Изучение электропроводности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Электропроводность - это численное выражение способности водного раствора проводить электрический ток. Электрическая проводимость природной воды зависит в основном от концентрации растворенных минеральных солей и температуры. Природные воды представляют в основном растворы смесей сильных электролитов. Минеральную часть воды составляют ионы Na+, K+, Ca2+, Cl-, SO42-, HCO3-. Этими ионами и обуславливается электропроводность природных вод. Присутствие других ионов, например, Fe3+, Fe2+, Mn2+, Al3+, NO3-, HPO4-, H2PO4- не сильно влияет на электропроводность, если эти ионы не содержатся в воде в значительных количествах. На достоверность оценки содержания минеральных солей по удельной электропроводности в большой степени влияют температура и неодинаковая электропроводимость различных солей. Нормируемые величины минерализации приблизительно соответствуют удельной электропроводности 2 мСм/см (1000 мг/дм3) и 3 мСм/см (1500 мг/дм3) в случае как хлоридной (в пересчете на NaCl), так и карбонатной (в пересчете на CaCO3) минерализации.

"Значение S измеряется в Сименсах (См), миллиСименсах (мСм) или микроСименсах (мкСм), а л - в мкСм/см (микроСименсы на сантиметр). Для приблизительной оценки минерализации можно придерживаться такого эмпирически найденного соотношения: Содержание солей (мг/л) = 0.65 мкСм/cм То есть, для определения содержания солей измеренную величину проводимости умножают на коэффициент 0,65. Вообще-то величина этого коэффициента колеблется в зависимости от типа вод в диапазоне 0.55-0.75. Растворы хлористого натрия проводят ток лучше: Содержание NaCl (мг/л) = 0.53 мкСм/cм или 1 мг/л NaCl обеспечивает электропроводность в 1.9 мкСм/cм. "

Удельная электропроводность вод: инструментально определяемая косвенная характеристика минерализации пресной воды (солености морской воды) (см. электропроводность воды). У.э.в. измеряется при помощи платиновых или стальных электродов, погружаемых в воду, через которые пропускается переменный ток частотой от 50 Гц (в маломинерализованной воде) до 2000 Гц и более (в соленой воде), путем измерения электрического сопротивления. Для исключения влияния температуры измерения производятся при постоянной температуре 15оС (в океанологии), 18оС (в России, но в некоторых зарубежных странах -- при 20о или 25оС), либо приводятся к ней с использованием эмпирических формул. Расчет У.э.в. ведется по формуле k = C{K} T / R, где C -- капацитет датчика прибора, зависящий от материала и размеров электродов и имеющий размерность см-1, определяется при тарировке прибора по растворам хлористого калия с известной величиной У.э.в.; K T -- температурный коэффициент для приведения измеренной величины при любой температуре к принятому постоянному ее значению; R -- измеренное электрическое сопротивление воды прибором, в Омах. У.э.в. соленой воды принято выражать в См/м (См -- Сименс, величина, обратная Ому), пресной воды -- в микросименсах (мкСм/см). У.э.в. дистиллированной воды равна 2--5 мкСм/см, атмосферных осадков -- от 6 до 30 мкСм/см и более, в районах с сильно загрязненной воздушной средой, речных и пресных озерных вод 20--800 мкСм/см."

Способность одного кубического сантиметра вещества проводить определенный электрический заряд называется удельной электрической проводимостью, или удельной электропроводностью, этого вещества. Электропроводность -- явление обратное электрическому сопротивлению и измеряется единицами, называемыми мо. (Это слово представляет собой обратное написание единицы сопротивления ом.) Поскольку мо -- слишком большая единица для измерения электропроводности пресной воды и подземных вод, для этой цели используют миллионные доли мо, микромо.

Оконтуренные площади помогают быстро сравнивать результаты анализов. На диаграмме приведены результаты анализа, показанные на рис. 2.

Рис. 1. Диаграмма Стиффа для изображения состава воды в продольных координатах.

Рис. 2. График с двумя координатными осями, показывающий общую минерализацию и содержание хлоридов в подземных водах. Представлены результаты 100 анализов, взятых из различных работ. Видно, что по мере увеличения минерализации большинства подземных вод содержание NaCl в них увеличивается.

Рис. 3. Трехлинейная диаграмма, предложенная Пайпером. Показана химическая характеристика морской воды (А) и питьевой подземной воды (В) в процент-эквивалентах. Результаты каждого анализа представлены тремя точками:

вода электрический кислород соль

Удельная электрическая проводимость воды зависит от температуры, характера ионов и их концентрации (рис. 3). Обычно удельная электрическая проводимость воды дается для 25° С, так что она зависит только от концентрации и характера растворенных компонентов. Поскольку удельная электрическая проводимость измеряется очень быстро, по ней можно легко определить химический состав воды.

