電導(dǎo)儀是指以電化學(xué)測(cè)量方法測(cè)定電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)的儀器。在實(shí)驗(yàn)室中更是常見且*的儀器，所以，了解電導(dǎo)率儀的測(cè)定原理，熟悉電導(dǎo)率的含義，掌握電導(dǎo)率儀的測(cè)定方法可以使我們更好的實(shí)驗(yàn)。
溶解于水的酸、堿、鹽電解質(zhì)，在溶液中解離成正、負(fù)離子，使電解質(zhì)溶液具有導(dǎo)電能力，其導(dǎo)電能力大小可用電導(dǎo)率表示。了解電導(dǎo)率儀的測(cè)定原理，熟悉電導(dǎo)率的含義，掌握電導(dǎo)率儀的測(cè)定方法，測(cè)定過程中嚴(yán)格遵守操作規(guī)范并做好數(shù)據(jù)記錄。
首先，什么是電導(dǎo)率?
電導(dǎo)率-物理學(xué)概念，也稱為導(dǎo)電率。在介質(zhì)中，電導(dǎo)率與電場(chǎng)強(qiáng)度E之積等于傳導(dǎo)電流密度J。對(duì)于各向同性介質(zhì)，電導(dǎo)率是標(biāo)量;對(duì)于各向異性介質(zhì)，電導(dǎo)率是張量。生態(tài)學(xué)中，電導(dǎo)率是以數(shù)字表示的溶液傳導(dǎo)電流的能力。單位以西門子每米(S/m)表示。
電導(dǎo)率(conductivity)是用來描述物質(zhì)中電荷流動(dòng)難易程度的參數(shù)。在公式中，電導(dǎo)率用希臘字母κ來表示。電導(dǎo)率σ的標(biāo)準(zhǔn)單位是西門子/米(簡(jiǎn)寫做S/m)，為電阻率ρ的倒數(shù)，即σ=1/ρ。
當(dāng)1安培(1 A)電流通過物體的橫截面并存在1伏特(1 V)電壓時(shí)，物體的電導(dǎo)就是1 S。西門子實(shí)際上等效于1安培/伏特。如果σ是電導(dǎo)(單位西門子)，I是電流(單位安培)，E是電壓(單位伏特)，則：σ = I/E
通常，當(dāng)電壓保持不變時(shí)，這種直流電電路中的電流與電導(dǎo)成比例關(guān)系。如果電導(dǎo)加倍，則電流也加倍;如果電導(dǎo)減少到它初始值的1/10，電流也會(huì)變?yōu)樵瓉淼?/10。這個(gè)規(guī)則也適用于許多低頻率的交流電系統(tǒng)，如家庭電路。在一些交流電電路中，尤其是在高頻電路中，情況就變得非常復(fù)雜，因?yàn)檫@些系統(tǒng)中的組件會(huì)存儲(chǔ)和釋放能量。
電導(dǎo)和電阻也有關(guān)系，如果R是一個(gè)組件和設(shè)備的電阻(單位歐姆Ω)，電導(dǎo)為G(單位西門子S)，則：G = 1/R
物質(zhì)的電導(dǎo)率因其結(jié)構(gòu)和電導(dǎo)機(jī)制的不同，可以相差達(dá)幾十個(gè)數(shù)量級(jí)(見表)，故物質(zhì)之為導(dǎo)體或非導(dǎo)體只是相對(duì)的概念。
體積電導(dǎo)率：性質(zhì)：又稱比體積電阻。邊長(zhǎng)為1cm的立方體的體積電阻，以表示。表征絕緣介質(zhì)電性能的主要指標(biāo)。它與材料結(jié)構(gòu)、組成、雜質(zhì)含量、環(huán)境溫度和濕度等有關(guān)。對(duì)陶瓷介質(zhì)材料希望其數(shù)值越高越好。表達(dá)式為體積電阻率ρν=RV·(S/L)(式中，RV為測(cè)得的試樣電阻值;S為電極面積;L為試樣厚度)，單位為Ω·cm。電導(dǎo)率是物體傳導(dǎo)電流的能力。
