Električna provodljivost vode ili šta je konduktometrija. Električna otpornost destilovane vode

Dužina i udaljenost Masa Mere zapremine rasutih materija i namirnica Područje Zapremina i merne jedinice u kulinarski recepti Temperatura Pritisak, mehanički napon, Youngov modul Energija i rad Snaga Vreme Linearna brzina Ravni ugao Toplotna efikasnost i efikasnost goriva Brojevi Jedinice za merenje količine informacija Kursevi Veličine ženske odeće i obuće Veličine muške odeće i obuće Ugaona brzina i brzina rotacije Ubrzanje Ugaono ubrzanje Gustina Specifična zapremina Moment inercije Moment sile Obrtni moment Specifična toplota sagorevanja (po masi) Gustina energije i specifična toplota sagorevanja goriva (po zapremini) Temperaturna razlika Koeficijent toplotnog širenja Toplotni otpor Specifična toplotna provodljivost Specifični toplotni kapacitet Izloženost energiji , snaga toplotnog zračenja Gustina toplotnog fluksa Koeficijent prenosa toplote Zapreminski protok Maseni protok Molarni protok Gustina masenog protoka Molarna koncentracija Masena koncentracija u rastvoru Dinamički (apsolutni) viskozitet Kinematički viskozitet Površinski napon Propustljivost pare Propustljivost pare, brzina prenosa pare Nivo zvuka S nivo (SPL) Osvetljenje Intenzitet svetlosti Osvetljenje Rezolucija u kompjuterskoj grafici Frekvencija i talasna dužina Optička snaga u dioptrijama i žižna daljina Optička snaga u dioptrijama i uvećanje sočiva (×) Električni naboj Linearna gustina naboja Gustoća površinskog naboja Volumetrijska gustina naelektrisanja Električna struja Linearna struja površinske struje dens gustina Jačina električnog polja Elektrostatički potencijal i napon Električni otpor Električna otpornost Električna provodljivost Specifična električna provodljivost Električni kapacitet Induktivnost Američki mjerač žice Nivoi u dBm (dBm ili dBmW), dBV (dBV), vatima i drugim jedinicama Magnetomotorna sila Napon magnetno polje Magnetski fluks Magnetna indukcija Brzina apsorbovane doze jonizujućeg zračenja Radioaktivnost. Radioaktivni raspad Zračenje. Doza ekspozicije Zračenje. Apsorbovana doza Decimalni prefiksi Prenos podataka Tipografija i obrada slike Jedinice zapremine drveta Proračun molarne mase Periodični sistem hemijskih elemenata D. I. Mendeljejev

Početna vrijednost

Preračunata vrijednost

siemens po metru picosiemens po metru po metru po metru po centimetru abmo po metru abmo po centimetru statmo po metru statmo po centimetru siemens po centimetru milisimensu po metru milisimensu po centimetru mikrosimensu po metru mikrosimensu po centimetru konvencionalna jedinica električne provodljivosti ppm konvencionalna jedinica električne provodljivosti , koeficijent. preračunavanje 700 ppm, koeficijent. preračunavanje 500 ppm, koeficijent. preračunavanje 640 TDS, ppm, koeficijent. preračunavanje 640 TDS, ppm, koeficijent. preračunavanje 550 TDS, ppm, koeficijent. preračunavanje 500 TDS, ppm, koeficijent. preračunavanje 700

Više o električnoj provodljivosti

Uvod i definicije

Specifična električna provodljivost (ili električna provodljivost) je mjera sposobnosti tvari da provodi električnu struju ili pomiče električne naboje unutar nje. Ovo je omjer gustine struje i jačine električnog polja. Ako uzmemo u obzir kocku provodljivog materijala sa stranicom od 1 metar, tada će vodljivost biti jednaka električnoj provodljivosti mjerenoj između dvije suprotne strane ove kocke.

Specifična provodljivost je povezana sa provodljivošću sljedećom formulom:

G = σ(A/l)

Gdje G- električna provodljivost, σ - specifična električna provodljivost, A- poprečni presjek provodnika okomit na smjer električna struja I l- dužina provodnika. Ova formula se može koristiti sa bilo kojim vodičem u obliku cilindra ili prizme. Imajte na umu da se ova formula može koristiti i za pravougaoni paralelepiped, jer je to poseban slučaj prizme čija je osnova pravougaonik. Podsjetimo da je električna provodljivost recipročna vrijednost električne otpornosti.

Ljudima koji su daleko od fizike i tehnologije može biti teško da shvate razliku između provodljivosti provodnika i specifične provodljivosti neke supstance. U međuvremenu, naravno, to su različite fizičke veličine. Provodljivost je svojstvo datog vodiča ili uređaja (kao što je otpornik ili kupka za oblaganje), dok je provodljivost svojstvo materijala od kojeg je taj provodnik ili uređaj napravljen. Na primjer, vodljivost bakra je uvijek ista, bez obzira na to kako se oblik i veličina bakrenog predmeta mijenjaju. Istovremeno, vodljivost bakrene žice zavisi od njene dužine, prečnika, mase, oblika i nekih drugih faktora. Naravno, slični predmeti napravljeni od materijala veće provodljivosti imaju veću provodljivost (iako ne uvek).

U Međunarodnom sistemu jedinica (SI) jedinica za električnu provodljivost je Siemens po metru (S/m). Jedinica provodljivosti koja je uključena u njega nazvana je po njemačkom naučniku, pronalazaču i preduzetniku Verneru fon Simensu (1816–1892). Osnovan od njega 1847. godine, Siemens AG (Siemens) je jedna od najvećih kompanija za proizvodnju električne, elektronske, energetske, transportne i medicinske opreme.

Raspon električne provodljivosti je vrlo širok: od materijala s visokom otpornošću kao što je staklo (koje, inače, dobro provodi struju ako se zagrije crveno) ili polimetil metakrilat (pleksiglas) do vrlo dobrih provodnika poput srebra, bakra ili zlata. Električna provodljivost je određena brojem naelektrisanja (elektrona i jona), brzinom kojom se kreću i količinom energije koju mogu nositi. Vodene otopine imaju prosječne vrijednosti specifične provodljivosti razne supstance, koji se koriste, na primjer, u galvanskim kupkama. Drugi primjer elektrolita sa prosječnim vrijednostima provodljivosti je unutrašnje okruženje tijela (krv, plazma, limfa i druge tekućine).

O vodljivosti metala, poluprovodnika i dielektrika detaljno se govori u sljedećim člancima na web stranici Physical Quantity Converter: , i Električna provodljivost. U ovom članku ćemo detaljnije govoriti o specifičnoj vodljivosti elektrolita, kao io metodama i jednostavnoj opremi za njeno mjerenje.

Specifična električna provodljivost elektrolita i njeno mjerenje

Specifična provodljivost vodenih otopina u kojima nastaje električna struja kao rezultat kretanja nabijenih iona određena je brojem nosilaca naboja (koncentracija tvari u otopini), brzinom njihovog kretanja (pokretljivost iona zavisi od temperature) i naboja koji nose (određeno valentnošću jona). Stoga u većini vodenih otopina povećanje koncentracije dovodi do povećanja broja jona i, posljedično, do povećanja vodljivosti. Međutim, nakon postizanja određenog maksimuma, specifična provodljivost otopine može početi opadati s daljnjim povećanjem koncentracije otopine. Stoga otopine s dvije različite koncentracije iste soli mogu imati istu provodljivost.

Temperatura također utiče na provodljivost jer kako temperatura raste, joni se kreću brže, što rezultira povećanom provodljivošću. Čista voda je loš provodnik struje. Obična destilovana voda, koja sadrži ugljični dioksid iz zraka u ravnoteži i ukupnu mineralizaciju manju od 10 mg/l, ima specifičnu električnu provodljivost od oko 20 mS/cm. Specifična provodljivost različitih rastvora data je u tabeli ispod.

Za određivanje specifične vodljivosti otopine koristi se mjerač otpora (ommetar) ili vodljivost. To su gotovo identični uređaji, koji se razlikuju samo po mjerilu. Oba mjere pad napona na dijelu strujnog kola kroz koji teče električna struja iz baterije uređaja. Izmjerena vrijednost provodljivosti se ručno ili automatski pretvara u specifičnu provodljivost. Ovo se radi uzimajući u obzir fizičke karakteristike mjernog uređaja ili senzora. Senzori provodljivosti su jednostavno dizajnirani: oni su par (ili dva para) elektroda uronjenih u elektrolit. Senzori za mjerenje provodljivosti se odlikuju konstanta senzora provodljivosti, što se u najjednostavnijem slučaju definira kao omjer udaljenosti između elektroda D na područje (elektrodu) okomito na protok struje A

Ova formula dobro funkcionira ako je površina elektroda znatno veća od udaljenosti između njih, jer u ovom slučaju većina električne struje teče između elektroda. Primer: za 1 kubni centimetar tečnosti K = D/A= 1 cm/1 cm² = 1 cm⁻¹. Imajte na umu da senzore provodljivosti s malim elektrodama razmaknutim na relativno velikoj udaljenosti karakteriziraju konstantne vrijednosti senzora od 1,0 cm⁻¹ i više. Istovremeno, senzori s relativno velikim elektrodama smještenim blizu jedna drugoj imaju konstantu od 0,1 cm⁻¹ ili manje. Konstanta senzora za mjerenje električne provodljivosti razni uređaji kreće se od 0,01 do 100 cm⁻¹.

Teoretska konstanta senzora: lijevo - K= 0,01 cm⁻¹, desno - K= 1 cm⁻¹

Da bi se dobila provodljivost iz izmjerene provodljivosti, koristi se sljedeća formula:

σ = K ∙ G

σ - specifična provodljivost rastvora u S/cm;

K- konstanta senzora u cm⁻¹;

G- provodljivost senzora u siemensu.

Konstanta senzora se obično ne izračunava iz njegovih geometrijskih dimenzija, već se mjeri u određenom mjernom uređaju ili u specifičnoj mjernoj postavci pomoću rješenja poznate provodljivosti. Ova izmjerena vrijednost se unosi u mjerač provodljivosti, koji automatski izračunava provodljivost iz izmjerenih vrijednosti provodljivosti ili otpora otopine. Zbog činjenice da provodljivost zavisi od temperature rastvora, uređaji za njeno merenje često sadrže temperaturni senzor koji meri temperaturu i obezbeđuje automatsku temperaturnu kompenzaciju merenja, odnosno normalizaciju rezultata na standardnu temperaturu od 25°C. .

Najjednostavniji način mjerenja provodljivosti je primjena napona na dvije ravne elektrode uronjene u otopinu i mjerenje struje koja teče. Ova metoda se naziva potenciometrijska. Prema Ohmovom zakonu, provodljivost G je omjer struje I na napon U:

Međutim, nije sve tako jednostavno kao što je gore opisano - postoji mnogo problema pri mjerenju provodljivosti. Ako se koristi istosmjerna struja, ioni se skupljaju na površinama elektroda. Takođe, može doći do hemijske reakcije na površinama elektroda. To dovodi do povećanja otpora polarizacije na površinama elektroda, što zauzvrat dovodi do pogrešnih rezultata. Ako pokušate izmjeriti otpor, na primjer, otopine natrijevog klorida konvencionalnim testerom, jasno ćete vidjeti kako se očitanja na zaslonu digitalnog uređaja prilično brzo mijenjaju u smjeru povećanja otpora. Kako bi se eliminirao utjecaj polarizacije, često se koristi dizajn senzora od četiri elektrode.