Среди распространенных типов природных вод при данной общей минерализации воды, содержащие бикарбонат и сульфат кальция, обычно имеют самую низкую проводимость, а воды, содержащие хлористый натрий, обладают наибольшей проводимостью. Общую минерализацию пресной воды в частях на миллион можно приблизительно определить, если величину ее удельной электрической проводимости в микромо умножить на 0,7. Однако наблюдается более точная зависимость между формой выражения минерализации воды в экв/млн и ее электропроводностью, выраженной в микромо. Для почти чистой воды, если разделить величину удельной электрической проводимости на 100, получим общую минерализацию воды в эквивалентах на 1 млн. с точностью до 5%. Для воды с минерализацией от 1 до 10 экв/млн точность полученной величины составляет около 15%. Логан считает, что обшая минерализация воды В, выраженная в эквивалентах на 1 млн., и ее удельная электрическая проводимость С связаны следующими эмпирическими зависимостями:

С = 100 В,

когда В < 1;

С= 12,27 + 86,38 В + 0,835 В²,

когда В = 1 -- 3;

C = B(95,5-5,54 lg B),

когда В = 3 -- 10;

С = 90 В,

когда В > 10 с преобладанием аниона НСО^-₃;

С = 123 В, ^0,939

когда В>10 с пресблгданием анисна Сl^-;

С = 101 В, ^0,949

когда В > 10 с преобладанием аниона SO^2-₄

Поскольку сумма эквивалентов анионов обычно несколько отличается от суммы эквивалентов катионов, величина В принимается как средняя из этих сумм. Приведенные зависимости верны только для значений В менее 1000 экв/млн.

Чистая вода имеет удельную электрическую проводимость 0,055 микромо при 25° G, лабораторная дистиллированная вода -- от 0,5 до 5, дождевая обычно -- от 5 до 30, подземная вода, годная для питья, -- от 30 до 2000, океаническая -- от 45 000 до 55 000, рассолы нефтяных месторождений -- более 100 000 микромо.

Рис. 4. Удельная электрическая проводимость водных растворов различных соединений. Влияние температуры на удельную электрическую проводимость воды особенно видно на примере, содержания NaCl.

Электрические свойства воды.

вода состоит из трёх атомов,

молярная масса воды 18 10-3кг/моль,

входит в состав всех организмов,

занимает 71% поверхности планеты,

молекулы воды не образуют кристаллической решётки,

вода является наиболее часто применяемым растворителем.

Вода -- самое распространенное на Земле вещество. Почти 3/4 поверхности земного шара покрыты водой, образующей реки и озера, океаны, моря. Много воды находится в газообразном состоянии в виде паров в атмосфере; в виде огромных масс снега и льда лежит она круглый год на вершинах высоких гор и в полярных странах.

В недрах земли также находится вода, пропитывающая почву и горные породы.

Природная вода не бывает совершенно чистой. Наиболее чистой является дождевая вода, но и она содержит незначительные количества различных примесей, которые захватывает из воздуха.

Количество примесей в пресных водах обычно лежит в пределах от 0,01 до 0,1%. Морская вода содержит 3,5% растворенных веществ, главную массу которых составляет хлорид натрия. Вода, содержащая большое количество солей кальция и магния, называется жесткой и в отличие от мягкой воды, к примеру, дождевой, жесткая вода дает мало пены с мылом, а на стенках котлов после кипячения образует накипь.

Водная среда включает поверхностные и подземные воды. Поверхностные воды в основном сосредоточены в океане, содержанием 1 млрд. 375 млн. км3 -- около 98 % всей воды на Земле. Поверхность океана (акватория) составляет 361 млн. квадратных километров. Она примерно в 2,4 раза больше площади суши территории, занимающей 149 млн. км2. Вода в океане соленая, причем большая ее часть (более 1 млрд. км3) сохраняет постоянную соленость около 3,5 % и температуру, примерно равную 3,7 °С. Заметные различия в солености и температуре наблюдаются почти исключительно в поверхностном слое воды, а также в окраинных и особенно в средиземных морях. Содержание растворенного кислорода в воде существенно уменьшается на глубине 50--60 м.

