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Elektrolyt Als Maskulinum 1 von altgriechisch ἤλεκτρον elektron deutsch Bernstein im übertragenen Sinne elektrisch und λ

Elektrolyt

Als Elektrolyt (Maskulinum, von altgriechisch ἤλεκτρον elektron, deutsch ‚Bernstein‘, im übertragenen Sinne ‚elektrisch‘ und λυτικός lytikós, deutsch ‚auflösbar‘) bezeichnet man eine chemische Verbindung, die im festen, flüssigen oder gelösten Zustand in Ionen dissoziiert ist und die sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes gerichtet bewegt. Oft wird mit Elektrolyt auch das feste oder flüssige Material bezeichnet, das die beweglichen Ionen enthält. Die elektrische Leitfähigkeit solcher Ionenleiter ist geringer, als es für Metalle typisch ist. Sie werden deshalb als Leiter 2. Klasse bezeichnet.

Leiter 1. Klasse (mit Elektronen als Ladungsträgern) im Kontakt mit einem Ionenleiter heißen Elektroden. An den Grenzflächen treten elektrochemische Reaktionen auf, insbesondere bei Stromfluss.

Elektrolyte sind für lebende Organismen (einschließlich dem menschlichen Organkomplex) und deren Wasserhaushalt lebenswichtig. Elektrolytmangel kann so zu teils lebensbedrohlichen Hitzeschäden führen und tritt oft zusammen mit Flüssigkeitsmangel auf, welcher wiederum häufig durch Durchfallerkrankungen induziert wird.

Einteilung Bearbeiten

Elektrolyte sind im weitesten Sinne Stoffe, die zumindest teilweise als Ionen vorliegen.

Man unterscheidet dabei in

  • gelöste Elektrolyte (zur Leitfähigkeit von gelösten Elektrolyten siehe Elektrolytische Leitfähigkeit)
    • starke Elektrolyte, die vollständig in Ionen gespalten werden, wenn sie gelöst werden, wie zum Beispiel Natriumchlorid
    • schwache Elektrolyte, die nur zum Teil in Lösung dissoziieren, wie zum Beispiel Essigsäure
  • 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 Abschnitt Festkörper), den elektrischen Strom leitet.
  • In ungelöster Form bestehen potentielle Elektrolyte aus elektrisch neutralen Molekülen mit halbpolaren bis homöopolaren Bindungen mit hohem Dipolmoment. Zu ihnen gehören fast alle schwachen Elektrolyte und starken Säuren. Potentielle Elektrolyte leiten aufgrund der geringen Eigendissoziation meist auch im geschmolzenen Zustand praktisch keinen Strom. Die Ionen entstehen erst durch die Reaktion mit dem Lösungsmittel, weswegen erst in Lösung eine erhöhte Leitfähigkeit festgestellt werden kann.

Die wichtigsten Elektrolyte sind demzufolge entweder Säuren, Basen oder Salze.

Flüssigkeiten Bearbeiten

Elektrolyte im Sinne von Ionenleitern erfordern bewegliche Ionen. Daher sind alle Flüssigkeiten, die Ionen enthalten, Elektrolyte. Flüssige Elektrolyte sind sowohl die Salzschmelzen und die ionischen Flüssigkeiten als auch alle flüssigen Lösungen von Ionen. Salzschmelzen und ionische Flüssigkeiten bestehen im Regelfall 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 aufgelöst. 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. Informationen über die translatorische Beweglichkeit von Ionen in der Elektrolytlösung, wie deren Diffusionskoeffizient oder deren Beweglichkeit im elektrischen Feld, kann man über Feldgradienten-NMR-Methoden erhalten. Die Messung von kann aber auch mit der „klassischen Methode“ der „Bewegten Grenzfläche“ (moving interface) erfolgen.

