电导率 (电解质)

✍ dations ◷ 2025-07-04 08:35:55 #物理化学

电解质的电导率(或比电导)是表征电解质导电能力的物理量,国际单位制中单位为西门子每米(S/m)。

测量电解质的电导率是工业和环境监测中一种测定溶液离子含量的常规方法,并且这一方法快速、低廉和可靠。。比如可用于连续监测水净化系统的实时性能和变换。

很多情况下,电解质电导率与溶液中总溶解固体 (T.D.S.)直接相关。高品质去离子水的电导率约为5.5 μS/m,饮用水电导率处于5-50 mS/m范围内,而海水的电导率约为5 S/m (即海水电导率比去离子水的电导率高100万倍)。

传统上,电导率通过测量两电极之间的溶液的交流电阻来测定。稀溶液满足弗里德里希·科尔劳施(英语:Friedrich Kohlrausch (physicist))发现的电导率对浓度的依赖性和离子可加性,拉斯·昂萨格对科尔劳施的实验定律给出了一个理论解释。

电解质电导率在国际单位制中的单位为S/m,如无注明,溶液温度为25 °C。在工业上,电导率常用单位为μS/cm,106 μS/cm = 103 mS/cm = 1 S/cm,1 μS/cm = 100 μS/m。一些仪器上标注的单位为EC (电导率,electrical conductivity): 1 EC = 1 μS/cm。电导率单位也有用姆欧的 (mho): 1 mho/m = 1 S/m。历史上,西门子被采用之前,姆欧已经使用了数十年,比如真空管测试仪上跨导的单位是毫姆欧。

常用的标准电导池宽度1 cm,与空气达到平衡的纯水的电阻约为106欧姆,即1兆欧。超纯水电阻甚至可达到18兆欧,甚至更高。因此,在过去常以兆欧每厘米做单位,有时简称兆欧。有时电导率以微西门子为单位(略去距离),默认等于μS/cm。

电导率与总溶解固体的转化与样品的化学组成有关,数值一般在0.54至0.96之间。一般情况下,默认溶解固体为氯化钠,1 μS/cm约等价于0.64 mg NaCl每千克水。

国际单位制中,摩尔电导率单位为S m2 mol−1,过去常使用的单位为Ω−1 cm2 mol−1。

电解质溶液的电导率通过测量一定距离下平板或圆柱电极之间的溶液的电阻来测量。采用交流电,以避免发生电解。电阻通过电导率仪(英语:Electrical conductivity meter)测定,交流电频率范围一般选为1–3 kHz。频率对测量结果影响很小,但高频交流电对结果有显著影响,这种现象称为德拜-法尔肯哈根效应。

多种测量仪器可在市场上买到。电导池有两种,一种是经典的由两个平面或圆柱形电极组成的电导池,另一种为感应式电导池。。商业仪器还可以自动控温。常见溶液的电导率可查表。

电阻 与电极间距 成正比,与样品截面积 成反比(注意:上图用 表示面积),即

其中ρ为电阻率。

实践中,电导池用比电阻 ρ* 已知的溶液校准,所以 和 不需要知道。如果校准液的电阻为 *,电导池常数 由下式可得,

比电导κ为比电阻的倒数,

电导率也与温度有关。有时, 与 的比值被称为电导池常数,以 G* 表示,电导率以 表示,于是,比电导可写为:

只含有一种电解质的溶液的比电导与电解质浓度有关。比电导与浓度的比值称为摩尔电导率(英语:molar conductivity),记为 Λm

强电解质在溶液中完全离解。低浓度强电解质溶液的电导率符合科尔劳施定律:

其中, Λ m 0 {\displaystyle \Lambda _{m}^{0}} 是一个经验常数, 为电解质浓度。当溶液足够稀时,即

                              Λ                      m                                0                          >        K                              c                                {\displaystyle \Lambda _{m}^{0}>K{\sqrt {c}}}   和  为只依赖温度、离子价、介电常数、溶剂粘度等已知量的常数。这是拉斯·昂萨格对德拜-休克尔理论的扩展,适用于低浓度溶液。

弱电解质在溶液中不完全离解。弱电解质不存在电导率与浓度成线性关系的稀释极限。浓度越低,分子越接近完全离解,行为越像电解质,但是离解度与浓度的平方根成反比。

典型的弱电解质是弱酸和弱碱。弱电解质的离子浓度小于电解质本身的浓度。对于酸和碱,离子浓度可由酸度系数算得。

对于一元酸,HA,电导率与酸的浓度 符合奥斯特瓦尔德稀释定律

其中a为酸的离解常数。

科尔劳施定律和德拜-休克尔-昂萨格理论都不适用于高浓度电解质溶液。原因在于,随着离子浓度的增大,离子间距减小,离子间相互作用变得显著。溶液中是否会有离子缔合(英语:ion-association)现象还有争议。但是,一般认为阴阳离子间会形成离子对。此种情况下电解质可视为弱电解质处理, 离解系数 由平衡方程给出:

