Elektrolyt

Ein Elektrolyt ist ein meistens flüssiger Stoff, der wegen des Dipol-Charakters seiner Moleküle eine hohe Dielektrizitätszahl (Permittivität) hat. Wird ein Molekül mit Ionenbindung in ihn hinein gebracht, bewirkt die hohe Dielektrizitätszahl eine Herabsetzung der Ionenbindung, so daß das Molekül in seine Bestandteile, die Ionen zerfällt (Dissoziation). Die Ionen wirken als frei bewegliche Ladungsträger und können den elektrischen Strom leiten. So ist z.B. reines Wasser praktisch ein Nichtleiter, erst hineingebrachte Mokeküle werden durch die hohe Dielektrizität das Wassers dissoziert, sodass darin ein Strom fließen kann. Seine elektrische Leitfähigkeit und der Ladungstransport wird durch die Bewegung von Ionen verursacht. Elektrolyte sind wie ionisierte Gase Ionenleiter. Siehe auch Analyt und Kathalyt.

Einteilung

Elektrolyte sind im weitesten Sinne Stoffe, die zumindest teilweise in Ionen vorliegen. Man unterscheidet dabei

gelöste Elektrolyte
- starke Elektrolyte, die vollständig in Ionen gespalten werden, wenn sie gelöst werden, und
- schwache Elektrolyte, die zum Teil als Moleküle in Lösung gehen.
Die wichtigsten Elektrolyte sind demzufolge entweder Salze, Säuren oder Basen.
- Festkörper

Ein echter Elektrolyt ist ein Stoff, der im festen Aggregatzustand aus Ionenkristallen besteht und in Schmelze oder Lösung, in besonderen Fällen auch als Feststoff (siehe unten), den elektrischen Strom leitet.

Beispiele:

NaCl_(s) → Na⁺_(aq) + Cl^-_(aq)
NaOH_(s) → Na⁺_(aq) + OH^-_(aq)

Bei einem potentiellen Elektrolyt dagegen entstehen die Ionen erst durch die Reaktion mit dem Lösungsmittel.

Beispiel:

\mathrm {HCl_{(g)} + H_2O \rightarrow Cl^-_{(aq)} + H_3O^+_{(aq)}}

Flüssigkeiten

Elektrolyte im Sinne von Ionenleitern erfordern bewegliche Ionen. Daher sind alle Flüssigkeiten, die Ionen enthalten, Elektrolyte. Flüssige Elektrolyte sind sowohl die Salzschmelzen und die ionische Flüssigkeiten als auch alle flüssigen Lösungen von Ionen. Salzschmelzen und ionische Flüssigkeiten bestehen im Extremfall nur aus Ionen, sie können aber gelöste Moleküle enthalten. Bei wässrigen oder organischen Elektrolytlösungen ist es umgekehrt: Hier besteht das Lösungsmittel aus Molekülen, und die Ionen sind darin gelöst. Die Herstellung einer Elektrolytlösung kann dabei im bloßen Auflösen von schon vorhandenen Ionen bestehen, oder in einer chemischen Reaktion, bei der Ionen entstehen, beispielsweise einer Säure-Base-Reaktion wie bei der Auflösung von Molekülen wie Chlorwasserstoff oder Ammoniak in Wasser.

Festkörper

Auch Festkörper können bewegliche Ionen enthalten. Gerade bei hohen Temperaturen werden beispielsweise in aus Ionen bestehenden Festkörpern Ionen beweglich. Es gibt aber auch feste Elektrolyte, die bei Raumtemperatur verwendet werden können, oder bei nur wenig erhöhten Temperaturen. Dazu gehören auch die in manchen Brennstoffzellen verwendeten Polymerelektrolyt-Membranen. Sie bestehen aus einem Kunststoffgerüst, das ionische Seitengruppen enthält. Wichtige Ionenleiter sind z. B. manche Natriumaluminate. Neben der Anwendung in Brennstoffzellen sind Festelektrolyte auch in Sensoren wichtig, etwa der Lambdasonde, die einen Elektrolyt enthalten, der Sauerstoffionen leitet (z. B. YSZ, yttria stabilized zirconia, eine Mischung von Zirkoniumdioxid ZrO₂ und Yttriumoxid Y₂O₃). Auch die um 1900 als Glühlampe gebräuchliche Nernstlampe verwendete solche Festelektrolyte.

