电解质

电解质（英文：electrolyte）是指在水溶液或熔融状态下能够导电的化合物。电解质分为强电解质和弱电解质两类。在水溶液中能全部电离的电解质称为强电解质，导电能力很强；在水溶液中只有一部分电离成阴，大部分以分子形式存在，导电能力较弱，属于弱电解质。水是极弱的电解质。但也存在有固体电解质，它是一类介于普通固体与液体之间的特殊固体材料，由于其粒子在固体中具有类似于液体中离子的快速迁移特性，因此又称“快离子导体”或“固体电解质”。

发展历程

电解质一词是由法拉第（Michael Faraday）于1834年提出的，当时他发表了两个电解定律，并对其进行了数学上的解释：（1）在电极上（即两相界面上）物质发生化学变化的物质的量与通入的电荷量成正比；（2）若将几个电解池串联，通入一定的电荷量后，在各个电解池的电极上发生化学变化的物质的量都相等。法拉第的观点是离子是在电解过程中产生的。但阿仑尼乌斯（Svante Arrhenius）的解释是在形成溶液时，即使没有电流流过溶液，也会分离或解离成带电粒子或离子。这种研究电解质的全新方法首先遭到反对，但在阿仑尼乌斯和奥斯特瓦尔德（Ostwald）的努力下该理论逐渐获得认可。同时他也提出了溶液中的化学反应是离子之间的反应。尽管电解质已不是通电分解的物质，但人们至今仍然沿用电解质的名称。

电解质与非电解质区别

电解质是指在水溶液中或熔融状态下能导电的化合物，例如NaOH，H₂SO₄等都是电解质，但不包括像铁、铜、铝等金属单质或石墨、硫磺、氯气等非金属单质，无论它们在水溶液中或熔融状态下能不能导电，它们既不是电解质也不是非电解质。非电解质是指在水溶液和熔融状态下都不能导电的化合物。对于电解质，只要符合“在水溶液中或熔化的状态下”这两种状态中的任何一种能导电即可；对于非电解质，必须符合“在以上情况下都不能导电”的条件。能电离生成自由移动的离子的是电解质，否则就是非电解质，这是电解质与非电解质的本质区别。电解质一般为酸、碱、盐、活泼金属氧化物；非电解质一般为非金属氧化物、部分非金属氢化物和绝大部分有机物（有机酸、有机碱和有机盐除外）。

电解原理

将一个外加电源的正、负极用导线分别与两个电极相连，然后插入电解质溶液中，就构成了电解池，如下图所示。溶液中的正离子将向阴极迁移，在阴极上发生还原作用。而负离子将向阳极迁移，并在阳极上发生氧化作用。

例如，若电解质是CuCl₂的浓溶液（设电极是惰性金属，本身不发生反应,由于极化作用氧气不可能在阳极析出），则电极反应为：阳极发生氧化作用：

阴极发生还原作用：

电解质的分类

电解质在溶液中的电离程度与电解质的本性、溶剂的性质、溶液的浓度和温度等因素有关。根据电解质在溶液中的电离程度，电解质可分为强电解质和弱电解质，这也是电化学中最早的一种分类方法。强电解质在溶液中几乎全部电解成阴、阳离子，而弱电解质只能部分电解成阴、阳离子。由于这一分类与溶剂的性质和溶液的浓度有关，同一种电解质在不同溶剂中或不同浓度的溶液中，其性质可能会发生较大的变化。例如，盐酸和硫酸在稀溶液时是强电解质，在浓溶液时是弱电解质；在水中是强电解质，在有机溶剂中是弱电解质。醋酸在水溶液中主要以分子形式存在而导电能力很弱，在液氨溶液中导电能力很强，只稍低于氯化钠在液氨中的导电能力。

强电解质

一般有强酸（如硫酸H₂SO₄、盐酸HCl、高氯酸HClO₄等）、强碱（如氢氧化钠NaOH、氢氧化钾KOH等）、活泼金属氧化物（氧化钠Na₂O、,氧化镁MgO）和绝大多数盐（如氯化钠NaCl、硫酸钠Na₂SO₄等）。电离可以用下式表示：

弱电解质

一般有弱酸（如醋酸CH₃COOH、碳酸H₂CO₃、氢氟酸HF等）、弱碱（如氨水NH₃·H₂O）和少数盐（如氯化汞HgCl₂、醋酸铅(CH₃COO)₂Pb等）。电离可以用下式表示：

