Elektrolyt

Rozbalit box

Obsah boxu

Elektrolyt je chemická látka, která se v tavenině nebo po rozpuštění v rozpouštědle (nejčastěji polárním, jako je voda) štěpí na elektricky nabité částice, známé jako ionty. Díky přítomnosti těchto volně pohyblivých iontů je výsledný roztok nebo tavenina schopna vést elektrický proud. Na rozdíl od kovů (vodičů I. řádu), kde proud přenášejí elektrony, v elektrolytech přenášejí náboj právě ionty. Protože jsou ionty ve srovnání s elektrony výrazně větší a méně pohyblivé, mají elektrolyty obecně nižší vodivost než kovy a označují se jako vodiče II. řádu.

Elektrolyty hrají zásadní roli v mnoha přírodních i technologických procesech. V biologii a medicíně jsou nepostradatelné pro správné fungování organismu, kde regulují hydrataci, pH tělesných tekutin, nervové přenosy a svalové kontrakce. Mezi nejdůležitější elektrolyty v lidském těle patří ionty sodíku (Na⁺), draslíku (K⁺), vápníku (Ca²⁺), hořčíku (Mg²⁺), chloridu (Cl⁻) a hydrogenuhličitanu (HCO₃⁻). V technice jsou elektrolyty klíčovou součástí galvanických článků (včetně baterií), elektrolytických kondenzátorů a procesů jako elektrolýza nebo galvanické pokovování.

🧪 Definice a princip

Základním procesem, který stojí za vlastnostmi elektrolytů, je elektrolytická disociace. Jedná se o děj, při kterém se molekuly látky (například sůl, kyselina nebo zásada) vlivem polárního rozpouštědla rozpadají na volně pohyblivé, elektricky nabité ionty.

• Kationty jsou kladně nabité ionty, které v elektrickém poli putují k záporné elektrodě (katodě).
• Anionty jsou záporně nabité ionty, které putují ke kladné elektrodě (anodě).

Tento proces lze rozdělit do dvou fází:

1. Rozklad krystalové mřížky: Molekuly polárního rozpouštědla (např. vody) obklopí ionty v krystalové mřížce a naruší elektrostatické síly, které je drží pohromadě.
2. Solvatace (v případě vody hydratace): Uvolněné ionty jsou okamžitě obaleny molekulami rozpouštědla. Molekuly vody se svými dipóly orientují tak, že ke kationtům směřuje jejich záporná část (kyslík) a k aniontům kladná část (vodíky). Tento obal stabilizuje ionty v roztoku.

Tento koncept poprvé formuloval švédský vědec Svante Arrhenius v roce 1887, za což později obdržel Nobelovu cenu za chemii. Jeho teorie položila základy moderní elektrochemie.

⚖️ Dělení elektrolytů

Podle míry, do jaké látka v roztoku disociuje na ionty, se elektrolyty dělí do dvou základních skupin:

Silné elektrolyty

V roztoku jsou téměř úplně (100%) disociovány na ionty. V takovém roztoku se nacházejí prakticky jen ionty a žádné nedisociované molekuly původní látky. Díky vysoké koncentraci volných nosičů náboje vedou elektrický proud velmi dobře.

• Příklady:
  • Silné kyseliny:** kyselina sírová (H₂SO₄), kyselina chlorovodíková (HCl), kyselina dusičná (HNO₃)
  • Silné zásady:** hydroxid sodný (NaOH), hydroxid draselný (KOH)
  • Většina solí:** chlorid sodný (NaCl), síran měďnatý (CuSO₄)

Slabé elektrolyty

V roztoku disociují pouze částečně. To znamená, že v roztoku existuje dynamická rovnováha mezi nedisociovanými molekulami a ionty. Vedení elektrického proudu je u nich slabší než u silných elektrolytů, protože obsahují menší počet volných iontů.