Biologische Elektrolyte

Die wichtigsten Ionen biologischer Elektrolyte sind Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium, Chlorid, Phosphat und Hydrogencarbonat. Sie sind im Cytosol enthalten, und für die Funktion der Zellen unentbehrlich. Noch weitere Ionen sind als Spurenelemente für die Zelle notwendig, doch sind die genannten Ionen besonders bedeutend im Hinblick auf das Elektrolytgleichgewicht der Zelle, da sie bei der Regulierung des osmotischen Drucks eine herausragende Rolle spielen.

Physiologie

Alle höheren Lebensformen halten ein subtiles und komplexes Elektrolytgleichgewicht zwischen ihrem intrazellulären (in ihren Zellen) und extrazellulären (außerhalb oder zwischen ihren Zellen) Milieu aufrecht. Insbesondere ist die Aufrechterhaltung genauer osmotischer Gradienten wichtig. Diese Gradienten beeinflussen und regulieren den Wasserhaushalt des Körpers und den pH-Wert des Blutes. Auch für die Funktion von Nerven- oder Muskelzellen spielen Elektrolyte eine zentrale Rolle. Die Regelung der Elektrolytkonzentration in der Zelle erfolgt mit Hilfe von Ionenkanälen.

Das Elektrolytgleichgewicht wird aufrecht erhalten durch die Zufuhr elektrolythaltiger Nahrung und Substanzen und wird reguliert durch Hormone. Ein Überschuss wird im Allgemeinen über die Niere ausgeschieden. Beim Menschen wird die Homöostase (Selbstregulation) der Salze durch Hormone wie Antidiuretisches Hormon (ADH), Aldosteron und Parathormon (PTH) gesteuert. Schwer wiegende Elektrolytstörungen können zu Herz- und Nervenschäden führen und sind meist medizinische Notfälle.

Gemessen werden die Elektrolyte über Blut- und Urintests. Die Deutung dieser Werte ist schwierig ohne Betrachtung der Anamnese und oft unmöglich ohne die gleichzeitige Untersuchung der Nierenfunktion. Die am häufigsten untersuchten Elektrolyte sind Natrium und Kalium. Der Chloridspiegel wird selten gemessen, da er inhärent mit dem Natriumspiegel zusammenhängt.

Ernährung

Elektrolythaltige Getränke mit Natrium- und Kaliumsalzen werden benutzt, um Elektrolyte nach Dehydratation nachzufüllen. Verursacht wird dieser Flüssigkeits- und damit Elektrolytverlust durch Sport, starkes Schwitzen, Durchfall, Erbrechen oder Unterernährung. Reines destilliertes Wasser ist nicht hilfreich, da es den Körperzellen Salze entzieht und deren chemische Funktionen beeinträchtigt. Dies kann zu Hyperhydration führen.

Sportgetränke enthalten neben den Elektrolyten große Mengen Kohlenhydrate (z. B. Glukose) als Energiespender. Für gewöhnlich sind die frei verkäuflichen Getränke isotonisch, das heißt deren Osmolarität liegt nahe der des Blutes. Hypotonische (niedrigere Osmolarität) und Hypertonische (höhere Osmolarität) Getränke sind verfügbar für Leistungssportler abhängig von deren besonderen Ernährungsbedürfnissen.

Sportgetränke enthalten sehr viel Zucker und sind daher nicht auf Dauer für Kinder geeignet. Auch erwachsenen Dauernutzern ist Vorbeugung gegen Zahnkaries empfohlen.

Elektrolyt- und Sportgetränke können auch selbst hergestellt werden durch die richtigen Anteile Zucker, Salz und Wasser.

Elektrochemische Anwendungen

Eine wichtige Anwendung von Elektrolyten ist der Gebrauch bei der Elektrolyse, einschließlich der Galvanik. Elektrolyte sind auch notwendige Bestandteile von Batterien, Akkumulatoren und Elektrolytkondensatoren. Zur Herkunft des von Michael Faraday geprägten Begriffes Elektrolyt siehe auch „Faradaysche Gesetze“, zur Bedeutung der Elektrolytkonzentration siehe auch Nernst-Gleichung.

Weblinks

http://stshome.de/elektronik/elektrolyt/

Elektrochemie

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