電導(dǎo)儀是指以電化學(xué)測(cè)量方法測(cè)定電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)的儀器。在實(shí)驗(yàn)室中更是常見(jiàn)且不可或缺的儀器,所以,了解電導(dǎo)率儀的測(cè)定原理,熟悉電導(dǎo)率的含義,掌握電導(dǎo)率儀的測(cè)定方法可以使我們更好的實(shí)驗(yàn)。
溶解于水的酸、堿、鹽電解質(zhì),在溶液中解離成正、負(fù)離子,使電解質(zhì)溶液具有導(dǎo)電能力,其導(dǎo)電能力大小可用電導(dǎo)率表示。了解電導(dǎo)率儀的測(cè)定原理,熟悉電導(dǎo)率的含義,掌握電導(dǎo)率儀的測(cè)定方法,測(cè)定過(guò)程中嚴(yán)格遵守操作規(guī)范并做好數(shù)據(jù)記錄。
一、什么是電導(dǎo)率?
電導(dǎo)率-物理學(xué)概念,也稱為導(dǎo)電率。在介質(zhì)中,電導(dǎo)率與電場(chǎng)強(qiáng)度E之積等于傳導(dǎo)電流密度J。對(duì)于各向同性介質(zhì),電導(dǎo)率是標(biāo)量;對(duì)于各向異性介質(zhì),電導(dǎo)率是張量。生態(tài)學(xué)中,電導(dǎo)率是以數(shù)字表示的溶液傳導(dǎo)電流的能力。單位以西門(mén)子每米(S/m)表示。
電導(dǎo)率(conductivity)是用來(lái)描述物質(zhì)中電荷流動(dòng)難易程度的參數(shù)。在公式中,電導(dǎo)率用希臘字母κ來(lái)表示。電導(dǎo)率σ的標(biāo)準(zhǔn)單位是西門(mén)子/米(簡(jiǎn)寫(xiě)做S/m),為電阻率ρ的倒數(shù),即:σ=1/ρ。
當(dāng)1安培(1 A)電流通過(guò)物體的橫截面并存在1伏特(1 V)電壓時(shí),物體的電導(dǎo)就是1 S。西門(mén)子實(shí)際上等效于1安培/伏特。如果σ是電導(dǎo)(單位西門(mén)子),I是電流(單位安培),E是電壓(單位伏特),則:σ = I/E
通常,當(dāng)電壓保持不變時(shí),這種直流電電路中的電流與電導(dǎo)成比例關(guān)系。如果電導(dǎo)加倍,則電流也加倍;如果電導(dǎo)減少到它初始值的1/10,電流也會(huì)變?yōu)樵瓉?lái)的1/10。這個(gè)規(guī)則也適用于許多低頻率的交流電系統(tǒng),如家庭電路。在一些交流電電路中,尤其是在高頻電路中,情況就變得非常復(fù)雜,因?yàn)檫@些系統(tǒng)中的組件會(huì)存儲(chǔ)和釋放能量。
電導(dǎo)和電阻也有關(guān)系,如果R是一個(gè)組件和設(shè)備的電阻(單位歐姆Ω),電導(dǎo)為G(單位西門(mén)子S),則:G = 1/R
物質(zhì)的電導(dǎo)率因其結(jié)構(gòu)和電導(dǎo)機(jī)制的不同,可以相差達(dá)幾十個(gè)數(shù)量級(jí)(見(jiàn)表),故物質(zhì)之為導(dǎo)體或非導(dǎo)體只是相對(duì)的概念。
體積電導(dǎo)率:性質(zhì):又稱比體積電阻。邊長(zhǎng)為1cm的立方體的體積電阻,以表示。表征絕緣介質(zhì)電性能的主要指標(biāo)。它與材料結(jié)構(gòu)、組成、雜質(zhì)含量、環(huán)境溫度和濕度等有關(guān)。對(duì)陶瓷介質(zhì)材料希望其數(shù)值越高越好。表達(dá)式為體積電阻率ρν=RV·(S/L)(式中,RV為測(cè)得的試樣電阻值;S為電極面積;L為試樣厚度),單位為Ω·cm。電導(dǎo)率是物體傳導(dǎo)電流的能力。
電導(dǎo)率的測(cè)量通常是溶液的電導(dǎo)率測(cè)量。固體導(dǎo)體的電阻率可以通過(guò)歐姆定律和電阻定律測(cè)量。電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率的測(cè)量一般采用交流信號(hào)作用于電導(dǎo)池的兩電極板,由測(cè)量到的電導(dǎo)池常數(shù)K和兩電極板之間的電導(dǎo)G而求得電導(dǎo)率σ。電導(dǎo)率測(cè)量中最早采用的是交流電橋法,它直接測(cè)量到的是電導(dǎo)值。最常用的儀器設(shè)置有常數(shù)調(diào)節(jié)器、溫度系數(shù)調(diào)節(jié)器和自動(dòng)溫度補(bǔ)償器,在一次儀表部分由電導(dǎo)池和溫度傳感器組成,可以直接測(cè)量電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率。
