Электропроводность воды

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 диссоциации² 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 см²:

Электропроводность обозначается См (S) и измеряется в единицах системы СИ – в сименсах (siemens). Получаем следующее выражение: Ом⁻¹ = кг⁻¹•м⁻²•с³А².
Различают электропроводность удельную (K – каппа) и молярную или иначе эквивалентную (Λ – лямбда)³.

3. Факторы, определяющие электропроводность раствора

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

Катионы K⁺, Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺;
Анионы HCO₃^-, Cl^-, SO₄^2-.
Присутствуют и другие ионы (Al³⁺, Fe³⁺, Mn²⁺, Fe²⁺, 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).


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 см², 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».