電導(dǎo)率的測(cè)量通常是溶液的電導(dǎo)率測(cè)量。固體導(dǎo)體的電阻率可以通過歐姆定律和電阻定律測(cè)量。電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率的測(cè)量一般采用交流信號(hào)作用于電導(dǎo)池的兩電極板，由測(cè)量到的電導(dǎo)池常數(shù)K和兩電極板之間的電導(dǎo)G而求得電導(dǎo)率σ。電導(dǎo)率測(cè)量中早采用的是交流電橋法，它直接測(cè)量到的是電導(dǎo)值。常用的儀器設(shè)置有常數(shù)調(diào)節(jié)器、溫度系數(shù)調(diào)節(jié)器和自動(dòng)溫度補(bǔ)償器，在一次儀表部分由電導(dǎo)池和溫度傳感器組成，可以直接測(cè)量電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率。
電導(dǎo)率儀的測(cè)定原理
電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x的測(cè)量原理是將兩塊平行的極板，放到被測(cè)溶液中，在極板的兩端加上一定的電勢(shì)(通常為正弦波電壓)，然后測(cè)量極板間流過的電流。根據(jù)歐姆定律，電導(dǎo)率(G)一電阻(R)的倒數(shù)，由導(dǎo)體本身決定的(圖1)。
圖1 工作原理
電導(dǎo)率的基本單位是西門子(S)，原來被稱為歐姆。因?yàn)殡妼?dǎo)池的幾何形狀影響電導(dǎo)率值，標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量中用單位電導(dǎo)率S/cm來表示，以補(bǔ)償各種電極尺寸造成的差別。單位電導(dǎo)率(C)簡(jiǎn)單地說是所測(cè)電導(dǎo)率(G)與電導(dǎo)池常數(shù)(L/A)的乘積。這里的L為兩塊極板之間的液柱長(zhǎng)度，A為極板的面積。
水的電導(dǎo)率與其所含無機(jī)酸、堿、鹽的量有一定關(guān)系。當(dāng)它們的濃度較低時(shí)，電導(dǎo)率隨濃度的增大而增加，因此，該指標(biāo)常用于推測(cè)水中離子的總濃度或含鹽量。不同類型的水有不同的電導(dǎo)率。新鮮蒸餾水的電導(dǎo)率為0.2～2uS/cm，但放置一段時(shí)間后，因吸收了CO2，增加到2～4uS/cm;超純水的電導(dǎo)率小于0.1uS/cm;天然水的電導(dǎo)率多在50～500uS/cm之間，礦化水可達(dá)500～1000uS/cm;含酸、堿、鹽的工業(yè)廢水電導(dǎo)率往往超10000uS/cm;海水的電導(dǎo)率約為30000uS/cm。
KCl標(biāo)準(zhǔn)溶液的制備
1mol/LKCl標(biāo)準(zhǔn)溶液：準(zhǔn)確稱取在105℃干燥2h的優(yōu)級(jí)純KCl(或基準(zhǔn)試劑)74.5515g，用新制備的二級(jí)試劑水(20±2℃)溶解后移入1000mL容量瓶中，并稀釋至刻度，混勻。
0.1mol/LKCl標(biāo)準(zhǔn)溶液：準(zhǔn)確稱取在105℃干燥2h的優(yōu)級(jí)純KCl(或基準(zhǔn)試劑)7.4552g，用新制備的二級(jí)試劑水(20±2℃)溶解后移入1000mL容量瓶中，并稀釋至刻度，混勻。
0.01mol/LKCl標(biāo)準(zhǔn)溶液：準(zhǔn)確稱取在105℃干燥2h的優(yōu)級(jí)純KCl(或基準(zhǔn)試劑)0.7455g，用新制備的二級(jí)試劑水(20±2℃)溶解后移入1000mL容量瓶中，并稀釋至刻度，混勻。
0.001mol/LKCl標(biāo)準(zhǔn)溶液：于使用前準(zhǔn)確吸取0.01mol/LKCl標(biāo)準(zhǔn)溶液100mL，移入1000mL容量瓶中，用新制備的二級(jí)試劑水(20±2℃)稀釋至刻度，混勻。以上KCl標(biāo)準(zhǔn)溶液，應(yīng)放在聚乙烯塑料瓶或硬質(zhì)玻璃瓶中，密封保存。這些KCl標(biāo)準(zhǔn)溶液在不同溫度下的電導(dǎo)率見表1。
表1 KCl標(biāo)準(zhǔn)溶液的電導(dǎo)率
電導(dǎo)率儀的操作
1.電導(dǎo)池常數(shù)的測(cè)定
水樣的電導(dǎo)率大小不同，應(yīng)使用電導(dǎo)池常數(shù)不同的電極。不同電導(dǎo)率的水樣可參照表2 選用不同電導(dǎo)池常數(shù)的電極。
表2 電導(dǎo)池常數(shù)
將選擇好的電極用II級(jí)試劑水洗凈，再用II級(jí)試劑水沖洗2～3次，浸泡在I級(jí)試劑水中備用。
2.取50～100mL水樣(溫度25℃±5℃)，放入塑料杯或硬質(zhì)玻璃杯中，將電極用被測(cè)水樣沖洗2～3次后，插入水樣中進(jìn)行電導(dǎo)率測(cè)定。重復(fù)取樣測(cè)定2～3次，測(cè)定結(jié)果讀數(shù)相對(duì)誤差均在±3%以內(nèi)，即為所測(cè)的電導(dǎo)率值，同時(shí)記錄水樣溫度。
3.對(duì)未知電導(dǎo)池常數(shù)的電極(或需要校正電導(dǎo)池常數(shù)時(shí))，可用該電極測(cè)定已知電導(dǎo)率的KCl標(biāo)準(zhǔn)溶液(25℃±5℃)的電導(dǎo)(表4-1)。然后按所測(cè)結(jié)果算出該電極的電導(dǎo)池常數(shù)。為了減少誤差，應(yīng)當(dāng)選用電導(dǎo)率與待測(cè)水樣相近的KCl標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行標(biāo)定。電極的電導(dǎo)池常數(shù)按下式計(jì)算：
K=G1/G2
式中K—電極的電導(dǎo)池常數(shù)，cm-1 ;
G1—KCl標(biāo)準(zhǔn)溶液的電導(dǎo)率，us/cm;
G2—用未知電導(dǎo)池常數(shù)的電極測(cè)定KCl標(biāo)準(zhǔn)溶液的電導(dǎo)率，us/cm。
結(jié)果計(jì)算
使用溫度傳感器時(shí)，顯示器的度數(shù)即為待測(cè)溶液25℃時(shí)的電導(dǎo)率。
未使用溫度傳感器時(shí)，水樣在非25℃時(shí)的電導(dǎo)率測(cè)定值應(yīng)該按下式換算為25℃時(shí)的電導(dǎo)率值。
Ks=Kt/1+a(t-25)
式中Ks—25℃電導(dǎo)率，us/cm;
Kt—測(cè)定時(shí)t溫度下電導(dǎo)率;
a—溫度矯正系數(shù)，取0.022;
t—測(cè)定時(shí)溫度，℃。
電導(dǎo)率儀使用時(shí)的注意事項(xiàng)
1.在測(cè)量純水或超純水時(shí)為了避免測(cè)量值的漂移現(xiàn)象，建議采用密封槽進(jìn)行在密封狀態(tài)下的流動(dòng)測(cè)量，如采用燒杯取樣測(cè)量則會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。
2.電極插頭座應(yīng)防止受潮，儀表應(yīng)安置于干燥環(huán)境，避免因?yàn)樗螢R射或受潮引起儀表的漏電或測(cè)量誤差。
3.電極應(yīng)該定期進(jìn)行常數(shù)標(biāo)定。
4.因溫度補(bǔ)償系采用固定的2%的溫度系數(shù)補(bǔ)償?shù)模詫?duì)高純水的測(cè)量盡量采用不補(bǔ)償方式進(jìn)行測(cè)量后查表。
5.測(cè)量電極是精密部件，不可以分解，不可以改變電極形狀和尺寸，且不可以用強(qiáng)酸、堿清洗，以免改變電極常數(shù)而影響儀表測(cè)量的準(zhǔn)確性。
6.為確保測(cè)量的精度，電極使用前應(yīng)用小于0.5uS/cm的蒸餾水(或去離子水)沖洗二次(鉑黑電極干放一段時(shí)間后在使用前必須在蒸餾水中浸泡一會(huì)兒)，然后用被測(cè)試樣沖洗三次后方可測(cè)量。
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