Úvod a definice

Vodivost a vodivost souvisí podle vzorce:

G = σ(A/l)

Vodivost kovů, polovodičů a dielektrik je podrobně popsána v článcích Více o elektrickém odporu , Více o elektrickém odporu a Elektrická vodivost a vodivost V tomto článku se budeme podrobněji zabývat vodivostí elektrolytů a jejími měřicími metodami a zařízeními. Popíšeme několik experimentů s použitím levného zařízení pro měření vodivosti.

Vodivost elektrolytů a její měření

Vodivost vodných roztoků, ve kterých je elektrický proud přenášen nabitými ionty, je určena počtem nosičů náboje (koncentrací), rychlostí jejich pohybu (pohyblivost iontů závisí na teplotě roztoku) a nábojem, který nesou. (valence iontů). Proto ve většině vodných roztoků povede vyšší koncentrace k většímu množství iontů a tím k vyšší vodivosti. Po dosažení určité maximální koncentrace však může vodivost začít se zvyšující se koncentrací klesat. Proto dvě různé koncentrace stejné soli mohou mít stejnou vodivost.

Teplota také ovlivňuje vodivost, protože při vyšších teplotách se ionty pohybují rychleji, čímž se zvyšuje vodivost. Čistá voda nevede dobře elektrický proud. Obyčejná destilovaná voda v rovnováze s oxidem uhličitým obsahujícím ve vzduchu a celkové rozpuštěné pevné látky méně než 10 mg/l má vodivost asi 20 uS/cm. Vodivost různých roztoků je uvedena v tabulce níže.

K = D/A

Tento vzorec funguje dobře, když je plocha elektrod mnohem větší než vzdálenost mezi nimi, protože v tomto případě většina elektrického proudu protéká přímo mezi elektrodami. Příklad: pro 1 kubický centimetr kapaliny K = D/A = 1 cm/1 cm² = 1 cm⁻¹. Všimněte si, že články s malými široce rozmístěnými elektrodami mají konstanty článku 1,0 cm⁻1 nebo více, zatímco články s většími a těsně umístěnými elektrodami mají konstanty 0,1 cm⁻1 nebo méně. Článková konstanta různých zařízení pro měření vodivosti se pohybuje od 0,01 do 100 cm-1

Pro získání vodivosti z naměřené vodivosti se používá následující vzorec:

σ = K ∙ G

kde

σ je vodivost roztoku v S/cm,

K je buněčná konstanta v cm⁻¹,

G je vodivost buňky v siemens.

Článková konstanta se obvykle nevypočítává, ale měří se pro konkrétní měřicí zařízení nebo sestavu pomocí roztoku o známé vodivosti. Tato naměřená hodnota se zadá do měřiče, který automaticky vypočítá vodivost z naměřené vodivosti nebo odporu. Protože vodivost závisí na teplotě roztoku, obsahují přístroje pro měření vodivosti často teplotní čidlo, které umožňuje měření teploty a poskytuje automatickou teplotní kompenzaci (ATC) na standardní teplotu 25°C.

Nejjednodušší metodou měření vodivosti je přivedení napětí na dvě ploché elektrody ponořené do roztoku a měření výsledného proudu. Toto se nazývá potenciometrická metoda. Podle Ohmova zákona je vodivost G poměr proudu I k napětí V :

G = I/V

Věci však nejsou tak jednoduché, jak se zdají. Obtíží je mnoho. Při použití stejnosměrného napětí se v blízkosti povrchů elektrod mohou hromadit ionty a na površích může docházet k chemickým reakcím. To povede ke zvýšení polarizačního odporu na površích elektrod, což zase může vést k chybným výsledkům. Pokud se pokusíme změřit odpor např. roztoku chloridu sodného pomocí multimetru, jasně uvidíme, že údaj na displeji se poměrně rychle zvyšuje. Ke zmírnění tohoto problému se často používají čtyři elektrody místo dvou.

