Что означает термин удельная электрическая проводимость

Удельная проводимость

Уде́льная проводи́мость (уде́льная электропрово́дность) — мера способности вещества проводить электрический ток. (Точнее следует говорить об электропроводности среды, т.к. не имеется в виду обязательно химически чистое вещество; эта величина различна для разных веществ или смесей, сплавов и т.п.). В линейном изотропном веществе плотность возникающего тока прямо пропорциональна электрическому полю (см. Закон Ома) Удельной проводимостью называют величину, обратную удельному сопротивлению.

$\vec J = \sigma \, \vec E,$

σ — удельная проводимость,
$\vec J$ — вектор плотности тока,
$\vec E$ — вектор напряжённости электрического поля.

В неоднородной среде σ может зависеть (и в общем случае зависит) от координат, т.е. не совпадает в различных точках проводника.

В анизотропных средах формула остаётся той же, но σ является тензором 2 ранга, и векторы плотности тока и напряжённости поля, вообще говоря, не коллинеарны.

Величина, обратная удельной проводимости, называется удельным сопротивлением.

Вообще говоря, линейное соотношение, написанное выше, верно в лучшем случае приближённо, причём приближение это хорошо только для сравнительно малых значений E. Впрочем, и при тех значениях E, когда отклонения от линейности есть, но не слишком велики, удельная электропроводность может сохранять свою роль в качестве коэффициента при линейном члене разложения.

В системе СИ удельная электропроводность измеряется в сименсах на метр (См/м) или в Ом −1 ·м −1 . В СГСЭ единицей удельной электропроводности является обратная секунда (с −1 ).

Удельная проводимость некоторых веществ

Удельной проводимостью называют величину, обратную удельному сопротивлению. (см. удельное сопротивление).

Удельная проводимость при температуре 20 °C:

вещество	См/м
платина	5 800 000
золото	43 470 000
серебро	62 500 000
медь	58 800 000
алюминий	36 000 000
иридий	21 090 000
молибден	18 500 000
вольфрам	18 180 000
цинк	16 940 000
никель	11 500 000
железо чистое	10 000 000
иридий	9 350 000
олово	8 330 000
сталь литая	7 690 000
свинец	4 810 000
нейзильбер	3 030 000
константан	2 000 000
манганин	2 330 000
ртуть	1 040 000
нихром	893 000
графит	125 000
вода морская	3
земля влажная	10 −2
вода дистилл.	10 −4
мрамор	10 −8
Сжиженные углеводородные газы	1.2*10 −10
стекло	10 −11
фарфор	10 −14
кварцевое стекло	10 −16
янтарь	10 −18

Источник данных: Кухлинг Х. Справочник по физике. Пер. с нем., М.: Мир, 1982, стр. 475 (табл. 39); значения удельной проводимости вычислены из удельного сопротивления и округлены до 3 значащих цифр.

Wikimedia Foundation . 2010 .

2.1.2 Удельная электрическая проводимость

Электрическая проводимость – это способность веществ проводить электрический ток под действием внешнего электрического поля. Электрическая проводимость – величина, обратная электрическому сопротивлению L = 1/R.

[См],

где ρ – удельное сопротивление, Ом·м; — удельная электрическая проводимость, См/м (сименс/метр);S – поперечное сечение, м 2 ; l – длина проводника, м) (в электрохимии удельная электрическая проводимость () читается — каппа).

Единица измерения L – сименс (См), 1 См = 1 Ом -1 .

Удельная электрическая проводимость раствора характеризует проводимость объема раствора, заключенного между двумя параллельными электродами, имеющими площадь по 1 м 2 и расположенными на расстоянии 1 м друг от друга. Единица измерения в системе СИ — См·м -1 .

Удельная проводимость раствора электролита определяется количеством ионов, переносящих электричество и скоростью их миграции:

, (2.5)

где α – степень диссоциации электролита; С – молярная концентрация эквивалента, моль/м 3 ; F – число Фарадея, 96485 Кл/моль; — абсолютные скорости движения катиона и аниона (скорости при градиенте потенциала поля, равном 1 В/м); единица измерения скорости — м 2 В -1 с -1 .

