電解質

電解質は、電子の移動ではなく、イオンの移動によって電気を伝導する物質です。^[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、塩基が含まれます。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します。^[4]固体電解質も存在します。医学、時には化学において、電解質という用語は溶解している物質を指します。^[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かけると、溶液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。溶液内での陰イオンと陽イオンの反対方向の動きが電流になります。塩化水素(HCl) などの一部のガスは、高温または低圧の条件下では電解質として機能することもあります。^[^{説明が必要}^{]電解質溶液は、荷電}官能基を含む「ポリ電解質」と呼ばれる一部の生物学的物質 ( 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など) の溶解から生成されることもあります。溶液中または溶融物中で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。液相中のナトリウム、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。

医学的には、嘔吐や下痢が長引く場合や、激しい運動による発汗への対応として、電解質の補給が必要です。特に病気の子供（経口補水液、Suero Oral、Pedialyteなど）や運動選手（スポーツドリンク）向けの市販の電解質溶液が利用可能です。電解質のモニタリングは、拒食症や過食症の治療に重要です。

科学では、電解質は電気化学セルの主要構成要素の1つです。^[2]

臨床医学では、電解質という場合は通常、イオン、特にイオンの濃度（血液、血清、尿、またはその他の体液中）を換喩的に指します。したがって、電解質レベルという場合は通常、体液量ではなく、さまざまなイオン濃度を指します。

語源

電解質という言葉は、古代ギリシャ語のήλεκτρο- ( ēlectro -) （もともとは琥珀色を意味するが、現代では電気に関連する接頭辞）と、「ほどける、緩める」を意味する λυτός ( lytos ) に由来しています。^[要出典]

歴史

スヴァンテ・アレニウスは、水溶液中の電解質解離の概念の父であり、1903年にノーベル化学賞を受賞しました。

スヴァンテ・アレニウスは1884年の博士論文で、固体結晶塩が溶解すると一対の荷電粒子に解離するという説明を提示し、その功績により1903年のノーベル化学賞を受賞した。^[7]^[8]^[9]^[10]アレニウスの説明は、溶液を形成する際に塩が荷電粒子に解離するというもので、マイケル・ファラデー（1791-1867）はこれに何年も前に「イオン」という名前をつけていた。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た。^[8]^[9]^[10]

アル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・レウィス^[11]^[12]^[13]は、異なるイオンの種類がタンパク質の溶解度などに異なる影響を及ぼすことを発見しました。これらの異なるイオンの効果の大きさに基づく一貫した順序は、他の多くのシステムでも一貫して生じます。これはそれ以来、ホフマイスター系列として知られるようになりました。

これらの効果の起源は十分には明らかではなく、過去1世紀にわたって議論されてきましたが、これらのイオンの電荷密度が重要であることが示唆されており^{[14] 、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可能性があります。

形成

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り個々の成分が解離することで形成されます。このプロセスは「溶媒和」と呼ばれます。たとえば、食塩 (塩化ナトリウム)、NaCl を水に入れると、塩 (固体) は解離反応に従ってその成分イオンに溶解します。^{[引用が必要]}

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可能である。例えば、二酸化炭素ガスは水に溶解し、ヒドロニウム、炭酸塩、炭酸水素イオンを含む溶液を生成する。^[要出典]

溶融塩は電解質にもなり得ます。例えば、塩化ナトリウムが溶融すると、液体は電気を通します。特に、融点が100℃未満の溶融塩であるイオン液体^[15]は、導電性の高い非水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広がっています。^[16]

溶液中の電解質は、イオンの濃度が高い場合は「濃縮」、低い場合は「希薄」と表現されます。溶質の大部分が解離して自由イオンを形成する場合、電解質は強力です。溶質の大部分が解離しない場合は、電解質は弱くなります。電解質の特性は、電気分解を使用して溶液内に含まれる構成元素や化合物を抽出するために利用できます。^{[引用が必要]}

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力な電解質である水酸化物を形成します。このため、高い溶解度が求められる状況でのみその用途が制限されます。^[17]

