الإلكتروليتات هي مواد تنتج محلولًا موصلًا للكهرباء عند إذابتها في مذيب قطبي، مثل الماء. ويمكن تقسيمها إلى إلكتروليتات قوية وضعيفة ، بناءً على قدرتها على التفكك إلى أيونات في المحلول. تعتبر الإلكتروليتات ضرورية للعديد من العمليات الفسيولوجية وتستخدم أيضًا في التطبيقات الصناعية المختلفة.
عند ذوبانها في الماء، تنفصل الإلكتروليتات إلى كاتيونات (أيونات موجبة الشحنة) وأنيونات (أيونات سالبة الشحنة). تُعرف هذه العملية بالتفكك . وتعود قدرة المحلول على توصيل الكهرباء إلى حركة هذه الأيونات التي تحمل الشحنات الكهربائية.
تتضمن أمثلة الإلكتروليتات كلوريد الصوديوم (NaCl)، وكلوريد البوتاسيوم (KCl)، وكبريتات المغنيسيوم (MgSO 4 ). ومن ناحية أخرى، لا تنفصل المواد غير الإلكتروليتية إلى أيونات في المحلول، وبالتالي لا توصل الكهرباء. تشمل أمثلة اللاإلكتروليتات السكر (السكروز) والإيثانول.
تنفصل الإلكتروليتات القوية بشكل كامل تقريبًا إلى أيونات في المحلول، مما ينتج عنه تركيز عالٍ من الأيونات مما يؤدي إلى الحصول على محلول ذي موصلية كهربائية عالية. ومن أمثلة الشوارد القوية حمض الهيدروكلوريك (HCl)، وهيدروكسيد الصوديوم (NaOH)، ونترات البوتاسيوم (KNO 3 ).
من ناحية أخرى، فإن الإلكتروليتات الضعيفة تنفصل جزئيًا فقط في المحلول. يؤدي هذا التفكك الجزئي إلى تركيز أقل للأيونات وبالتالي توصيل كهربائي أقل من الشوارد القوية. يعد حمض الأسيتيك (CH 3 COOH) وهيدروكسيد الأمونيوم (NH 4 OH) من الأمثلة على الشوارد الضعيفة.
يمكن تمثيل تفكك الشوارد في المحلول بالمعادلات الكيميائية. على سبيل المثال، يمكن تمثيل تفكك كلوريد الصوديوم في الماء على النحو التالي:
\( \textrm{كلوريد الصوديوم} \rightarrow \textrm{نا}^{+} + \textrm{Cl}^{-} \)وبالمثل، يمكن تمثيل تفكك حمض الأسيتيك، وهو إلكتروليت ضعيف، جزئيًا على النحو التالي:
\( \textrm{الفصل}_3\textrm{كوه} \rightleftharpoons \textrm{الفصل}_3\textrm{سجع}^{-} + \textrm{ح}^{+} \)يشير السهم المزدوج إلى أن التفاعل قابل للعكس، مما يعني أنه لا تنفصل جميع جزيئات حمض الأسيتيك.
تعتبر الإلكتروليتات ضرورية للعديد من وظائف الجسم. على سبيل المثال، تساعد في تنظيم وظيفة الأعصاب والعضلات، وترطيب الجسم، وموازنة حموضة الدم وضغطه، وتساعد في إعادة بناء الأنسجة التالفة. الصوديوم والبوتاسيوم والكالسيوم والمغنيسيوم هي إلكتروليتات أساسية ضرورية لوظائف الجسم.
في التطبيقات الصناعية، تُستخدم الإلكتروليتات في البطاريات، حيث تعمل كوسيط لنقل الأيونات من قطب كهربائي إلى آخر. يعد نقل الأيونات ضروريًا لإنتاج الطاقة الكهربائية.
تعتمد الموصلية الكهربائية للمحلول الإلكتروليتي على تركيز الأيونات، والذي يعتمد بدوره على درجة تفكك المحلول الإلكتروليتي. يمكن استخدام قياسات الموصلية لتحديد تركيز محلول الإلكتروليت.
في الإعداد النموذجي، يتم تطبيق جهد التيار المتردد عبر أقطاب كهربائية مغمورة في محلول الإلكتروليت. يتم قياس التيار الكهربائي الناتج، والذي يتناسب طرديا مع موصلية المحلول. تكون الموصلية أعلى في محاليل الإلكتروليتات القوية بسبب تركيزها الأيوني العالي.
إلى جانب التطبيقات الفسيولوجية وتطبيقات البطاريات، تُستخدم الإلكتروليتات أيضًا في الطلاء الكهربائي، والتحليل الكهربائي لإنتاج المواد الكيميائية، وكجزء من حلول التبريد والتشحيم في عمليات التصنيع المختلفة.
في الرعاية الصحية، يعد توازن الإلكتروليت جانبًا مهمًا في رعاية المرضى، خاصة في حالات مثل الجفاف أو الفشل الكلوي أو اختلال توازن الإلكتروليتات مثل فرط بوتاسيوم الدم (مستويات البوتاسيوم العالية) أو نقص صوديوم الدم (مستويات منخفضة الصوديوم). تعد مراقبة مستويات الإلكتروليت وضبطها ممارسة شائعة في هذه السيناريوهات.
توجد الإلكتروليتات في العديد من الأطعمة والمشروبات التي نستهلكها. على سبيل المثال، يُعرف الموز بمحتواه العالي من البوتاسيوم، بينما يعد ملح الطعام مصدرًا رئيسيًا للصوديوم. غالبًا ما تحتوي المشروبات الرياضية على إلكتروليتات مضافة مثل الصوديوم والبوتاسيوم للمساعدة في تعويض تلك المفقودة من خلال العرق أثناء ممارسة التمارين الرياضية القوية.
يمكن أن يساعد فهم دور الإلكتروليتات في الجسم أيضًا في اتخاذ خيارات النظام الغذائي التي تدعم توازن الإلكتروليتات، وهو أمر ضروري للحفاظ على الصحة والرفاهية المثلى.
تتضمن تجربة بسيطة لفهم مفهوم الإلكتروليتات وقدرتها على توصيل الكهرباء، استخدام مصباح كهربائي وبطارية وسلكين ومحلول من الماء الممزوج بملح الطعام (كلوريد الصوديوم) كإلكتروليت.
من خلال توصيل البطارية بالمصباح الكهربائي بالأسلاك ثم غمس أطراف الأسلاك في محلول الماء المالح، سوف تتدفق الكهرباء عبر الدائرة ويضيء المصباح. سيؤدي استبدال محلول الماء المالح بالماء المقطر (الذي يفتقر إلى الأيونات الحرة) إلى عدم إضاءة المصباح، مما يدل على أن الأيونات الموجودة في محلول الإلكتروليت ضرورية لتدفق الكهرباء.
تلعب الإلكتروليتات دورًا حيويًا في كل من الأنظمة البيولوجية والعديد من التطبيقات الصناعية. من خلال قدرتها على الانفصال إلى أيونات، فإنها تساعد في توصيل الكهرباء، وتنظيم العمليات الفسيولوجية، وتستخدم في تقنيات مثل البطاريات والطلاء الكهربائي. إن فهم المبادئ الكامنة وراء الإلكتروليتات ووظائفها يفتح الباب لفهم العمليات الكيميائية والفسيولوجية الأكثر تعقيدًا.
سواء في الفصل الدراسي أو في المختبر أو في الحياة اليومية، يعد مفهوم الإلكتروليتات ووظائفها جزءًا لا يتجزأ من فهم العالم الطبيعي والتقنيات التي تمكن الحياة الحديثة.