Festkörper Bearbeiten

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 beispielsweise manche Natriumaluminate. Neben der Anwendung in Brennstoffzellen sind Festelektrolyte auch in Sensoren wichtig, etwa der Lambdasonde, die ein Elektrolyt enthält, das 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 Bearbeiten

Die wichtigsten Ionen biologischer Elektrolyte sind Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium, Chlorid, Phosphat und Hydrogencarbonat, bei Pflanzen zusätzlich noch Nitrate. Sie sind im Zytosol enthalten und für die Funktion der Zellen und Reizleitung aber auch für das Membranpotential 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 Bearbeiten

Kation Funktion Konzentration [mmol/l]
intraz. interst. Plasma
Natrium extrazelluläre Osmolarität, Aktionspotential 15 143 141
Kalium intrazelluläre Osmolarität, Ruhemembranpotential 140 4 4
Calcium second Messenger, Knochenumbau 0,0001 1,3 2,5
Magnesium zelluläre Erregbarkeit 15 0,7 1
Anion Funktion Konzentration [mmol/l]
intraz. interst. Plasma
Chlorid 8 115 103
Hydrogencarbonat Säure-Basen-Haushalt 15 28 25
Phosphat intrazellulärer Puffer 60 1 1
Sulfat 10 0,5 0,5
organische Säuren 2 5 4
  1. frei gelöster Anteil
  2. etwa 1,3 mmol/l frei gelöst, Rest komplexiert
  3. etwa 1 mmol/l frei gelöst, Rest organisch gebunden

Schon die frühesten Einzeller ließen reines Wasser recht ungehindert über ihre Zellmembranen fließen, während sie ihren Gehalt an Elektrolyten streng regulierten und dabei die konstante Konzentrationen im Meerwasser, ihrem äußeren Milieu, nutzten. Die Zellen der später entstandenen landlebenden Mehrzeller (inklusive des Menschen) arbeiten weiterhin nach diesem Prinzip. Allerdings steht ihnen kein Meereswasser mehr zur Verfügung. Vielmehr muss der Organismus nun auch die Konzentrationen in der extrazellulären Flüssigkeit, dem inneren Milieu, durch Regulierung der Aufnahme (Essverhalten und Resorption im Darm) und Ausscheidung (Rückresorption in der Niere) konstant halten.

Aus der freien Passage von Wasser folgt, dass seine Verteilung durch die Verteilung osmotisch aktiver Substanzen (der größte Teil davon sind Elektrolyte) bestimmt wird, denn unterschiedliche osmotische Konzentrationen erzeugen unterschiedliche osmotische Drücke, die das Wasser in Richtung der höheren Osmolarität treiben. Die Osmolarität beträgt im menschlichen Körper intrazellulär wie extrazellulär etwa 300 mosmol/l, sie wird durch Steuerung der Aufnahme und Ausscheidung von Wasser konstant gehalten. Der Natriumbestand bestimmt dabei das Volumen der extrazellulären Flüssigkeit und damit auch das Blutvolumen, dessen Konstanthaltung für die Kreislaufstabilität von größter Bedeutung ist.

Verliert man durch starkes Schwitzen oder Durchfall viel Salz und Wasser, genügt es nicht, nur das Wasser wieder zuzuführen, denn Wasser ohne Salz senkt die Osmolarität, sodass das Wasser zur Wahrung der Osmohomöostase wieder ausgeschieden wird. Zur Behandlung eines Volumenmangels werden klinisch Vollelektrolytlösungen infundiert. Sportgetränke, die mit Isotonie werben, sind meist nicht geeignet, einen echten Volumenmangel zu beheben, weil sie die Osmolarität des Körpers im Wesentlichen durch Zucker erreichen, der aber durch die Blutzuckerregulation schnell aus dem Blut entfernt wird, sodass hypotone Lösung zurückbleibt; allerdings ist auch gar kein isotones Getränk notwendig, da über den Schweiß mehr Wasser als Salz verloren geht.

Störungen der an den Elektrolythomöostasen beteiligten Hormone oder Organe äußern sich in charakteristischen Elektrolytstörungen. Wenn eine kausale Therapie nicht möglich ist, können sie durch Infusion geeigneter Lösungen, Diuretika, Nahrungsergänzungsmittel oder auch Meidung bestimmter Lebensmittel behandelt werden, mächtigste Therapie ist die Dialyse.

Elektrochemische Anwendungen Bearbeiten

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.

Galvanische Elektrolyte Bearbeiten

In der Galvanik werden folgende Elektrolyte verwendet.

Siehe auch Bearbeiten

Literatur Bearbeiten

  • Carl H. Hamann, Wolf Vielstich: Elektrochemie I. Elektrolytische Leitfähigkeit, Potentiale, Phasengrenzen. 2. Auflage. VCH Verlagsgesellschaft mbH, Oldenburg/ Bonn 1985, ISBN 3-527-21100-4.