Polarizacija se također može spriječiti ili, u svakom slučaju, smanjiti ako se koristi umjesto konstantne tokom mjerenja, a čak se i frekvencija može podesiti ovisno o provodljivosti. Niske frekvencije se koriste za mjerenje niske provodljivosti, gdje je utjecaj polarizacije mali. Više frekvencije se koriste za mjerenje visoke provodljivosti. Obično se frekvencija automatski podešava tokom procesa merenja, uzimajući u obzir dobijene vrednosti provodljivosti rastvora. Obično se koriste moderni digitalni dvoelektrodni mjerači provodljivosti AC kompenzacija složenog oblika i temperature. Kalibriraju se u fabrici, ali je rekalibracija često potrebna tokom rada, jer se konstanta mjerne ćelije (senzora) mijenja tokom vremena. Na primjer, može se promijeniti kada se senzori zaprljaju ili kada se elektrode podvrgnu fizičkim i kemijskim promjenama.

U tradicionalnom mjeraču provodljivosti s dvije elektrode (ovo je onaj koji ćemo koristiti u našem eksperimentu), naizmjenični napon se primjenjuje između dvije elektrode i mjeri se struja koja teče između elektroda. Ova jednostavna metoda ima jedan nedostatak - ne mjeri se samo otpor otopine, već i otpor uzrokovan polarizacijom elektroda. Da bi se smanjio uticaj polarizacije, koristi se dizajn senzora sa četiri elektrode, kao i premazivanje elektroda platinastom crnom.

Opća mineralizacija

Uređaji za mjerenje električne provodljivosti često se koriste za određivanje ukupna mineralizacija ili sadržaj čvrstih materija(eng. total dissolved solids, TDS). To je mjera ukupne količine organskih i neorganskih tvari sadržanih u tekućini u različitim oblicima: joniziranim, molekularnim (otopljenim), koloidnim i u suspenziji (neotopljenim). Otopljene tvari uključuju sve neorganske soli. Uglavnom su to hloridi, bikarbonati i sulfati kalcijuma, kalijuma, magnezijuma, natrijuma, kao i neke organske materije rastvorene u vodi. Da bi se klasifikovale kao totalna mineralizacija, supstance moraju biti ili rastvorene ili u obliku veoma finih čestica koje prolaze kroz filtere sa prečnikom pora manjim od 2 mikrometra. Supstance koje su stalno suspendovane u rastvoru, ali ne mogu da prođu kroz takav filter, nazivaju se suspendovane čvrste materije(eng. total suspended solids, TSS). Ukupne suspendirane čvrste tvari se obično mjere kako bi se odredio kvalitet vode.

Postoje dvije metode za mjerenje sadržaja čvrstih tvari: gravimetrijska analiza, što je najpreciznija metoda, i merenje provodljivosti. Prva metoda je najpreciznija, ali zahtijeva puno vremena i dostupnosti. laboratorijska oprema, pošto se voda mora ispariti dok se ne dobije suhi ostatak. To se obično radi na 180°C u laboratorijskim uslovima. Nakon potpunog isparavanja, ostatak se vaga na preciznoj vagi.

Druga metoda nije tako precizna kao gravimetrijska analiza. Međutim, to je vrlo zgodna, rasprostranjena i najbrža metoda, jer se radi o jednostavnom mjerenju provodljivosti i temperature koje se izvodi u nekoliko sekundi jeftinim mjernim instrumentom. Metoda mjerenja specifične električne provodljivosti može se koristiti zbog činjenice da specifična provodljivost vode direktno ovisi o količini joniziranih tvari otopljenih u njoj. Ova metoda je posebno pogodna za praćenje kvaliteta vode za piće ili procjenu ukupnog broja jona u otopini.

Izmjerena provodljivost ovisi o temperaturi otopine. To jest, što je temperatura viša, to je veća provodljivost, jer se joni u otopini kreću brže kako temperatura raste. Za dobijanje temperaturno nezavisnih mjerenja koristi se koncept standardne (referentne) temperature na koju se svode rezultati mjerenja. Referentna temperatura vam omogućava da uporedite rezultate dobijene na različitim temperaturama. Dakle, mjerač provodljivosti može mjeriti stvarnu provodljivost, a zatim koristiti funkciju korekcije koja će automatski prilagoditi rezultat na referentnu temperaturu od 20 ili 25°C. Ako je potrebna vrlo visoka preciznost, uzorak se može staviti u inkubator, a zatim se mjerač može kalibrirati na istoj temperaturi koja će se koristiti u mjerenjima.

Većina modernih mjerača provodljivosti ima ugrađen temperaturni senzor, koji se koristi i za korekciju temperature i za mjerenje temperature. Najnapredniji instrumenti su sposobni za mjerenje i prikaz izmjerenih vrijednosti u jedinicama provodljivosti, otpornosti, saliniteta, ukupnog saliniteta i koncentracije. Ipak, još jednom napominjemo da svi ovi uređaji mjere samo vodljivost (otpor) i temperaturu. Sve fizičke veličine prikazane na displeju uređaj izračunava uzimajući u obzir izmerenu temperaturu, koja se koristi za automatsku temperaturnu kompenzaciju i dovođenje izmerenih vrednosti na standardnu temperaturu.

Eksperiment: mjerenje ukupne mineralizacije i provodljivosti

Konačno, izvršit ćemo nekoliko eksperimenata za mjerenje provodljivosti koristeći jeftin TDS-3 mjerač ukupne mineralizacije (koji se također naziva salinometar, salinometar ili mjerač provodljivosti). Cijena “neimenovanog” TDS-3 uređaja na eBayu uključujući isporuku u vrijeme pisanja je manja od 3,00 USD. Potpuno isti uređaj, ali sa imenom proizvođača, košta 10 puta više. Ali ovo je za one koji vole da plaćaju za brend, iako postoji velika verovatnoća da će se oba uređaja proizvoditi u istoj fabrici. TDS-3 vrši temperaturnu kompenzaciju iu tu svrhu je opremljen temperaturnim senzorom koji se nalazi pored elektroda. Stoga se može koristiti i kao termometar. Još jednom treba napomenuti da uređaj zapravo ne mjeri samu mineralizaciju, već otpor između dvije žičane elektrode i temperaturu otopine. Automatski izračunava sve ostalo koristeći faktore kalibracije.

Mjerač ukupne mineralizacije može vam pomoći da odredite sadržaj krutih tvari, na primjer kada pratite kvalitet vode za piće ili određujete salinitet vode u akvariju ili slatkovodnom ribnjaku. Također se može koristiti za praćenje kvaliteta vode u sistemima za filtriranje i prečišćavanje vode kako bi se znalo kada je vrijeme za zamjenu filtera ili membrane. Instrument je fabrički kalibrisan sa 342 ppm (delovi na milion ili mg/L) rastvorom natrijum hlorida, NaCl. Opseg mjerenja uređaja je 0–9990 ppm ili mg/l. PPM - dio na milion, bezdimenzionalna mjerna jedinica relativnih vrijednosti, jednaka 1 10⁻⁶ osnovnog indikatora. Na primjer, masena koncentracija od 5 mg/kg = 5 mg u 1.000.000 mg = 5 ppm ili ppm. Kao što je postotak stoti dio, ppm je milioniti dio. Procenti i ppm su vrlo slični po značenju. Delovi na milion, za razliku od procenata, korisni su za indikaciju koncentracije veoma slabih rastvora.

Uređaj mjeri električnu provodljivost između dvije elektrode (tj. recipročnu vrijednost otpora), zatim konvertuje rezultat u specifičnu električnu provodljivost (u engleskoj literaturi se često koristi skraćenica EC) koristeći gornju formulu vodljivosti, uzimajući u obzir konstantu senzora K, zatim vrši još jednu konverziju množenjem rezultirajuće provodljivosti sa faktorom konverzije od 500. Rezultat je ukupna vrijednost saliniteta u dijelovima na milion (ppm). Više detalja o tome u nastavku.

Ovaj mjerač ukupne mineralizacije ne može se koristiti za ispitivanje kvaliteta vode s visokim sadržajem soli. Primjeri supstanci s visokim udjelom soli su neke namirnice (obična supa s normalnim udjelom soli od 10 g/l) i morska voda. Maksimalna koncentracija natrijum hlorida koju ovaj uređaj može da izmeri je 9990 ppm ili oko 10 g/l. Ovo je tipična koncentracija soli u hrani. Ovaj uređaj također ne može mjeriti salinitet morske vode, jer on obično iznosi 35 g/l ili 35.000 ppm, što je mnogo više nego što uređaj može izmjeriti. Ako pokušate izmjeriti tako visoku koncentraciju, instrument će prikazati poruku o grešci Err.

TDS-3 mjerač saliniteta mjeri specifičnu provodljivost i koristi takozvanu “skalu od 500” (ili “NaCl skalu”) za kalibraciju i konverziju u koncentraciju. To znači da se za dobijanje koncentracije ppm vrijednost provodljivosti u mS/cm množi sa 500. To jest, na primjer, 1,0 mS/cm se množi sa 500 da bi se dobilo 500 ppm. Različite industrije koriste različite razmjere. Na primjer, u hidroponici se koriste tri vage: 500, 640 i 700. Jedina razlika između njih je u upotrebi. Skala 700 temelji se na mjerenju koncentracije kalijevog hlorida u rastvoru, a konverzija specifične provodljivosti u koncentraciju se vrši na sledeći način:

1,0 mS/cm x 700 daje 700 ppm

Skala 640 koristi faktor konverzije od 640 za pretvaranje mS u ppm:

1,0 mS/cm x 640 daje 640 ppm

U našem eksperimentu prvo ćemo izmjeriti ukupnu mineralizaciju destilovane vode. Mjerač saliniteta pokazuje 0 ppm. Multimetar pokazuje otpor od 1,21 MOhm.

Za eksperiment ćemo pripremiti otopinu natrijum klorida NaCl koncentracije 1000 ppm i izmjeriti koncentraciju pomoću TDS-3. Za pripremu 100 ml otopine potrebno je otopiti 100 mg natrijum hlorida i dodati destilovanu vodu u 100 ml. Izvagati 100 mg natrijum hlorida i staviti u merni cilindar, dodati malo destilovane vode i mešati dok se so potpuno ne rastvori. Zatim dodajte vodu do oznake od 100 ml i ponovo dobro promiješajte.

Za eksperimentalno određivanje provodljivosti koristile smo dvije elektrode izrađene od istog materijala istih dimenzija kao i TDS-3 elektrode. Izmjereni otpor je bio 2,5 KOhm.