二、電導(dǎo)率儀的測(cè)定原理
電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x的測(cè)量原理是將兩塊平行的極板,放到被測(cè)溶液中,在極板的兩端加上一定的電勢(shì)(通常為正弦波電壓),然后測(cè)量極板間流過(guò)的電流。根據(jù)歐姆定律,電導(dǎo)率(G)一電阻(R)的倒數(shù),由導(dǎo)體本身決定的(圖1)。
圖1 工作原理
電導(dǎo)率的基本單位是西門(mén)子(S),原來(lái)被稱為歐姆。因?yàn)殡妼?dǎo)池的幾何形狀影響電導(dǎo)率值,標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量中用單位電導(dǎo)率S/cm來(lái)表示,以補(bǔ)償各種電極尺寸造成的差別。單位電導(dǎo)率(C)簡(jiǎn)單地說(shuō)是所測(cè)電導(dǎo)率(G)與電導(dǎo)池常數(shù)(L/A)的乘積。這里的L為兩塊極板之間的液柱長(zhǎng)度,A為極板的面積。
水的電導(dǎo)率與其所含無(wú)機(jī)酸、堿、鹽的量有一定關(guān)系。當(dāng)它們的濃度較低時(shí),電導(dǎo)率隨濃度的增大而增加,因此,該指標(biāo)常用于推測(cè)水中離子的總濃度或含鹽量。不同類(lèi)型的水有不同的電導(dǎo)率。新鮮蒸餾水的電導(dǎo)率為0.2~2μs/cm,但放置一段時(shí)間后,因吸收了CO2,增加到2~4μs/cm;超純水的電導(dǎo)率小于0.1μs/cm;天然水的電導(dǎo)率多在50~500μs/cm之間,礦化水可達(dá)500~1,000μs/cm;含酸、堿、鹽的工業(yè)廢水電導(dǎo)率往往超10,000μs/cm;海水的電導(dǎo)率約為30,000μs/cm。
三、氯化鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液的制備
1mol/L氯化鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液:準(zhǔn)確稱取在105℃干燥2h的優(yōu)級(jí)純氯化鉀(或基準(zhǔn)試劑)74.5515g,用新制備的二級(jí)試劑水(20±2℃)溶解后移入1000mL容量瓶中,并稀釋至刻度,混勻。
0.1mol/L氯化鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液:準(zhǔn)確稱取在105℃干燥2h的優(yōu)級(jí)純氯化鉀(或基準(zhǔn)試劑)7.4552g,用新制備的二級(jí)試劑水(20±2℃)溶解后移入1000mL容量瓶中,并稀釋至刻度,混勻。
0.01mol/L氯化鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液:準(zhǔn)確稱取在105℃干燥2h的優(yōu)級(jí)純氯化鉀(或基準(zhǔn)試劑)0.7455g,用新制備的二級(jí)試劑水(20±2℃)溶解后移入1000mL容量瓶中,并稀釋至刻度,混勻。
0.001mol/L氯化鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液:于使用前準(zhǔn)確吸取0.01mol/L氯化鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液100mL,移入1,000mL容量瓶中,用新制備的二級(jí)試劑水(20±2℃)稀釋至刻度,混勻。以上氯化鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液,應(yīng)放在聚乙烯塑料瓶或硬質(zhì)玻璃瓶中,密封保存。這些氯化鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液在不同溫度下的電導(dǎo)率見(jiàn)表1。
溶液濃度, mol/L | 溫度, ℃ | 電導(dǎo)率, μs/cm |
1 | 0 | 65,176 |
18 | 97,838 | |
25 | 111,342 | |
0.1 | 0 | 7,138 |
18 | 11,167 | |
25 | 12,856 | |
0.01 | 0 | 773.6 |
18 | 1,220.5 | |
25 | 1,408.8 | |
0.001 | 25 | 146.93 |