Weblinks Bearbeiten

Wiktionary: Elektrolyt – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. Duden: Elektrolyt
  2. ↑ Carl H. Hamann, Wolf Vielstich: Elektrochemie I: Elektrolytische Leitfähigkeit, Potentiale, Phasengrenzen. 2. Auflage. VCH Verlagsgesellschaft mbH, Oldenburg/ Bonn 1985, ISBN 3-527-21100-4, S. 4.
  3. Joachim W. Kadereit, Christian Körner, Benedikt Kost, Uwe Sonnewald: Strasburger − Lehrbuch der Pflanzenwissenschaften. Springer-Verlag, 2014, ISBN 978-3-642-54435-4, S. 39 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 24. Mai 2016]).
  4. Erregung und Erregungsleitung in Biologie | Schülerlexikon | Lernhelfer. In: www.lernhelfer.de. Abgerufen am 24. Mai 2016.
  5. ↑ Robert Franz Schmidt, Florian Lang, Manfred Heckmann (Hrsg.): Physiologie des Menschen. 31. Auflage. Springer Medizin Verlag, Heidelberg 2010, ISBN 978-3-642-01650-9, S. 669.
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Veröffentlichungsdatum:
Als Elektrolyt Maskulinum 1 von altgriechisch ἤlektron elektron deutsch Bernstein im ubertragenen Sinne elektrisch und lytikos lytikos deutsch auflosbar bezeichnet man eine chemische Verbindung die im festen flussigen oder gelosten Zustand in Ionen dissoziiert ist und die sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes gerichtet bewegt 2 Oft wird mit Elektrolyt auch das feste oder flussige Material bezeichnet das die beweglichen Ionen enthalt Die elektrische Leitfahigkeit solcher Ionenleiter ist geringer als es fur Metalle typisch ist Sie werden deshalb als Leiter 2 Klasse bezeichnet Leiter 1 Klasse mit Elektronen als Ladungstragern im Kontakt mit einem Ionenleiter heissen Elektroden An den Grenzflachen treten elektrochemische Reaktionen auf insbesondere bei Stromfluss Elektrolyte sind fur lebende Organismen einschliesslich dem menschlichen Organkomplex und deren Wasserhaushalt lebenswichtig Elektrolytmangel kann so zu teils lebensbedrohlichen Hitzeschaden fuhren und tritt oft zusammen mit Flussigkeitsmangel auf welcher wiederum haufig durch Durchfallerkrankungen induziert wird Inhaltsverzeichnis 1 Einteilung 2 Flussigkeiten 3 Festkorper 4 Biologische Elektrolyte 4 1 Physiologie 5 Elektrochemische Anwendungen 5 1 Galvanische Elektrolyte 6 Siehe auch 7 Literatur 8 Weblinks 9 EinzelnachweiseEinteilung BearbeitenElektrolyte sind im weitesten Sinne Stoffe die zumindest teilweise als Ionen vorliegen Man unterscheidet dabei in geloste Elektrolyte zur Leitfahigkeit von gelosten Elektrolyten siehe Elektrolytische Leitfahigkeit starke Elektrolyte die vollstandig in Ionen gespalten werden wenn sie gelost werden wie zum Beispiel Natriumchlorid schwache Elektrolyte die nur zum Teil in Losung dissoziieren wie zum Beispiel EssigsaureFestkorper Ein echter Elektrolyt ist ein Stoff der im festen Aggregatzustand aus Ionenkristallen besteht und in Schmelze oder Losung in besonderen Fallen auch als Feststoff siehe Abschnitt Festkorper den elektrischen Strom leitet Beispiele NaCl s Na aq Cl aq NaOH s Na aq OH aq In ungeloster Form bestehen potentielle Elektrolyte aus elektrisch neutralen Molekulen mit halbpolaren bis homoopolaren Bindungen mit hohem Dipolmoment Zu ihnen gehoren fast alle schwachen Elektrolyte und starken Sauren Potentielle Elektrolyte leiten aufgrund der geringen Eigendissoziation meist auch im geschmolzenen Zustand praktisch keinen Strom Die Ionen entstehen erst durch die Reaktion mit dem Losungsmittel weswegen erst in Losung eine erhohte Leitfahigkeit festgestellt werden kann Beispiele HCl g H2O Cl aq H3O aq CH3COOH H2O CH3COO H3O