Sada kada znamo otpor i koncentraciju natrijum hlorida u delovima na milion, možemo približno izračunati ćelijsku konstantu TDS-3 saliniteta koristeći gornju formulu:

K = σ/G= 2 mS/cm x 2,5 kOhm = 5 cm⁻¹

Ova vrijednost od 5 cm⁻¹ je bliska izračunatoj konstantnoj vrijednosti TDS-3 mjerne ćelije sa dimenzijama elektroda navedenim u nastavku (vidi sliku).

D = 0,5 cm - razmak između elektroda;
Š = 0,14 cm - širina elektroda
L = 1,1 cm - dužina elektroda

TDS-3 senzorska konstanta je K = D/A= 0,5/0,14x1,1 = 3,25 cm⁻¹. Ovo se ne razlikuje mnogo od gore dobivene vrijednosti. Podsjetimo da gornja formula dozvoljava samo približnu procjenu konstante senzora.

Da li vam je teško prevesti mjerne jedinice s jednog jezika na drugi? Kolege su spremne da vam pomognu. Postavite pitanje u TCTerms i u roku od nekoliko minuta dobićete odgovor.

Sjećate se iz kursa fizike da se električni otpor bilo kojeg vodiča može izračunati pomoću formule:

gdje je R otpor u omima;

l - dužina provodnika, cm;

S - površina poprečnog presjeka, cm 2;

r - otpornost, tj. otpor provodnika dužine 1 cm sa površinom poprečnog presjeka od 1 cm 2.

U elektrohemiji je uobičajeno koristiti naznačene recipročne veličine:

Veličina L se naziva električna provodljivost i mjeri se u Siemens (Sm) Sm = Ohm -1.

Veličina À naziva se specifična električna provodljivost. Lako je zaključiti da se vrijednost À mjeri u cm×cm -1. Na slici 3.1. prikazana je konduktometrijska ćelija koja se koristi za mjerenje električne provodljivosti. To je posuda 1, bez dna, u koju su umetnute dvije platinaste elektrode 2, postavljene u ispitni rastvor 3.

Vrijednost K se određuje eksperimentalno. Da biste to učinili, potrebno je izmjeriti električnu provodljivost L otopine za koju je poznato À. Obično se u tu svrhu koriste otopine kalijevog klorida poznate koncentracije (0,1; 0,05; 0,01 mol/dm 3), čije su vrijednosti dostupne u tabelama.

Iz jednačine (3.5.) slijedi da

Specifična provodljivost je električna provodljivost otopine smještene između dvije elektrode površine 1 cm2, nalazi se na udaljenosti od 1 cm.

više jona koji nose električnu energiju. U razrijeđenim otopinama jakih i slabih elektrolita povećanje koncentracije dovodi do povećanja vodljivosti, što je povezano s povećanjem broja iona. U području visokih koncentracija uočeno je smanjenje À. Za jake elektrolite, to je zbog povećanja viskoznosti otopina i povećanja elektrostatičke interakcije između jona. Za slabe elektrolite, ovaj efekat je povezan sa smanjenjem stepena disocijacije i, posljedično, smanjenjem broja jona.

Kako temperatura raste, specifična provodljivost elektrolita raste:

A 2 = A 1 [ 1 + a(T 2 - T 1)] (3.7.)

U ovoj jednačini, À 1 i À 2 su provodljivost na temperaturama T 1 i T 2, a a je temperaturni koeficijent provodljivosti. Na primjer, za soli a » 0,02. To znači da povećanje temperature za jedan stepen rezultira povećanjem provodljivosti za približno 2%. To je zbog činjenice da se s povećanjem temperature smanjuje stupanj hidratacije i viskoznost otopina.

Treba napomenuti da, za razliku od elektrolita, električna provodljivost metala opada s povećanjem temperature.

Molarna električna provodljivost

Molarna provodljivost l je povezana sa specifičnom provodljivošću formulom:

l = À×1000/s (3.8.)

U ovom izrazu, c je molarna koncentracija otopine, mol×dm -3. Molarna provodljivost se izražava u cm×cm 2 ×mol -1. dakle,

molarna provodljivost je vodljivost otopine koja sadrži 1 mol tvari na udaljenosti između elektroda od 1 cm.

Molarna električna provodljivost i jakih i slabih elektrolita opada sa povećanjem koncentracije. Priroda zavisnosti l od c za jake i slabe elektrolite je različita, jer uticaj koncentracije je zbog raznih razloga.

Jaki elektroliti. Pri niskim koncentracijama, ovisnost molarne provodljivosti o koncentraciji izražena je empirijskom Kohlrauschevom jednačinom:

l = l 0 –bÖs (3.9.)

gdje je b konstanta određena eksperimentalno,

i l 0 – molarna električna provodljivost pri beskonačnom razblaženju ili granična molarna provodljivost.

dakle,

liml C ® 0 = l 0 (3.10.)

Nemoguće je pripremiti otopinu čija je koncentracija nula. Vrijednost l 0 za jake elektrolite može se odrediti grafički. Iz jednačine (3.9.) slijedi da je grafik l = f(Öc) za jake elektrolite prava linija (slika 3.3., linija 1).

Ako pripremite niz otopina različitih koncentracija, izmjerite njihovu vodljivost L, izračunate i nacrtate l = f(Öc), a zatim ekstrapolirajući rezultirajuću pravu liniju na ordinatu (c = 0), možete odrediti l 0. Ako uzmemo u obzir da su jaki elektroliti, bez obzira na koncentraciju otopine, potpuno disocirani, dolazimo do zaključka da je broj iona nastalih iz 1 mola tvari uvijek isti. To znači da brzina kretanja iona ovisi o koncentraciji otopine s povećanjem koncentracije; inhibicija jona. Ovaj fenomen je povezan sa formiranjem oko svakog jona u rastvoru jonska atmosfera, koji se pretežno sastoji od jona suprotnog predznaka. Kako koncentracija raste, tako se povećava i viskozitet otopine. Postoje i drugi razlozi za usporavanje kretanja jona u električnom polju, na kojima se nećemo zadržavati.

Ako eksperimentalno odredite vrijednost l za otopinu date koncentracije i grafički pronađete l 0, možete izračunati vrijednost koeficijenta električne vodljivosti f :

f= l / l 0 (3.11.)

Koeficijent f karakteriše stepen inhibicije jona i teži ka jedinstvu kada se rastvor razblaži.

Slabi elektroliti. Molarna provodljivost slabih elektrolita je znatno manja nego za rastvore jakih elektrolita (slika 3.3, linija 2). To je zbog činjenice da je čak i pri niskim koncentracijama stupanj disocijacije slabih elektrolita mali. Povećanje molarne provodljivosti slabih elektrolita kada se rastvori razblaže povezano je sa povećanjem stepena disocijacije u skladu sa Ostwaldovim zakonom razblaženja. S. Arrhenius je sugerirao da je molarna provodljivost slabog elektrolita povezana sa stepenom njegove disocijacije izrazom:

a= l / l 0 (3.12.)

Dakle, stepen disocijacije slabog elektrolita može se izračunati ako je poznata njegova maksimalna molarna provodljivost l 0. Međutim, nemoguće je grafički odrediti l 0 ekstrapolacijom grafa l = f(Öc), jer kriva (slika 3.3., linija 2) sa opadanjem koncentracije asimptotski se približava ordinati.

Vrijednost l 0 može se odrediti korištenjem zakona nezavisnost kretanja jona Kohlrausch:

Molarna električna provodljivost elektrolita sa beskonačnim razblaženjem rastvora jednaka je zbiru maksimalnih pokretljivosti kationa i anjona.

l 0 =l 0,+ + l 0,– (3.13.)

Pokretljivosti kationa i anjona su proporcionalne apsolutnim brzinama kretanja jona (vidi tabelu 3.1.).

l 0,+ = F×U + ; l 0,– = F×U – (3.14.)

U ovim formulama, F je jedinica električne energije koja se zove Faraday, jednaka 96494 kulona (C). U tabeli 3.2. Navedena je maksimalna pokretljivost nekih jona.

Treba napomenuti da zakon nezavisnosti kretanja jona važi i za slabe i za jake elektrolite.

Tabela 3.2.

Ograničavanje pokretljivosti jona (cm 2 ×Cm×mol -1) na 25 0 C

Kation	l 0,+	Anion	l 0,–
H + K + Na + Li + Ag + Ba 2+ Ca 2+ Mg 2+	349,8 73,5 50,1 38,7 61,9 127,2 119,0 106,1	OH - I - Br - Cl - NO 3 - CH 3 COO - SO 4 2-	76,8 78,4 76,3 71,4 40,9 160,0

Primjena mjerenja provodljivosti

Istraživačka metoda zasnovana na mjerenju električne provodljivosti naziva se konduktometrija. Ova metoda se široko koristi u laboratorijskoj praksi. Uređaj za mjerenje električne provodljivosti naziva se mjerač provodljivosti. Konduktometrijska metoda posebno omogućava određivanje konstanti disocijacije slabih elektrolita.

Primjer. Određivanje konstante disocijacije sirćetne kiseline.

a) Da bismo pronašli konstantu konduktometrijske ćelije, pripremili smo rastvore kalijum hlorida sa molarnom koncentracijom od 0,1 i 0,02 mol×dm -3 i izmerili njihovu provodljivost koja je bila jednaka L 1 = 0,307 S i L 2 = 0,0645 S, respektivno U tabeli nalazimo vrednosti specifične provodljivosti rastvora kalijum hlorida navedenih koncentracija:

À 1 = 1,29×10 -1 Sm×cm -1 ; À 2 = 2,58×10 -2 Sm×cm -1

Prema jednačini 3.6. Izračunavamo konstantu ćelije:

K 1 = À 1 /L 1 = 0,42 cm -1

K 2 = À 2 /L 2 = 0,40 cm -1

Prosječna vrijednost K = 0,41 cm -1

b) Pripremili smo dva rastvora sirćetne kiseline sa koncentracijama c 1 = 0,02 mol × dm -3 i c 2 = 1 × 10 -3 mol × dm -3. Koristeći konduktometar, izmjerena je njihova električna provodljivost:

L 1 = 5,8×10 -4 cm; L 2 = 1,3 × 10 -4 Vidi.

c) Izračunajte specifičnu provodljivost:

A 1 = L 1 ×K = 5,8×10 -4 ×0,41 = 2,378×10 -4 Cm×cm -1

À 2 = L 2 ×K = 1,2×10 -4 ×0,41 = 0,492×10 -4 Sm×cm -1

d) Koristeći formulu (3.8.) nalazimo molarnu električnu provodljivost l 1 = 11,89 Sm × cm 2 × mol -1; l 2 = 49,2 cm×cm 2 ×mol -1

e) Nalazimo koristeći tabelu 3.2. vrijednost maksimalne molarne provodljivosti octene kiseline: l 0 = 349,8 +40,9 = 390,7 Sm×cm 2 ×mol -1.

e) Konačno, za svako rješenje izračunavamo stepen disocijacije (jednačina 3.12.) i konstantu disocijacije

a 1 = 3,04×10 -2; a 2 = 1,26×10 -1

K 1 = 1,91×10 -5; K 2 = 1,82×10 -5

Prosječna vrijednost K = 1,86×10 -5

Tehnička implementacija ovog zadatka omogućit će čovječanstvu da ne plaća preveliki danak za korištenje najpogodnije vrste energije - u obliku toplinskih gubitaka tokom proizvodnje, transformacije i prijenosa električne energije. Indirektan efekat razvoja supravodljivosti bio bi značajno poboljšanje životne sredine usled smanjenja emisije štetnih proizvoda sagorijevanje uglja, lož ulja i plina u termoelektranama, te zaustavljanje beskorisnog zagrijavanja Zemljine atmosfere i smanjenje emisije stakleničkih plinova.

