В чем измеряется удельная электропроводность

4. Электропроводность растворов.

Под прохождением электрического тока через вещество пони­мают движение (перенос) электрических зарядов от одного полюса к другому под действием внешнего электрического поля. Способность вещества проводить электрический ток называется электропровод­ностью.

Различают две основные формы проводимости: электронную и ион­ную. Электронной проводимостью обладают, например, металлы в твер­дом и расплавленном состоянии. Электрический ток по этим провод­никам передается потоком электронов аналогично потоку газов в трубе в направлении от катода цепи к аноду.

В растворах электролитов перенос электричества осуществляется за счет перемещения ионов. Анионы в электрическом поле движутся к положительно заряженному электроду — аноду, катионы—к отрица­тельному электроду — катоду. Скорость движения ионов в растворах по сравнению со скоростями движения электронов в металлах мала, поэтому электропроводность, например, меди и серебра примерно в 1 000 000 раз больше электропроводности растворов.

Проводник, по которому течет электрический ток, представляет для него определенное сопротивление. За единицу сопротивления, как известно, принят ом, который представляет собой сопротивление столба ртути длиной 106,3 см и площадью сечения 1 мм 2 при 0°С.

СЛ. 9(0) Согласно закону Ома сопротивление R прямо пропорционально длине проводника l, обратно пропорционально площади сечения S и зависит от материала:

В этом уравнении  (греч. «ро») — удельное сопротивление, т.е. со­противление проводника, имеющего длину 1 см и сечение в 1 см 2 (при t = const), которое зависит исключительно от качества материала.

Значения удельных сопротивлений приведены в таблицах для одной и той же тем­пературы, поскольку сопротивление проводников зависит от темпе­ратуры. Эта зависимость для металлов и электролитов противополож­на: если сопротивление металлов с повышением температуры увели­чивается, то сопротивление растворов электролитов, наоборот, умень­шается (примерно на 1 – 2,5% на каждый градус).

Когда речь идет о растворах электролитов, обычно говорят не о со­противлении растворов, а об их электропроводности. Мерой электро­проводности является количество электричества, выраженное в куло­нах, которое за единицу времени проходит через электролит. Таким образом, СЛ. 9 (1) для растворов электролитов справедливо следующее соотно­шение:

I=LE

где I — сила тока, Е — электродвижущая сила (эдс), в; L, — электро­проводность электролита. В том случае, когда Е = 1, I = L L, как и I, есть сила тока, измеряемая в амперах. (2) Из курса физики известно, что

где R — сопротивление.

(2) Объединив два последних уравнения, получим:

Таким образом, электропроводность раствора можно характеризовать как величину, обратную его сопротивлению. Подставив в уравнение (**) значение R из закона Ома, будем иметь:

5. Удельная электропроводность

СЛ. 10 (0) величина 1/, обратная удельному сопротивлению, называемая удельной электропроводностью. Обозначается она буквой  (греч. «каппа»), С учетом этого обозначения уравнение (***) примет вид:

(1) Если S = 1 см 2 , а l — 1 см, то L, = . Удельная электропроводность электролита  представляет собой величину, обратную сопротивлению столба раствора длиной в 1 см и площадью сечения в 1 см 2 . Измеряется удельная электропроводность в [Ом -1 *см -1 ].

Поскольку в растворах электролитов при прохождении электри­чества ионы перемещаются между электродами и отдают свой заряд только на их поверхности, то в приведенной формуле S обозначает площадь, l — расстояние между электродами.

(2) Например, удельное сопротивление образца воды при 18°С равно =2*10 6 ом•см. Удельная электропроводность этого образца воды будет равна:

Если мы опустим в эту воду два электрода площадью в 1 см 2 , то при расстоянии между электродами в 1 см и разности потенциалов в 1 в сила тока будет равна 5 • 10 -7 а (при 18° С). Электропроводность растворов электролитов зависит от общего числа их ионов в единице объема раствора. Вследствие этого удельная электропроводность элек­тролитов зависит от концентрации раствора. По мере увеличения кон­центрации электролита удельная электропроводность сначала растет, а затем уменьшается, так как вместе с ростом числа ионов уменьшается ско­рость их перемещения, а также сте­пень диссоциации вещества. Первый фактор действует в растворах сильных электролитов, второй – в растворах сла­бых электролитов. При достижении оп­ределенной концентрации раствора влияние перечисленных факторов ста­новится настолько значительным, что дальнейшее увеличение концентрации приводит к уменьшению электропровод­ности (рис. 2 СЛ. 11).

Удельная электропроводность ра­створов электролитов зависит также от индивидуальных свойств ионов. Де­ло в том, что количество переносимого ионами электрического тока в растворе электролита зависит не только от числа ионов в единице объема, но и от скоро­сти их движения.

Известно, что различные ионы движутся в электрическом поле с неодинаковой скоростью. В табл. 1 СЛ. 12 приведены значения скорости движения некоторых ионов, отнесенные к падению потенциала в 1 в/см (абсолютные скорости движения ионов).

