電解質

電解質とは、イオンの移動によって電気を伝導するが、電子の移動によって電気を伝導しない物質である。^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}これには、水などの極性溶媒に溶解したほとんどの可溶性塩、酸、塩基が含まれる。溶解すると、物質は陽イオンと陰イオンに分離し、溶媒全体に均一に分散する。^{[ 4 ]}固体電解質も存在する。医学や化学では、電解質という用語は溶解した物質を指す場合がある。^{[ 5 ] [ 6 ]}

電気的には、このような溶液は中性です。このような溶液に電位を印加すると、溶液中の陽イオンは電子が豊富な電極に引き寄せられ、陰イオンは電子が不足している電極に引き寄せられます。溶液中で陰イオンと陽イオンが反対方向に移動することで電流が発生します。塩化水素（HCl）などの一部の気体も、高温または低圧の条件下では電解質として機能します。電解質溶液は、荷電官能基を含む「高分子電解質」と呼ばれる、一部の生物学的ポリマー（DNA、ポリペプチドなど）または合成ポリマー（ポリスチレンスルホン酸塩など）の溶解によっても生成されます。溶液中または溶融時にイオンに解離する物質は、電気を伝導する能力を獲得します。液相のナトリウム、カリウム、塩化物、カルシウム、マグネシウム、リン酸塩は電解質の例です。

医学においては、嘔吐や下痢が長引く場合、あるいは激しい運動による発汗に対して、電解質の補充が必要となります。市販の電解質溶液は、特に病気の子供（経口補水液、スエロオーラル、ペディアライトなど）やアスリート（スポーツドリンク）向けに提供されています。電解質のモニタリングは、拒食症や過食症の治療において重要です。

科学において、電解質は電気化学セルの主要な構成要素の1つである。^{[ 2 ]}

臨床医学において、電解質という言葉は通常、イオンそのもの、そして（特に）それらの濃度（血液、血清、尿、その他の体液中）を指す換喩的な意味で用いられます。したがって、電解質レベルという言葉は通常、体液量ではなく、様々なイオン濃度を指します。

電解質という言葉は、古代ギリシャ語のήλεκτρο- ( ēlectro- )に由来し、元々は琥珀を意味する接頭辞ですが、現代の文脈では電気に関連しています。また、λυτός ( lytos ) は「分解できる」という意味です。^{[ 7 ]}

スヴァンテ・アレニウスは、1884年の博士論文で、固体結晶塩が溶解時に対になった荷電粒子に解離するという説明を発表し、1903年にノーベル化学賞を受賞しました。^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}アレニウスの説明では、溶液を形成する際に塩が荷電粒子に解離し、マイケル・ファラデー（1791-1867）が何年も前に「イオン」と名付けた粒子になるということです。ファラデーは、イオンは電気分解の過程で生成されると考えていました。アレニウスは、電流がなくても塩の溶液にはイオンが含まれていると提唱しました。したがって、溶液中の化学反応はイオン間の反応であると提唱しました。^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}

アレニウスのイオン仮説の直後、フランツ・ホフマイスターとジークムント・レヴィット^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]}は、異なる種類のイオンがタンパク質の溶解度などに異なる影響を与えることを発見した。これらの異なるイオンの影響の大きさに関する一貫した順序は、他の多くのシステムでも一貫して現れる。これはその後、ホフマイスター系列として知られるようになった。

これらの効果の起源は十分に明確ではなく、過去1世紀にわたって議論されてきたが、これらのイオンの電荷密度が重要であると示唆されており^{[ 15 ]} 、実際には200年以上前のシャルル＝オーギュスタン・ド・クーロンの研究に由来する説明があるかもしれない。

電解質溶液は通常、塩を水などの溶媒に入れ、溶媒と溶質分子間の熱力学的相互作用によって個々の成分が解離することによって形成されます。この過程は「溶媒和」と呼ばれます。例えば、食塩（塩化ナトリウム）、NaClを水に入れると、塩（固体）は次の解離反応に従って構成イオンに溶解します。

NaCl _(s) → Na ⁺ _(aq) + Cl ⁻ _(aq)

