Elektrolüüt

Elektrolüüt on aine, mis sisaldab ioone ning on seetõttu hea elektrijuht. Elektrolüüdi elektrijuhtivus põhineb ioonide vabal liikumisel. Kõige tüüpilisem elektrolüüt on ioonne lahus, kuid elektrolüüt võib olla ka tahke või vedel aine, näiteks metall.

Ioonsed elektrolüüdid on aluste, hapete või soolade lahused. Ka osa gaase võib käituda kõrgel temperatuuril või madalal rõhul elektrolüütidena. Elektrolüüdi lahuse võib saada ka bioloogiliste molekulide (nt DNA, polüpeptiidid) või sünteetiliste polümeeride (nt polüstüreensulfonaat) lahustamisel lahustis. Kahte viimast nimetatakse polüelektrolüütideks, mille elektrijuhtivuse tagavad laetud funktsionaalrühmad.

Elektrolüüdi lahus saadakse enamasti soola lahustamisel lahustis (nt vees). Lahusti ja soola termodünaamilise koostoime tõttu soola osakesed dissotsieeruvad (lagunevad) positiivsete ja negatiivsete laengutega osakesteks. Seda protsessi nimetatakse lahustumiseks. Näiteks söögisooda ehk naatriumvesinikkarbonaadi viimisel vette dissotsieerub molekul väiksemateks ioonideks. Selle dissotsiatsioonireaktsiooni võrrand on järgmine:

NaHCO_3(s) → Na⁺_(aq) + HCO₃⁻_(aq)

Aine ja vee reaktsiooni saadus võib samuti olla võimeline dissotsieeruma ioonideks. Näiteks süsihappegaasi reageerimisel veega:

CO₂ + H₂O → H₂CO₃

tekib molekul, mis vesilahuses dissotsieerub ioonideks:

H₂CO_3(s) → H⁺_(aq) + HCO₃⁻_(aq)

HCO₃⁻_(aq) → H⁺ + CO₃²⁻_(aq)

Ka vedelas olekus soolad võivad olla elektrolüüdid. Näiteks, kui naatriumkloriid kõrgel temperatuuril ära sulatada, siis saadud vedelal soolal on samuti elektrijuhtivus.

Elektrolüüdi tugevus

Kontsentreeritud lahuses on palju elektrolüüdi ioone; lahjendatud lahuses on neid vähe. Selle järgi, kui suur osa lahustatava aine molekulidest dissotsieerub lahustis, kirjeldatakse elektrolüüdi tugevust ehk võimet elektrivoolu juhtida. Tugeva elektrolüüdi puhul dissotsieerub lahustis suur osa lahustunud molekule ioonideks. Nõrga elektrolüüdi puhul dissotsieerub väga väike osa molekulidest ioonideks. Elektrolüütide omadusi võib kasutada elektrolüüsil, et eraldada aine koostises olevaid elemente või ühendeid, mis on lahustunud.

Tugev elektrolüüt

Tugev elektrolüüt on aine, mis dissotsieerub vesilahuses täiesti või peaaegu täiesti ioonideks. Kuna tekkivad ioonid on head elektrijuhid, siis esialgu nimetatigi elektrolüüdiks üksnes sellist ainet vesilahuses, mis juhib hästi elektrivoolu. Kui lahuses olevatest ioonidest ja nende käitumisest oli rohkem teada saadud, tekkis tugeva elektrolüüdi praegune definitsioon.

Tugevateks elektrolüütideks on tugevad happed, tugevad alused ning soolad, mis on hästi lahustuvad. Näiteks:

soolhape (HCl),

väävelhape (H₂SO₄),

lämmastikhape (HNO₃),

kaaliumhüdroksiid (KOH),

kaaliumkloriid (KCl),

naatriumkloriid (NaCl).

Nõrk elektrolüüt

Nõrk elektrolüüt on aine, mis vesilahuses dissotsieerub ioonideks vähesel määral. Seega on nõrga elektrolüüdi lahuses (peale dissotsieerunud ioonide) ka lahustunud aine molekule, millel pole laengut ning mis ei kanna edasi elektrivoolu. Nõrgad elektrolüüdid suudavad lahuses edasi kanda ainult nõrka elektrivoolu.