Абсолютные скорости ионов (см*сек) в воде при 18С и разности потенциалов 1 в/см

Электрохимия растворы электролитов как проводники второго рода. Электропроводность растворов электролитов

Вещества первого типа могут проводить электрический ток при наложении на них внешнего электрического поля, последнего – нет. Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

Под прохождением электрического тока через вещество подразумевают направленное движение (перенос) электрических зарядов. В зависимости от природы их носителя различают проводники первого рода и проводники второго рода.

В проводниках первого родаперенос электрического заряда осуществляется за счет направленного движения электронов. К ним относятся, главным образом, сплавы металлов, металлы и их расплавы.

В проводниках второго родаперенос электрического заряда осуществляется за счет направленного движения ионов. К ним относятся все электролиты. Причем в большинстве случаев используются растворы или расплавы данных соединений. Так как именно в таких системах за счет действия растворителя или высокой температуры образуются в достаточных количествах свободные ионы, способные перемещаться под действием внешнего электрического поля.

Способность вещества проводить электрический ток количественно характеризуется электропроводностью L, которую можно предсказать как величину, обратную сопротивлению проводникаR:

Единицей измерения электропроводности в системе СИ является Сименс (См) или Ом –1 .

Электропроводность представляет собой суммарный электрический заряд, проходящий через вещество за единицу времени, при приложении к нему разности потенциалов в 1 В.

Как и для обычных металлических проводников сопротивление растворов рассчитывается по формуле:

где  – удельное сопротивление, зависящее от природы раствора и его температуры; l – длина проводника (в случае раствора в её роли выступает расстояние между опущенными в него электродами); S – площадь поперечного сечения проводника (для растворов в его роли выступает площадь поверхности электродов).

Величина обратная , называетсяудельной электропроводностью ϰ(греческая буква «каппа»):

ϰ

Удельная электропроводность характеризует электропроводность объема раствора, заключенного между двумя параллельными электродами, имеющими площадь поверхности 1 м 2 каждый и расположенными на расстоянии 1 м друг от друга.

Удельная электропроводность растворов, в системе СИ измеряется в См ∙ м –1 или в Ом –1 ∙ м –1 .

Удельная электропроводность чистой дистиллированной воды при 291 Kравна 5 ∙ 10 –9 См ∙ м –1 . Т.е., если мы опустим в эту воду два электрода площадью 1 м 2 каждый, то при расстоянии между ними 1 м и разности потенциалов в 1 В сила тока будет равна 5 ∙ 10 –9 А. Такое маленькое значение удельной электропроводности воды объясняется слабой диссоциацией ее молекул

и низкой концентрацией положительно (Н + ) и отрицательно (ОН – ) заряженных ионов.

Удельная электропроводность растворов электролитов значительно выше и зависит от общего числа ионов в единице их объема, а значит и от концентрации самого электролита (табл. 18) и его степени диссоциации (если электролит слабый).

Таблица 18. Удельная электропроводность растворов некоторых электролитов в зависимости от их концентрации при 291 K, См ∙ м –1

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.

Что такое удельная проводимость

Электрическая проводимость различных веществ определяет их способность пропускать электрический ток. Она связана с наличием свободных зарядов, способных передвигаться внутри материала. Электропроводимость описывает общую способность вещества сопротивляться протеканию тока.

Что называют удельной проводимостью

Различие между удельной проводимостью и электропроводимостью

Удельная проводимость веществ и электрическая проводимость проводников — это разные физические величины. Электрическая проводимость — это свойство проводника или электрического компонента, например, резистора, катушки, транзистора и тому подобное. Удельной проводимостью обладают вещества, из которых изготавливаются проводники или электрические компоненты. Например, удельная электропроводность меди является всегда одинаковой и не зависит от формы и размера проводника, для изготовления которого она использовалась. Но при этом значение электропроводности медного провода зависит от диаметра, длины, формы и прочих параметров физического тела.

Удельная электропроводность — это величина, обратная удельному сопротивлению. Ее можно выразить как отношение плотности тока и напряженности электрополя.

Формула плотности тока

Если рассматривать проводник в форме куба, стороны которого равняются 1 м, то удельная проводимость будет соответствовать электропроводности, измеренной между двумя противоположными гранями данного куба.

Электрическая и удельная проводимость различных веществ связаны следующим уравнением:

Формула электропроводности

Данная формула справедлива как для проводника цилиндрической формы, так и призматической.

В чем измеряется

В системе СИ единицей измерения удельной проводимости является сименс на метр (См/м). Она так названа в честь немецкого изобретателя и ученого Вернера фон Сименса. Ее обозначение — См.

Диапазон удельной электропроводности довольно широк. Самый низкий показатель имеют вещества с высоким удельным сопротивлением (диэлектрики). Высокая УП свойственна металлам, таким как медь, алюминий, золото, серебро. Средние значения присущи водным растворам различных веществ (электролитам).

Удельная проводимость металлов и прочих веществ определяется количеством носителей зарядов (электронов, ионов), скоростью их перемещения и тем количеством энергии, которое они способны переносить. Ниже представлена таблица с электропроводностью некоторых веществ.