Polarizaci elektrod lze zabránit nebo ji omezit aplikací střídavého proudu a úpravou měřicí frekvence. Nízké frekvence se používají k měření nízké vodivosti, kde je polarizační odpor poměrně malý. Vyšší frekvence se používají k měření vysokých hodnot vodivosti. Frekvence se obvykle automaticky upravuje s ohledem na naměřenou vodivost roztoku. Moderní digitální 2-elektrodové měřiče vodivosti obvykle používají složité průběhy střídavého proudu a teplotní kompenzaci. Jsou kalibrovány v továrně a často je nutná rekalibrace v terénu kvůli neustálým změnám článku s časem. Může být změněn kontaminací nebo fyzikálně-chemickou úpravou elektrod.

V tradičním 2-elektrodovém měřiči vodivosti se mezi dvě elektrody přivádí střídavé napětí a měří se výsledný proud. Tento měřič, i když je jednoduchý, má jednu nevýhodu — měří nejen odpor roztoku, ale také odpor způsobený polarizací elektrod. Pro minimalizaci vlivu polarizace se často používají 4-elektrodové články, stejně jako platinované články pokryté platinovou černí.

Zařízení pro měření elektrické vodivosti se často používají k měření celkových rozpuštěných pevných látek (TDS) . Je to míra celkové hmotnosti všech organických a anorganických látek obsažených v kapalině v různých formách: ionizované, molekulární (rozpuštěné), koloidní a suspendované (nerozpuštěné). Rozpuštěné pevné látky označují jakékoli anorganické soli, většinou vápník, draslík, hořčík, sodík, chloridy, hydrogenuhličitany a sírany a některé organické látky rozpuštěné ve vodě. Pevné látky obsažené v kapalině, která je uvažována pro TDS, musí být buď rozpuštěné, nebo ve formě velmi malých částic, které zůstanou roztokem po filtraci přes filtr s velmi malými póry (2 mikrometry nebo méně). Látky, které jsou trvale suspendovány v roztoku, ale nemohou projít filtrem, se nazývají celkové suspendované pevné látky nebo TSS . Celkové rozpuštěné pevné látky se obvykle měří ve vodě, aby se určila její kvalita.

Druhá metoda není tak přesná jako gravimetrická analýza. Vodivostní metoda je však nejpohodlnější, nejužitečnější, nejrozšířenější a nejrychlejší metoda, protože jde o jednoduché měření vodivosti a teploty, které lze provést během několika sekund pomocí levného zařízení. Tuto metodu lze použít, protože elektrická vodivost vody přímo souvisí s koncentrací ionizovaných látek rozpuštěných ve vodě. Je zvláště užitečný pro účely kontroly kvality, jako je kontrola pitné vody nebo odhad celkového počtu iontů v roztoku.

Měření vodivosti je závislé na teplotě, to znamená, že pokud se teplota zvýší, zvýší se také vodivost, protože ionty v roztoku se pohybují rychleji. Pro získání teplotně nezávislých měření byl zaveden koncept referenční teploty. Umožňuje porovnání výsledků vodivosti získaných při různých teplotách. Měřič vodivosti tak může měřit skutečnou vodivost a teplotu a poté pomocí funkce korekce teploty automaticky převést naměřenou hodnotu na referenční teplotu 20 nebo 25 °С. Pokud je nutná velmi vysoká přesnost, lze vzorek vložit do termostatu a poté bude měřidlo zkalibrováno na přesně stejnou teplotu, která se používá pro měření.

Většina moderních měřičů vodivosti obsahuje vestavěný snímač teploty, který lze použít pro korekci teploty i pro měření teploty. Nejsofistikovanější měřiče mohou měřit a zobrazovat vodivost, měrný odpor, salinitu, TDS a koncentraci. Všechny však měří pouze vodivost a teplotu a následně vypočítají potřebnou fyzikální hodnotu a provedou teplotní kompenzaci.

Experiment: Měření TDS a vodivosti

Provedeme několik experimentů s použitím levného TDS metru. Je třeba poznamenat, že dvě skutečné fyzikální hodnoty, které toto zařízení měří, jsou odpor roztoku mezi dvěma elektrodami a teplota roztoku.