Vodljivost, zajedno sa otporom, igra veliku ulogu u elektrotehnici i drugim tehničkim naukama. Njegovo fizičko značenje intuitivno je jasno iz njegovog hidrauličkog pandana - svi razumiju da široko crijevo ima manji otpor protoku vode i, shodno tome, bolje propušta vodu od tankog. Isto važi i za električnu provodljivost - materija sa manjim otporom bolje provodi električnu energiju.

Jedinica za električnu provodljivost je dobila ime po poznatom njemačkom inženjeru, pronalazaču, naučniku i industrijalcu - osnivaču Siemensa - Ernstu Werneru von Siemensu. Inače, on je predložio živinu jedinicu otpora, koja je nešto drugačija od modernog oma. Siemens je jedinicu otpora definisao kao otpor stuba žive visine 100 cm sa poprečnim presekom od 1 mm² na temperaturi od 0°C.

Fizika pojava

teško, tečnost ili gasoviti plazma

kristalno I amorfan.

Ove zone se nazivaju valence provodni pojas zabranjeno područje

Električna provodljivost metala

Mnogo prije otkrića elektrona, eksperimentalno je pokazano da prolazak struje u metalima, za razliku od struje u tekućim elektrolitima, nije povezan s prijenosom materije. Eksperiment, elegantan u svojoj jednostavnosti, koji je izveo njemački fizičar Carl Viktor Eduard Riecke 1901. godine, uvjerljivo je dokazao da su nosioci struje u metalima određena supstanca, u to vrijeme nepoznata. Godinu dana je propuštao električnu struju kroz neku vrstu "sendviča" od različitih metala (bakar-aluminij-bakar) i na kraju eksperimenta otkrio da se metali ne miješaju. Kasnije, kroz radove danskog naučnika Nielsa Bohra, stvorena je i briljantno potvrđena teorija planetarne strukture atoma, koja se sastoji od pozitivnog jezgra, koje uključuje čestice koje danas nazivamo nukleoni - to su protoni i neutroni - i vanjske ljuske negativno nabijenih elektrona. Fizičari i dalje koriste ovu teoriju, iako su je uneli neke prilagodbe.

Električna provodljivost samih poluprovodnika je elektronske prirode i jako zavisi od nečistoća. Tehnička upotreba ovog svojstva našla je primjenu u stvaranju pojačala i ključnih elemenata moderne elektronike. Karakteristični poluvodiči su tetravalentni germanijum (Ge) i silicijum (Si), koji formiraju kristalnu strukturu atoma međusobno povezanih kovalentnim vezama iz elektronskih parova spoljašnjeg omotača atoma. Uvođenje nečistoća dramatično mijenja provodljivost ovih poluvodiča. Na primjer, pri dodavanju petovalentnih atoma galija (Ga) ili arsena (As) u poluvodiču se formira višak valentnih elektrona, koji postaju zajedničko svojstvo uzorka poluvodiča, u ovom slučaju govore o vodljivosti n-tipa. Ako se u poluvodič doda trovalentni indijum (In), tada se formira nedostatak valentnih elektrona, u ovom slučaju govore o provodljivosti "rupa" p-tipa.

Električna provodljivost poluvodiča u velikoj mjeri ovisi o primjeni vanjskih faktora, kao što su električno ili magnetsko polje, osvjetljenje svjetlošću različitog intenziteta i spektra, ili izlaganje različitim vrstama zračenja, uključujući gama zrake. Riječ "quanta" se ne koristi u engleskoj terminologiji. Ovo svojstvo dopiranih poluvodiča našlo je široku primjenu u modernim tehnologijama. Jedinstveno svojstvo jednosmjerne provodljivosti posjeduje kombinacija poluprovodnika s različitim vrstama provodljivosti, tzv. p-n spoj, koji je postao osnova moderne elektronike.

katjoni I anjoni

Električna provodljivost gasova

fotohemijska jonizacija udarna jonizacija

Električna provodljivost u biologiji

Superprovodljivost

Ako je termin "električna provodljivost" poznat uglavnom stručnjacima iz fizike i elektrotehnike, onda su gotovo svi čuli za supravodnike, trudom novinara. Zajedno sa razvojem termonuklearne energije, stvaranje supravodljivih materijala koji rade na normalnim zemaljskim temperaturama je san i kamen filozofije fizike 21. veka.

Tehnička implementacija ovog zadatka omogućit će čovječanstvu da ne plaća preveliki danak za korištenje najpogodnije vrste energije - u obliku toplinskih gubitaka tokom proizvodnje, transformacije i prijenosa električne energije. Indirektni efekat razvoja supravodljivosti bio bi značajno poboljšanje ekologije životne sredine usled smanjenja nivoa emisije štetnih produkata sagorevanja uglja, lož ulja i gasa iz termoelektrana, kao i prestanak beskorisnih zagrijavanje Zemljine atmosfere i smanjenje emisije stakleničkih plinova.

Osim toga, uvođenje superprovodnika u razne sektore industrije i transporta dovelo bi do nove tehničke revolucije u čijim bi plodovima mogla uživati cjelokupna populacija Zemlje. Sve električne mašine - generatori, transformatori, motori - smanjile bi se u veličini, ali bi se povećala njihova snaga; upotreba elektromagneta zasnovanih na supravodljivosti značajno bi približila rješenje problema termonuklearne fuzije, a brzi vozovi bi postali stvarnost.

Na osnovu toga je razumljivo interesovanje naučnika i inženjera širom sveta za problem supravodljivosti, a već se pojavljuju prvi materijali koji mogu da ostvare praktičnu supravodljivost. Glavni fokus istraživačkih napora nedavno su postali grafen i materijali slični grafenu, koji su u suštini dvodimenzionalne strukture sa jedinstvenom provodljivošću.

Definicija i jedinice električne provodljivosti

Električna provodljivost je sposobnost materijala da propušta električnu struju kroz sebe. Električna provodljivost, ili na drugi način električna provodljivost, recipročna je otpora. Vodljivost je označena slovom G.

U SI sistemu, električna provodljivost se mjeri u simensu (1 Sm = 1 Ohm⁻¹). U Gaussovom sistemu iu SGSE, staticsiemens se koristi, a SGSM koristi absiemens.

Fizika pojava

Sama električna provodljivost bilo kojeg materijala određena je, prije svega, njegovim fizičkim stanjem: tvar može biti teško, tečnost ili gasoviti. Postoji i četvrto stanje materije koje se zove plazma, koji čini gornje slojeve našeg Sunca.

Kada se razmatraju fenomeni električne provodljivosti u čvrstim tijelima, bez njih se ne može moderne ideje fizika čvrstog stanja i pojasna teorija provodljivosti. Sa strukturne tačke gledišta, čvrsta tela se dele na kristalno I amorfan.

Kristalne supstance imaju uređenu geometrijsku strukturu; atomi ili molekuli tvari formiraju neku vrstu volumetrijske ili ravne rešetke; Ovi materijali uključuju metale, njihove legure i poluvodiče. Amorfne supstance nemaju kristalnu rešetku.

Od valentnih elektrona atoma unutar kristala formiraju se asocijacije elektrona koji ne pripadaju određenom atomu. Kao što su stanja elektrona u izolovanom atomu ograničena na diskretne energetske nivoe, tako su i stanja elektrona u čvrstom stanju ograničena diskretne energetske zone. Ove zone se nazivaju valence ili ispunjena područja. Osim valentnog pojasa, kristal ima provodni pojas, koji se po pravilu nalazi iznad valentnog. Ove dvije zone u dielektricima i poluprovodnicima su odvojene zabranjeno područje, tj. energetski pojas u kojem se ne može nalaziti niti jedan elektron.

Sa stanovišta teorije pojasa, dielektrici, poluvodiči i metali se razlikuju samo po svom pojasu. Dielektrici imaju najširi pojas, ponekad dostižući 15 eV. Na temperaturi apsolutne nule nema elektrona u vodljivom pojasu, ali na sobnoj temperaturi će već postojati određeni broj elektrona koji su izbačeni iz valentnog pojasa zbog toplinske energije. U provodnicima (metalima) vodljivi pojas i valentni pojas se preklapaju, stoga, na temperaturi apsolutne nule, u ovom preklapanom pojasu postoji prilično veliki broj elektrona provodljivosti koji se mogu kretati i formirati struju. Poluprovodnici imaju male zazore, a njihova električna provodljivost u velikoj meri zavisi od temperature i drugih faktora, kao i prisutnosti nečistoća.

Električna provodljivost metala

Vodljivost metala nastaje zbog prisustva velikog broja valentnih elektrona iz vanjskih omotača atoma metala, koji ne pripadaju određenom atomu, već postaju vlasništvo cijelog ansambla atoma uzorka. Sasvim je prirodno da atomi metala koji imaju veći broj elektrona na svojoj vanjskoj ljusci imaju i veću električnu provodljivost - tu spadaju bakar (Cu), srebro (Ag) i zlato (Au), što je oduvijek razlikovalo vrijednost ovih metala. za elektrotehniku i elektroniku.

Električna provodljivost poluvodiča

Električna provodljivost samih poluprovodnika je elektronske prirode i jako zavisi od nečistoća. Tehnička upotreba Ovo svojstvo našlo je primjenu u stvaranju pojačala i ključnih elemenata moderne elektronike. Karakteristični poluvodiči su tetravalentni germanijum (Ge) i silicijum (Si), koji formiraju kristalnu strukturu atoma međusobno povezanih kovalentnim vezama iz elektronskih parova spoljašnjeg omotača atoma. Uvođenje nečistoća dramatično mijenja provodljivost ovih poluvodiča. Na primjer, kada se dodaju petovalentni atomi galija (Ga) ili arsena (As), u poluvodiču se formira višak valentnih elektrona, koji postaju zajedničko svojstvo uzorka poluvodiča, u ovom slučaju govore o vodljivosti n-tipa. Ako se u poluvodič doda trovalentni indijum (In), tada se formira nedostatak valentnih elektrona, u ovom slučaju govore o provodljivosti "rupa" p-tipa.

Električna provodljivost poluvodiča u velikoj mjeri ovisi o primjeni vanjskih faktora, kao što su električno ili magnetsko polje, osvjetljenje svjetlošću različitog intenziteta i spektra, ili izlaganje različitim vrstama zračenja, uključujući gama zrake. Riječ "quanta" se ne koristi u engleskoj terminologiji. Ovo svojstvo dopiranih poluvodiča našlo je široku primjenu u moderne tehnologije. Jedinstveno svojstvo jednosmjerne provodljivosti posjeduje kombinacija poluvodiča s različitim vrstama provodljivosti, takozvani p-n spoj, koji je postao osnova moderne elektronike.