Nõrkadeks elektrolüütideks on nõrgad happed ja nõrgad alused. Näiteks:

äädikhape (CH₃COOH),

süsihape (H₂CO₃),

fosforhape (H₃PO₄),

ammoniaak (NH₃),

püridiin (C₅H₅N).

Füsioloogiline tähtsus

Primaarsed elektrolüüdi ioonid füsioloogias on naatrium (Na⁺), kaalium (K⁺), kaltsium (Ca²⁺), magneesium (Mg²⁺), kloriid (Cl^-), vesinikfosfaat (H₂PO₄^-) ja vesinikkarbonaat (HCO₃^-). Elektrilaengu sümbolid pluss (⁺) ja miinus (^-) näitavad, et aine on looduses ioonne ning et tema elektronide arv on suurem või väiksem kui prootonite arv. See nähtus on keemilise dissotsiatsiooni tulemus.

Kõik teadaolevad eluvormid vajavad peenet ja keerulist tasakaalu rakusisese ja rakuvälise keskkonna vahel. Eriti tähtis on täpse elektrolüütide osmootsete gradient-ioonide tasakaalu säilitamine. Sellised gradient-ioonid mõjutavad ja reguleerivad keha hüdratsiooni ning samuti ka vere pH-d, samuti on nad elutähtsad lihaste ja närvide töötamiseks. Elusorganismides on elektrolüütide kindla kontsentratsiooni hoidmiseks erinevad mehhanismid.

Lihaskude ja neuroneid loetakse keha elektrilisteks kudedeks. Lihaskoe või neuroni paneb tööle elektrolüüdi aktiivsus rakuvälise või koevedeliku ja rakusisese vedeliku vahel. Elektrolüüdid võivad rakumembraani siseneda või väljuda sealt läbi spetsiaalsete valgustruktuuride rakumembraanis, mida kutsutakse ioonkanaliteks. Näiteks lihaste kokkutõmbumine oleneb kaltsiumi (Ca²⁺), naatriumi (Na⁺) ja kaaliumi (K⁺) ioonide olemasolust. Nimetatud elektrolüütide ebapiisava kontsentratsiooni korral võib tunda lihastes nõrkust või krampide tekkimist.

Elektrolüütide tasakaalu säilitatakse suu kaudu või hädaolukorras kehasse süstides elektrolüüdi lahust sisaldavaid aineid. Hormoonid säilitavad elektrolüütide tasakaalu kehas. Neerud eemaldavad kehast üleliigsed elektrolüüdid. Inimese kehas elektrolüütide homöostaasi reguleerivad näiteks antidiureetiline hormoon ja aldosteroon. Tõsised elektrolüütide tasakaalu häired kehas (nt veetustamine) võivad põhjustada neuroloogilisi ja südameprobleeme, kui inimene ei saa kohe arstiabi.

Kontsentratsiooni mõõtmine

Elektrolüütide kontsentratsiooni mõõtmine on üldjuhul diagnostiline protseduur, tavaliselt määratakse ioonselektiivsete elektroodidega elektrolüüdi kontsentratsioon vereproovis või uriiniproovis. Saadud tulemuste tõlgendamiseks ja võrdlemiseks on tarvis ka inimese haiguslugu ning samuti on vajalik paralleelne neerufunktsioonide mõõtmine. Tavaliselt on määratavateks ioonideks kaalium ja naatrium, kloriidioonide kontsentratsiooni määratakse harva, ainult arteriaalsete veregaaside mõõtmisel, kuna see on olemuselt seotud naatriumi sisaldusega. Uriiniproovi uurimisel on tähtsal kohal erikaalu määramine, sest see on seotud ioonide kontsentratsioonide tasakaalule mittevastavuse tuvastamisega.

