אלקטרוליט
אלקטרוליט הוא כל חומר המכיל יונים חופשיים ופועל כמדיום מוליך חשמלי. בדרך כלל אלקטרוליטים הם יונים בתמיסה, ולכן ידועים גם בכינוי "תמיסות יוניות"; למרות זאת, קיימים גם אלקטרוליטים מותכים, ואלקטרוליטים מוצקים, כמו פולימרים מסוימים.
עקרונות
עריכהאלקטרוליטים הם בדרך כלל תמיסות של חומצה, בסיס או מלח. בנוסף, ישנם מספר גזים שיכולים לשמש כאלקטרוליטים, בתנאים של טמפרטורה גבוהה או לחץ נמוך. ניתן ליצור תמיסות אלקטרוליטיות גם באמצעות המסה של פולימרים ביולוגיים (כמו DNA או פוליפפטידים) או מלאכותיים (כמו סודיום פוליסטירן סולפונט), המכונים פוליאלקטרוליטים (אנ'), להם מספר קבוצות פונקציונליות טעונות. הממס בתמיסה יכול להיות מים, או ממסים אורגניים. כאמור, קיימים גם אלקטרוליטים מוצקים.
האלקטרוליט יכול להיות מרוכז או מהול, בהתאם לריכוז היונים בתמיסה. אם חלק גדול מהמומס מתפרק בתמיסה ליונים חופשיים, האלקטרוליט "חזק"; אם רוב המומס לא מתפרק - זהו אלקטרוליט "חלש". ניתן לנצל את תכונות האלקטרוליט בתהליכי אלקטרוליזה, להפקת יסודות כימיים ותרכובות כימיות בתמיסה.
אלקטרוכימיה
עריכהכאשר מציבים אלקטרודות באלקטרוליט ויוצרים הפרש מתח חשמלי, האלקטרוליט יוליך זרם חשמלי. אלקטרונים בודדים אינם יכולים לעבור דרך האלקטרוליט; במקום זאת, מתרחשת תגובה כימית בקתודה, המכלה אלקטרונים, ובמקביל תגובה כימית באנודה, בה מתווספים אלקטרונים לאנודה. כתוצאה, מתפתח מטען חשמלי שלילי באלקטרוליט סביב הקתודה, וחיובי סביב האנודה. היונים באלקטרוליט נעים כדי לנטרל את הצטברות המטען, שלולא כן הייתה גורמת להפסקת הזרם החשמלי (הצטברות המטען הייתה מפעילה כוח נגדי לכוח המניע של תנועת האלקטרונים, הוא המתח החשמלי).
לדוגמה, בתמיסה של מלח בישול (נתרן כלוריד) במים, התגובה הקתודית תהיה:
- 2H2O + 2e− → 2OH− + H2
וייפלט גז מימן; התגובה האנודית תהיה:
- −2H2O → O2 + 4H+ + 4e
וייפלט גז חמצן. יוני הנתרן הטעונים חיובית (+Na) ינועו לכיוון הקתודה, וינטרלו את המטען השלילי של יוני ההידרוקסיד (−OH) לידה; יוני הכלוריד הטעונים שלילית (−Cl) ינועו לכיוון האנודה וינטרלו את המטען החיובי של יוני ההידרוניום (+H) לידה. ללא היונים של האלקטרוליט, המטענים יצטברו סביב האלקטרודות, ויאטו את מעבר הזרם; דיפוזיה של יוני הידרוניום והידרוקסיד מאלקטרודה אחת לשנייה לוקחת זמן ארוך יותר מתנועה של יוני המלח הרבים בתמיסה, אותם ניתן למצוא קרוב לשתי האלקטרודות.
במערכות אחרות, התגובות באלקטרודות עשויות לכלול את המתכות מהן עשויות האלקטרודות וגם את היונים של האלקטרוליט. אלקטרוליט שהיונים שלו אינם מגיבים כימית, אלא רק נעים למיסוך המטענים, נקרא "אלקטרוליט אינרטי" או "אלקטרוליט מסייע".
חשיבות פיזיולוגית
עריכהבפיזיולוגיה, היונים האלקטרוליטיים העיקריים הם נתרן (+Na), אשלגן (+K), סידן (2+Ca), מגנזיום (2+Mg), כלוריד (-Cl), פוספט (PO4-3), ומימן קרבונט (-HCO3).