Električna provodljivost elektrolita

Električna provodljivost elektrolita je sposobnost rastvora supstanci da provode električnu struju kada se primeni električni napon. Nosioci struje u njima su pozitivno i negativno nabijeni ioni - katjoni I anjoni, koji postoje u otopini zbog elektrolitičke disocijacije. Jonska električna provodljivost elektrolita, za razliku od elektronske provodljivosti karakteristične za metale, praćena je prijenosom materije na elektrode uz stvaranje novih kemijskih spojeva u njihovoj blizini.

Ukupna (totalna) provodljivost se sastoji od provodljivosti kationa i anjona, koji se kreću u suprotnim smjerovima pod utjecajem vanjskog električnog polja. Vezano je za pokretljivost jona, karakteristiku koja ovisi o veličini i naboju prisutnih kationa i aniona. Dokazano je da je jedinstvena pokretljivost jona vode - atoma vodika katjona H+ i anjona hidroksilne grupe OH-, posljedica strukture vode koja formira asocijacije molekula s određenim nabojem. Mehanizam prijenosa naboja u ovakvim asocijacijama naziva se kroket i u suštini podsjeća na mehanizam prijenosa energije u bilijaru – kada bijom udarite niz uzastopnih lopti, posljednja udaljena loptica izleti iz ove asocijacije.

Električna provodljivost vode, ovog najuniverzalnijeg otapala na Zemlji, snažno zavisi od nečistoća rastvorenih supstanci, zbog čega se električna provodljivost morske ili okeanske vode oštro razlikuje od električne provodljivosti svježa voda rijeke i jezera (mi također koristimo lekovita svojstva mineralne vode, pa otuda i legende o živoj i mrtvoj vodi).

Kvantitativno, električnu provodljivost elektrolita karakteriše ekvivalentna električna provodljivost - provodljivost svih jona formiranih u 1 grama ekvivalenta elektrolita.

Električna provodljivost gasova

Električna provodljivost plinova je posljedica prisustva slobodnih elektrona i jona u njima, pa se stoga naziva elektronsko-jonska provodljivost. Plinovi se zbog razrjeđivanja karakteriziraju velikom dužinom puta prije sudara molekula i jona; zbog toga je njihova električna provodljivost u normalnim uslovima niska. Isto se može reći i za mešavine gasova. Prirodna mješavina plinova je atmosferski zrak, koji se u elektrotehnici smatra dobrim izolatorom. Električna provodljivost gasova u velikoj meri zavisi od različitih fizičkih faktora, kao što su pritisak, temperatura i sastav smeše. Osim toga, djeluju različite vrste jonizujućeg zračenja. Tako, na primjer, kada su obasjani ultraljubičastim ili rendgenskim zracima, ili pod uticajem čestica koje emituju radioaktivne supstance, ili, konačno, pod uticajem visoke temperature, gasovi dobijaju svojstvo vođenja električne struje.

Ovaj proces se naziva jonizacija. Mehanizmi njegovog djelovanja su različiti: u gornjim slojevima Zemljine atmosfere prevladava fotohemijska jonizacija zbog hvatanja fotona ultraljubičastog zračenja ili rendgenskog kvanta neutralnom molekulom, uz emisiju negativnog elektrona i transformaciju molekula u pozitivno nabijeni ion. Zauzvrat, slobodni elektron, spajajući neutralnu molekulu, pretvara ga u negativno nabijeni ion. U nižim slojevima atmosfere prevladava udarna jonizacija zbog sudara molekula plina sa korpuskularnim česticama sunčevog i kosmičkog zračenja.

Treba napomenuti da je broj pozitivnih i negativnih jona u atmosferskom vazduhu u normalnim uslovima veoma mali u poređenju sa ukupnim brojem njegovih molekula. B 1 kubni centimetar gas u normalnim uslovima pritiska i temperature sadrži oko 30 * 10¹⁸ molekula. Istovremeno, u istoj zapremini broj jona oba tipa je u prosjeku 800-1000. Ovaj broj jona varira u potpunosti u skladu sa doba godine i doba dana, zavisi od geoloških, topografskih i meteoroloških uslova i od vremenskih prilika: na primer, leti je broj jona mnogo veći nego zimi, na vedrim i suvo vrijeme više nego po kišovitom i oblačnom sa maglom, jonizacija površinske atmosfere je smanjena na gotovo nulu.

Električna provodljivost u biologiji

Poznavanje električne provodljivosti bioloških objekata daje biolozima i liječnicima moćnu metodu istraživanja, dijagnoze, pa čak i liječenja. S obzirom na činjenicu da je zemaljski život nastao u morskoj vodi, koja je u suštini elektrolit, svi biološki objekti, u jednom ili drugom stepenu, sa stanovišta elektrohemije, su elektroliti, bez obzira na strukturne karakteristike datog objekta.

Ali, kada se razmatra protok struje kroz biološke objekte, potrebno je uzeti u obzir njihovu ćelijsku strukturu, čiji je bitan element ćelijska membrana - vanjska ljuska koja štiti ćeliju od djelovanja štetnih faktora okoline zbog selektivnosti. svojstva. Po svojim fizičkim svojstvima, ćelijska membrana je paralelna veza kondenzatora i otpora, koja određuje ovisnost električne provodljivosti biološkog materijala o frekvenciji primijenjenog napona i obliku njegovih oscilacija.

Općenito, biološko tkivo je konglomerat ćelija samog organa, međustanične tekućine (limfe), krvnih sudova i nervnih ćelija. Budući da potonji na utjecaj električne struje reagiraju pobuđivanjem, tok struje u biološkom tkivu, a samim tim i njegova električna provodljivost, je nelinearan.

Pri niskim frekvencijama primijenjene struje (do 1 kHz), električna provodljivost bioloških objekata određena je svojstvima električne provodljivosti limfnih i krvotočnih kanala na visokim frekvencijama (preko 100 kHz), električna provodljivost; bioloških objekata proporcionalna je ukupnoj količini elektrolita sadržanih u tkivu između elektroda.

Poznavanje karakterističnih vrijednosti specifične električne provodljivosti bioloških tkiva i karakteristika staničnih membrana omogućava stvaranje uređaja za objektivno praćenje procesa koji se odvijaju u stanicama tijela. Ove informacije također pomažu u dijagnosticiranju bolesti i stvaranju uređaja koji se koriste za liječenje (elektroforeza).

Nažalost, brzina elektrohemijskih reakcija je mala, pa uspevamo da dobijemo opekotine pre nego što povučemo ruku od nečeg jako vrućeg - nervi nemaju vremena da prenesu signal opasnosti u mozak, a on zauzvrat reaguje odmah - naša brzina reakcije na vanjske podražaje je stotinama milisekundi. Zbog toga nam službe kontrole saobraćaja zabranjuju vožnju pod dejstvom alkohola ili droga, zbog dodatnog smanjenja brzine reakcije.

Superprovodljivost

Fenomen supravodljivosti (nulte otpornosti na struju) za živu ohlađenu na -270 stepeni Celzijusa, koji je otkrio Kamerlingh-Oness 1911. godine, revolucionirao je poglede fizičara, skrećući njihovu pažnju na kvantne procese koji određuju ovo stanje materije.

Od tada su se naučnici uključili u temperaturnu trku, podižući ljestvicu supravodljivosti supstanci sve više i više. Jedinjenja, legure i keramika koju su razvili (fluorirani HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+δ ili Hg−1223) podigli su temperaturu supravodljivosti na 138 Kelvina, što nije mnogo niže od minimalne temperature na Zemlji. Najnoviji čarobni štapić za postizanje vjekovnog sna su novi materijali sa fantastičnim svojstvima - grafen i materijali slični grafenu.

U prvoj aproksimaciji (prilično gruboj), supravodljivost metala može se objasniti odsustvom vibracija atoma kristalne rešetke, što smanjuje vjerovatnoću sudara elektrona s njima.

Pogledajmo nekoliko aspekata praktična primjena superprovodljivost. Prvi komercijalni supravodljivi dalekovod pokrenuo je American Superconductor na Long Islandu u New Yorku, krajem juna 2008. Južnokorejska kompanija LS Cable kreiraće supravodljive dalekovode u Seulu i drugim gradovima ukupne dužine supravodljivog kabla od 3000 km. A trofazni koncentrični kabel za 10.000 volti projekta AmpaCity, razvijen i implementiran u Njemačkoj, dizajniran je za prijenos 40 megavata snage. U poređenju sa bakrenim kablom iste veličine, supravodljivi kabl može preneti pet puta više energije, uprkos debelom rashladnom omotu. Projekat je pokrenut u Essenu u Njemačkoj 2014. godine.

Također je vrijedan pažnje i projekat transporta električne energije (i vodonika) iz pustinje Sahare. Prema mišljenju stručnjaka, postojeće tehnologije sposobni su da zadovolje potrebe cijelog čovječanstva sa samo 300 kvadratnih kilometara solarnih panela smještenih u pustinji Sahara. A za potrebe cijele Evrope potrebno je samo 50 kvadratnih kilometara. Ali pitanje se svodi na transport ove energije. Zbog gubitaka, 100% sve proizvedene energije će se potrošiti na prijenos. Predložena je vrlo originalna metoda za njeno prenošenje bez gubitaka kroz cijevi od magnezijum diborida (MgB₂), hlađene iznutra strujom tekućeg vodika. Kao rezultat, imamo prijenos električne energije bez gubitaka kroz supravodič plus ekološki prihvatljivo gorivo - vodonik, proizvedeno na licu mjesta.

Osim toga, korištenje solarne energije za proizvodnju električne energije i vodika na ovaj način neće poremetiti ekološku i toplinsku ravnotežu Zemlje, što nije svojstveno savremenim metodama proizvodnju električne energije iz fosilnih goriva, bilo da je riječ o nafti ili plinu ili uglju. Uostalom, njihova upotreba znači unošenje u atmosferu dodatne sunčeve energije koju je sama priroda prethodno akumulirala u tim izvorima.

Posebno pitanje primjene supravodljivosti u praksi je upotreba magnetne levitacije za kopneni transport (vlakovi magnetne levitacije). Istraživanja su pokazala da će ovaj vid transporta biti tri puta efikasniji od drumskog i pet puta efikasniji od aviona.

102.50 Kb

Električna provodljivost.

Električna provodljivost (električna provodljivost, provodljivost) je sposobnost tijela da provodi električnu struju, kao i fizička veličina koja karakteriše tu sposobnost i inverzna je električnom otporu. U sistemu SI, mjerna jedinica za električnu provodljivost je Vidi. Sposobnost pojedinačnih supstanci da provode električnu struju može se ocijeniti prema njihovoj električnoj otpornosti ρ. Za procjenu električne provodljivosti materijala koristi se i koncept specifične električne provodljivosti.

Električna provodljivost se mjeri u simensu po metru (S/m).

Prema Ohmovom zakonu, u linearnoj izotropnoj tvari, specifična provodljivost je koeficijent proporcionalnosti između gustine nastale struje i veličine električnog polja u mediju:

gdje je γ - specifična provodljivost,

J - vektor gustine struje,

E - vektor jačine električnog polja.