物質が水と反応してイオンを生成することもあります。例えば、二酸化炭素ガスは水に溶けて、ヒドロニウムイオン、炭酸イオン、炭酸水素イオンを含む溶液を生成します。^{[ 16 ]}

溶融塩も電解質となり得る。例えば、塩化ナトリウムが溶融すると、液体は電気を伝導する。特に、融点が100 ℃以下の溶融塩であるイオン液体^{[ 17 ]}は、高導電性の非水系電解質の一種であり、燃料電池や電池への応用がますます増えている^{[ 18 ]} 。さらに、高濃度電解質、すなわち塩中溶媒電解質は、塩の濃度が3Mを超える有望な電解質である^{[ 19 ]。} 

溶液中の電解質は、イオン濃度が高い場合は「濃縮」、濃度が低い場合は「希薄」と表現できます。溶質の大部分が解離して自由イオンを形成する場合、その電解質は強電解質であり、溶質の大部分が解離しない場合、その電解質は弱電解質です。電解質の性質は、電気分解を利用して溶液中に含まれる構成元素や化合物を抽出する際に利用できます。^{[ 20 ]}

アルカリ土類金属は、構成イオン間の強い引力により、水への溶解度が限られた強電解質である水酸化物を形成します。このため、アルカリ土類金属の用途は、高い溶解度が求められる状況に限定されます。^{[ 21 ]}

2021年に研究者らは、電解質が「導電性の低い媒体での電気化学的腐食の研究を大幅に促進できる」ことを発見した。^{[ 22 ]}

生理学では、電解質の主要なイオンはナトリウム（Na ⁺）、カリウム（K ⁺）、カルシウム（Ca ²⁺）、マグネシウム（Mg ²⁺）、塩化物（Cl ⁻）、リン酸水素イオン（HPO ₄ ²⁻）、炭酸水素イオン（HCO ₃ ⁻）です。^{[ 23 ]}プラス（+）とマイナス（−）の電荷記号は、物質がイオン性であり、化学的解離の結果として電子の分布が不均衡であることを示しています。ナトリウムは細胞外液に見られる主要な電解質であり、カリウムは細胞内液に見られる主要な電解質です。^{[ 24 ]}両方とも体液バランスと血圧制御に関与しています。^{[ 25 ]}

既知の多細胞生物はすべて、細胞内環境と細胞外環境の間で微妙かつ複雑な電解質バランスを必要とします。 ^{[ 23 ]}特に、電解質の正確な浸透圧勾配の維持が重要です。このような勾配は、血液のpHだけでなく、体の水分量にも影響を与え、調節し、神経と筋肉の機能に不可欠です。生物種には、さまざまな電解質の濃度を厳密に制御するさまざまなメカニズムが存在します。^{[ 26 ]}

筋肉組織とニューロンはどちらも体内の電気組織と考えられています。筋肉とニューロンは、細胞外液または間質液と細胞内液との間の電解質の活動によって活性化されます。電解質は、細胞膜に埋め込まれた「イオンチャネル」と呼ばれる特殊なタンパク質構造を介して細胞膜に出入りします。たとえば、筋肉の収縮はカルシウム（Ca ²⁺）、ナトリウム（Na ⁺）、カリウム（K ⁺ ）の存在に依存しています。これらの重要な電解質のレベルが十分でないと、筋力低下や重度の筋肉収縮が発生する可能性があります。^{[ 27 ]}

電解質バランスは、電解質を含む物質を経口摂取するか、緊急時には静脈内投与することで維持され、一般的には腎臓が過剰な電解質を排出することでホルモンによって調節されます。ヒトでは、電解質の恒常性は抗利尿ホルモン、アルドステロン、副甲状腺ホルモンなどのホルモンによって調節されます。脱水や過水和などの深刻な電解質異常は、心臓や神経系の合併症を引き起こす可能性があり、迅速に解決されない限り、医学的な緊急事態となります。

