Измерение электропроводности растворов
1. Определяемое сопротивление датчика (Zд) является искомым сопротивлением раствора Rр.
Zд~Rр.
Однако, Rр не всегда является истинной величиной сопротивления раствора.
Измеряемое сопротивление датчика:
,
где – истинное сопротивление раствора; – сопротивление движению ионов в двойном электрическом слое, на границе раздела электрод-раствор; Rэ – сопротивление перемещению ионов из двойного слоя на поверхность электрода.
Обычно Rэ<<и Rэ можно не учитывать, а Rдв.эл.сл. соизмеримо с .
Поэтому задача определения электропроводности раствора на постоянном токе состоит в уменьшении влияния Rдв на измеряемую величину Zд, т.е. в уменьшении поляризации электродов. Этого можно добиться путем увеличения плотности тока через раствор: будет быстро происходить взаимодействие ионов из раствора с поверхностью электрода.
Другой недостаток измерения на постоянном токе – изменение концентрации раствора при прохождении электрического тока за счет перемещения ионов к катоду и аноду.
|
|
Преимущество – простота.
На практике этот метод измерения э.п. используют если:
а) влияние поляризации мало;
б) изменением концентрации можно пренебречь.
Измерение электропроводности раствора мостом переменного тока
Этот метод применяется в практике наиболее часто. Преимущество этого метода по сравнению с методом измерения при постоянном токе заключается в том, что возникшая во время каждого полупериода поляризация электродов нейтрализуется следующим полупериодом. При этом также компенсируются и возможные изменения концентрации раствора.
При использовании переменного тока определяется полное сопротивление датчика (Zд), состоящий из активной и реактивной составляющих.
,
где Zр – импеданс раствора (активная и реактивная составляющая); Zэ – импеданс электрода (активная и реактивная составляющая).
Для того, чтобы знать как построить плечи моста переменного тока, надо знать как выглядит полное сопротивление датчика, измеряющего электрическую проводимость раствора. Т.е. следует Zд представить в виде эквивалентной электрической схемы. Такую схему можно показать следующим рисунком:
То есть эквивалентную электрическую схему полного сопротивления измерительной ячейки можно представить в виде трех последовательных полных сопротивлений (электрода, раствора, электрода), каждый из которых состоит из параллельных (одновременно действующих) активных сопротивлений и емкостных сопротивлений:
Rэ; Хэ – активное сопротивление и емкостное сопротивление движению ионов в двойном электрическом слое у поверхности электрода; Rр – искомое активное сопротивление раствора; Хр – емкостное сопротивление двойного слоя.
|
|
Таким образом искомое сопротивление раствора, определяющее его электропроводность Rр, составляет лишь часть общего сопротивления датчика. Поэтому измерение электропроводности раствора может быть достаточно точным, если Zр>>Zэ, тогда Zд=Zр. Т.к. полное сопротивление параллельного соединения R и С может быть выражено уравнением:
, (3)
где R, X – активная и емкостная составляющая полного сопротивления.
Для полного сопротивления электродов справедливо равенство Zэ»Xэ, т.к. Rэ>>Xэ и 1/Rэ+1/Xэ»1/Хэ тогда подставляя значение Zэ=Xэ в уравнение (2), получим
. (4)
Из последнего уравнения следует, что для повышения надежности определения электропроводности раствора электролита необходимо уменьшить величину Хэ.
Величина емкостного сопротивления выражается равенством:
,
где w - частота переменного тока; с – емкость.
Тогда Хэ можно уменьшить путем увеличения w или С. На практике часто повышают и w и С одновременно. Так для получения надежных данных по электропроводности растворов обычно рекомендуется применять переменный ток с частотой от 1000 до 20000 Гц, а в качестве электродов использовать электроды с хорошо развитой поверхностью, что приводит к увеличению числа ионов в двойном электрическом слое, а следовательно и к увеличению емкости двойного слоя (обычно применяют черненую платину).
Добиваясь, таким путем, уменьшения Zэ получают, что Zд»Zр. Т.е. эквивалентную электрическую схему датчика упрощают до вида:
Тогда .
В измерительном мосте переменного тока уравновешиваются не сопротивления а полные сопротивления (Z), а нам надо знать Rp. Для того, чтобы в таком мосте были уравновешены и активные сопротивления, необходимо, чтобы углы сдвига фаз (j) в смежных плечах были бы так же одинаковы. Т.к. R=Z×cos j, то из уравнения 1 получаем R1/cos j1×R3/cos j3= Rp/cos jp1×R4/cos j4 и если j1=jр и j3=j4, то
, (5)
.
Откуда, зная R1, R3, R4 можно найти искомую величину Rр, а по ней и электропроводность раствора G=1/Rp.
Измерительный мост переменного тока при этом выглядит так:
Таким образом, мостом переменного тока измеряют G – электропроводность (или просто электрическую проводимость) раствора электролита.
G – (Ом-1) или (сименс).