Električna provodljivost G provodnik se može izraziti sledećim formulama:

G = 1/R = S/(ρl) = γS/l = I/U

gdje je ρ otpornost,
S je površina poprečnog presjeka provodnika,
l - dužina provodnika,
γ = 1/ρ - specifična provodljivost,
U je napon u području,
I je struja u sekciji.

Električna provodljivost se mjeri u simensu: [G] = 1/1 Ohm = 1 cm.

Postoje dvije vrste nosilaca naboja u tvarima: elektroni ili joni. Kretanje ovih naboja stvara električnu struju.

Električna provodljivost različitih tvari ovisi o koncentraciji slobodnih električno nabijenih čestica. Što je veća koncentracija ovih čestica, veća je električna provodljivost date supstance. Sve tvari, ovisno o njihovoj električnoj vodljivosti, dijele se u tri grupe: provodnike, dielektrike i poluvodiče.

U zavisnosti od vrste nosioca struje, postoje:

- elektronska provodljivost u metalima i poluprovodnicima (kretanje slobodnih elektrona u materiji kao glavnim nosiocima naboja)

- jonska provodljivost u elektrolitima (uređeno kretanje jona u tvari)

- mješovita elektron-jonska provodljivost u plazmi

Voda. Ice. Steam.

Voda (vodikov oksid) je hemijska supstanca u obliku prozirne tečnosti koja je bezbojna (u malim količinama), mirisa i ukusa (u normalnim uslovima). Hemijska formula: H2O. U čvrstom stanju voda se naziva led ili snijeg, a u plinovitom stanju vodena para. Voda je dobar visokopolaran rastvarač. U prirodnim uslovima, uvek sadrži rastvorene supstance (soli, gasove).

U odvojeno razmatranoj molekuli vode, atomi vodika i kisika, odnosno njihova jezgra, raspoređeni su tako da formiraju jednakokraki trokut. Na njegovom vrhu nalazi se relativno veliko jezgro kiseonika, u uglovima uz bazu nalazi se jedno jezgro vodika.

Molekul vode je mali dipol koji na svojim polovima sadrži pozitivne i negativne naboje. Pošto je masa i naboj jezgra kiseonika veća od mase jezgra vodonika, elektronski oblak se povlači prema jezgru kiseonika. U ovom slučaju, jezgra vodonika su "izložena". Dakle, elektronski oblak ima neujednačenu gustinu. U blizini jezgara vodika postoji nedostatak elektronske gustine, a na suprotnoj strani molekula, blizu jezgra kiseonika, postoji višak elektronske gustine. Upravo ta struktura određuje polaritet molekule vode. Ako epicentre pozitivnih i negativnih naboja povežete ravnim linijama, dobit ćete trodimenzionalni geometrijski lik - pravilni tetraedar.

Zbog prisustva vodoničnih veza, svaki molekul vode formira vodikovu vezu sa 4 susjedna molekula, formirajući otvoren mrežasti okvir u molekulu leda. Međutim, u tečnom stanju, voda je neuređena tečnost; Ove vodonične veze su spontane, kratkotrajne, brzo pucaju i ponovo se formiraju. Sve to dovodi do heterogenosti u strukturi vode.

Činjenica da je voda heterogena po svom sastavu odavno je utvrđena. Led pluta na površini vode, odnosno gustina kristalnog leda je manja od gustine tečnosti.

Za gotovo sve druge tvari kristal je gušći od tekuće faze. Osim toga, čak i nakon topljenja, s povećanjem temperature, gustina vode nastavlja da raste i dostiže maksimum na 4°C. Manje poznata je anomalija kompresibilnosti vode: kada se zagrije od tačke topljenja do 40°C, ona se smanjuje, a zatim povećava. Toplotni kapacitet vode također nemonotono ovisi o temperaturi.

Osim toga, na temperaturama ispod 30°C, s porastom tlaka sa atmosferskog na 0,2 GPa, viskoznost vode opada, a koeficijent samodifuzije, parametar koji određuje brzinu kretanja molekula vode jedna u odnosu na drugu, povećava.

Svaki molekul vode u kristalnoj strukturi leda učestvuje u 4 vodikove veze usmjerene prema vrhovima tetraedra. U središtu ovog tetraedra nalazi se atom kisika, na dva vrha nalazi se atom vodika, čiji elektroni sudjeluju u formiranju kovalentne veze s kisikom. Dva preostala vrha zauzimaju parovi valentnih elektrona kiseonika, koji ne učestvuju u formiranju intramolekularnih veza. Kada proton jednog molekula stupi u interakciju s parom usamljenih elektrona kisika drugog molekula, formira se vodikova veza, manje jaka od intramolekularne, ali dovoljno snažna da drži susjedne molekule vode zajedno. Svaki molekul može istovremeno da formira četiri vodonične veze sa drugim molekulima pod strogo definisanim uglovima jednakim 109°28", usmerenim ka vrhovima tetraedra, koji ne dozvoljavaju stvaranje guste strukture tokom zamrzavanja.

Vodena para je gasovito stanje vode pod uslovima u kojima gasna faza može biti u ravnoteži sa tečnom ili čvrstom fazom. Bezbojan je, bez ukusa i mirisa, formiran je od molekula vode tokom isparavanja. Paru karakteriziraju vrlo slabe veze između molekula vode, kao i njihova velika pokretljivost. Njegove se čestice kreću gotovo slobodno i haotično u intervalima između sudara, tokom kojih dolazi do oštre promjene u prirodi njihovog kretanja. Svojstva zasićene pare (gustina, specifični toplotni kapacitet, itd.) određuju se samo pritiskom.

Električna provodljivost vode

Čista voda je loš provodnik struje. Ali ipak, iako vrlo malo, može provesti električnu struju zbog djelomične disocijacije molekula vode na H+ i OH– ione. Od primarne važnosti za električnu provodljivost i vode i leda su kretanja H+ jona, takozvani „protonski skok“. Niska, gotovo odsutna provodljivost posljedica je činjenice da se voda sastoji od električno neutralnih atoma i molekula čije kretanje ne može biti izvedeno električnom strujom. Međutim, otopine soli, kiselina i lužina u vodi i nekim drugim tekućinama dobro provode struju, a što je više otopljene tvari, veći dio se raspada na ione i veća je provodljivost otopine.

Koncentracija jona je prvi faktor koji utiče na provodljivost. Ako pri rastvaranju ne dođe do disocijacije molekula, onda otopina nije provodnik elektriciteta.

Ostali faktori: naelektrisanje jona (jon sa naelektrisanjem od +3 nosi tri puta veću struju od naelektrisanja od +1); pokretljivost jona (teški ioni se kreću sporije od lakih jona) i temperatura. Otopina koja provodi električnu struju naziva se elektrolit.

Mineralizacija vode naglo smanjuje njenu električnu otpornost, a samim tim i povećava njenu provodljivost. Dakle, za destilovanu vodu je otprilike 10ˉ 5 S/m, a za morsku oko 3,33 S/m (za poređenje: papir - 10ˉ 15, bakar - 0,5·10 8 S/m). Električna provodljivost vode može biti pokazatelj njene kontaminacije.

Električna provodljivost leda

Električna provodljivost leda je vrlo mala i mnogo puta manja od električne provodljivosti vode, posebno ako je voda barem malo mineralizirana. Na primjer, specifična električna provodljivost slatkovodnog leda na temperaturi od 0°C jednaka je 0,27·10ˉ 7 S/m, a na -20°S jednaka je 0,52·10ˉ 7 S/m, dok je destilovana voda iz kojeg je ovaj led dobijen, imao je provodljivost reda 10ˉ6 S/m.

Niska provodljivost leda je posljedica činjenice da u normalnim uvjetima praktički ne sadrži slobodne nosioce naboja ili atome kojima nedostaje elektron (tzv. „rupe“).

Suhi snijeg, prije svega, karakterizira niska električna provodljivost, što omogućava postavljanje čak i neizoliranih žica na njegovu površinu. Njegova provodljivost na temperaturama od -2 do -16 °C iznosi približno 0,35*10ˉ 5 - 0,38·10ˉ 7 S/m i bliska je specifičnoj provodljivosti suhog leda. Mokar snijeg, naprotiv, ima visoku električnu provodljivost koja dostiže 0,1 S/m.

Provodljivost leda može se povećati mineralizacijom (zasićenjem jonima) izvorne vode kiselinama, solima i bazama. Tada će ioni privući elektrone iz susjednog atoma, a oni će zauzvrat postati ioni. Dakle, uzastopnim povlačenjem, pozitivno naelektrisanje će se pomeriti.

Provodljivost vodene pare

Sama para, budući da je plin u kojem nema nabijenih čestica, nije provodnik električne energije. Međutim, vodljivost se može povećati ako se u njemu pod utjecajem različitih vanjskih interakcija stvaraju nabijene čestice - molekule. Najveći uticaj imaju spoljašnji agensi kao što su rendgenski zraci, zraci radijuma i snažno zagrevanje gasa. Izazivaju jonizaciju, na primjer, uređaji koji se nazivaju jonizatori.

Mehanizam ionizacije u plinovima je sljedeći: neutralni atomi i molekuli sadrže istu količinu pozitivnog elektriciteta u obliku centralnih jezgara i negativnog elektriciteta u obliku elektrona koji okružuju ova jezgra. Pod uticajem raznih razloga, elektron se može istrgnuti, a molekul koji ostane dobija pozitivan naboj. I izbačeni elektron ne ostaje slobodan, hvata ga jedna ili više neutralnih molekula i daje im negativan naboj. Rezultat je par suprotno nabijenih jona. Da bi se elektron odvojio od atoma, on treba da potroši određenu energiju - energiju ionizacije. Ova energija je različita za različite supstance i zavisi od strukture atoma.

Svaki molekularni ion koji se formira privlači neutralne molekule i na taj način formira cijeli ionski kompleks. Joni suprotnih predznaka, kada se međusobno sudaraju, neutraliziraju jedni druge, što dovodi do ponovnog stvaranja originalnih neutralnih molekula - ovaj proces se naziva rekombinacija. Kada se elektron i pozitivni ion rekombinuju, oslobađa se određena energija, koja je jednaka energiji utrošenoj na ionizaciju.

Nakon prestanka djelovanja ionizatora, broj jona u plinu s vremenom postaje sve manji i na kraju se praktično smanjuje na nulu. Ovo se objašnjava činjenicom da elektroni i ioni učestvuju u toplotnom kretanju i stoga se sudaraju. Kao rezultat sudara između elektrona i pozitivnog jona, oni se ponovo ujedinjuju u neutralni atom. A kada se sudare pozitivni i negativni joni, oni zauzvrat mogu pozitivnom jonu dati vlastiti višak elektrona i oba iona će postati neutralni molekuli.

Iz ovoga slijedi da je vodljivost pare privremena pojava. Čim prestane jonizacija gasa, on će prestati da bude provodljiv, dok tečnost uvek ostaje provodnik električne struje.

