Измерение электропроводности растворов, калибровка кондуктометра

Электропроводность – это способность вещества проводить электрический ток. В аналитической химии чаще всего говорят об электропроводности растворов, то есть его способности проводить электрический ток. Относительная дешевизна, надежность и быстрый отклик приборов для измерения электропроводности сделали их популярным аналитическим инструментом, который есть практически в каждой лаборатории.

k = f(c * z * λ)

Электрическая проводимость раствора характеризует суммарное содержание всех ионов, а также некоторых органических соединений. Именно поэтому она является важным параметром при контроле разных типов вод (вода для лабораторного анализа, питьевая, технологическая).

Чистые растворители практически не проводят электрический ток, и их электрическая проводимость стремится к нулю. Заряд в растворе переносят ионы или вещества с сильнополярными связями. При растворении твердых полярных веществ в воде происходит электролитическая диссоциация, то есть распад молекул на катионы и анионы. По степени распада на ионы различают сильные и слабые электролиты. Сильные электролиты диссоциируют полностью с образованием ионов. Слабые электролиты диссоциируют частично с образованием ионов и сохранением не ионной молекулы. Способностью проводить ток обладают только ионы, недиссоциированные молекулы не участвуют в электрической проводимости. Вклад иона в проводимость раствора можно описать функцией от его концентрации, заряда и подвижности иона.

Кажется, что очищенная вода, из которой удалены все органические и неорганические примеси, а также растворенные газы должна иметь нулевую электропроводность. На самом деле это не так.Электропроводность очищенной воды первого типа при температуре 25℃ составляет 0,055 µСм/см. Такое значение обусловлено самоионизацией воды. В результате самоионизации в воде образуется гидроксил ион и ион гидроксония. Содержание этих ионов в очищенной воде первого типа составляет 2 ppb, то есть два иона на миллиард молекул H₂O.

Электропроводность - это величина обратно пропорциональная сопротивлению. Согласно закону Ома, сопротивление рассчитывается как отношение силы тока к напряжению. Таким образом, измерив силу тока и зная напряжение, можно рассчитать электропроводность. Для её измерения используют специальные приборы - кондуктометры. Кондуктометры измеряют силу тока, проходящую между электродами через раствор при известном напряжении. Различные производители, исследователи и инженеры разрабатывают и используют электроды различной геометрической формы и конфигурации. Чтобы полученные на разных приборах значения можно было сравнивать между собой, прибор автоматически преобразует измеренную фактическую электропроводность в удельную электропроводность. Удельная электропроводность раствора – это электропроводность слоя раствора длинной 1 см между электродами площадью 1 см².

Если на электроды подать постоянный ток, то на положительно заряженном электроде (аноде) будут накапливаться анионы, а на отрицательно заряженном электроде (катоде) будут накапливаться катионы. Такое накопление ионов у электрода приведет к их электролизу и изменению состава анализируемой жидкости, как следствие изменится и электропроводность. Для предотвращения нежелательных реакций на поверхностях электродов, на них подается переменный ток. Под действием переменного тока ионы не движутся в одном направлении, они колеблются в такт частоты приложенного тока. Современные кондуктометры настраивают частоту переменного тока автоматически.

Чувствительный элемент кондуктометра - кондуктометрический датчик представляет с собой два электрода (иногда четыре), на которые подаёте напряжение, а измерительный прибор (кондуктометр) измеряет силу тока и рассчитывает удельную электропроводность.

Электропроводность растворов сильно зависит от температуры. С увеличением температуры жидкости, уменьшается его вязкость и как следствие увеличиваться подвижность ионов. Подвижные ионы активнее передают заряд, увеличивая электрическую проводимость жидкости. Поэтому при измерении электропроводности растворов необходимо указывать температуру выполнения измерений.

Наглядно зависимость удельной электропроводности раствора от температуры иллюстрирует таблица температурной зависимости калибровочного стандарта 0,01М KCl. При увеличении температуры стандартного раствора на 20 градусов, его электрическая проводимость возрастает на 50%.

Современные кондуктометры имеют функцию термокомпенсации, то есть приведения измеренной удельной электропроводности раствора к стандартной температуре (обычно 25 ℃), этот пересчет осуществляется по встроенным зависимостям использованных калибровочных стандартов. Распространять такую температурную зависимость калибровочного раствора на любой измеряемый образец не всегда уместно. Ведь каждый конкретный образец имеет свой состав и как следствие свою зависимость электропроводности от температуры. Поэтому при анализе образцов, где необходима высокая достоверность результатов анализируемый образец доводят до температуры 25℃ охлаждая или нагревая в водяном термостате, а затем проводят измерение.