dd Die wichtigsten Elektrolyte sind demzufolge entweder Sauren Basen oder Salze Flussigkeiten BearbeitenElektrolyte im Sinne von Ionenleitern erfordern bewegliche Ionen Daher sind alle Flussigkeiten die Ionen enthalten Elektrolyte Flussige Elektrolyte sind sowohl die Salzschmelzen und die ionischen Flussigkeiten als auch alle flussigen Losungen von Ionen Salzschmelzen und ionische Flussigkeiten bestehen im Regelfall nur aus Ionen sie konnen aber geloste Molekule enthalten Bei wassrigen oder organischen Elektrolytlosungen ist es umgekehrt Hier besteht das Losungsmittel aus Molekulen und die Ionen sind darin aufgelost Die Herstellung einer Elektrolytlosung kann dabei im blossen Auflosen von schon vorhandenen Ionen bestehen oder in einer chemischen Reaktion bei der Ionen entstehen beispielsweise einer Saure Base Reaktion wie bei der Auflosung von Molekulen wie Chlorwasserstoff oder Ammoniak in Wasser Informationen uber die translatorische Beweglichkeit von Ionen in der Elektrolytlosung wie deren Diffusionskoeffizient oder deren Beweglichkeit m displaystyle mu nbsp im elektrischen Feld kann man uber Feldgradienten NMR Methoden erhalten Die Messung von m displaystyle mu nbsp kann aber auch mit der klassischen Methode der Bewegten Grenzflache moving interface erfolgen 2 Festkorper Bearbeiten Hauptartikel Festelektrolyt Auch Festkorper konnen bewegliche Ionen enthalten Gerade bei hohen Temperaturen werden beispielsweise in aus Ionen bestehenden Festkorpern Ionen beweglich Es gibt aber auch feste Elektrolyte die bei Raumtemperatur verwendet werden konnen oder bei nur wenig erhohten Temperaturen Dazu gehoren auch die in manchen Brennstoffzellen verwendeten Polymerelektrolyt Membranen Sie bestehen aus einem Kunststoffgerust das ionische Seitengruppen enthalt Wichtige Ionenleiter sind beispielsweise manche Natriumaluminate Neben der Anwendung in Brennstoffzellen sind Festelektrolyte auch in Sensoren wichtig etwa der Lambdasonde die ein Elektrolyt enthalt das Sauerstoffionen leitet z B YSZ yttria stabilized zirconia eine Mischung von Zirkoniumdioxid ZrO2 und Yttriumoxid Y2O3 Auch die um 1900 als Gluhlampe gebrauchliche Nernstlampe verwendete solche Festelektrolyte Biologische Elektrolyte BearbeitenDie wichtigsten Ionen biologischer Elektrolyte sind Natrium Kalium Calcium Magnesium Chlorid Phosphat und Hydrogencarbonat bei Pflanzen zusatzlich noch Nitrate 3 4 Sie sind im Zytosol enthalten und fur die Funktion der Zellen und Reizleitung aber auch fur das Membranpotential unentbehrlich Noch weitere Ionen sind als Spurenelemente fur 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 Bearbeiten Siehe auch Wasserhaushalt Lebewesen und Osmoregulation Kation Funktion Konzentration mmol l 5 intraz interst PlasmaNatrium extrazellulare Osmolaritat Aktionspotential 15 143 141Kalium intrazellulare Osmolaritat Ruhemembranpotential 140 4 4Calcium second Messenger Knochenumbau 0 0001 A 1 1 3 2 5 A 2 Magnesium zellulare Erregbarkeit 15 0 7 1Anion Funktion Konzentration mmol l 5 intraz interst PlasmaChlorid 8 115 103Hydrogencarbonat Saure Basen Haushalt 15 28 25Phosphat intrazellularer Puffer 60 A 3 1 1Sulfat 10 0 5 0 5organische Sauren 2 5 4 frei geloster Anteil etwa 1 3 mmol l frei gelost Rest komplexiert etwa 1 mmol l frei gelost Rest organisch gebunden Schon die fruhesten Einzeller liessen reines Wasser recht ungehindert uber ihre Zellmembranen fliessen wahrend sie ihren Gehalt an Elektrolyten streng regulierten und dabei die konstante Konzentrationen im Meerwasser ihrem ausseren Milieu nutzten Die