2021年、研究者らは電解質が「導電性の低い媒体における電気化学的腐食研究を大幅に促進できる」ことを発見した。^[18]

生理学的重要性

生理学では、電解質の主なイオンは、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（HPO ₄²⁻）、炭酸水素（HCO ₃⁻）である。^[19]^{[検証失敗]}プラス（+）とマイナス（−）の電荷記号は、物質がイオン性であり、化学解離の結果として電子の不均衡な分布を持っていることを示しています。ナトリウムは細胞外液に含まれる主要な電解質であり、カリウムは細胞内の主要な電解質です。^{[20]どちらも体液バランスと}血圧制御に関与しています。^[21]

既知の多細胞生物はすべて、細胞内と細胞外の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。^[19]特に、電解質の正確な浸透圧勾配を維持することが重要です。このような勾配は、体の水分補給や血液のpHに影響を与え、それを調節し、神経や筋肉の機能にとって重要です。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。^[22]

筋肉組織とニューロンはどちらも、体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の間の電解質活動によって活性化されます。電解質は、「イオンチャネル」と呼ばれる細胞膜に埋め込まれた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が十分なレベルにないと、筋肉の衰弱や重度の筋肉収縮が発生する可能性があります。^[^{引用が必要}^]^[23]

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（IV）で摂取することで維持され、ホルモンによって調節され、通常は腎臓が過剰分を排出します。ヒトでは、電解質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ています。脱水や水分過剰などの深刻な電解質障害は、心臓や神経の合併症を引き起こす可能性があり、迅速に解決しないと医療上の緊急事態につながります。

測定

電解質の測定は、イオン選択電極による血液検査や医療技術者による尿検査によって行われる、一般的に行われている診断手順です。これらの値の解釈は、病歴の分析なしでは意味がなく、腎機能の同時測定なしでは不可能な場合が多いです。最も頻繁に測定される電解質はナトリウムとカリウムです。塩化物濃度は、本質的にナトリウム濃度と関連しているため、動脈血ガスの解釈を除いてほとんど測定されません。尿で行われる重要な検査の 1 つは、電解質不均衡の発生を判断するための比重検査です。^[^要出典^]

水分補給

ゲータレード・スポーツ科学研究所が資金提供した研究によると、ナトリウム塩とカリウム塩を含む電解質飲料は、運動、過度のアルコール摂取、発汗（大量の発汗）、下痢、嘔吐、中毒、または飢餓によって引き起こされる脱水後に、体内の水分と電解質濃度を補給します。研究によると、極端な条件（マラソンやトライアスロンなど、3時間以上連続）で運動するアスリートは電解質を摂取しないと脱水（または低ナトリウム血症）のリスクがあります。 [ 24 ] ^[^{独立した確認が必要]}

自家製電解質ドリンクは、水、砂糖、塩を正確な割合で使用して作ることができます。^{[25]ナトリウムとグルコースの共輸送メカニズムを利用するには、}グルコース（砂糖）を含めることが重要です。ヒトと獣医の両方に使用できる市販の製剤も入手可能です^{[26] 。}

電解質は、フルーツジュース、スポーツドリンク、牛乳、ナッツ、多くの果物や野菜（丸ごとまたはジュースの形）（例：ジャガイモ、アボカド）によく含まれています。

電気化学

電極を電解質内に置いて電圧をかけると、電解質は電気を伝導します。孤立電子は通常、電解質を通過できません。代わりに、カソードで化学反応が起こり、電解質に電子が供給されます。別の反応がアノードで起こり、電解質から電子が消費されます。その結果、カソード周辺の電解質に負の電荷雲が発生し、アノード周辺に正の電荷が発生します。電解質内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。^{[引用が必要]}