影响解离程度的因素

性质

电解质的电导率是由其中的离子数量决定的。因为溶液中的离子越多，电导率就越大。电解质的离子数量取决于它的产生方式。强电解质在溶液中几乎完全分解成离子，所以它们的溶液有很大的导电性。另一方面，弱电解质只分解成少量的离子，发出的离子比强电解质少，弱电解质的溶液的电导率很低。

浓度

电解溶液的摩尔电导率随着溶液中电解质的浓度而变化。一般来说，当浓度下降时，电解质的摩尔电导率就会上升。强电解质和弱电解质的浓度发生变化时，摩尔电导都会增加。然而，强电解质和弱电解质之间的差异使其变化不同。摩尔电导率随浓度的变化可以用离子在弱电解质和强电解质中的移动程度来解释。弱电解质溶液中或多或少有一定离子，这意味着当你稀释它们时，它们会以不同的方式变化。当电解质处于溶液中时，它释放的离子数量取决于它被稀释时的解离程度。随着稀释度的增加和解离的量增加，其意味着摩尔电导的量增加。这意味着摩尔电导的极限值为1，即所有的电解质都会电离分解。

温度

温度升高有利于电解质的解离和离子之间的分子碰撞，增加了电流通过电解质的能力。

同离子的效应

同离子效应是指当在一个弱电解质的溶液中加入另一个含有共同离子的强电解质时，会降低弱电解质的溶解度和电离度。同离子效应是利用了勒夏特列原理，即当平衡系统受到外界干扰时，系统会自动调节，使平衡向减少干扰的方向移动。因此，当加入共同离子时，平衡会向反应物方向移动，减少产物的浓度。

溶剂的类型

溶剂的类型是影响电解的另一因素。溶剂类型的极性越高，电导率就越高，解离越充分。

人体中的电解质

电解质是人体体液的主要成分，人体中含有许多电解质离子，如Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl⁻、HCO₃⁻、HPO₄²⁻等，这些电解质离子在细胞的新陈代谢、体液的渗透平衡和酸碱平衡等方面起者重要的作用。

电解质在人体中的生理功能

体液中的各种无机盐、低分子有机物和蛋白质都是以离子状态存在的，称为电解质。细胞外液（包括血浆）正离子主要为Na⁺（还有K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等），负离子主要是Cl⁻，还有少量 HCO₃⁻、HPO₄²⁻等。细胞内液主要正离子为K⁺（还有少量Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等)，负离子主要是HPO₄²⁻和蛋白质有机负离子，还有少量Cl⁻、HCO₃⁻等。它们在人体中的生理功能有：①维持细胞内外液的渗透压和水平衡；②维持体液的酸碱平衡；③维持神经、肌肉细胞的应激性；④参与其他生理活动。

主要电解质作用及其生理重要性

钠

成人体内的钠含量为70～100 g，约占体重的0.15%。钠可以调节体内水分和渗透压、维持体液的酸碱平衡、增强神经肌内兴奋性，同时钠也与三磷酸腺苷的生成和利用、肌肉运动、心血管功能、能量代谢都有关系。此外，糖代谢、氧的利用也需要钠的参与。

氯化物

人体约含有100 g氯，占体重的0.15%，分布于全身各组织中。氯在体内以阴离子形式存在的氯在调节渗透压、水平衡和酸碱平衡中起着主要的作用。此外，氯也有助于钾的恒定。

钾

人体钾总量约 175 g，占人体无机盐总量的 5％。钾在参与细胞新陈代谢和酶促反应、维持渗透压和酸碱平衡、维持神经肌肉的应激性和正常功能中有着重要的作用。

镁

人体内含镁20～28g，其中60%～65%的镁存在于骨骼和牙齿，27%的镁分布在肌肉和软组织中。镁是人体内多种酶的激活剂、是维持骨细胞结构和功能所必需的元素，也在维持神经肌肉的兴奋性、维护胃肠道功能、调节心血管功能中有着重要作用。同时镁还会影响人体内激素的分泌。

钙

钙是机体内含量最丰富的无机元素，它参与构成骨骼和牙齿，是体内多种酶的激活剂或抑制剂。钙也是凝血因子之一，参与血液凝固过程。同时钙还会参与调节细胞膜的通透性及作为电荷载体。钙还能调节心肌和神经肌肉的正常活动，维持肌肉一定的紧张力。