Маленькие пузырьки воздуха, налипшие на поверхность электрода, увеличивают сопротивление в слое между электродами а, следовательно, уменьшают измеренную электропроводность. Нестабильный сигнал на дисплее кондуктометра может указывать на наличие пузырька воздуха. Перед каждым измерением необходимо убедиться в отсутствии пузырьков воздуха в измерительном датчике, а при их наличии удалить пузырьки аккуратным постукиванием по датчику или опусканием и подниманием датчика. Пузырьки воздуха образуются в водных растворах при увеличении температуры, это связано с уменьшением растворимости газов в воде с ростом температуры.

Углекислый газ – единственный компонент воздуха, который может оказать влияние на измеряемую электропроводность. При гидролизе углекислого газа образуется угольная кислота, которая в свою очередь диссоциирует в две стадии с образованием ионов H⁺, CO₃^2-, HCO₃^-. Лишь 0,2% углекислого газа, растворенного в воде, подвергаются гидролизу с образованием угольной кислоты. В образцах с высокой электропроводностью этим влиянием углекислого газа можно пренебречь. При определении электропроводности растворов менее 10 µСм/см углекислый газ из воздуха может оказывать существенное воздействие. Поэтому для получения достоверных результатов важно предотвратить контакт воздуха с образцом. Этого добиваются использованием проточных кондуктометрических ячеек или инертных газов защищающих поверхность образца.

Загрязнение поверхности электрода. При анализе образцов содержащих взвешенные и нерастворимые вещества, особое внимание следует уделять очистке датчика после выполнения измерений. Твердые вещества образуют слой на электродах датчика, этот слой повышает их сопротивление и приводит к неверным результатам измерения.

Каждый кондуктометрический датчик имеет свой калибровочный коэффициент, который зависит от формы электродов, расстояния между ними и их состояния. Этот коэффициент также называют константой кондуктометрической ячейки. При производстве новой кондуктометрической ячейки ей присваивается расчётная (номинальная) константа кондуктометрической ячейки. Перед первым измерением необходимо выполнить калибровку кондуктометра, кондуктометр запишет действительную константу ячейки в память и автоматически будет использовать её при дальнейшем расчете удельной электропроводности.

Для удобства лабораторий многие производители выпускают свои стандарты для калибровки кондуктометров 10, 84, 100, 1413, 12880 µСм/см. Также пользователь может приготовить калибровочные стандарты самостоятельно. Практически все калибровочные стандарты с электропроводностью более 70 µСм/см представляют собой водные растворы хлорида калия.

Константа ячейки изменяется со временем, на нее влияют загрязнения и отложения, химические и физические изменения электродов ячейки. Периодически необходимо проводить калибровку датчика электропроводности и отслеживать отклонение полученной константы ячейки от номинальной.

• Тщательно промойте кондуктометрический датчик и емкость, для калибровочного стандарта, деионизированной водой, чтобы удалить все загрязнения, а затем стряхните оставшиеся капли.
• Промойте датчик и емкость небольшим количеством калибровочного стандарта, слейте его и стряхните оставшиеся капли.
• Залейте в емкость свежий стандартный раствор и погрузите в него датчик.
• Удалите все пузырьки воздуха перемешиванием стандарта или постукиванием по датчику.
• Выполните калибровку кондуктометра в соответствии с руководством по эксплуатации. Кондуктометр автоматически рассчитывает новую константу кондуктометрической ячейки.
• Вылейте все использованные стандарты. Никогда не сливайте калибровочные стандарты обратно в оригинальный флакон.

Кондуктометрический датчик не требуют большого технического обслуживания, однако есть несколько моментов, на которые следует обращать внимание. Наиболее важным моментом является обеспечение чистоты ячейки. Датчик следует промывать деионизированной водой после каждого измерения. Если датчик находился в несмешивающемся с водой образце, его необходимо очистить с использованием смешивающегося с водой растворителя, например, этанола или ацетона, а затем тщательно промыть деионизированной водой. Если внутри измерительной ячейки накапливаются твердые вещества, осторожно удалите их ватной палочкой, смоченной в моющем средстве, а затем промойте датчик деионизированной водой.

Очищенные датчики должны храниться следующим образом:
• Кратковременное хранение (< 1 суток): в сухом месте или в деионизированной воде.
• Длительное хранение (> 1 суток): в сухом месте.

Вы можете воспользоваться нашими услугами по техническому обслуживанию лабораторного оборудования.
Расходные материалы вы можете найти в разделе: Расходные материалы.

Вам также может быть интересно: