Электролит

Электроли́т — вещество, которое проводит электрический ток вследствие диссоциации на ионы, что происходит в растворах и расплавах, или движения ионов в кристаллических решётках твёрдых электролитов. Примерами электролитов могут служить кислоты, соли, основания и некоторые кристаллы (например, иодид серебра, диоксид циркония). Электролиты — проводники второго рода, вещества, электропроводность которых обусловлена подвижностью положительно или отрицательно заряженных ионов^[1].

Степень диссоциации

Процесс распада молекул в растворе или расплаве электролита на ионы называется электролитической диссоциацией. Одновременно в электролите протекают процессы ассоциации ионов в молекулы. При неизменных внешних условиях (температура, концентрация и др.) устанавливается динамическое равновесие между распадами и ассоциациями. Поэтому в электролитах диссоциирована определённая доля молекул вещества. Для количественной характеристики электролитической диссоциации было введено понятие степени диссоциации^[2].

Классификация

Исходя из степени диссоциации все электролиты делятся на две группы:

1. Сильные электролиты — электролиты, степень диссоциации которых в растворах равна единице (то есть диссоциируют полностью) и не зависит от концентрации раствора. Сюда относятся подавляющее большинство солей, щелочей, а также некоторые кислоты (сильные кислоты, такие как HCl, HBr, HI, HNO_3, H₂SO₄).
2. Слабые электролиты — степень диссоциации меньше единицы (то есть диссоциируют не полностью) и уменьшается с ростом концентрации. К ним относят воду, ряд кислот (слабые кислоты, такие как HF), основания p-, d- и f-элементов.

Между этими двумя группами чёткой границы нет, одно и то же вещество может в одном растворителе проявлять свойства сильного электролита, а в другом — слабого.

Использование термина

В естественных науках

Термин электролит широко используется в биологии и медицине. Чаще всего подразумевают водный раствор, содержащий те или иные ионы (напр., «всасывание электролитов» в кишечнике).

В технике

Слово электролит широко используется в науке и технике, в разных отраслях оно может иметь различающийся смысл.

В электрохимии

Многокомпонентный раствор для электроосаждения металлов, а также травления и др. (технический термин, например электролит золочения).

В источниках тока

Электролиты являются важной частью химических источников тока: гальванических элементов и аккумуляторов.^[3] Электролит участвует в химических реакциях окисления и восстановления с электродами, благодаря чему возникает ЭДС. В источниках тока электролит может находиться в жидком состоянии (обычно это водный раствор) или загущённым до состояния геля.

Электролитический конденсатор

Основная статья: Электролитический конденсатор

В электролитических конденсаторах в качестве одной из обкладок используется электролит. В качестве второй обкладки — металлическая фольга (алюминий) или пористый, спечённый из металлических порошков блок (тантал, ниобий). Диэлектриком в таких конденсаторах служит слой оксида самого металла, формируемый химическими методами на поверхности металлической обкладки.

Конденсаторы данного типа, в отличие от других типов, обладают несколькими отличительными особенностями:

• высокая объёмная и весовая удельная ёмкость;
• требование к полярности подключения в цепях постоянного напряжения. Несоблюдение полярности вызывает бурное вскипание электролита, приводящее к механическому разрушению корпуса конденсатора (взрыву);
• значительные утечки и зависимость электрической ёмкости от температуры;
• ограниченный сверху диапазон рабочих частот (типовые значения сотни кГц — десятки МГц в зависимости от номинальной ёмкости и технологии).

Активности в электролитах

Химический потенциал для отдельного i-го иона имеет вид: ${\displaystyle \mu _{i}=\mu _{i}^{0}+RTlna_{i},}$ где ${\displaystyle a_{i}}$ - активность i-го иона в растворе.

Для электролита в целом имеем:

${\displaystyle \mu _{el}=\sum _{i}v_{i}\mu _{i}=v_{+}\mu _{M^{+}}+v_{-}\mu _{A^{-}}=v_{+}(\mu _{+}^{0}+RTlna_{M^{+}})+v_{-}(\mu _{-}^{0}+RTlna_{A^{-}})=}$

${\displaystyle =(v_{+}\mu _{+}^{0}+v_{-}\mu _{-}^{0})+RTln(a_{M^{+}}^{v^{-}}\cdot a_{A^{-}}^{v^{-}})=\mu _{0}+RTlna,}$ где ${\displaystyle a}$ - активность электролита; ${\displaystyle v_{i}}$ - стехиометрические числа.

Таким образом, имеем:

${\displaystyle a=a_{+}^{v^{+}}\cdot a_{-}^{v^{-}}.}$

Усредненная активность иона равна:

${\displaystyle a_{\pm }=\left[a_{+}^{v^{+}}\cdot a_{-}^{v^{-}}\right]^{\frac {1}{v_{+}+v_{-}}}.}$

Для одно-одновалентного электролита ${\displaystyle v_{+}=v_{-}=1}$ и ${\displaystyle a_{\pm }={\sqrt {a_{+}\cdot a_{-}}},}$ то есть ${\displaystyle a_{\pm }}$ является средним геометрическим активностей отдельных ионов.

Для добавления растворов электролитов принято пользоваться моляльной (m) концентрацией (для разбавленных водных растворов m (в моль/кг) численно близка к с (молярной концентрации, в моль/л)). Значит, ${\displaystyle a_{i}=\gamma _{i}m_{i},}$ где ${\displaystyle \gamma _{i}}$ - коэффициент активности i-го иона.

Примечания

1. Электролиты // Большая российская энциклопедия : [в 35 т.] / гл. ред. Ю. С. Осипов. — М. : Большая российская энциклопедия, 2004—2017.
2. Степень диссоциации (α) — отношение числа молекул, диссоциировавших на ионы, к общему числу молекул в растворе электролита.
3. ГОСТ 15596-82 Архивная копия от 19 апреля 2014 на Wayback Machine Источники тока химические. Термины и определения

Литература

• Кистяковский В. А. Электролит // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
• Электролиты // Большая российская энциклопедия : [в 35 т.] / гл. ред. Ю. С. Осипов. — М. : Большая российская энциклопедия, 2004—2017.

Ссылки

• «Электролиты» — статья в Малой советской энциклопедии; 2 издание; 1937—1947 гг.
• Электролиты — статья из Большой советской энциклопедии.