Elektrokeemia

Peamine artikkel elektrolüüs

Kui elektrolüüdi lahusesse viia elektroodid, mille vahele rakendatakse elektrivool, siis antud lahus on võimeline elektroodide vahel elektrivoolu juhtima. Tavaolukorras ei saa üksikud elektronid iseseisvalt liikuda lahuses ühelt elektroodilt teisele, selle asemel toimub keemiline reaktsioon katoodil, mille käigus tarbitakse anoodilt pärit elektrone. Anoodil toimub teine reaktsioon, millest pärinevad elektronid kantakse üle katoodile. Protsessi tulemusena koguneb katoodi ümber negatiivne laeng ning anoodi ümber positiivne laeng. Lahuses olevad laengutega ioonid neutraliseerivad katoodi ja anoodi ümber olevad laengud, mis võimaldab elektronide ülekande jätkumist ning reaktsioonide toimumist.

Näiteks kaaliumkloriidi (KCl) vesilahuse elektrolüüsil toimub katoodil järgmine reaktsioon:

2H₂O + 2e⁻ → 2OH⁻ + H₂

Reaktsiooni käigus eraldub vesinik gaasina (H₂), anoodil toimub reaktsioon:

2KCl → 2 K⁺ + Cl₂ + 2e⁻

Anoodil eraldub gaasina kloor (Cl₂). Reaktsiooni käigus tekkivad positiivsed kaaliumi ioonid (K⁺) liiguvad lahuses katoodi poole ning neutraliseerivad sinna tekkinud negatiivsed hüdroksiidioonid (OH⁻). Vastavalt hüdroksiidioonid liiguvad lahuses anoodi poole, et neutraliseerida sealne kaaliumi ioonide poolt tekitatud positiivne laeng. Ilma lahuses liikuvate ioonideta katoodi ja anoodi ümber tekkivad laengud pidurdaksid elektronide liikumist läbi lahuse. Kui poleks elektrolüüdi ioone lahuses, siis reaktsioon ja elektronide ülekanne aeglustuks, sest vee dissotsiatsioonil tekkivad prooton (H⁺) ja hüdroksiidioon (OH⁻) difundeeruvad läbi lahuse palju kordi aeglasemini, kui elektrolüüdist pärinevad K⁺ ja Cl⁻ ioonid.

Elektrolüüdid dissotsieeruvad vees, sest vee molekulid on dipoolid, mis solvateeruvad energeetiliselt soodsasse asendisse elektrolüüdi ioonidega.

Teistes reaktsioonides võivad ka metallist elektroodid sarnaselt elektrolüütidega reaktsioonidest osa võtta.

Elektrolüüte sisaldavaid elektrijuhte kasutatakse elektriseadmetes, kus liides, millel keemiline reaktsioon elektrolüüdil või metallil toimub, toob kaasa kasuliku elektrilise efekti:

• Patareid – nendes on kaks erineva elektron afiinsusega metalli elektroodidena kasutusel. Elektronid liiguvad ühelt elektroodilt teisele väljaspool patareid, samas patarei sees on vooluring suletud elektrolüüdi ioonide poolt. Antud süsteemis muundavad elektroodireaktsioonid keemilise energia elektrienergiaks.
• Mõningates kütuseelementides ühendab tahke elektrolüüt või prootonikandja plaate elektriliselt, samal ajal hoides kütusegaase (vesinik ja hapnik) eraldatult.
• Galvaniseerimisel kannab elektrolüüt üheaegselt metalli galvaniseeritavale objektile ja ka elektriliselt ühendab antud objekti vooluringi.
• Elektrolüütkondensaatorites kasutatakse keemilist efekti, et valmistada üliõhuke dielektriku- või isolaatorikiht. Elektrolüüdikiht käitub ühe kondensaatori plaadina.
• Mõningates hügromeetrites kasutatakse kuiva elektrolüüti, mille elektrivoolu juhtivuse järgi määratakse suhtelist õhuniiskust (vt hügromeeter).
• Kuum ja pehme klaas on ka elektrit juhtiv elektrolüüt ning mõned klaasitootjad hoiavad klaasi vedelas olekus viisil, et juhivad klaasimassist pidevalt läbi suurt elektrivoolu.

Kuiv elektrolüüt

Kuivad elektrolüüdid on sisuliselt geelid, mis on painduval võrel.

Vaata ka

• Elektrokeemia
• Elektrolüüs
• Nõrk elektrolüüt
• Tugev elektrolüüt