• Příklady:
  • Slabé kyseliny:** kyselina octová (CH₃COOH), kyselina uhličitá (H₂CO₃)
  • Slabé zásady:** amoniak (NH₃), hydroxid amonný (NH₄OH)
  • Voda (H₂O):** Samotná voda je velmi slabý elektrolyt, disociuje jen ve velmi malé míře na ionty H₃O⁺ a OH⁻.

🏃‍♂️ Význam v biologii a medicíně

V lidském těle jsou elektrolyty minerály, které po rozpuštění v tělesných tekutinách (jako je krev, plazma nebo mezibuněčná tekutina) nesou elektrický náboj. Jsou naprosto klíčové pro udržení homeostázy a správné fungování prakticky všech orgánových systémů.

Klíčové funkce elektrolytů v těle:

• Regulace vodní rovnováhy: Elektrolyty, zejména sodík, pomáhají řídit množství vody uvnitř i vně buněk prostřednictvím procesu zvaného osmóza.
• Udržování acidobazické rovnováhy (pH): Systémy jako hydrogenuhličitanový pufr pomáhají udržovat pH krve ve velmi úzkém rozmezí (typicky 7,35–7,45).
• Přenos nervových vzruchů: Pohyb iontů sodíku a draslíku přes membrány neuronů vytváří akční potenciál, který je základem nervového signálu.
• Svalová kontrakce: Ionty vápníku jsou nezbytné pro spuštění stahu svalových vláken, zatímco hořčík se podílí na jejich relaxaci.
• Funkce srdce: Pravidelný srdeční rytmus je závislý na precizním pohybu iontů draslíku, sodíku a vápníku.

Elektrolytová nerovnováha Stav, kdy je koncentrace některého z elektrolytů v těle příliš vysoká nebo příliš nízká, se nazývá elektrolytová nerovnováha. Může být způsobena dehydratací (např. při intenzivním sportu, horečce, zvracení nebo průjmu), onemocněním ledvin, užíváním některých léků (např. diuretik) nebo nevhodnou stravou.

Příznaky mohou zahrnovat:

• Svalové křeče, slabost
• Únava, zmatenost
• Bolesti hlavy
• Nepravidelný srdeční tep (arytmie)
• Změny krevního tlaku

Zejména u sportovců dochází při dlouhodobé zátěži k velkým ztrátám elektrolytů, především sodíku, pocením. Proto je důležité je doplňovat pomocí iontových nápojů nebo vhodnou stravou, aby se předešlo poklesu výkonu a zdravotním komplikacím, jako je hyponatrémie (nebezpečně nízká hladina sodíku).

🔋 Využití v technice

Elektrolyty jsou nepostradatelnou součástí mnoha moderních technologií, zejména v oblasti ukládání a přeměny energie.

• Baterie a akumulátory: Každá baterie obsahuje elektrolyt, který umožňuje pohyb iontů mezi kladnou (katoda) a zápornou (anoda) elektrodou. Tento iontový tok uvnitř baterie uzavírá elektrický obvod a umožňuje generování proudu.
  • Olověné akumulátory:** Používají jako elektrolyt zředěnou kyselinu sírovou.
  • Lithium-iontové (Li-ion) baterie:** Využívají roztoky lithiových solí v organických rozpouštědlech.
  • Baterie s pevným elektrolytem (Solid-state):** Jde o novou generaci baterií, kde je kapalný elektrolyt nahrazen pevným materiálem, což slibuje vyšší bezpečnost a energetickou hustotu.

• Elektrolýza: Proces, při kterém průchod stejnosměrného proudu elektrolytem vyvolává chemickou reakci. Využívá se například k:
  • Výrobě vodíku a kyslíku z vody.
  • Výrobě chlóru a hydroxidu sodného z roztoku soli.
  • Výrobě čistých kovů, jako je hliník nebo měď.