磷

正常成人体内含磷600～700 g。体内磷的85%～90%存在于骨和牙中，其余的磷则分布在全身各组织及体液中。磷是构成骨骼和牙齿、组成生命的重要物质，它还参与能量代谢及酸碱平衡的调节。

运动时电解质代谢特点

运动时电解质会随汗液丢失。运动中血浆钠的浓度明显升高，运动后血浆钠水平明显降低。而在高温环境下运动，可因大量出汗而丢失钾。运动时血钾浓度会升高，大运动量后血钾水平显著低于安静时。在常温下运动时镁也会随汗液丢失发生代谢，由于细胞内镁释出，导致血清镁浓度增高；高温下运动，运动后血清镁浓度明显下降；长时间运动后也明显下降。运动引起血液中电解质浓度降低。轻者表现为食欲降低，消化不良，肌肉软弱无力等。重者表现为恶心、呕吐、多尿、体温高、心率快、血压低，眩晕、疲劳、肌肉痉挛及抽搐等。

电解质失衡

当你血液中的某些矿物质水平过高或过低时，就会出现电解质失衡。电解质失衡的症状因其严重程度和电解质类型而异，包括虚弱和肌肉痉挛。可以通过血液测试检查电解质水平，严重的电解质失衡会导致严重的、甚至危及生命的问题，同时还引起相关并发症。这些并发症包括：1.昏迷。2.癫痫发作。3.心脏骤停导致的猝死。

电解质的应用

电解质饮料

电解质饮料定义为添加机体所需要的矿物质及其他营养成分，能为机体补充新陈代谢消耗的电解质、水分的制品。在正常情况下，人体内的电解质处于相对恒定状态。但是在高温高湿环境下的长时间运动中，产热大幅度增加，随着机体排汗量的增大，某些电解质（主要是钠、钾、镁）也会随着汗液排出体外。汗液中电解质的成分主要是钠和钾，还有少量的镁离子、钙等离子。运动时间越长，强度越大，电解质丢失就越多。电解质的丢失对运动能力的发挥产生不同程度的影响。运动饮料中含有的最主要电解质是钠，研究认为在运动饮料中加入钾、镁等其他电解质是没有必要的，因汗液丢失掉的钾、镁等可以从运动后的正常饮食中得到补充。运动饮料国家标准中规定也是如此，即钠的添加是强制性的，钾、镁的添加是推荐性的。在电解质饮料中常添加的电解质有氯化钾、氯化钠、氯化镁、乳酸钙和磷酸盐。

医疗

疾病和外界环境的剧烈变化引起的电解质浓度和渗透压的变化会导致体内电解质的紊乱。这些素乱若得不到及时纠正，常会引起严重后果，甚至危及生命，故电解质问题在临床上具有十分重要的意义，纠正电解质素乱的输液疗法是临床上经常使用和极为重要的治疗手段。而因某一电解质过高过低的治疗方法并不相同，需要及时就医诊断并采取相应的电解质补充治疗方法。

电池

电解质是电池的主要组成之一，是离子导体，在电池中是电荷转移的介质。通过离子在电池内正、负极之间的移动，实现电池内部电荷的转移，完成电流的全回路流通，由此向负载连续输出电能。电池的电解质材料一般需要满足以下条件：1.具有良好的离子导电性，但不具有电子导电性，否则将造成电池内部短路；2.具有稳定的化学性质，与电极材料界面的电化学反应速度要尽可能小，从而尽量避免电池的自放电容量损失；3.性能随温度变化较小。

电解质的形态

凝胶电解质

离子液体以其独特的热稳定性、非挥发性、电化学稳定性和高离子导电性而备受关注。离子液体现在正成为继水和有机溶剂体系之后的第三类溶剂。将离子液体掺入聚合物基质中可制备出聚合物离子液体凝胶。离子液体凝胶具有较高的离子导电性，因此，它们作为聚合物电解质在燃料电池、锂二次电池、染料敏化太阳能电池、双电层电容器、双电层晶体管等电化学器件中的作用是广泛研究的课题。在离子液体凝胶中，分子链通常通过分子内或分子间的非共价相互作用（如氢键、π-π堆积和离子相互作用）来捕获溶剂而形成网络结构。而且，这些分子内或分子间的非共价相互作用对温度、pH值、光和压强等物理刺激非常敏感。