Spisak korišćene literature:

Vukalović M.P., Novikov I.I., Tehnička termodinamika, 4. izd., M., 1968;
Zatsepina G.N. Fizička svojstva i struktura vode.
M., 1987
A.N. Matveev.
Elektricitet i magnetizam.
http://ru.wikipedia.org/wiki/

http://www.o8ode.ru/article/water/

Električna provodljivost vode je veoma važno svojstvo vode za svakog od nas.

Svaka osoba treba da zna da je voda, po pravilu, električno provodljiva. Nepoznavanje ove činjenice može dovesti do štetnih posljedica po život i zdravlje.

Dajemo nekoliko definicija pojmu električne provodljivosti, općenito, a posebno električne provodljivosti vode.

Električna provodljivost je...

Skalarna veličina koja karakterizira električnu provodljivost tvari i jednaka je omjeru gustine struje električne provodljivosti i jačine električnog polja.
Svojstvo tvari da provodi električnu struju nepromjenjivu u vremenu pod utjecajem vremenski nepromjenjivog električnog polja.

Ushakov's Explantatory Dictionary
Električna provodljivost (električna provodljivost, mn. br, ženska (fizička)) - sposobnost vođenja, prenosa električne energije.
Ušakovljev rečnik objašnjenja. D.N. Ushakov. 1935-1940

Velika politehnička enciklopedija
Električna provodljivost ili električna provodljivost je svojstvo tvari da, pod utjecajem nepromjenjivog električnog polja, provodi električnu struju koja se ne mijenja tokom vremena. Elektromagnetna energija je uzrokovana prisustvom mobilnih električnih naboja u tvari - nosiocima struje. Tip nosioca struje određen je elektronom (za metale i poluvodiče), ionskim (za elektrolite), elektron-jonskim (za plazmu) i rupičnim (zajedno sa elektronom) (za poluvodiče). Ovisno o specifičnoj električnoj provodljivosti, sva tijela se dijele na provodnike, poluvodiče i dielektrike, fizičke. recipročna vrijednost električnog otpora. SI jedinica za električnu provodljivost je simens (q.v.); 1 cm = 1 ohm-1.
Velika politehnička enciklopedija. — M.: Mir i obrazovanje. Rjazancev V.D. 2011

Električna provodljivost vode je...

Politehnički terminološki rječnik
Električna provodljivost vode je pokazatelj provodljivosti električne struje vodom, karakterizirajući sadržaj soli u vodi.
Politehnički terminološki rječnik. Kompilacija: V. Butakov, I. Fagradyants. 2014

Pomorski enciklopedijski priručnik
Električna provodljivost morske vode je sposobnost morske vode da provodi struju pod utjecajem vanjskog električnog polja zbog prisustva u njoj nositelja električnog naboja - jona otopljenih soli, uglavnom NaCl. Električna provodljivost morske vode raste proporcionalno porastu njenog saliniteta i 100-1000 puta je veća od riječne vode. Zavisi i od temperature vode.
Pomorski enciklopedijski priručnik. - L.: Brodogradnja. Uredio akademik N. N. Isanin. 1986

Iz gornjih definicija postaje očito da električna provodljivost vode nije konstanta, već ovisi o prisutnosti soli i drugih nečistoća u njoj. Na primjer, električna provodljivost destilovane vode je minimalna.

Kako saznati električnu provodljivost vode, kako je izmjeriti...

Konduktometrija - mjerenje električne provodljivosti vode

Za mjerenje električne provodljivosti vode koristi se metoda konduktometrije (vidi definicije ispod), a instrumenti koji se koriste za mjerenje električne provodljivosti imaju naziv koji je u skladu sa metodom - konduktometri.

Konduktometrija je...

Objašnjavajući rječnik stranih riječi
Konduktometrija i mnoge druge. ne, w. (njemački: Konduktometrie< лат. conductor проводник + греч. metreō мерю), тех., хим. — один из видов химического количественного анализа, основанный на измерении электропроводности исследуемого раствора при постепенном добавлении к нему исследуемого реагента.
Objašnjavajući rječnik stranih riječi L. P. Krysina - M: Ruski jezik, 1998

Encyclopedic Dictionary
Konduktometrija (od engleskog provodljivost - električna provodljivost i grčkog metreo - mjerim) je elektrohemijska metoda analize koja se zasniva na mjerenju električne provodljivosti rastvora. Koristi se za određivanje koncentracije rastvora soli, kiselina, baza, kao i za kontrolu sastava nekih industrijskih rastvora.
Encyclopedic Dictionary. 2009

Specifična električna provodljivost vode

I u zaključku, predstavljamo nekoliko vrijednosti specifične električne provodljivosti za razne vrste voda*.

Specifična električna provodljivost vode je...

Vodič za tehnički prevodilac
Specifična električna provodljivost vode je električna provodljivost jedinice zapremine vode.
[GOST 30813-2002]

Specifična električna provodljivost vode *:

Voda iz slavine – 36,30 µS/m;
Destilovana voda – 0,63 µS/m;
Piće (u bocama) – 20,2 µS/m;
Pijenje smrznuto – 19,3 µS/m;
Zaleđen u vodi - 22 µS/m.

* Članak “Električna provodljivost uzoraka vode za piće različitog stepena čistoće” Autori: Vorobyova Lyudmila Borisovna. Časopis: “Interexpo Geo-Siberia Izdanje br. -5 / Sveska 1 / 2012.”

Električna provodljivost je sposobnost tvari da provode električnu struju pod utjecajem vanjskog električnog polja. Električna provodljivost je recipročna vrijednost električnog otpora L = 1/ R.

Gdje ρ – otpornost, Ohm m; - specifična električna provodljivost, S/m (Siemens/metar); S– poprečni presjek, m2; l – dužina provodnika, m) ( u elektrohemiji, specifična električna provodljivost ( ) čitaj - kappa).

Jedinica mjere L je Siemens (Sm), 1 Sm = 1 Ohm -1.

Električna provodljivost rješenje karakterizira vodljivost volumena otopine zatvorene između dvije paralelne elektrode površine 1 m 2 i koje se nalaze na udaljenosti od 1 m jedna od druge. SI jedinica mjere je Sm m -1.

Specifična provodljivost otopine elektrolita određena je brojem jona koji nose električnu energiju i brzinom njihove migracije:

, (2.5)

Gdje α – stepen disocijacije elektrolita; WITH– molarna koncentracija ekvivalenta, mol/m3; F – Faradejev broj, 96485 C/mol;
- apsolutne brzine kretanja kationa i anjona (brzine sa gradijentom potencijala polja od 1 V/m); Jedinica mjere za brzinu je m 2 V -1 s -1.

Iz jednačine (2.5) slijedi da zavisi od koncentracije i za jake i za slabe elektrolite (slika 2.1):

Slika 2.1 – Ovisnost specifične električne provodljivosti o koncentraciji elektrolita u vodenim otopinama

U razrijeđenim otopinama na C → 0 teži specifičnoj električnoj provodljivosti vode koja iznosi oko 10 -6 S/m i nastaje zbog prisustva jona N 3 O + I HE - . Sa povećanjem koncentracije elektrolita, u početku raste, što odgovara povećanju broja jona u rastvoru. Međutim, što je više iona u otopini jakih elektrolita, to je jača ionska interakcija, što dovodi do smanjenja brzine kretanja jona. Za slabe elektrolite u koncentriranim otopinama, stupanj disocijacije i, posljedično, broj iona koji nose električnu energiju su značajno smanjeni. Stoga, gotovo uvijek, ovisnost specifične električne provodljivosti o koncentraciji elektrolita prolazi kroz maksimum.

2.1.3 Molarne i ekvivalentne električne provodljivosti

Istaknuti efekte ionske interakcije, električnu provodljivost podijeljeno s molarnom koncentracijom (C, mol/m3) i dobijemo molarna električna provodljivost ; ili podijelite s molarnom koncentracijom ekvivalenta i dobijete ekvivalentna provodljivost.

. (2.6)

Jedinica mjerenja je m 2 S/mol. Fizičko značenje ekvivalentne vodljivosti je sljedeće: ekvivalentna provodljivost je numerički jednaka električnoj vodljivosti otopine zatvorene između dvije paralelne elektrode smještene na udaljenosti od 1 m i koja ima takvu površinu da volumen otopine između elektroda sadrži jedan mol ekvivalentne otopljene tvari (u slučaju molarne električne provodljivosti - jedan mol otopljene tvari). Dakle, u slučaju ekvivalentne električne provodljivosti u ovom volumenu bit će N A pozitivnih i N A negativnih naboja za otopinu bilo kojeg elektrolita, pod uvjetom da je potpuno disociran (NA je Avogadrov broj). Dakle, ako joni nisu međusobno djelovali, onda bi ostao konstantan pri svim koncentracijama. U realnim sistemima zavisi od koncentracije (slika 2.2). Kada je C → 0,
→ 1, vrijednost teži za
, što odgovara odsustvu ionske interakcije. Iz jednačina (2.5 i 2.6) slijedi:

Posao
pozvao ograničavajući ekvivalentnu električnu provodljivost jona, ili ultimate mobilnost joni:

. (2.9)

Relaciju (2.9) je uspostavio Kolrausch i zove se zakon nezavisnog kretanja jona . Maksimalna pokretljivost je specifična vrijednost za dati tip jona i zavisi samo od prirode rastvarača i temperature. Jednačina za molarnu električnu provodljivost ima oblik (2.10):

, (2.10)

Gdje
- broj ekvivalenata kationa i anjona potrebnih za formiranje 1 mola soli.

primjer:

U slučaju monovalentnog elektrolita, kao što je HCl,
, odnosno molarna i ekvivalentna električna provodljivost su iste.

Slika 2.2 – Ovisnost ekvivalentne električne provodljivosti o koncentraciji za jake (a) i slabe (b) elektrolite

Za otopine slabih elektrolita, ekvivalentna električna provodljivost ostaje mala do vrlo niskih koncentracija, nakon kojih naglo raste do vrijednosti koje se mogu usporediti s jaki elektroliti. To se događa zbog povećanja stepena disocijacije, koji, prema klasičnoj teoriji elektrolitičke disocijacije, raste s razrjeđivanjem i, u granici, teži jedinstvu.

Stepen disocijacije može se izraziti dijeljenjem jednačine (2.7) sa (2.8):

Sa povećanjem koncentracije otopine jakih elektrolita opada, ali neznatno. Kolrausch je to pokazao takvih otopina pri niskim koncentracijama odgovara jednadžbi:

, (2.11)

Gdje A– konstantna, ovisno o prirodi rastvarača, temperaturi i valentnom tipu elektrolita.

Prema Debye–Onsagerovoj teoriji, smanjenje ekvivalentne električne provodljivosti rastvora jakih elektrolita povezano je sa smanjenjem brzina kretanja jona usled dva efekta inhibicije kretanja jona, koja nastaju usled elektrostatičke interakcije između jona i jona. njena jonska atmosfera. Svaki ion teži da se okruži ionima suprotnog naboja. Oblak punjenja se zove jonski atmosfere, u prosjeku je sferno simetrična.

Prvi efekat je efekat elektroforetska inhibicija. Kada se primeni električno polje, ion se kreće u jednom smeru, a njegova jonska atmosfera kreće se u suprotnom smeru. Ali s jonskom atmosferom, zbog hidratacije atmosferskih jona, dio rastvarača se zavlači, a središnji ion pri kretanju nailazi na tok rastvarača koji se kreće u suprotnom smjeru, što stvara dodatnu viskoznu inhibiciju jona.

