Electrólito

Un electrolito es un medio que contiene iones que conduce la electricidad a través del movimiento de esos iones, pero no conduce electrones. Esto incluye la mayoría de las sales, ácidos y bases solubles disueltos en un solvente polar, como el agua. Al disolverse, la sustancia se separa en cationes y aniones, que se dispersan uniformemente por todo el disolvente. También existen electrolitos de estado sólido. En medicina y, a veces, en química, el término electrolito se refiere a la sustancia que se disuelve.

Eléctricamente, esta solución es neutra. Si se aplica un potencial eléctrico a tal 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. Las soluciones de electrolitos 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 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 debido a una actividad atlética extenuante. Hay soluciones comerciales de electrolitos disponibles, particularmente para niños enfermos (como la solución de rehidratación oral, Suero Oral o Pedialyte) y atletas (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.

Etimología

La palabra electrolito deriva del griego antiguo ήλεκτρο- (ēlectro-), prefijo relacionado con la electricidad, y λυτός (lytos), que significa "capaz de ser desatado o aflojado".

Historia

Svante Arrhenius, padre del concepto de disociación electrolítica en solución acuosa por la que recibió el Premio Nobel de Química en 1903.

En su disertación de 1884, Svante Arrhenius expuso 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. 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 corriente eléctrica, las soluciones de sales contenían iones. Por lo tanto, propuso que las reacciones químicas en solución eran reacciones entre iones.

Poco después de la hipótesis de los iones de Arrhenius, Franz Hofmeister y Siegmund Lewith descubrieron que diferentes tipos de iones mostraban diferentes efectos en cosas como la solubilidad de las proteínas. Un orden consistente de estos diferentes iones en la magnitud de su efecto surge también en muchos otros sistemas. Desde entonces, esto se conoce como la serie Hofmeister. Si bien los orígenes de estos efectos no están muy claros y se han debatido durante el siglo pasado, se ha sugerido que la densidad de carga de estos iones es importante y en realidad podría tener explicaciones que se originan en el trabajo de Charles-Augustin de Coulomb durante 200 años. atrás.

Formación

Las soluciones de electrolitos normalmente se forman cuando la sal se coloca 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 sus iones componentes, de acuerdo con la reacción de disociación.

NaCl_s) → Na⁺_aq) + Cl⁻_aq)

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

Las sales fundidas también pueden ser electrolitos ya que, por ejemplo, cuando se funde el cloruro de sodio, el líquido conduce la electricidad. En particular, los líquidos iónicos, que son sales fundidas con puntos de fusión por debajo de los 100 °C, 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.

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 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.

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 en las que se requiere una alta solubilidad.

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

Importancia fisiológica

En fisiología, los iones primarios de los electrolitos son sodio (Na⁺), potasio (K⁺), calcio (Ca²⁺), magnesio (Mg²⁺), cloruro (Cl⁻), hidrógeno fosfato (HPO₄²⁻), y carbonato de hidrógeno (HCO₃⁻). 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; ambos están involucrados en el equilibrio de líquidos y el control de la presión arterial.

Todas las formas de vida multicelulares conocidas requieren un equilibrio electrolítico sutil y complejo entre los entornos intracelular y extracelular. 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 críticos para la función nerviosa y muscular. Existen varios mecanismos en las especies vivas que mantienen las concentraciones de diferentes electrolitos bajo estricto control.

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 proteicas especializadas incrustadas en la membrana plasmática denominadas "canales iónicos". Por ejemplo, la contracción muscular depende de la presencia de calcio (Ca²⁺), sodio (Na⁺) y potasio (K⁺). Sin niveles suficientes de estos electrolitos clave, puede ocurrir debilidad muscular o contracciones musculares severas.

El equilibrio de electrolitos se mantiene mediante la ingesta oral o, en caso de emergencia, intravenosa (IV) de sustancias que contienen electrolitos, y está regulado por hormonas, en general con los riñones eliminando 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 realizados por tecnólogos médicos. La interpretación de estos valores no tiene 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 más 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 relacionados con los niveles de sodio. Una prueba importante realizada en la orina es la prueba de gravedad específica para determinar la aparición de un desequilibrio electrolítico.