УП некоторых материалов

Проводимость и носители заряда

Электрическая проводимость веществ обусловлена способностью носителей заряда, присутствующих в этих веществах, свободно перемещаться в межатомном пространстве. Исходя из этой способности, выделяют разные типы проводимости:

• Проводники характеризируются высокой проводимостью благодаря большому количеству свободных электронов.
• Полупроводники отличаются тем, что их уровень проводимости можно регулировать.
• Диэлектрики обладают крайне низкой электропроводностью, что позволяет им служить хорошими изоляторами тока.

Классификация веществ в зависимости от электропроводности

В диэлектриках, пребывающих в равновесном состоянии, свободные электроны отсутствуют. Электрическая проводимость (ниже ЭП) этих материалов может увеличиваться при повышении температуры. Механизм ЭП связан с перемещением ионов между соседними узлами кристаллической решетки.

Полупроводники могут иметь такие виды проводимости, как электронная и дырочная. Электронная проводимость связана с движением электронов, а дырочная, соответственно, дырок.

Образование дырки

Подвижность электронов и дырок намного больше, чем ионов, поэтому ЭП полупроводников выше по сравнению с диэлектриками, но она сильно зависит от таких внешних воздействий, как освещение, температура, давление, ионизирующее излучение.

Проводники отличаются высокой концентрацией свободных заряженных частиц. Они присутствуют в этих веществах даже при температуре, равной абсолютному нулю. К проводникам относят металлы и электролиты. Последние обладают ионной проводимостью, а электронная проводимость характерна для металлов.

Что относят к проводникам

Еще одна характерная особенность металлов — невысокая поперечная проводимость. Так называют способность материала проводить ток в направлении, перпендикулярном направлению самого тока. Для некоторых полупроводников показатели поперечной проводимости могут быть довольно существенными.

Механизм проводимости металлов

В металлах ток проводимости возникает благодаря тому, что валентные электроны в кристаллических решетках этих материалов слабо связаны с ядром, поэтому могут свободно перемещаться от одного атома к другому. Когда к проводнику прикладывается внешнее напряжение, свободные электроны начинают двигаться однонаправлено, в результате возникает так называемый ток проводимости.

Образование тока в проводнике

Плотность тока проводимости определяется с помощью формулы:

Уравнение для определения плотности тока

Так как электропроводность является коэффициентом пропорциональности между плотностью тока и напряженностью электрополя, то можно записать такую формулу:

Альтернативная формула

Данная формула относится к материальным уравнениям. Ее называют законом Ома в дифференциальной форме.

Согласно классической теории металлов, справедливым является следующее уравнение:

Вычисление УП металлов

Высокой подвижностью электронов объясняется высокая электропроводность металлов. Наилучшие показатели у серебра, меди, золота, алюминия. ЭП стали и вообще железа несколько хуже. Сплавы стали и легирующих веществ также обладают худшими показателями, чем чистые металлы. Низколегированные и углеродистые стали проводят электроток в несколько раз лучше по сравнению с высоколегированными и жаропрочными материалами, содержащими высокий процент хрома и никеля.

ЭП разных металлов

Факторы, влияющие на электропроводность

Электропроводность материалов тесно связана с их физическими параметрами. Основные факторы влияния включают:

• Температуру. Обычно электропроводность металлов уменьшается с повышением температуры. Это связано с тем, что при более высоких температурах атомы в веществе начинают колебаться сильнее, что затрудняет свободное движение электронов. У полупроводников, наоборот, ЭП увеличивается при нагреве, что обусловлено образованием большего количеств свободных заряженных частиц.
• Концентрацию свободных электронов. Чем больше свободных электронов, тем выше электропроводность.
• Плотность. Плотные материалы часто обладают более высоким значением, так как в них больше свободного пространства для движения электронов.
• Чистоту химического состава. Чистые ресурсы, особенно металлы, проявляют более высокую электропроводность. Наличие примесей и дефектов существенно снижает эффективность передачи электрического тока.

Связь электропроводности с теплопроводностью

Механизм как электропроводности, так и теплопроводности основывается на движении свободных носителей заряда. Связь между этими двумя физическими величинами устанавливает закон Видемана-Франца. Его формула выглядит так:

Формула закона Видемана-Франца

У одних веществ зависимость электропроводности от температуры выражена сильнее, а у других — слабее. Например, некоторые сплавы (константан, манганин, фехраль) в определенном интервале температур практически не меняют свое удельное сопротивление, поэтому их используют для изготовления термостабильных резисторов.

Металлы используются для изготовления различных деталей электроустройств, служат присадками в припоях, покрытиями для диэлектриков. Эти проводники применяются также в виде компонентов клеевых составов и красок, обеспечивая им хорошую проводимость тока. Материалы с высокой электропроводностью используются в качестве элементов разнообразного контактного оборудования — реле, рубильников, выключателей.

Основные группы проводников

Удельная проводимость позволяет нам понимать, как материалы взаимодействуют с электричеством. Это необходимо учитывать как при эксплуатации уже существующих электрических систем, так и при создании новых устройств и технологий.