siegmund Lewith [11] [12] [13] descubrieron que los distintos tipos de iones mostraban efectos diferentes sobre cuestiones como la solubilidad de las proteínas. En muchos otros sistemas también se observa un orden consistente de estos distintos iones en función de la magnitud de su efecto. Desde entonces, esto se conoce como la serie de Hofmeister .

Si bien los orígenes de estos efectos no están del todo claros y han sido debatidos durante el siglo pasado, se ha sugerido que la densidad de carga de estos iones es importante [14] y, en realidad, podría tener explicaciones que se originaron en el trabajo de Charles-Augustin de Coulomb hace más de 200 años.

Formación

Las soluciones electrolíticas se forman normalmente cuando se coloca 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 coloca sal de mesa ( cloruro de sodio ), NaCl, en agua, la sal (un sólido) se disuelve en sus iones componentes, según la reacción de disociación: [ cita requerida ]

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

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

Las sales fundidas también pueden ser electrolitos, como por ejemplo el cloruro de sodio fundido, que conduce la electricidad. En particular, los líquidos iónicos, que son sales fundidas con puntos de fusión inferiores a 100 °C, [15] 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. [16]

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 gran 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 constituyentes y los compuestos contenidos en la solución. [ cita requerida ]

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. [17]

En 2021, los investigadores descubrieron que el electrolito puede "facilitar sustancialmente los estudios de corrosión electroquímica en medios menos conductores". [18]

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− ) e hidrogenocarbonato (HCO3− ) . [ 19] [ 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; [20] ambos están involucrados en el equilibrio de líquidos y el control de la presión arterial . [21]

Todas las formas de vida multicelulares conocidas requieren un equilibrio electrolítico sutil y complejo entre los entornos intracelular y extracelular . [19] En particular, es importante mantener 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 un estricto control. [22]

Tanto el tejido muscular como las neuronas se consideran tejidos eléctricos del cuerpo. Los músculos y las neuronas se activan por 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 proteínicas 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 producirse debilidad muscular o contracciones musculares graves. [ cita requerida ] [23]

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 , en general, los riñones eliminan los niveles excesivos. En los seres humanos, la homeostasis electrolítica 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, darán lugar a una emergencia médica .

Medición

La medición de electrolitos es un procedimiento de diagnóstico que se realiza con frecuencia mediante análisis de sangre con electrodos selectivos de iones o análisis de orina por parte de 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 el sodio y el potasio. Los niveles de cloruro rara vez se miden, excepto para la interpretación de los gases en sangre arterial, ya que están inherentemente 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 . [ cita requerida ]

Rehidratación

Según un estudio financiado por el Gatorade Sports Science Institute , 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 la inanición; el estudio dice que los atletas que se ejercitan en condiciones extremas (durante tres o más horas de forma continua, por ejemplo, un maratón o un triatlón ) que no consumen electrolitos corren el riesgo de sufrir deshidratación (o hiponatremia ). [24] [ Necesita confirmación independiente ]

Se puede preparar una bebida casera de electrolitos utilizando agua, azúcar y sal en proporciones precisas . [25] Es importante incluir glucosa (azúcar) para utilizar el mecanismo de cotransporte de sodio y glucosa. También existen preparaciones comerciales disponibles [26] tanto para uso humano como 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) (por ejemplo, papas, aguacates ).

Electroquímica

Cuando se colocan electrodos en un electrolito y se aplica un voltaje , el electrolito conduce la electricidad. Los electrones solitarios normalmente no pueden pasar a través del electrolito; en cambio, se produce una reacción química en el cátodo , que proporciona electrones al electrolito. Otra reacción se produce 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 en el electrolito neutralizan estas cargas, lo que permite que los electrones sigan fluyendo y que las reacciones continúen. [ cita requerida ]

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 de mesa común (cloruro de sodio, NaCl) en agua, la reacción del cátodo será

2H2O + 2e− → 2OH− + H2​

y el gas hidrógeno burbujeará; la reacción del ánodo es

2 NaCl → 2 Na + + Cl 2 + 2e −

y el gas cloro se liberará en solución donde reacciona con los iones sodio e hidroxilo para producir hipoclorito de sodio - blanqueador doméstico . Los iones de sodio con carga positiva Na + reaccionarán hacia el cátodo, neutralizando la carga negativa de OH − allí, y los iones de 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 al otro electrodo tarda más 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 los metales de los electrodos 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 distintas afinidades electrónicas; los electrones fluyen de un electrodo al otro fuera de la batería, mientras que dentro de la misma el circuito se cierra por los iones del electrolito. Aquí, las reacciones de los electrodos convierten la energía química en energía eléctrica. [27]
  • En algunas celdas de combustible , un electrolito sólido o un conductor de protones conecta las placas eléctricamente mientras mantiene separados los gases combustibles de hidrógeno y oxígeno. [28]
  • En los tanques de galvanoplastia , el electrolito deposita simultáneamente metal sobre el objeto a recubrir y conecta eléctricamente ese objeto en el circuito.
  • En los medidores de horas de funcionamiento, dos delgadas columnas 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 plaquea en el otro, lo que hace que el espacio visible se mueva lentamente.
  • En los condensadores electrolíticos se aprovecha el efecto químico para producir una capa dieléctrica o aislante extremadamente fina, 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 pasando una gran corriente 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 parecen mucho a los electrolitos líquidos. En esencia, son líquidos en un marco reticular flexible . A menudo se aplican diversos aditivos para aumentar la conductividad de dichos sistemas. [27] [29]

Electrolitos cerámicos

Electrolitos cerámicos sólidos: los iones migran a través de la fase cerámica por medio de huecos o intersticios dentro de la red . También existen electrolitos cerámicos vítreos .

Electrolitos poliméricos

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. Por lo general, 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 dichos electrolitos, muy a menudo se fabrican compuestos y se introduce una fase cerámica inerte. Hay dos clases principales de dichos electrolitos: polímero en cerámica y cerámica en polímero. [30] [31] [32]

Electrolitos plásticos orgánicos

Cristales plásticos iónicos orgánicos: son un tipo de sales orgánicas que presentan mesofases (es decir, un estado de la materia intermedio entre líquido y sólido), en el que los iones móviles están desordenados orientacional o rotacionalmente mientras que sus centros se encuentran en los sitios ordenados en la estructura cristalina. [28] 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 próticos (POIPC), [28] 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 en estado sólido para celdas de combustible . Los ejemplos incluyen perfluorobutanosulfonato de 1,2,4-triazolio [28] y metanosulfonato de imidazolio . [33]

Véase también

Referencias

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  • Medios relacionados con Electrolitos en Wikimedia Commons
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