Rehidratación

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 continuas, por ejemplo, un maratón o un triatlón) que no consumen electrolitos corren el riesgo de deshidratación (o hiponatremia).

Se puede hacer una bebida electrolítica casera usando agua, azúcar y sal en proporciones precisas. Es importante incluir glucosa (azúcar) para utilizar el mecanismo de cotransporte de sodio y glucosa. Las preparaciones comerciales también están disponibles para uso humano y 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 los electrodos se colocan en un electrolito y se aplica un voltaje, el electrolito conducirá la electricidad. Los electrones solitarios normalmente no pueden pasar a través del electrolito; en cambio, ocurre 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 en el electrolito neutralizan estas cargas, permitiendo que los electrones sigan fluyendo y que las reacciones continúen.

Celda electrolítica que produce cloro (Cl)₂) e hidróxido de sodio (NaOH) de una solución de sal común.

Por ejemplo, en una solución de sal común de mesa (cloruro de sodio, NaCl) en agua, la reacción del cátodo será

2 H₂O + 2e⁻ # 2 OH⁻ + H₂

y el gas hidrógeno burbujeará; la reacción del ánodo es

2 NaCl → 2 NaCl⁺ + Cl₂ + 2e⁻

y el cloro gaseoso se liberará en una solución donde reaccionará con los iones de sodio e hidroxilo para producir hipoclorito de sodio, lejía doméstica. Los iones de sodio cargados positivamente Na⁺ reaccionarán hacia el cátodo, neutralizando la carga negativa de OH⁻ allí, y los iones de hidróxido cargados negativamente OH⁻ reaccionará 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.

• En las baterías se utilizan dos materiales con diferentes afinidades de electrones como electrodos; los electrones fluyen de un electrodo a otro fuera de la batería, mientras que dentro de la batería el circuito está cerrado por los iones del electrolito. Aquí, las reacciones del electrodo convierten energía química en energía eléctrica.
• En algunas células de combustible, un electrolito sólido o un conductor protón conecta las placas eléctricamente manteniendo separados los gases de hidrógeno y oxígeno.
• En tanques electroplating, el electrolito deposita simultáneamente el metal en el objeto a planchar, y conecta eléctricamente ese objeto en el circuito.
• En los medidores de horas de funcionamiento, dos columnas delgadas de mercurio están separadas por una pequeña brecha llena de electrolitos y, a medida que se pasa la carga a través del dispositivo, el metal se disuelve en un lado y las placas en el otro, causando que la brecha visible se mueva lentamente.
• En los condensadores electrolíticos el efecto químico se utiliza para producir un revestimiento dieléctrico o aislante extremadamente fino, mientras que la capa electrolítica se comporta como una placa de condensador.
• En algunos higrómetros se percibe la humedad del aire midiendo la conductividad de un electrolito casi seco.
• El vidrio caliente y suavizado 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 de celosía flexible. A menudo se aplican varios aditivos para aumentar la conductividad de dichos sistemas.

Electrolitos poliméricos

Electrólitos 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, es un polímero de constante dieléctrica relativamente alta (PEO, PMMA, PAN, polifosfacenos, siloxanos, etc.) y una sal con baja energía de red. Con el fin de aumentar la resistencia mecánica y la conductividad de tales electrolitos, muy a menudo se utilizan materiales compuestos y se introduce una fase cerámica inerte. Hay dos clases principales de tales electrolitos: polímero en cerámica y cerámica en polímero.

Electrolitos cerámicos

Electrolitos cerámicos sólidos: los iones migran a través de la fase cerámica por medio de vacantes o intersticiales dentro de la red. También hay electrolitos de cerámica vítrea.

Electrólitos plásticos orgánicos

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 por orientación o rotación, mientras que sus centros están ubicados en los sitios ordenados en la estructura cristalina.. 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 electrodo|electrolito. En particular, los cristales plásticos iónicos orgánicos próticos (POIPC, por sus siglas en inglés), que son sales orgánicas próticas sólidas formadas por la 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 en estado sólido. Conductores de protones para celdas de combustible. Los ejemplos incluyen perfluorobutanosulfonato de 1,2,4-triazolio y metanosulfonato de imidazolio.