Из уравнения (2.5) следует, что зависит от концентрации как для сильных так и для слабых электролитов (рисунок 2.1):

Рисунок 2.1 – Зависимость удельной электрической проводимости от концентрации электролитов в водных растворах

В разбавленных растворах при С → 0 стремится к удельной электропроводности воды, которая составляет около 10 -6 См/м и обусловлена присутствием ионов Н₃О + и ОН — . С ростом концентрации электролита, вначале увеличивается, что отвечает увеличению числа ионов в растворе. Однако, чем больше ионов в растворе сильных электролитов, тем сильнее проявляется ионное взаимодействие, приводящее к уменьшению скорости движения ионов. У слабых электролитов в концентрированных растворах заметно снижается степень диссоциации и, следовательно, количество ионов, переносящих электричество. Поэтому, почти всегда, зависимость удельной электрической проводимости от концентрации электролита проходит через максимум.

2.1.3 Молярная и эквивалентная электрические проводимости

Чтобы выделить эффекты ионного взаимодействия, удельную электрическую проводимость делят на молярную концентрацию (С, моль/м 3 ), и получают молярную электрическую проводимость ; или делят на молярную концентрацию эквивалента и получаютэквивалентную проводимость.

. (2.6)

Единицей измерения является м 2 См/моль. Физический смысл эквивалентной проводимости состоит в следующем: эквивалентная проводимость численно равна электрической проводимости раствора, заключенного между двумя параллельными электродами, расположенными на расстоянии 1 м и имеющими такую площадь, что объем раствора между электродами содержит один моль эквивалента растворенного вещества (в случае молярной электрической проводимости – один моль растворенного вещества). Таким образом, в случае эквивалентной электрической проводимости в этом объеме будет N_А положительных и N_А отрицательных зарядов для раствора любого электролита при условии его полной диссоциации (N_А – число Авогадро). Поэтому, если бы ионы не взаимодействовали друг с другом, то сохранялась бы постоянной при всех концентрациях. В реальных системахзависит от концентрации (рисунок 2.2). При С → 0,→ 1, величинастремится к, отвечающей отсутствию ионного взаимодействия. Из уравнений (2.5 и 2.6) следует:

Произведение называютпредельной эквивалентной электрической проводимостью ионов, или предельной подвижностью ионов:

. (2.9)

Соотношение (2.9) установлено Кольраушем и называется законом независимого движения ионов. Предельная подвижность является специфической величиной для данного вида ионов и зависит только от природы растворителя и температуры. Уравнение для молярной электрической проводимости принимает вид (2.10):

, (2.10)

где — число эквивалентов катионов и анионов, необходимых для образования 1 моль соли.

Пример:

В случае одновалентного электролита, например, HCl, , то есть молярная и эквивалентная электрические проводимости совпадают.

Рисунок 2.2 – Зависимость эквивалентной электропроводности от концентрации для сильных (а) и слабых (б) электролитов

Для растворов слабых электролитов эквивалентная электрическая проводимость остается небольшой вплоть до очень низких концентраций, по достижении которых она резко поднимается до значений, сравнимых с сильных электролитов. Это происходит за счет увеличения степени диссоциации, которая, согласно классической теории электролитической диссоциации, растет с разбавлением и, в пределе, стремится к единице.

Степень диссоциации можно выразить, разделив уравнение (2.7) на (2.8):

С увеличением концентрации растворов сильных электролитов уменьшается, но незначительно. Кольрауш показал, чтотаких растворов при невысоких концентрациях подчиняется уравнению:

, (2.11)

где А – постоянная, зависящая от природы растворителя, температуры и валентного типа электролита.

По теории Дебая – Онзагера снижение эквивалентной электрической проводимости растворов сильных электролитов связано с уменьшением скоростей движения ионов за счет двух эффектов торможения движения ионов, возникающих из-за электростатистического взаимодействия между ионом и его ионной атмосферой. Каждый ион стремится окружить себя ионами противоположного заряда. Облако заряда называют ионной атмосферой, в среднем оно сферически симметрично.

Первый эффект – эффект электрофоретического торможения. При наложении электрического поля ион движется в одну сторону, а его ионная атмосфера – в противоположную. Но с ионной атмосферой за счет гидратации ионов атмосферы увлекается часть растворителя, и центральный ион при движении встречает поток растворителя, движущегося в противоположном направлении, что создает дополнительное вязкостное торможение иона.