Drugi efekat - inhibicija opuštanja. Kada se ion kreće u vanjskom polju, atmosfera bi trebala nestati iza jona i formirati se ispred njega. Oba ova procesa se ne dešavaju trenutno. Dakle, ispred jona je broj jona suprotnog predznaka manji nego iza njega, odnosno oblak postaje asimetričan, centar naboja atmosfere se pomera nazad, a pošto se naboji jona i atmosfere su suprotne, kretanje jona se usporava. Sile relaksacije i elektroforetske inhibicije određene su jonskom snagom otopine, prirodom rastvarača i temperaturom. Za isti elektrolit, pod drugim konstantnim uslovima, ove sile rastu sa povećanjem koncentracije rastvora.

Sposobnost elektrolita da postanu provodnici kada se na njih dovede električna struja naziva se elektrolitička provodljivost. Razmotrimo solne i kisele elektrolite, kao i bazne elektrolite vezane za vodene otopine. Ove tvari se razlikuju po tome što je koncentracija aniona (negativno nabijenih iona) i kationa (pozitivno nabijenih iona) nastalih u njima uslijed elektrolitičke disocijacije 2 prilično visoka. Otopine elektrolita pripadaju drugoj vrsti provodnika. Njihova vodljivost u električnom polju, za razliku od prve grupe provodnika, posljedica je jonske aktivnosti.

Provodnici imaju sposobnost otpora (R). Prema Ohmovom zakonu, ova veličina je u direktnoj proporciji sa dužinom provodnika ( l ), a obrnuto je proporcionalna površini (S) njegovog poprečnog presjeka. Koeficijent proporcionalnosti - pokazatelj otpornosti (ρ) centimetarskog vodiča sa poprečnim presjekom od 1 cm2:

Električna provodljivost je označena kao Cm (S) i mjeri se u SI jedinicama - u simensu. Dobijamo sljedeći izraz: Ohm −1 = kg −1 .m −2 .s 3 A 2 .

Razlikovati specifična električna provodljivost ( K- kappa) i molarili inače ekvivalent ( Λ - lambda) 3.

Napomena 1: Koncentracije su date u gramima po kilogramu otopine.

Napomena 2:Termin "elektrolitička disocijacija" označava djelomičnu ili potpunu molekularnu razgradnju na katione i anione otopljene tvari.

Napomena 3: Upotreba termina „ekvivalentna električna provodljivost” se ne preporučuje. Osnova je uputstvo koje je izradila Komisija Sindikata čiste i primijenjene hemije. Međunarodna elektrohemijska nomenklatura IUPAC-a usvojila je termin "molarna provodljivost".

1. Električna provodljivost

Koristi se za kvantificiranje sposobnosti otopina elektrolita da provode struju. Ona je suprotno otpornost- indikator otopine koja ispunjava prostor između elektroda površine 1 cm2, postavljene na centimetar udaljenosti jedna od druge:

Ova vrijednost je određena prirodom otopine elektrolita, njegovom temperaturom i zasićenošću. Specifična električna provodljivost raste s porastom temperature, što je karakteristična karakteristika takvih elektrolita u odnosu na provodnike prve vrste. Brzina kretanja iona povećava se zbog smanjenja solvatacije iona i smanjenja viskoznosti otopine.

Slika 1 jasno pokazuje kako se specifična električna provodljivost mijenja ovisno o koncentraciji otopina. Mjerna jedinica za ovu vrijednost je S/m - simens po metru (1 S/m = 1 Ohm-1m-1). Najčešće korišteni derivat je µS/cm.

Specifična električna provodljivost se prvo povećava sa povećanjem zasićenja, a kada je dostigla određeni maksimum, opada. Treba napomenuti da je za jake elektrolite zavisnost jasno izražena, ali je za slabe otopine mnogo slabija. Prisutnost indikatora s graničnim vrijednostima na krivuljama jakih otopina ukazuje na to da brzina ionskog kretanja u razrijeđenim elektrolitima samo neznatno ovisi o njihovoj zasićenosti i u početku raste direktno proporcionalno broju iona. S povećanjem koncentracije povećava se interakcija iona, što dovodi do smanjenja brzine kretanja. Maksimalni presjek na krivulji slabog elektrolita nastaje zbog smanjenja stupnja disocijacije uzrokovanog povećanjem koncentracije. Nakon postizanja određene zasićenosti, koncentracija raste brže od numeričkog sadržaja iona u otopini. Da bi se opisao efekat ionske interakcije i zasićenja elektrolita na njihovu električnu provodljivost, koncept „molarna provodljivost ».

2. Molarna provodljivost

Λ (molarna električna provodljivost- vidi napomenu 4) - recipročna vrijednost otpora elektrolita za vodič sa sadržajem tvari od 1 mol, koji je postavljen između elektroda postavljenih na centimetarskoj udaljenosti jedna od druge. Da bi se odredio odnos između molarne električne provodljivosti i molarne koncentracije otopine (M) i specifične električne provodljivosti (K), izveden je sljedeći odnos:

Napomena 4: Električna provodljivost 1N otopine elektrolita pozvaoekvivalentno (Λ = 1000 TO /N). Koncentracija (N) je izražena u g-eq/l. Međutim, uputstva IUPAC-a ne preporučuju korištenje izraza “ekvivalentna električna provodljivost”.

Molarna električna provodljivost u odnosu i na jake i na slabe elektrolite napreduje sa smanjenjem koncentracije (odnosno, sa smanjenjem zasićenosti rastvora (V = 1/M), njegova električna provodljivost raste). Ona dostiže granicuΛ 0. Ovaj maksimum se pozivamolarna električna provodljivost pri beskonačnom razrjeđivanju.

Za slabe elektrolite (slika 2), ovisnost ove vrijednosti o koncentraciji određena je uglavnom povećanjem stepena disocijacije uzrokovane razrjeđivanjem otopine elektrolita. U jakim elektrolitima, kako se zasićenje smanjuje, interakcija jona slabi. Intenzitet njihovih pokreta raste, što za sobom povlačipovećanje molarne električne provodljivosti otopine.

Istraživanje F. Kohlrausch-a pokazuje kako svaki ion doprinosi molarnoj električnoj provodljivosti elektrolita u beskonačno razrijeđenim otopinama (krajnje razrjeđivanje). Utvrdio je da je λ0 (granična ionska provodljivost) zbir molarne provodljivosti koju pokazuju kation i anion, a također je izveo formulacijuzakon nezavisnosti kretanja jona:

Pri beskonačnom razrjeđivanju elektrolita, molarna električna provodljivost jednaka je zbroju kationske i anionske pokretljivosti u elektrolitičkoj otopini:

Λ 0 = K 0 + + K 0 - (4)

3. Faktori koji određuju električnu provodljivost otopine

Koncentracija soli i temperatura su glavni faktori koji određuju električnu provodljivost vode. Glavna mineralna komponenta vode u prirodi:

Kationi K + , Na + , Mg 2+ , Ca 2+ ;

Anjoni HCO 3 - , Cl - , SO 4 2- .

Prisutni su i drugi joni (Al 3+, Fe 3+, Mn 2+, Fe 2+, H 2 PO 4 -, NO 3 -, HPO 4 2-), ali je njihov uticaj na električnu provodljivost beznačajan, jer obično malo sadržaja u vodi. Vrijednosti električne provodljivosti nam omogućavaju da procijenimo nivo njegove mineralizacije. U prirodi je specifična električna provodljivost vode 100-2000 µS/cm sa salinitetom od 50 do 1000 mg/l (kod padavina -10-120 µS/cm sa salinitetom od 3-60 mg/l).

4. Električna provodljivost. Izvođenje proračuna

Primjenjujući formule 3 i 4, i imajući pri ruci indikatore ionske električne provodljivosti ( TO), moguće je izračunati električnu provodljivost ( TO IΛ ) za bilo koje rješenje:

K = (K + + K - ) M /1000 (5)

U Tabeli 1 datoj ovdje možete pronaći ionsku i graničnu ionsku električnu provodljivost karakterističnu za uobičajene ione u razrijeđenim otopinama (temperatura +18°C).

Tabela 1

Primjer 1: Potrebno je izvršiti proračune na osnovu specifične električne provodljivosti (K). rastvor KCl ( kalijum hlorid) 0,0005 M.

Rješenje: Do disocijacije KCl u vodenim rastvorima dolazi do K+ i Cl - jona. Koristeći priručnik ili podatke date u tabeli 6, nalazimo indikatore ionske električne provodljivosti na 18°C u razrijeđenim otopinama:

K + - koncentracija jona 0,0005 M (λ = 63,7 Ohm -1 cm 2 mol -1);

Koncentracija jona Cl - - 0,0005 M (λ = 64,4 Ohm -1, cm 2, mol -1).

Ako trebate izračunati specifičnu električnu provodljivost otopine elektrolita, koja sadrži mješavinu različitih iona, formula ima sljedeći oblik:

k = Σ λ i Mi /1000 (6)

Računica, n Gore navedeno vrijedi za jake elektrolite. Za slaba rješenja bit će potrebno koristiti dodatne proračune koji se odnose na korištenje konstanti disocijacije i određivanje zasićenja slobodnim ionima. Molarna električna provodljivost, na primjer, otopine 0,001 M octene kiseline -Λ = 41 Ohm-1.cm2.mol-1 (18 °C), međutim, primjena formule (6) će rezultirati vrijednošću približno jednakom 351.9 Ohm -1.cm 2.mol -1.

Primjer 2: Potrebno je saznati specifičnu električnu provodljivost (k) za otopinu 0,001 M octene kiseline (CH3COOH).

Rješenje: Do disocijacije slabih vodenih rastvora sirćetne kiseline dolazi do CH 3 COO - i H + jona (CH 3 COOH ↔ H + + CH 3 COO -).

Konstanta - KSN 3 COOH = [H+].

/ [CH 3 COOH].

Za jednobazičnu kiselinu - [H+] = = x.

Zasićenost disociranim molekulima slabe kiseline u odnosu na ukupnu koncentraciju je preniska, pa se stoga može uzeti kao M (M = 0,001 mol/l).

KSN 3 COOH = x 2 /M, K CH3COOH = 1,8. 10 -5.

Prema stanju: zasićenost kiselinom 0,001 M (0,001 g-ekviv/l).

Imajući podatke o zasićenosti H + i CH 3 COO - jona, kao i o njihovoj električnoj provodljivosti (λ n+ 0,001 = 311 Ohm -1. cm 2. mol -1, λ snsoo- 0.001 ≈ 40.9 Ohm -1. cm 2. mol -1), izračunava se specifična električna provodljivost “k”.

k = (311 + 40,9) . 0,001/1000 = 3,52,10 -4 Ohm -1 cm -1 (S/cm) ili 352 µS/cm. Poštovani, ako imate potrebu da ispravite indikator “Električna provodljivost” kako biste kvalitet vode doveli na određene standarde, obratite se stručnjacima kompanije Waterman