電極を電解質中に置いて電圧を印加すると、電解質は電気を伝導します。単独の電子は通常、電解質を通過できません。代わりに、陰極で化学反応が起こり、電解質に電子が供給されます。陽極では別の反応が起こり、電解質から電子が消費されます。その結果、陰極の周りの電解質中に負の電荷雲が発生し、陽極の周りでは正の電荷が発生します。電解質中のイオンがこれらの電荷を中和し、電子が流れ続け、反応が継続できるようにします。^{[ 32 ]}

例えば、通常の食塩（塩化ナトリウム、NaCl）を水に溶かした溶液では、陰極反応は次のようになります。

2 H ₂ O + 2e ⁻ → 2 OH ⁻ + H ₂

そして水素ガスが泡立ちます。陽極反応は

2 NaCl → 2 Na ⁺ + Cl ₂ + 2e ⁻

そして塩素ガスが溶液中に放出され、そこでナトリウムイオンと水酸化物イオンと反応して次亜塩素酸ナトリウム（家庭用漂白剤）が生成されます。正に帯電したナトリウムイオン Na ⁺は陰極に向かって反応し、そこにある負の電荷 OH ⁻を中和し、負に帯電した水酸化物イオン OH ⁻は陽極に向かって反応し、そこにある正の電荷 Na ⁺を中和します。電解質からのイオンがないと、電極周辺の電荷が電子の流れを遅らせます。H ⁺と OH ⁻が水中を拡散してもう一方の電極に到達するには、はるかに多く存在する塩イオンの移動よりも時間がかかります。

電解質は水中で解離する。なぜなら水分子は双極子であり、双極子はイオンを溶媒和するのにエネルギー的に有利な方向に配向するからである。^{[ 33 ]}

他のシステムでは、電極反応には電極の金属だけでなく電解質のイオンも関与する可能性がある。^{[ 34 ]}

電解導体は、金属と電解質の界面における化学反応が有用な効果をもたらす電子機器に用いられる。

• 電池では、電子親和性の異なる2つの材料が電極として使用されます。電池の外側では電子が一方の電極からもう一方の電極へ流れ、電池内部では電解質のイオンによって回路が閉じられます。ここで、電極反応によって化学エネルギーが電気エネルギーに変換されます。^{[ 35 ]}
• 一部の燃料電池では、固体電解質またはプロトン伝導体がプレートを電気的に接続しつつ、水素と酸素の燃料ガスを分離している。^{[ 36 ]}
• 電気めっき槽では、電解液がめっき対象物に金属を析出させると同時に、その対象物を回路に電気的に接続する。
• 稼働時間計では、2本の細い水銀柱が小さな電解液で満たされた隙間によって隔てられており、装置に電荷が流れると、片側の金属が溶解し、もう片側に析出するため、目に見える隙間がゆっくりと移動する。
• 電解コンデンサでは、化学反応を利用して極めて薄い誘電体または絶縁コーティングを形成し、同時に電解質層がコンデンサの電極板として機能する。
• 一部の湿度計では、ほぼ乾燥した電解質の導電率を測定することによって空気中の湿度を感知する。
• 高温で軟化したガラスは電気伝導体であり、一部のガラスメーカーは、ガラスに大電流を流すことで溶融状態を維持している。

固体電解質は、大きく分けて以下の4つのグループに分類できる。

• 電解質バランスの崩れ
• 電気化学加工
• レーゲンスブルク電気電解銀行
• ITIES（混ざり合わない2つの電解質溶液間の界面）
• 塩橋
• VTPR

• ウィキメディア・コモンズにある電解質関連のメディア
• Friedman HL (1960). "Mayerのイオン溶液理論の電解質混合物への適用" . The Journal of Chemical Physics . 32 (4): 1134– 1149. Bibcode : 1960JChPh..32.1134F . doi : 10.1063/1.1730863 .
• Leaist DG、Lyons PA (1981)「不完全解離を伴う電解質の多成分拡散。緩衝溶液中の拡散」The Journal of Physical Chemistry . 85 (12): 1756–1762 . doi : 10.1021/j150612a033 .
• Kaminsky M (1957). 「イオン-溶媒相互作用と強電解質溶液の粘度」。ファラデー協会の議論。24 :171。doi : 10.1039 / DF9572400171。