0.0001 | 25 | 14.89 |
0.00001 | 25 | 1.4985 |
0.000001 | 25 | 0.14985 |
表1 氯化鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液的電導(dǎo)率
四、電導(dǎo)率儀的操作
1、電導(dǎo)池常數(shù)的測(cè)定
水樣的電導(dǎo)率大小不同,應(yīng)使用電導(dǎo)池常數(shù)不同的電極。不同電導(dǎo)率的水樣可參照表2 選用不同電導(dǎo)池常數(shù)的電極。
電導(dǎo)池常數(shù) cm-1 | 電導(dǎo)率 μs/cm |
< 0.1 | 3-100 |
0.1-1.0 | 100-200 |
> 1.0-10 | > 200 |
表2 電導(dǎo)池常數(shù)
將選擇好的電極用II級(jí)試劑水洗凈,再用II級(jí)試劑水沖洗2~3次,浸泡在I級(jí)試劑水中備用。
2、取50~100mL水樣(溫度25℃±5℃),放入塑料杯或硬質(zhì)玻璃杯中,將電極用被測(cè)水樣沖洗2~3次后,插入水樣中進(jìn)行電導(dǎo)率測(cè)定。重復(fù)取樣測(cè)定2~3次,測(cè)定結(jié)果讀數(shù)相對(duì)誤差均在±3%以內(nèi),即為所測(cè)的電導(dǎo)率值,同時(shí)記錄水樣溫度。
3、對(duì)未知電導(dǎo)池常數(shù)的電極(或需要校正電導(dǎo)池常數(shù)時(shí)),可用該電極測(cè)定已知電導(dǎo)率的氯化鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液(25℃±5℃)的電導(dǎo)(表1)。然后按所測(cè)結(jié)果算出該電極的電導(dǎo)池常數(shù)。為了減少誤差,應(yīng)當(dāng)選用電導(dǎo)率與待測(cè)水樣相近的氯化鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行標(biāo)定。電極的電導(dǎo)池常數(shù)按下式計(jì)算:
K = G1/G2
式中K—電極的電導(dǎo)池常數(shù),cm-1;
G1—氯化鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液的電導(dǎo)率,μs/cm;
G2—用未知電導(dǎo)池常數(shù)的電極測(cè)定氯化鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液的電導(dǎo)率,us/cm。
五、結(jié)果計(jì)算
使用溫度傳感器時(shí),顯示器的度數(shù)即為待測(cè)溶液25℃時(shí)的電導(dǎo)率。
未使用溫度傳感器時(shí),水樣在非25℃時(shí)的電導(dǎo)率測(cè)定值應(yīng)該按下式換算為25℃時(shí)的電導(dǎo)率值。
Ks = Kt/1+a(t-25)
式中Ks—25℃電導(dǎo)率,μs/cm;
Kt—測(cè)定時(shí)t溫度下電導(dǎo)率;
a—溫度矯正系數(shù),取0.022;
t—測(cè)定時(shí)溫度,℃。
六、電導(dǎo)率儀使用時(shí)的注意事項(xiàng)
1、在測(cè)量純水或超純水時(shí)為了避免測(cè)量值的漂移現(xiàn)象,建議采用密封槽進(jìn)行在密封狀態(tài)下的流動(dòng)測(cè)量,如采用燒杯取樣測(cè)量則會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。
2、電極插頭座應(yīng)絕對(duì)防止受潮,儀表應(yīng)安置于干燥環(huán)境,避免因?yàn)樗螢R射或受潮引起儀表的漏電或測(cè)量誤差。
3、電極應(yīng)該定期進(jìn)行常數(shù)標(biāo)定。
4、因溫度補(bǔ)償系采用固定的2%的溫度系數(shù)補(bǔ)償?shù)模詫?duì)高純水的測(cè)量盡量采用不補(bǔ)償方式進(jìn)行測(cè)量后查表。
5、測(cè)量電極是精密部件,不可以分解,不可以改變電極形狀和尺寸,且不可以用強(qiáng)酸、堿清洗,以免改變電極常數(shù)而影響儀表測(cè)量的準(zhǔn)確性。
6、為確保測(cè)量的精度,電極使用前應(yīng)用小于0.5μs/cm的蒸餾水(或去離子水)沖洗二次(鉑黑電極干放一段時(shí)間后在使用前必須在蒸餾水中浸泡一會(huì)兒),然后用被測(cè)試樣沖洗三次后方可測(cè)量。