Второй эффект – релаксационного торможения. При движении иона во внешнем поле атмосфера должна исчезать позади иона и образовываться впереди него. Оба эти процесса происходят не мгновенно. Поэтому впереди иона количество ионов противоположного знака меньше, чем позади, то есть облако становится несимметричным, центр заряда атмосферы смещается назад, и поскольку заряды иона и атмосферы противоположны, движение иона замедляется. Силы релаксационного и электрофоретического торможения определяются ионной силой раствора, природой растворителя и температурой. Для одного и того же электролита, при прочих постоянных условиях, эти силы возрастают с увеличением концентрации раствора.

УДЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ

УДЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ — физ. величина, равная отношению произведения электрической проводимости (см.) проводника и его длины к площади поперечного сечения; зависит от свойств материала и температуры. У. э. п. — величина σ, обратная удельному электрическому сопротивлению р, т. е. σ= 1/р. В СИ выражается в сименсах на метр (См/м). В зависимости от У. э. п. все тела делят на три группы: проводники (σ>10 6 См/м), полупроводники (10 -8 6 См/м) и диэлектрики (σ -8 См/м).

Большая политехническая энциклопедия. — М.: Мир и образование . Рязанцев В. Д. . 2011 .

УДЕЛЬНАЯ ТЯГА
УДЕЛЬНЫЙ ОБЪЁМ

Смотреть что такое «УДЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ» в других словарях:

удельная электрическая проводимость — (для изотропного вещества) Скалярная величина, характеризующая электропроводность вещества и равная отношению величины плотности тока проводимости к величине напряженности электрического поля. удельная электрическая проводимость; скалярная… … Политехнический терминологический толковый словарь
удельная (электрическая) проводимость — 77 удельная (электрическая) проводимость Величина, характеризующая электропроводность вещества, скалярная для изотропного вещества и тензорная для анизотропного вещества, произведение которой на напряженность электрического поля равно плотности… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Удельная электрическая проводимость — 28. Удельная электрическая проводимость По ГОСТ 19880 74 Источник: ГОСТ 22265 76: Материалы проводниковые. Термины и определения оригинал документа … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
объемная удельная электрическая проводимость — (для изотропного вещества); объекмная удельная проводимость; удельная проводимость; отрасл. электропроводность Скалярная величина, характеризующая электропроводность вещества и равная отношению плотности электрического тока проводимости к… … Политехнический терминологический толковый словарь
УДЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ — величина а, равная отношению плотности тока проводимости в к. л. точке изотропного проводника к напряжённости электрического поля в этой же точке. У. э. п. равна электрич. проводимости прямого цилиндрич. однородного проводника длиной 1 м и… … Большой энциклопедический политехнический словарь
Удельная (электрическая) проводимость — 1. Величина, характеризующая электропроводность вещества, скалярная для изотропного вещества и тензорная для анизотропного вещества, произведение которой на напряженность электрического поля равно плотности электрического тока проводимости… … Телекоммуникационный словарь
Электрическая проводимость некоторых полимеров — Полимер Удельная электрическая проводимость Объемная (20 °С), Ом 1·м 1 Поверхностная (20 °С, относительная влажность 40 60%), Ом 1 Поливинилиденфторид 10 11 10 13 … Химический справочник
Удельная электрическая проводимость растворов KCl в интервале 0-30°С — Концентрация KCl, моль/л х, См/м, при температуре, °С 0 5 10 15 20 25 30 0,01 0,0776 0,0896 0,1020 0,1147 0,1278 0,1413 … Химический справочник
Электрическая проводимость удельная — величина, характеризующая электропроводность вещества, скалярная для изотропного вещества и тензорная для анизотропного вещества, произведение которой на напряженность электрического поля равно плотности электрического тока проводимости. … … Официальная терминология
Электрическая проводимость — Классическая электродинамика … Википедия

Электропроводность воды

Способность электролитов при подаче на них электрического тока становиться проводниками называется электролитической электропроводимостью. Рассмотрим солевые и кислотные электролиты, а также электролиты-основания, относящиеся к водным растворам. Данные вещества отличаются тем, что концентрация образующихся в них анионов (ионов заряженных отрицательно) и катионов (ионов заряженных положительно) вследствие электролитической диссоциации 2 достаточно высока. Растворы-электролиты относятся ко второму роду проводников. Их проводимость в электрическом поле, в отличие от первой группы проводников, обусловлена ионной активностью.