Можно сказать, что все живое состоит из воды и органических веществ. Без воды человек, например, мог бы прожить не более 2--3 дней, без питательных же веществ он может жить несколько недель. Для обеспечения нормального существования человек должен вводить в организм воды примерно в 2 раза больше по весу, чем питательных веществ. Потеря организмом человека более 10 % воды может привести к смерти. В среднем в организме растений и животных содержится более 50 % воды, в теле медузы ее до 96, в водорослях 95...99, в спорах и семенах от 7 до 15 %, В почве находится не менее 20 % воды, в организме же человека вода составляет около 65 % (в теле новорожденного до 75, у взрослого 60 %). Разные части человеческого организма содержат неодинаковое количество воды: стекловидное тело глаза состоит из воды на 99 %, в крови ее содержится 83, в жировой ткани 29, в скелете 22 и даже в зубной эмали 0,2 %.

Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. В составе обычной воды Н2О имеется небольшое количество тяжелой воды D2O и совсем небольшое количество сверхтяжелой воды Т2О. В молекулу тяжелой воды вместо обыкновенного водорода Н -- протия - входит его тяжелый изотоп D -- дейтерий, в состав молекулы сверхтяжелой воды входит еще более тяжелый изотоп водорода Т -- тритий. В природной воде на 1 000 молекул Н2О приходится две молекулы D2O и на одну молекулу Т2О --1019 молекул Н2О.

Тяжелая вода D2O бесцветна, не имеет ни запаха, ни вкуса и живыми организмами не усваивается. Температура ее замерзания 3,8 °С, температура кипения 101,42 °С и температура наибольшей плотности 11,6 °С. По гигроскопичности тяжелая вода близка к серной кислоте. Ее плотность на 10 % больше плотности природной воды, а вязкость превышает вязкость природной воды на 20 %. Растворимость солей в тяжелой воде примерно на 10 % меньше, чем в обычной воде. Поскольку D2O испаряется медленнее легкой воды, в тропических морях и озерах ее больше, чем в водоемах полярных широт.

В природе существует шесть изотопов кислорода. Три из них радиоактивны. Стабильными изотопами являются О16, О17 и О18. При испарении в водяной пар в основном переходит изотоп О16, неиспарившаяся же вода обогащается изотопами О17 и О18. В водах морей и океанов отношение О18 к О16 больше, чем в водах рек. В раковинах животных тяжелые изотопы кислорода встречаются чаще, чем в воде. Содержание изотопа О18 в атмосферном воздухе зависит от температуры. Чем выше температура воздуха, тем больше воды испаряется и тем большее количество O18 переходит в атмосферу. В период оледенений планеты содержание изотопа О18 в атмосфере было минимальным.

Всего можно получить 36 разновидностей воды. В природе чаще встречаются молекулы воды, построенные из наиболее распространенных изотопов. Молекул Н2О16 в природной воде содержится 99,73 %, молекул Н2О18 - 0,2 % и молекул Н2О17 - 0,04 %.

При электролизе обычной воды, содержащей наряду с молекулами Н2О также небольшое количество молекул D2O, образованных тяжелым изотопом водорода, разложению подвергаются преимущественно молекулы Н2О. Поэтому при длительном электролизе воды остаток постепенно обогащается молекулами D2O. Из такого остатка после многократного повторения электролиза в 1933 г. впервые удалось выделить небольшое количество воды, состоящей почти на 100 % из молекул D20 и получившей название тяжелой воды.

По своим свойствам тяжелая вода заметно отличается от обычной воды. Реакции с тяжелой водой протекают медленнее, чем с обычной. Тяжелую воду применяют в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах.

Зная физические свойства воды и льда, человек давно использует их в своей практической деятельности. Так, например, иногда применяется прокладка голых электрических проводов прямо по льду, так как электропроводность сухого льда и снега весьма мала. Она во много раз меньше электропроводности воды. Различные примеси оказывают большое влияние на электропроводность воды и почти не изменяют электропроводности льда. Электропроводность химически чистой воды обусловлена частичной диссоциацией молекулы воды на ионы Н+ и ОН-. Основное значение для электропроводности и воды и льда имеют перемещения ионов Н+ («протонные перескоки»). Электропроводность химически чистой воды при 18°С равна 3,8 -10-8 Ом-1см-1 а электропроводность морской воды около 5-10-2 Ом-1см-1. Электропроводность пресной природной воды может быть 1 000 раз меньше, чем морской. Это объясняется тем, что в воде морей и океанов растворено большее количество солей, чем в речной воде.

Существенную характеристику электрических свойств вещества дает относительная диэлектрическая проницаемость. У воды она имеет величину в пределах 79...81, у льда 3,26, у водяного пара 1,00705.

Размещено на Allbest.ru