Elektrolüüt

Elektrolüüt on aine, mille 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 kõrgel temperatuuril või madalal rõhul olla elektrolüüdid.

Ka looduslike polümeeride (näiteks DNA, polüpeptiidid) ja sünteetiliste polümeeride (näiteks polüstüreensulfonaat) lahused võivad olla elektrolüüdid. Neid nimetatakse polüelektrolüütideks. Nende elektrijuhtivuse tagavad laetud funktsionaalrühmad.

Elektrolüüt on enamasti mõne soola lahus näiteks vees. Soola ja lahusti termodünaamilise koostoime tõttu on soola molekulid dissotsieerunud positiivse ja negatiivse elektrilaenguga 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)

Sool võib olla elektrolüüt ka vedelas olekus. Näiteks naatriumkloriidi sulatamisel saadakse vedel sool, millel 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.

Tugevad elektrolüüdid 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. Nõrk elektrolüüt suudab lahuses kanda edasi nõrka elektrivoolu.

Nõrgad elektrolüüdid 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.

Iga teadaolev eluvorm vajab peent ja keerulist tasakaalu rakusisese ja -välise keskkonna vahel. Oluline säilitada on elektrolüütide täpne osmootsete gradient-ioonide tasakaal. Need gradient-ioonid mõjutavad ja reguleerivad keha hüdratsiooni ning vere pH-d. Nad on ka elutähtsad lihaste ja närvide töötamiseks. Elusorganismides on elektrolüütide kindla kontsentratsiooni hoidmiseks eri 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, 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 reguleerivad elektrolüütide homöostaasi 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. Elektrolüüdi kontsentratsioon vere- või uriiniproovis määratakse enamasti ioonselektiivsete elektroodidega. Saadud tulemuste tõlgendamiseks ja võrdlemiseks on tarvis ka inimese haiguslugu ning mõõta neerufunktsioone. Tavaliselt on määratavad ioonid kaalium ja naatrium, kloriidioonide kontsentratsiooni määratakse harva, ainult arteriaalsete veregaaside mõõtmisel, sest see on seotud naatriumi sisaldusega. Uriiniproovi uurimisel on oluline erikaalu määramine, et tuvastada elektrolüütide tasakaalu puudumine.

Elektrokeemia

Peamine artikkel elektrolüüs

Kui elektrolüüdi lahusesse viia elektroodid, mille vahele rakendatakse elektrivool, siis see 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.^[1]

Vaata ka

• Elektrokeemia
• Elektrolüüs
• Nõrk elektrolüüt
• Tugev elektrolüüt