כל צורות החיים המפותחות זקוקות לאיזון אלקטרוליטים בין הסביבה הפנים-תאית לסביבה החוץ-תאית. בפרט, חשובה השמירה על גרדיאנט אוסמוטי מדויק של האלקטרוליטים. גרדיאנטים אלה מווסתים את ההידרציה של הגוף, את חומציות הדם, ובעלי חשיבות עליונה לפעילות עצבית ושרירית. התפתחו כמה מנגנונים לבקרה מדויקת על ריכוז האלקטרוליטים השונים.
אלקטרוליטים יכולים להיכנס אל התא או לצאת ממנו בעזרת מבני חלבון מותאמים בממברנת התא, בשם תעלות יונים. לדוגמה, התכווצות שרירים תלויה בנוכחות יוני סידן, נתרן ואשלגן. אם רמות האלקטרוליטים הללו נמוכות מדי, השרירים עשויים להיות חלשים, או להתכווץ בצורה חזקה מדי.
הגוף מווסת את מאזן המלחים בעזרת הורמונים, כאשר הכליות משמשות לסילוק עודפי יונים. בבני אדם, ההומאוסטזיס האלקטרוליטי מבוקר בעזרת הורמונים כמו ADH, אלדוסטרון ו-PTH (הורמון המופרש על ידי הפאראתירואיד). חוסר איזון אלקטרוליטי קיצוני, כמו זה שנגרם במצבי התייבשות או הרעלת מים, עלול להוביל לסיבוכים לבביים או עצביים.
מדידה
עריכהמדידת אלקטרוליטים היא הליך אבחוני נפוץ, אותו מבצעים בבדיקת דם או שתן בעזרת כלים כמו אלקטרודה סלקטיבית. פיענוח הערכים המתקבלים תלוי מאוד בהיסטוריה הרפואית של הנבדק, ותלוי לעיתים קרובות בבדיקת תפקוד כליות. האלקטרוליטים הנמדדים ביותר הם נתרן ואשלגן. מדידת כלוריד נעשית רק לעיתים רחוקות, פרט לפענוח בדיקת גזים בדם עורקי, כיוון שכלורידים קשורים ישירות לריכוז הנתרן. בדיקה נפוצה בשתן היא בדיקת משקל סגולי, המסייעת לזהות חוסר איזון אלקטרוליטי.
שימושים
עריכהניתן למצוא אלקטרוליטים במתקנים אלקטרוניים רבים:
- בסוללה חשמלית טיפוסית, משתמשים במתכות בעלות זיקה אלקטרונית שונה כאלקטרודות; האלקטרונים זורמים מאלקטרודה אחת לשנייה מחוץ לסוללה, ובתוכה המעגל החשמלי נסגר בעזרת יוני האלקטרוליט. כאן התגובות הכימיות מנצלות אנרגיה כימית האגורה באלקטרוליט.
- בחלק מתאי הדלק, משתמשים באלקטרוליט מוצק או מוליך פרוטונים כדי לחבר את הלוחות חשמלית, אך לשמור על ההפרדה בין גזי החמצן והמימן.
- במכלי ציפוי אלקטרוכימי, האלקטרוליט משקע מתכת על העצם אותו רוצים לצפות, וגם סוגר את המעגל החשמלי בינו לאלקטרודה השנייה.
- בקבל אלקטרוליטי האפקט הכימי משמש ליצירת ציפוי דיאלקטרי (או מבודד חשמלי) דק ביותר, בעוד השכבה האלקטרוליטית משמשת כלוח קבל אחד.
- קיימים מדי לחות בהם מודדים את לחות האוויר על ידי מדידת המוליכות של אלקטרוליט כמעט יבש לגמרי.
- זכוכית חמה ומרוככת היא מוליך אלקטרוליטי; כאשר רוצים לשמור על הזכוכית במצב מותך, חלק מיצרני הזכוכית מעבירים בה זרם חשמלי חזק.
קישורים חיצוניים
עריכה
- אלקטרוליט, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
אלקטרוליטים, דף שער בספרייה הלאומית