Zellen der spater entstandenen landlebenden Mehrzeller inklusive des Menschen arbeiten weiterhin nach diesem Prinzip Allerdings steht ihnen kein Meereswasser mehr zur Verfugung Vielmehr muss der Organismus nun auch die Konzentrationen in der extrazellularen Flussigkeit dem inneren Milieu durch Regulierung der Aufnahme Essverhalten und Resorption im Darm und Ausscheidung Ruckresorption in der Niere konstant halten Aus der freien Passage von Wasser folgt dass seine Verteilung durch die Verteilung osmotisch aktiver Substanzen der grosste Teil davon sind Elektrolyte bestimmt wird denn unterschiedliche osmotische Konzentrationen erzeugen unterschiedliche osmotische Drucke die das Wasser in Richtung der hoheren Osmolaritat treiben Die Osmolaritat betragt im menschlichen Korper intrazellular wie extrazellular etwa 300 mosmol l sie wird durch Steuerung der Aufnahme und Ausscheidung von Wasser konstant gehalten Der Natriumbestand bestimmt dabei das Volumen der extrazellularen Flussigkeit und damit auch das Blutvolumen dessen Konstanthaltung fur die Kreislaufstabilitat von grosster Bedeutung ist Verliert man durch starkes Schwitzen oder Durchfall viel Salz und Wasser genugt es nicht nur das Wasser wieder zuzufuhren denn Wasser ohne Salz senkt die Osmolaritat sodass das Wasser zur Wahrung der Osmohomoostase wieder ausgeschieden wird Zur Behandlung eines Volumenmangels werden klinisch Vollelektrolytlosungen infundiert Sportgetranke die mit Isotonie werben sind meist nicht geeignet einen echten Volumenmangel zu beheben weil sie die Osmolaritat des Korpers im Wesentlichen durch Zucker erreichen der aber durch die Blutzuckerregulation schnell aus dem Blut entfernt wird sodass hypotone Losung zuruckbleibt allerdings ist auch gar kein isotones Getrank notwendig da uber den Schweiss mehr Wasser als Salz verloren geht Storungen der an den Elektrolythomoostasen beteiligten Hormone oder Organe aussern sich in charakteristischen Elektrolytstorungen Wenn eine kausale Therapie nicht moglich ist konnen sie durch Infusion geeigneter Losungen Diuretika Nahrungserganzungsmittel oder auch Meidung bestimmter Lebensmittel behandelt werden machtigste Therapie ist die Dialyse Elektrochemische Anwendungen BearbeitenEine 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 gepragten Begriffes Elektrolyt siehe auch Faradaysche Gesetze zur Bedeutung der Elektrolytkonzentration siehe auch Nernst Gleichung Galvanische Elektrolyte Bearbeiten In der Galvanik werden folgende Elektrolyte verwendet Aluminiumelektrolyte Antimonelektrolyte Bleielektrolyte Bronzeelektrolyte Cadmiumelektrolyte Cobaltelektrolyte Chromelektrolyte Eisenelektrolyte Goldelektrolyte Indiumelektrolyte Kupferelektrolyt Manganelektrolyte Messingelektrolyte Nickelelektrolyte Nickel Eisen Elektrolyte Palladiumelektrolyte Platinelektrolyte Rheniumelektrolyte Rhodiumelektrolyte Rutheniumelektrolyte Silberelektrolyte Wismutelektrolyte Wolframelektrolyte Zinkelektrolyte ZinnelektrolyteSiehe auch BearbeitenGalvanische Zelle Elektrolytdatenbank Regensburg Tyrode Losung Molare LeitfahigkeitLiteratur BearbeitenCarl H Hamann Wolf Vielstich Elektrochemie I Elektrolytische Leitfahigkeit Potentiale Phasengrenzen 2 Auflage VCH Verlagsgesellschaft mbH Oldenburg Bonn 1985 ISBN 3 527 21100 4 Weblinks Bearbeiten nbsp Wiktionary Elektrolyt Bedeutungserklarungen Wortherkunft Synonyme UbersetzungenEinzelnachweise Bearbeiten Duden Elektrolyt a b Carl H Hamann Wolf Vielstich Elektrochemie I Elektrolytische Leitfahigkeit 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