聚合物电解质

聚合物电解质是由聚合物膜和盐构成的一类可以传输离子的新型离子导体，聚合物电解质与液体电解液相比较具有不易泄露、更安全的优点。聚合物电解质按其相态可分为全固态聚合物电解质（SPE）和凝胶聚合物电解质（GPE)，全固态聚合物电解质由高分子量聚合物基体，如聚氧化乙烯和锂盐组成。凝胶聚合物电解质是把液态的电解液凝固于聚合物基体中的电解质，其离子电导率比固态电解质高。

无机固体电解质

无机固体电解质又称快离子导体，包括陶瓷电解质和玻璃电解质。无机固体电解质作为物理屏蔽层保护锂负极，可以完全阻隔聚硫锂向金属锂负极的扩散。

有机塑料电解质

有机离子塑料晶体 (OIPC) 是一类新兴的固态电解质，与传统材料相比具有显着优势，包括可塑性、不易燃性和高离子电导率。

强电解质溶液理论

Debye-Hückel 离子互吸理论

在经典的电离学说中，没有考虑到高子之间的相互作用。对于弱电解质溶液来说，其解离度小，溶液中离子的浓度不大，所以离子间的相互吸引所引起的偏差不会很大，一般可以忽略。而对于强电解质来说，则情况就完全不同了，这一类溶液中电解质全部解离，离子之间的相互静电吸引力就不能忽略。此外，若假定在强电解质溶液中存在着分子与离子之间的平衡，这也与事实不符，因为x射线结构分析己经证明，许多盐类在固体状态时即己呈离子晶格存在，因此当它们分散于溶剂中时，一般说来应该是完全离子化的。尽管由于离子的彼此吸引，可能由正、负离子形成“离子对”使行动受到一定的限制，以致所产生的效应类似于不完全解离，但在溶液中显然不会像弱电解质那样存在着含有共价键的分子与离子间的平衡，而只有离子对与解离了的自由离子之间的平衡。在经典的部分电离学说中也没有考虑到离子的溶剂化等作用。基于以上原因，所以部分电离学说存在着很大的局限性。徳[dé]拜·休克尔（Debye Hückel）于1923年提出了强电解质溶液的理论：强电解质在低浓度溶液中完全解离，并认为强电解质与理想溶液的偏差主要是由离子之间的静电引力所引起的。因此,他们的理论也称为离子互吸理论 (ion-attraction theory)。徳拜·休克尔提出了离子氛（ionic atmosphere）的概念，这是一个很重要的概念。他们认为在溶液中每一个离子都被电荷符号相反的离子所包围，由于离子间的相互作用，使得离子的分布不均匀，从而形成了离子氛。如下图所示：

Debye-Hückel-Onsager 电导理论

一般情况下，离子氛的存在影响着中心离子的行动，使其在电场中运动的速率減[jiǎn]低，摩尔电导率降为Λm。离子氛对中心离子运动的影响是由下述两个原因引起的：

驰豫效应 (relaxation effect）

取中心为正离子和外围为负离子氛者为例。在外加电场的作用下,中心正离子向阴极移动，外围离子氛的平衡状态受到损坏。但由于存在库仑作用力，离子要重建新的离子氛，同时原有的离子氛要拆散。但无论建立一个新离子氛或拆散一个旧离子氛都需要一定时间，这个时间称为弛豫时间 (relaxation time)。因为离子一直在运动，中心离子的新的离子氛尚未能完全建立，而旧的离子氛也末能完全拆散，这就形成了不对称的离子氛。这种不对称的离子氛对中心离子在电场中的运动产生了一种阻力，通常称为弛豫力。它使得离子的运动速率降低，因而使摩尔电导率降低。

电泳效应（electrophoresis effect）

在外加电场的作用下，中心离子同其溶剂化分子同时向某一方向移动，而带有相反电荷的离子氛则携同溶剂化分子一起向相反方向移动，以而增加了黏滞力，阻滞了离子在溶液中的运动，这种影响称为电泳效应。它降低了离子运动的速率，因而也使摩尔电导率降低。

参考资料

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该页面最新编辑时间为 2024年5月30日