Проводники обладают способностью к сопротивлению (R). По закону Ома эта величина находится в прямой пропорции по отношению к длине проводника ( l ), а к площади (S) его сечения она обратно пропорциональна. Коэффициент пропорциональности – показатель удельного сопротивления (ρ) проводника сантиметровой длины с сечением 1 см 2 :

Электропроводность обозначается См (S) и измеряется в единицах системы СИ – в сименсах (siemens). Получаем следующее выражение: Ом −1 = кг −1 •м −2 •с 3 А 2 .

Различают электропроводность удельную ( K – каппа) и молярную или иначе эквивалентную ( Λ – лямбда) 3 .

Примечание 1: Концентрации приведены в граммах на килограмм раствора.

Примечание 2: Термин «электролитическая диссоциация» обозначает частичный либо полный молекулярный распад на катионы и анионы растворяемого вещества.

Примечание 3: Употребление термина «эквивалентная электропроводность» не рекомендовано. Основание – инструкция, составленная Комиссией союза чистой и прикладной химии. В международной электрохимической номенклатуре IUPAC принят термин «молярная электропроводность».

1. Удельная электропроводность

Ее используют для количественного определения способности электролитных растворов проводить ток. Она обратная удельному сопротивлению – показателю раствора, заполняющего пространство между электродами с площадью в 1 см 2 , помещенными друг от друга на сантиметровом расстоянии:

Эта величина определяется природой электролитного раствора, его температурой и насыщенностью. Удельная электропроводность возрастает с повышением температуры, что является отличительной особенностью таких электролитов в сравнении с проводниками первого рода. Скорость движения ионов возрастает в силу снижения сольватированности ионов и уменьшения вязкости раствора.

Рис.1 наглядно демонстрирует, как изменяется удельная электропроводность в зависимости от концентрированности растворов. За единицу измерения этой величины принят См/м – сименс на метр (1 См/м = 1 Ом-1м-1). Чаще применяется производная величина – мкСм/см.

Удельная электропроводность с подъемом насыщенности сначала возрастает, а достигнув определенного максимума, уменьшается. Нужно отметить, что в отношении сильных электролитов зависимость выражена четко, в отношении же слабых растворов она гораздо слабее. Присутствие на кривых сильных растворов показателей с предельными значениями говорит о том, что скорость ионного движения в разбавленных электролитах от их насыщенности зависит незначительно и вначале возрастает в прямой пропорциональности к количеству ионов. С наращиванием концентрации взаимодействие ионов усиливается, что приводит к уменьшению скорости движения. Участок максимума на кривой слабого электролита обусловлен снижением степени диссоциации, вызванным ростом концентрации. Достигнув определенной насыщенности, концентрация поднимается быстрее, нежели численное содержание ионов в растворе. Чтобы описать влияние ионного взаимодействия и насыщенности электролитов на их электрическую проводимость, пользуются понятием « молярная электропроводность ».

2. Молярная электропроводность

Λ (электропроводность молярная – см. прим. 4) – величина, обратная электролитному сопротивлению для проводника с содержанием вещества 1 моль, который разместили между электродами, установленными друг от друга на сантиметровом расстоянии. Для определения связи молярной электропроводности с молярной концентрированностью раствора (М) и удельной электропроводностью (К) выведено следующее соотношение:

Примечание 4: Удельная электропроводность 1N раствора электролита называется эквивалентной (Λ = 1000 К / N). Концентрация (N) выражается в г-экв/л. Однако инструкция от ИЮПАК термин «эквивалентная электропроводность» употреблять не рекомендует.

Молярная электропроводность в отношении и сильных и слабых электролитов прогрессирует с понижением концентрации (то есть, с падением насыщенности раствора (V = 1/М) его электропроводность повышается). Она достигает предельного показателя Λ 0. Этот максимум носит название молярной электропроводности при бесконечном разведении.

Для электролитов слабых (рис.2) зависимость этой величины от концентрации обуславливается в основном подъемом степени диссоциации, вызванным разбавлением электролитного раствора. В сильных же электролитах со снижением насыщенности ослабляется взаимодействие ионов. Интенсивность их перемещений растет, что и влечет за собой овышение молярной электропроводности раствора.