• Galvanické pokovování (Elektroplating): Technika, při které se na povrch vodivého předmětu (katody) nanáší tenká vrstva kovu (např. chromu, zinku, zlata) z elektrolytu obsahujícího ionty daného kovu.

• Elektrolytické kondenzátory: Speciální typ kondenzátoru, který využívá elektrolyt k dosažení velmi vysoké kapacity na malém objemu. Používají se běžně v elektronických obvodech.

V roce 2025 vědci z Akademie věd ČR představili inovativní suspenzní elektrolyt, který obsahuje nerozpuštěné částice soli, což zlepšuje výkon a životnost tzv. dvouiontových baterií.

💡 Pro laiky: Elektrolyt jako dálnice pro elektřinu

Představte si obyčejnou vodu jako prázdnou silnici. Auta (elektrický proud) po ní nemohou jezdit, protože tam prostě žádná nejsou.

Když do vody nasypete sůl (což je elektrolyt), je to jako byste na tu silnici vypustili spoustu malých, nabitých vozítek. Sůl se ve vodě "rozpustí" na dvě části: kladný iont sodíku a záporný iont chloridu. Tato vozítka (ionty) se mohou volně pohybovat.

Když nyní k takovému roztoku připojíte baterii (jeden konec kladný, druhý záporný), vytvoříte něco jako dopravní značení. Všechna kladně nabitá vozítka (sodík) se okamžitě rozjedou k zápornému pólu a všechna záporně nabitá vozítka (chlorid) k pólu kladnému.

Tento organizovaný pohyb nabitých částic – to je přesně to, čemu říkáme elektrický proud v kapalině. Elektrolyt tedy není samotný proud, ale látka, která vytvoří v kapalině "dopravní prostředky" (ionty), aby proud mohl téct. Bez elektrolytu by byla voda jen prázdnou, neprůjezdnou silnicí.

⏳ Historie

Koncept látek vedoucích proud v roztoku byl znám již na počátku 19. století díky práci Humphryho Davyho a Michaela Faradaye, kteří prováděli první experimenty s elektrolýzou. Faraday zavedl samotné pojmy elektrolyt, iont, katoda a anoda. Jejich chápání však bylo omezené a nedokázali plně vysvětlit, proč některé roztoky vedou proud a jiné ne.

Zásadní průlom přišel až v roce 1887, kdy švédský chemik Svante Arrhenius publikoval svou disertační práci o vodivosti elektrolytů. V ní představil revoluční myšlenku, že molekuly solí, kyselin a zásad se při rozpouštění spontánně štěpí (disociují) na nezávislé, elektricky nabité částice – ionty.

Tato teorie byla zpočátku přijímána s velkou skepsí, protože odporovala tehdejší představě, že atomy v molekule jsou pevně svázány. Nicméně Arrheniova teorie dokázala skvěle vysvětlit mnohé anomálie v chování roztoků a byla silně podpořena prací Jacoba Henrica van 't Hoffa a Wilhelma Ostwalda. Za svou teorii elektrolytické disociace obdržel Arrhenius v roce 1903 Nobelovu cenu za chemii. Jeho práce položila základy moderní fyzikální chemie a elektrochemie a umožnila hlubší pochopení procesů od funkce baterií až po biochemii živých organismů.

Zdroje

Elektrolyt - Wikipedie Elektrolyt - WikiSkripta Co jsou to vlastně ty elektrolyty, o kterých se tak často mluví? - Kulturistika.com Účinky elektrolytů – co jsou a proč jsou v těle potřebné? - Vegmart.cz Elektrolyty: k čemu jsou dobré, a kdo je opravdu potřebuje? - Aktin.cz Elektrolyty: co to je a jak je doplnit - Puravia.cz Čeští vědci vynalezli elektrolyt, který řeší současné problémy baterií - Akademie věd České republiky Teorie elektrolytické disociace - Ped.muni.cz Co je elektrolyt baterie a jak ovlivňuje výkon? - Redway Battery