例えば、通常の食塩（塩化ナトリウム、NaCl）の水溶液では、陰極反応は次のようになります。

2 H ₂ O + 2e ⁻ → 2 OH ⁻ + H ₂

水素ガスが泡立ち、陽極反応は

2 NaCl → 2 Na ⁺ + Cl ₂ + 2e ⁻

塩素ガスが溶液中に放出され、ナトリウムイオンおよび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、陰極にある OH}⁻の負電荷を中和し、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、陽極にある Na ⁺の正電荷を中和します。電解質からのイオンがなければ、電極周辺の電荷によって継続的な電子の流れが遅くなり、H ⁺と OH ^{−が水を介して他の電極に}拡散する時間は、より多く存在する塩イオンの移動よりも長くなります。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法で配向するため、電解質は水中で解離します。

他のシステムでは、電極反応には電解質のイオンだけでなく電極の金属も関与することがあります。

電解導体は、金属と電解質の界面での化学反応によって有用な効果が得られる電子機器に使用されます。

電池では、電子親和力の異なる2つの材料が電極として使われています。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と流れ、電池の内側では電解質のイオンによって回路が閉じられています。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。^[27]
いくつかの燃料電池では、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、水素と酸素の燃料ガスを分離した状態に保ちます。^[28]
電気めっきタンクでは、電解液がめっき対象物に金属を堆積させると同時に、その対象物を回路内で電気的に接続します。
動作時間ゲージでは、2 本の細い水銀柱が電解質が満たされた小さな隙間で分離されており、電荷がデバイスを通過すると、金属が片側で溶解し、もう片側でめっきが付くため、目に見える隙間がゆっくりと移動します。
電解コンデンサでは、化学効果を利用して非常に薄い誘電体または絶縁コーティングを生成し、電解質層は 1 つのコンデンサプレートとして機能します。
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の湿度を感知します。
高温で軟化したガラスは電気伝導体であり、ガラス製造業者の中には、ガラスに大電流を流してガラスを溶融状態に保つところもあります。

固体電解質

固体電解質は、主に以下の4つのグループに分けられます。

ゲル電解質

ゲル電解質 – 液体電解質によく似ています。本質的には、柔軟な格子構造内の液体です。このようなシステムの導電性を高めるために、さまざまな添加剤が使用されることがよくあります。^[27]^[29]

セラミック電解質

固体セラミック電解質 -イオンは格子内の空孔または格子間原子を介してセラミック相を通過します。ガラス質セラミック電解質もあります。

ポリマー電解質

乾式ポリマー電解質は、塩が固体媒体に直接溶解している点で液体電解質やゲル電解質とは異なります。通常、比較的誘電率の高いポリマー（PEO、PMMA、PAN、ポリホスファゼン、シロキサンなど）と低格子エネルギーの塩です。このような電解質の機械的強度と導電性を高めるために、多くの場合、複合材料が作られ、不活性セラミック相が導入されます。このような電解質には、ポリマーインセラミックとセラミックインポリマーの2つの主要なクラスがあります。^[30]^[31]^[32]

有機プラスチック電解質

有機イオン性プラスチック結晶は、メソフェーズ（液体と固体の中間の状態）を示す有機塩の一種で、可動イオンは配向または回転が乱れているが、その中心は結晶構造の整列した部位に位置する。 ^[28]融点以下の1つ以上の固体-固体相転移により、さまざまな形の乱れがあり、そのため可塑性があり、機械的柔軟性に優れているほか、電極-電解質界面接触が改善されている。特に、プロトン性有機イオン性プラスチック結晶（POIPC）^[28]は、ブレンステッド酸からブレンステッド塩基へのプロトン移動によって形成される固体プロトン性有機塩であり、本質的には溶融状態のプロトン性イオン液体であり、燃料電池用の有望な固体プロトン伝導体であることがわかっている。例としては、1,2,4-トリアゾリウムペルフルオロブタンスルホネート^[28]やイミダゾリウムメタンスルホネートなどがある。^[33]

参照

電解加工
レーゲンスブルク電気電解銀行
イオン輸送数
ITIES（2つの混ざらない電解質溶液間の界面）
塩の橋
強電解質
支持電解質（バックグラウンド電解質）
VTPR

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外部リンク

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