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電解質

電解質（英語：electrolyte[註 1]）是指經由離子移動來導電的物質[1][2][3]，和其他物質透過電子移動來導電的特性不同。電解質包括大部份可溶性鹽、酸和鹼，這些物質的溶液可以導電。這些物質在溶解時產生陰離子和陽離子，均勻的分佈在溶液中[4]。有些氣體，例如氯化氫，在高溫或低壓的條件下也可以作為電解質。也存在固態電解質（英語：Solid-state electrolyte），也就是在固態就可以用離子傳導電流的物質。不過在醫學上（以及大多數的化學領域中），「電解質」仍然是指溶於溶劑會產生離子導電的物質[5][6]。

歷史

 
斯凡特·奧古斯特·阿倫尼烏斯

自1881年起，斯凡特·奧古斯特·阿倫尼烏斯開始在埃里克·艾德隆德的指導下進行電解質的相關研究。1884年，他向烏普薩拉大學提交了一篇長約150頁的博士畢業論文，首次提出了「固體結晶鹽在溶解時會分解成成對的帶電粒子」這一觀點，並通過離子的概念解釋了電解質溶液的導電機理。他因此獲得了1903年的諾貝爾化學獎。[7][8][9][10]

根據阿倫尼烏斯的觀點，鹽在形成溶液時會分解成一種帶電粒子，這種粒子在很多年前便被麥可·法拉第命名為「離子」（ion）。麥可·法拉第認為離子是在電解時產生的，但阿倫尼烏斯認為即使在沒有電流的情況下鹽溶液也含有離子，所以溶液中的化學反應便是離子之間的反應。[11][12][13]

形成

 
電解池通過普通鹽溶液產生氯氣和氫氧化鈉

當酸，鹼，鹽被置於溶劑中時往往會形成電解質溶液，在溶劑化時水和各個組分便會由於溶劑和溶質分子之間的熱力學相互作用而離解。舉個例子，根據離解反應，當氯化鈉（NaCl）[註 2]置於水中時，固態鹽會溶解成其成分中的離子[14]：

NaCl(s) → Na+(aq) + Cl−(aq)

物質還可能與水反應並產生離子。例如，二氧化碳氣體在水中溶解後會得到含有水合氫離子、碳酸根離子和碳酸氫根離子的溶液。

熔融鹽也可以變為電解質。例如，氯化鈉熔融時，液體導電。尤其是離子液體，它是一種熔點低於100℃的低溫熔融鹽[15]、高導電性的非水電解質，也正因此，它得以在各種電池中被越來越廣泛的利用。[16]

應用

生理學

參見：電解質不平衡

在生理學中，電解質的主要離子有鈉（Na+）、鉀（K+）、鈣（Ca2+）、鎂（Mg2+）、氯化物（Cl−）、磷酸（HPO42−）和碳酸氫鹽 （HCO3−）。電荷符號正（+）和負（ - ） 表明物質其實是具有離子性的，其電子的分佈也並不平衡，而這正是化學離解的結果。鈉離子是細胞外液的主要電解質，約佔外液陽離子總量的92%；鉀離子是細胞內液的主要電解質，約佔內液陽離子總量的98%[17]。兩者都是人體中最為重要的電解質[18]，涉及到了體液平衡（英語：fluid balance）和血壓控制。肌肉組織和神經元都被認作是人體中的電組織。

當患者長期嘔吐或腹瀉時需要補充電解質。電解質的監測在厭食或食慾過盛的治療中也是非常重要的。

電化學

參見：電解

當電極置於電解質中並有電壓被施加時，電解質將導電。單個電子通常不能通過電解質。在陰極處發生的化學反應會向電解質提供電子；而另一個反應在陽極發生，會消耗電解質中的電子。結果，陰極周圍的電解質中產生了負電荷雲，而陽極周圍則形成了正電荷。電解質中的離子會中和這些電荷，從而使電子保持流動、反應繼續進行。

例如在普通食鹽（氯化鈉，NaCl）的水溶液中，陰極反應將是：

 

氫氣將會以氣泡的形式浮上來，其陽極反應為：

 

氯氣也會在反應中生成。帶正電的鈉離子Na +將向陰極反應，中和OH - 的負電荷；帶負電的氫氧根離子OH-將朝向陽極反應，中和Na +的正電荷。

金屬製品

在電池中，兩種電子親和力不同的材料可被用作電極；電子從電池外部的一個電極流向另一個電極，而在電池的內部，電路由於電解質的離子而關閉。這實際上是化學能轉換成電能的過程。[19]在一些燃料電池中，固體電解質或質子導體會與導電板連接，此時的氫氣和氧氣燃料氣體也會處於分離狀態[20]。在電鍍槽中設置好電極並加入電解質的溶液後將會發生電解，這在電鍍、電鑄、電切削、電浸蝕等領域得以廣泛應用[21]。

電離度

電解質在溶解之後，實際被電離的物質的摩爾比稱為電離度(degree of electrolytic dissociation)。 通常用符號α表示。

電離度接近於1的物質被稱為強電解質；而電離度低的物質則被稱為弱電解質。

分類

強電解質

強電解質指的能完全或基本完全解離成為離子的化合物。通常包含三類物質：[22]

  1. 強酸[23]：如硫酸、硝酸等
  2. 強鹼[23]：如氫氧化鋇[22]、氫氧化鈉、氫氧化鉀
  3. 大多數鹽：如氯化鈉[22]、氯化鉀[24]
註：是否是強電解質與溶解性無關。如硫酸鈣、氫氧化鎂和氯化銀，雖為難溶物，但其溶於水的部分會完全解離，所以將其劃分為強電解質。

弱電解質

 
矽酸便是一種弱酸

弱電解質指的是能部分解離成為離子的化合物。通常包含四類物質：[22]

  1. 弱酸：如矽酸
  2. 弱鹼：如一水合氨、氫氧化銅。但氫氧化鎂為強電解質
  3. 極少數鹽：如醋酸鉛[25][26]、氯化亞汞[2]、氯化汞[27][2]
  4. 水[28]
註：水屬於極弱電解質[28]。

相關條目

註釋

  1. ^ 電解質的英文單字electrolyte中，前綴-electro意即「電的」，-lyte借自古希臘語λυτός一詞，大意是「能夠解開或鬆開的」，與英語的loose同源。
  2. ^ 俗稱食鹽

參考資料

  1. ^ Enderby, J E; Neilson, G W. The structure of electrolyte solutions. Reports on Progress in Physics. 1981-06-01, 44 (6): 593–653 [18 December 2021]. ISSN 0034-4885. S2CID 250852242. doi:10.1088/0034-4885/44/6/001. （原始內容存檔於18 December 2021）. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 Petrovic, Slobodan. Battery technology crash course : a concise introduction. Springer. 29 October 2020. ISBN 978-3-030-57269-3. OCLC 1202758685.  引用錯誤：帶有name屬性「:0」的<ref>標籤用不同內容定義了多次
  3. ^ Winie, Tan; Arof, Abdul K.; Thomas, Sabu. Polymer Electrolytes: Characterization Techniques and Energy Applications. John Wiley & Sons. 2020-02-18. ISBN 978-3-527-34200-6 （英語）. 
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參見

外部連結

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