计算中, 不一定非得视为真实的平衡常数,而是用来表示离子缔合,扩大理论和实验的符合范围。也有理论试图将昂萨格理论扩展到高浓度溶液。

电导极小( )是另一个富有争议的问题,有人提出原因是溶液中形成了离子三聚体,有实验支持这个假设。

一般情况下,温度升高,离子迁移率增大,进而溶液电导率增大。为便于比较,参考值一般选在298 K (~25℃),偶尔也有选在 20℃。补偿法测量一般在合适的温度进行测量,然后外推至参考温度(一般选在298 K (~25℃),偶尔也有选在 20℃)。标准补偿一般按照温度升高1度电导率升高 2%来进行。

氘化电解质同位素效应对电导率有显著影响。

电导率是判断溶液中有无导电离子的一个很好的指标,在很多工业领域有广泛应用。比如,电导率可用于检测医院、锅炉、酿酒厂等公共供水系统水质。这种测量不考虑离子类型,有时用于确定总溶解固体含量。需要注意的是,电导率测量判断水质,无法判断出水中的不导电污染物(如多数有机物),因此可能还需要做纯度检测。

电导率测量结合其他方法,可以提高离子类型检测的精度。比如,锅炉技术中,通过检测通过阳离子交换树脂的水的电导率来连续检测锅炉排污(英语:boiler blowdown)水。这是用于检测阳离子过量(一般来自用于水处理的碱化剂)的锅炉水中阴离子杂质的灵敏方法。这一方法有高灵敏度,原因在于H+的迁移率高于其他离子。

电导率仪通常与离子色谱(英语:ion chromatography)仪一起使用。

相关

  • 加尔达湖加尔达湖(意大利语:Lago di Garda)是意大利面积最大的湖泊,位于该国北部,约在威尼斯和米兰的半途之间,座落于阿尔卑斯山南麓,在上一次冰河时期结束时因为冰川融化而形成。现在的加
  • 三对角在线性代数中,一个三对角矩阵是矩阵的一种,它“几乎”是一个对角矩阵。准确来说:一个三对角矩阵的非零系数在主对角线上,或比主对角线低一行的对角线上,或比主对角线高一行的对角
  • 千年王国千禧年主义或千福年主义(英语:millennialism 或 chiliasm)的概念来自于“千年”,即是指长度为一千年的时间循环。千禧年主义是某些基督教教派正式的或民间的信仰,这种信仰相信将
  • 大堡礁坐标:18°21′04.58″S 146°47′58.81″E / 18.3512722°S 146.7996694°E / -18.3512722; 146.7996694大堡礁(英语:Great Barrier Reef),是世界最大最长的珊瑚礁群,位于南太平洋
  • 旁遮普人旁遮普人(旁遮普语:ਪੰਜਾਬੀ ਲੋਕ ,西旁遮普语:پنجابی لوک),南亚民族之一,主要分布于巴基斯坦的旁遮普省,印度的旁遮普邦、哈里亚纳邦、拉贾斯坦邦、北方邦与克什米
  • 陈财富陈财富(罗马拼音:?,1958年7月4日-2011年6月7日),印尼语名:Hadibowo Susanto,印尼前男子羽毛球运动员。陈财富专攻男子双打,1984年曾与经验丰富的双打大师纪明发搭配,赢得印尼公开赛与泰
  • 中国铁路22C型客车中国铁路22C型客车,是中国铁路22型客车的衍生版本,生产数量不多。车体结构材料使用耐候钢,车内使用40瓦日光灯的照明灯具。在同系车窗之间中间外墙,22/22B型有加强筋,22C无压筋。
  • 库尔特·舒施尼格库尔特·舒施尼格(Kurt Schuschnigg,1897年12月14日-1977年11月18日),原名库尔特·冯·舒施尼格(Kurt von Schuschnigg),是一名奥地利政治家,在1934年接替被刺杀的恩格尔伯特·陶尔斐
  • 路皇后路皇后(?-?),南朝宋前废帝刘子业的皇后。其父路道庆是刘子业的祖母——皇太后路惠男的弟弟。464年,孝武帝刘骏去世,十六岁的太子刘子业嗣位。时刘子业正妻何令婉已死,刘子业宠爱上刘
  • 刘天关线刘天关线,是中国第一条330千伏超高压输电线路。途径刘家峡、天水、关中,全长533千米,经过14个县(市),交叉跨越重要通信线13次,35~110千伏电力线7次,铁路干线2次,主要河流6次。线路筹建