Исследования Ф. Кольрауша показывают, каким образом каждый из ионов вносит лепту в молярную электропроводность электролитов бесконечно разведенных растворов (предельное разбавление). Он определил, что λ0 (предельная ионная электропроводность) – это сумма молярных электропроводностей, демонстрируемых катионом и анионом, а также вывел формулировку закона независимости ионного движения:

При бесконечном электролитном разбавлении молярная электропроводность равняется сумме катионных и анионных подвижностей в электролитическом растворе:

3. Факторы, определяющие электропроводность раствора

Концентрация солей и температура – основные факторы, определяющие водную электропроводность. Основная минеральная составляющая воды в природе:

Катионы K + , Na + , Mg 2+ , Ca 2+ ;

Присутствуют и другие ионы (Al 3+ , Fe 3+ , Mn 2+ , Fe 2+ , H₂PO₄ — , NO₃ — , HPO₄ 2- ), но их влияние на электропроводность несущественна, ведь обычно их содержание в воде мало. Значения электропроводности позволяют судить об уровне ее минерализации. В природе удельная электропроводность воды составляет 100-2000 мкСм/см при минерализации от 50 до 1000 мг/л (в атмосферных осадках –10–120 мкСм/см при минерализации 3-60 мг/л).

4. Электропроводность. Проведение расчетов

Применив формулы 3 и 4, и имея под рукой показатели ионных электропроводностей ( К), можно произвести расчеты электропроводности ( К и Λ ) в отношении любого раствора:

К = ( К + + К — ) М /1000 (5)

В приведенной здесь таблице 1 можно найти ионные и предельные ионные электропроводности, характерные для часто встречающихся ионов в разбавленных растворах (температура +18°С).

Пример 1: Необходимо произвести вычисления по удельной электропроводности (К). Раствор KCl (хлористый калий) 0,0005 М.

Решение: Диссоциация KCl в водных растворах происходит на ионы К + и Cl — . Воспользовавшись справочником, либо данными, приведенными таблице 6, находим показатели ионных электропроводностей при 18°С в разведенных растворах:

К + — концентрация ионов 0,0005 М (λ = 63.7 Ом -1 • см 2 • моль -1 );

Cl — — концентрация ионов 0,0005 М (λ = 64.4 Ом -1 • см 2 • моль -1 ).

Далее нужно применить формулу (5), из которой: κ = (λ K + λ Cl ) М /1000 = (63.7 + 64.4) • 0.0005/1000 = 6.405 •10 -5 Ом -1 см -1 (См/см) или 64.05 мкСм/см.

Если требуется сделать расчет удельной электропроводности электролитного раствора, в составе которого имеется смесь различных ионов, формула приобретает следующий вид:

k = Σ λ i Мi /1000 (6)

Исчисления, п риведенные выше, верны касательно сильных электролитов. В отношении же слабых растворов придется воспользоваться дополнительными расчетами, связанными с использованием констант диссоциаций и определением насыщенности свободными ионами. Молярная электропроводность, например, раствора 0,001 М уксусной кислоты – Λ = 41 Ом-1•см2•моль-1 (18 °С) [7], однако применив формулу (6) будет выведена величина примерно равная 351.9 Ом -1 •см 2 •моль -1 .

Пример 2: Требуется узнать удельную электропроводность (k) для раствора 0,001 М уксусной кислоты (СН3СООН).

Решение: Диссоциация слабых водных растворов уксусной кислоты происходит на ионы CН₃СОО — и Н + (СН₃СООН ↔ Н + + CН₃СОО — ).

Для кислоты одноосновной — [Н+] = [CН₃СОО-] = х.

Насыщенность диссоциированными молекулами слабой кислоты в сравнении с общей концентрацией слишком низка, и значит, ее можно принять за равную М (М = 0.001моль/л).

КСН₃СООН = х 2 /М, К_{СН3СООН} = 1.8 • 10 -5 [7].

По условию: насыщенность кислоты 0.001 М (0.001 г-экв/л).

Далее необходимо определить концентрацию ионов:

Располагая данными по насыщенности ионами Н + и CН₃СОО — , а также по их электропроводности (λ н+ 0.001 = 311 Ом -1 • см 2 • моль -1 , λ снзсоо- 0.001 ≈ 40.9 Ом -1 • см 2 • моль -1 ), вычисляется удельная электропроводность «k».

k = (311 + 40.9) • 0.001/1000 = 3,52 •10 -4 Ом -1 см -1 (См/см) или 352 мкСм/см.

Уважаемые господа, если у Вас имеется потребность коррекции показателя «Электропроводность» для доведения качества воды до определённых нормативов, сделайте запрос специалистам компании Waterman . Мы предложим Вам оптимальную технологическую схему очистки воды.