Měřič TDS vám pomůže zjistit celkové množství rozpuštěných pevných látek v jakékoli aplikaci, jako je sledování kvality pitné vody nebo testování hladiny soli ve sladkovodních akváriích a jezírkách nebo testování systému filtrace a čištění vody, abyste věděli, kdy je třeba vyměnit filtry a membrány. Měřidlo je kalibrováno pomocí 342 ppm roztoku chloridu sodného NaCl. Jeho rozsah je 0–9990 ppm nebo mg/l. PPM je částí na milion. Je to bezrozměrná veličina. Například hmotnostní koncentrace 5 mg/kg = 5 mg v 1 000 000 mg = 5 dílů na milion. Stejně jako procento znamená ze sta, jednotky na milion znamenají z milionu. Proto je PPM způsob měření koncentrace velmi zředěných roztoků.

Měřič skutečně měří vodivost mezi dvěma elektrodami (což je převrácená hodnota odporu), poté výsledek přepočítá na elektrickou vodivost (často zkráceně EC) pomocí výše uvedeného vzorce a známé konstanty článku K, poté provede další přepočet, vynásobením vodivosti přepočítacím faktorem 500. Výsledek těchto výpočtů je zobrazen ve formě TDS v ppm. Tyto výpočty probereme níže.

TDS metr nelze použít k testování vody s vysokou koncentrací solí. Příkladem látek s vysokou koncentrací solí jsou některé potravinářské produkty a mořská voda.

Maximální koncentrace NaCl, kterou může zařízení změřit, je 9990 ppm nebo přibližně 10 g/l. To je pouze normální koncentrace soli v mnoha potravinářských výrobcích. Tento měřič také nebude schopen kontrolovat slanost mořské vody, která je přibližně 35 gramů na litr nebo 35 000 ppm, což je mnohem více, než dokáže toto zařízení změřit. Pokud se pokusíte změřit TDS takto koncentrovaného elektrolytu, měřič ukáže Err.

TDS měří vodivost a pro kalibraci používá stupnici 500 (NaCl). To znamená 1,0 mS/cm x 500 = 500 ppm. V mnoha odvětvích existuje mnoho různých měřítek. Například v hydroponii se obvykle používají tři stupnice: stupnice 500, 640 a 700. Rozdíl mezi nimi je v jejich použití. Stupnice 700 je založena na měření koncentrace chloridu draselného KCl v roztoku:

1,0 mS/cm x 700 činí 700 ppm

Stupnice 640 používá konverzní faktor 640 pro převod z mS/cm na ppm:

1,0 mS/cm x 640 činí 640 ppm

Pro náš experiment nejprve změříme celkové množství rozpuštěných pevných látek v destilované vodě. Měřič ukazuje 0 ppm a multimetr ukazuje 1,21 MΩ.

Připravíme si 1000 ppm roztok NaCl a změříme jeho ppm metrem. K přípravě 100 ml roztoku budeme potřebovat 100 mg chloridu sodného a až 100 ml destilované vody. Pro přípravu roztoku dáme chlorid sodný do odměrného válce, přidáme trochu destilované vody a mícháme, dokud se veškerý chlorid sodný nerozpustí. Poté přidejte destilovanou vodu po značku 100 ml a znovu dobře promíchejte.

TDS-3 měří 955 ppm. Vodivost tohoto roztoku by měla být 1000 ppm / 500 = 2 mS/cm (NaCl nebo stupnice 500).

Pro experimentální stanovení vodivosti jsme připravili dvě elektrody vyrobené ze stejného materiálu, s velikostí a vzdáleností mezi nimi přesně jako v TDS. Poté jsme změřili odpor mezi elektrodami. Naměřený odpor byl 2,5 kΩ.

Nyní, když známe odpor a ppm, můžeme přibližně vypočítat buněčnou konstantu TDS-3 pomocí výše uvedeného vzorce:

K = σ/G = 2 mS/cm x 2,5 kΩ = 5 cm⁻¹

• D = 0,5 cm je vzdálenost mezi elektrodami
• W = 0,14 cm je šířka elektrody
• L = 1,1 cm je délka elektrody

Buněčná konstanta článku TDS-3 je K = D/A = 0,5/0,14 x 1,1 = 3,25 cm-1. To je o něco méně než hodnota 5 cm⁻¹. Všimněte si, že vzorec pro výpočet buněčné konstanty může poskytnout pouze přibližnou hodnotu.

Tento článek napsal Anatolij Zolotkov